1.Введение

Работу конструктора по проектированию нового изделия невозможно представить без проведения каких либо расчетов – прочностных, динамических, термодинамических, аэро- газодинамических, вибрационных и многих других. Ни одна из уже существующих САПР, ни в созданные будущем никогда не будут иметь приложения, удовлетворяющие любые запросы пользователя.

Специализированные САПР, например, в области машиностроения, должны включать в себя расчетные приложения, которые наиболее часто используются проектировщиком при создании новых изделий. САПР должна иметь возможность подключать к себе расчетные приложения, созданные другими фирмами-изготовителями и обеспечивать формирование приложений на универсальных языках программирования. Таким способом на предприятии, специализирующемся, например, в области компрессоростроения будет строиться и специализированная САПР в области компрессоростроения.

Назначение расчетных приложений в большинстве случаев зависит от типа модели, с которой они работают. Например:

• расчеты на прочность физических конструкций, подвергающихся воздействию изгибающих нагрузок, удобнее производить на основе поверхностных моделей

• расчет емкостей высоких давлений и других тонкостенных конструкций – на основе криволинейных 2-х мерные элементов в 3-х мерном пространстве

• при анализе таких конструкций, как корпуса клапанов, поршни и лопатки турбин, требующие громоздких расчетов на компьютере, точнее отражают нагрузки на конструкцию сложные трехмерные элементы

• при анализе валов, маховиков, форсунок, корпусов насосов, рабочих колес и ремней используются объемные сплошные осесимметричные элементы, образуемые путем вращения определенного сечения вокруг пространственной оси

Приложения должно позволять конструктору обращаться к расчетным операциям как в процессе создания новых конструкций, используя геометрические характеристики, полученные в результате предварительных расчетов, так и на конечной стадии проекта, когда геометрические и инерционные характеристики определяются автоматически на основе трехмерной модели компонентов сборки. В универсальной машиностроительной САПР обязательно присутствие расчетных приложений, позволяющих производить определение массовых и инерционных характеристик, к которым относятся площади поверхностей, объемы трехмерных объектов, массы и центры тяжести, моменты инерции. Не менее важно присутствие приложений для определения силовых факторов нагружения и расчета кинематических нагрузок на конструкцию, позволяющих воспроизвести любые движения механизма в любой момент времени на основе кинематических зависимостей заданных в модуле сборки.

Прочностные расчеты сопровождаются расчетами напряжений, при которых твердое тело с помощью булевых операций можно разбить на твердотельные конечные элементы. Основные принципы метода конечных элементов (МКЭ) были известны еще в 19-м веке, однако из-за сложности математических вычислений распространение они получили только с применением вычислительной техники. Расчет рабочего напряжения (прочности) основан на использовании коэффициентов жесткости, устанавливающих перемещение узлов нагруженной сетки, что позволяет определять напряжение в каждом элементе. Поэтому важным компонентом САПР являются программы предназначенные для прочностных расчетов напряженного состояния деталей методом конечных элементов: расчет максимальной и минимальной деформации детали, эквивалентные напряжения от внешних нагрузок, включая динамические нагрузки от ударов, кинематических ускорений с учетом температурных факторов, находящихся в зависимости от свойств материала и др.. С помощью такой программы конструктор на своём рабочем месте способен за короткое время провести расчеты и оптимизировать конструкцию, не выходя из графического редактора. Желательно наличие расчета несколько схем нагружений с различными способами закрепления существующей детали.

Именно наличие модуля прочностного анализа на базе МКЭ является обязательным в любой машиностроительной САПР, а тем более в специализированной САПР для компрессоростроения. Такое приложение позволяет выполнить анализ и решать задачи линейной статики и динамики конструкций, причем генератор сетки по МКЭ, расчеты и представление результатов должны быть интегрированы в рамках одного пакета. Данные, полученные в результате расчетов МКЭ-модели, ассоциативно связаны с анализируемой геометрией, поэтому любое изменение в геометрической модели приводит к автоматическому пересчету этих данных. Конечно-элементные модели должны иметь возможность быть преобразованными в такие форматы, как MSC/NASTRAN, ANSYS, COSMIC NASTRAN, PATRAN, GTSTRUDL, нейтральный формат и/или переданы в другие системы инженерных расчетов.

Процесс расчета на прочность по МКЭ охватывает три этапа:

1. Подготовка модели и ее предварительный анализ.

2. Построение геометрической модели конструкции.

3. Анализ модели.

На этом этапе определяются:

1. значения перемещений узлов;

2. величины нагрузок на элемент, которые, в свою очередь, отображаются в виде сеток, деформированных под действием нагрузок изолиний с числовыми отметками о величинах нагрузок раскрашенных зон и интенсивности их цветов в зависимости от величин приложенной нагрузки, мультипликации динамического процесса изменения нагрузок и т.д.

В качестве геометрического инструмента подготовки данных для МКЭ по исследованию напряжений инженерных конструкций может применяться структурно-клеточное представление (СКП) объекта, в котором элементом расчета напряжений является геометрически определяемая "клетка" этого представления. Традиционные МКЭ, предполагающие строгое теоретическое обоснование, можно успешно применять лишь для ограниченного класса задач и особых условий нагрузки. Неуверенность в достоверности приближенного расчета предельных нагрузок вынуждает конструкторов усложнять конструкции, что приводит к перерасходу материалов и увеличению стоимости.