Методика интеграции с CAE системами

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Современный рынок машиностроения предъявляет все более жесткие требования к срокам и стоимости проектных работ. Проведение конструкторских работ, нацеленных на создание качественной, конкурентоспособной продукции, связано с подготовкой точных математических моделей узлов и агрегатов, а также с выполнением огромного объема математических расчетов, необходимых для инженерного анализа конструкций. Основной путь повышения конкурентоспособности предприятия связан с резким сокращением сроков создания моделей и ускорением расчетов математических параметров на всех этапах разработки продукции.

Проблемы интеграции программ всё более широко охватывают область разработки программного обеспечения [1]. Очевидно, что в течение короткого срока невозможно разработать с нуля систему расчёта методом конечных элементов, в которой был бы реализован весь необходимый расчётный функционал [2]. Невозможно (да и нецелесообразно) повторить путь давно развивающегося проекта. В России самыми популярными пакетами конечно-элементного анализа являются ANSYS, ABAQUS, NASTRAN и т.д. Это мощные вычислительные программы, на разработку и отладку которых ушло много лет, однако зачастую возникают задачи, реализовать которые в одной вычислительной системе подчас весьма сложно, или отсутствуют необходимые возможности, которые можно реализовать самостоятельно.

В связи с этим проблема интеграции своих программ с мощными расчетными системами и перенос результатов из одной в другую с их последующей обработкой является достаточно востребованной (рис. 1).

Рис. 1. Цикл интеграции CAD/CAE пакетов

Подобная задача возникла при необходимости выполнить параметрическую оптимизацию геометрии плоского манипуляционного механизма (рис. 2) и провести её верификацию с помощью натурных испытаний.

Рис. 2. Модель объекта

Поскольку данная задача предполагает проведение многократных численных экспериментов, в которых будут изменяться параметры геометрии образца, появляется необходимость в создании алгоритма, который позволяет модифицировать необходимые параметры в автоматическом режиме и запускать процесс расчёта без участия человека [3, 4]. Это в значительной степени экономит время расчётчика, уменьшает суммарное время расчёта.

Именно для решения этой проблемы была поставлена задача интегрировать программу с расчетным ядром ANSYS [5]. В данной работе рассматривается один из возможных подходов к реализации подобного алгоритма.

В предлагаемой реализации алгоритма используются языки APDL (файлы скриптов для расчётного ядра ANSYS) и C# (управляющая программа, в которой реализованы критерии и условия обработки выходных данных).

Аббревиатура APDL составлена из первых букв английских слов ANSYS Parametric Design Language, что означает "язык параметрического проектирования программы ANSYS". Это средство организации действий программы ANSYS, которое позволяет строить модель с использованием параметров (переменных), что, в свою очередь, дает возможность легко и удобно вносить изменения в проектную разработку. Кроме того, язык APDL обладает широкими возможностями, включающими повторное выполнение команд, создание макрокоманд (макросов), ветвление вычислительного процесса с помощью, а также использование векторных и матричных процедур. Наряду с тем, что язык параметрического проектирования является основой таких сложных приложений программы, как оптимизация проектных разработок и адаптивное перестроение сетки, в распоряжение пользователя им предоставляются многочисленные удобства, которые можно использовать при повседневной работе.

На рис. 3 представлена блок-схема реализованного алгоритма.

Рис. 3. Блок-схема реализованного алгоритма

Рассмотрим подробнее каждый пункт блок-схемы.

1. Формирование скрипта на языке APDL.

На этом этапе формируется скрипт, непосредственно используемый в расчётном ядре ANSYS. С его помощью задаются необходимые для проведения расчёта параметры: свойства материала, тип и свойства конечных элементов, геометрия образца, граничные условия и нагрузки. Стоит отметить, что формирование конечно-элементной сетки также происходит адаптивно в зависимости от изменения геометрии модели. Основная идея алгоритма построения сетки - разбиение объёма образца на несколько областей, для каждой из которых выбирается размер и тип элементов, степень сгущения вблизи границ. Вдали от концентраторов напряжений возможно использование гораздо более крупных КЭ, поскольку здесь наблюдается напряженное состояние без серьезных градиентов, в то время как вблизи требуется сгущение сетки.

С помощью сформированного скрипта программный комплекс ANSYS производит необходимые расчётные действия.

2. Формирование файла входных данных.

На этом этапе формируется файл, в котором указываются текущие значения варьируемых параметров. Перед началом расчёта здесь находятся «нулевые» значения, соответствующие, например, начальной точке при планировании эксперимента.

3. Запуск программы С# на расчёт.

Такая программа, по сути, является вычислительным центром алгоритма. Именно в ней реализованы условия, необходимые для изменения значений входных параметров. Более того, в программе могут быть реализованы любые алгоритмы, обрабатывающие результаты расчётов, как то: методы планирования эксперимента, генетические алгоритмы и т.д.

4. Запуск расчётного ядра ANSYS и APDL скрипта.

В этом пункте внешняя программа запускает ядро ANSYS в пакетном (batch) режиме, передавая в него необходимые для расчёта данные: файлы скриптов на языке APDL, входных данных. Здесь происходит интеграция стороннего программного продукта с конечно-элементным пакетом.

5. Получение и обработка результатов.

На этом этапе расчётное ядро ANSYS завершает свою работу, формируя файлы выходных данных.

6. Проверка полученного решения.

Здесь снова вступает в работу сторонняя программа. В ней проверяется, удовлетворяют ли полученные результаты необходимым критериям, и, если нет, происходит изменение параметров в соответствии с определёнными условиями (в данной конкретной задаче изменялась геометрия модели) и формирование новых входных файлов.

На рис. 4 изображена картина распределения вертикальных перемещений в модели для одного из расчётных случаев. В качестве нагружения принималась статическая нагрузка величиной 4кгс. Максимальное перемещение в этом случае составило 0.15мм (точка приложения нагрузки).

скрипт алгоритм инженерный

Рис. 4. Вертикальные перемещения в объекте

Нужно отметить, что возможны и другие формы и реализации алгоритма. Например, перенос части проверочных условий и критериев из внешней программы в код на языке APDL.

Поскольку поставленная задача требует проведения многократных численных экспериментов (для каждого из которых требуется построение своей геометрии и сетки конечных элементов) и является достаточно сложной, был разработан алгоритм, реализующий механизм интеграции сторонней управляющей программы (написанной на языке С#) с расчётным ядром пакета конечно-элементного анализа ANSYS. Подобная интеграция позволяет в автоматизированном режиме перестраивать геометрию модели в соответствии с изменениями параметров концентраторов и производить расчет, формируя файлы результатов, которые затем используются для дальнейшей обработки в управляющей программе.

Список литературы

1. М.В. Резников, А.С. Горобцов. Разработка метода интеграции CAD-CAE систем. Известия волгоградского государственного технического университета №3, 2007, с. 114-118.

2. O.C. Zienkiewicz, R.L. Taylor The Finite Element Method, Butterworth-Heinemann, 2000.

3. S.H. Lee. A CAD-CAE integration approach using feature-based multi-resolution and multi-abstraction modelling techniques. Computer-Aided Design № 37, 2005, pp. 941-955.

4. Borhen Louhichi, Gad N. Abenhaim, Antoine S. Tahan. CAD/CAE integration: updating the CAD model after a FEM analysis. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. January 2015, V. 76, Issue 1, pp. 391-400.

5. Чигарев А.В., Кравчук А.С., Смалюк А.Ф. ANSYS для инженеров: справочное пособие. Москва, Машиностроение-1, 2004. - 512 с.

Размещено на Allbest.ru