Msc.Fatigue (Уникальные возможности оптимизации конструкции на основе критериев долговечности)

Сократить время разработки проекта и исключить будущие затраты на устранение разрушений посредством выполнения анализа долговечности можно еще на ранних стадиях проектирования, используя MSC.Fatigue.

Программа MSC.Fatigue разработана на основе многолетних теоретических и экспериментальных исследований, проводимых фирмами MSC.Software и nCode в области анализа усталостных разрушений, долговечности и ресурса. Анализ долговечности и ресурса осуществляется либо на основе результатов конечно-элементного расчета, который выполняется системами MSC.Nastran или MSC.Marc, либо на базе экспериментальных данных, а также усталостных характеристик материалов.

Исходной информацией для MSC.Fatigue является история нагружения конструкции, которая может быть определена путем расчета переходных динамических процессов и путем ввода результатов натурных испытаний или статистических данных. Вычисляется предельное число циклов, время работы конструкции, появление и рост трещин, разрушение, повреждаемость и другие параметры работоспособности конструкции.

MSC.Fatique содержит специализированную базу данных с усталостными характеристиками материалов и обеспечивает доступ к банкам материалов системы MSC.Mvision.

В состав широко используемых программных продуктов компании MSC.Software входят как упомянутые выше, так и другие, в том числе:

- MSC.Dytran – система анализа высоконелинейных быстротекущих процессов, связанных с взаимодействием конструкции и жидкости (газа) или конструкции с другой конструкцией;

- MSC.Marc – универсальная конечно-элементная программа для проведения анализа высоконелинейного поведения конструкций и решения задач теплопередачи;

- MSC.Adams – программное средство для виртуального моделирования сложных машин и механизмов;

- MSC.Mvision – первая в своем роде система хранения и комплексной обработки информации по материалам;

- MSC.Actran – система акустического анализа.

- MSC.Sofy – современный пре-/постпроцессор для решения задач прочности, анализа виброакустических характеристик изделия, оценки долговечности, моделирования различных краш-тестов (испытаний до разрушения).

В зарубежном и отечественном наукоемком машиностроении широко используются программные средства инженерного анализа компании ANSYS Inc., США. Программное обеспечение ANSYS применяется и при создании летательных аппаратов и двигателей для них [23].

ANSYS CFX

Методы вычислительной гидродинамики позволяют с высокой точностью определять летные характеристики будущего самолета задолго до проведения испытаний в аэродинамической трубе. В результате сокращается число испытаний, следовательно, уменьшаются и финансовые затраты.

Кроме того, совершенные технологические возможности программного комплекса ANSYS CFX позволяют моделировать физические процессы, протекающие в авиационных двигателях.

Задачи, решаемые с помощью ANSYS CFX.

В авиастроении:

- расчет аэродинамических характеристик крыла;

- аэродинамика и акустика винтов;

- оценка маневренных свойств самолета, устойчивости и управляемости;

- моделирование испытаний на флаттер;

- проектирование систем активной и пассивной безопасности;

- моделирование последствий нештатных ситуаций.

В двигателестроении:

- профилирование венцов турбомашин;

- моделирование теплового состояния деталей и узлов высокотемпературных ГТД;

- расчет процессов горения в камерах сгорания авиационных двигателей.

Характеристики ANSYS CFX

- Конечно-объемный метод решения уравнений гидродинамики.

- Разностные схемы первого и второго (по умолчанию) порядка.

- Процедура автоматической адаптации расчетной сетки.

- Множественные вращающиеся системы координат.

- Различные типы интерфейсов между расчетными областями лопаточных машин.

- Новые подходы к моделированию турбулентных течений (модель крупных вихрей – LES, переходная модель турбулентности).

- Точные модели многофазных сред и свободной поверхности.

- Разнообразные модели горения для всех типов пламени, в том числе, расчет сажеобразования и эмиссии вредных веществ (NO, CO).

- Наличие интерфейса для передачи распределенной и температурной нагрузок прочностного расчета.

- Параллельные вычисления.

- Встроенный командный язык и пользовательское программирование.

Система CFX эффективно используется за рубежом и в России. Канадская компания Bombardier Aerospace применила CFX при проектировании мотогондол ТВД. Компания Siemens AG Power Generation совместно со специалистами ANSYS Canada Ltd выполнила расчет осевого однокаскадного 15-ступенчатого компрессора с номинальным расходом воздуха 400 кг/c. Крупнейший немецкий производитель авиационных двигателей MTU Aero Engines использует ANSYS CFX для численного моделирования процессов в камерах сгорания. С помощью CFX компания DLR ФРГ, исследовала аэродинамику крыла самолета. Инженеры ЗАО «ЕМТ Р» применили ANSYS CFX для исследования структуры потока во внутренних каналах рабочей лопатки ТВД с конвективной системой охлаждения.

Компания ANSYS Inc. приобрела, распространяет и поддерживает известный среди специалистов программный продукт ANSYS Fluent, во многом аналогичный по характеристикам описанному выше ANSYS CFX.

ANSYS Mechanical/ANSYS LS-DYNA

Области применения.

В авиастроении:

- напряженно-деформированное состояние (НДС) элементов механизации крыла, конструкции фюзеляжа, шасси;

- моделирование эффекта флаттера, статическая и динамическая аэроупругость;

- прочность элементов конструкции самолета (оперения, фюзеляжа) при соударении с птицей;

- моделирование технологических процессов (штамповка металла, прокатка и др.).

В двигателестроении:

- НДС ответственных деталей и узлов двигателя (ГТД и др.);

- расчет статики элементов;

- расчет критических скоростей роторов с учетом податливости и перемещения опор;

- моделирование динамики элементов ротора и статора при обрыве лопаток;

- собственные частоты и формы колебаний лопаток;

- анализ ударного взаимодействия лопатки с птицей;

- прочность при циклических нагружениях;

- анализ контактного взаимодействия (расчет замков лопаток, бандажных полок, зубчатой передачи и т.д.).

Специалистами ЗАО «ЕМТ Р» оценивалось влияние массы птицы и угла соударения на прочность конструкции планера. Для повышения эффективности работы были разработаны специальные подпрограммы – макросы на командном языке ADPL. Использование ADPL значительно упростило ввод информации о нагрузках и формировании модели птицы с заданными параметрами.

В разделе, посвященном системе Pro/ENGINEER, были рассмотрены входящие в состав этой системы программные модули, поддерживающие анализ литейных процессов при изготовлении деталей из пластмассы. В конце прошлого века по рейтингу NASA лидером инженерного анализа литейных процессов был назван программный продукт ProCAST, оригинальным разработчиком которого является фирма UES Inc. (США), а ряд модулей был разработан швейцарской фирмой Calcom SA. В настоящее время права на ProCAST принадлежат компании ESI Group, партнером которой в России является группа компаний СSoft.

ProCAST

ProCAST – профессиональная система компьютерного 3D-моделирования литейных процессов методом конечных элементов. Система работает под ОС UNIX, MS Windows и позволяет моделировать практически все варианты литейных технологий, включая свободное литье в формы, литье под низким и высоким давлением, литье по выплавляемым моделям и т.д.

Разработчики избрали нестандартный путь построения системы: составляющие ее модули-решатели соответствуют не конкретным литейным технологиям, а физическим процессам, которые в различных сочетаниях реализуются этими технологиями.

Используя наглядный и интуитивно понятный интерфейс, пользователь формирует расчетную модель, а необходимые решатели подключаются в процессе решения (какие именно – зависит от набора параметров).

Основные модули программного комплекса.

- MeshCAST – полностью автоматический генератор 2D и 3D (тетраэдральной) конечно-элементной сетки для системы ProCAST. Он позволяет импортировать CAD-модели в форматах IGES, STEP, PARASOLID, STL и, при необходимости, вносить исправления в геометрию. В его состав включены инструменты автоматической генерации оболочек, что при моделировании литья по выплавляемым моделям существенно упрощает подготовку конечно-элементной модели. Помимо собственных сеток генератор считывает поверхностные и объемные сетки, подготовленные в системе MSC.Patran.

- PreCAST – препроцессор для ProCAST, позволяющий считывать конечно-элементную модель, назначать свойства материалов для различных компонентов модели, задавать контактные, граничные и начальные условия.

- DataCAST компилирует настройки и создает файлы, необходимые для расчета.

- ProCAST осуществляет анализ.

- ViewCAST представляет постпроцессор, позволяющий визуализировать результаты расчета в виде отчета ProCAST.

- Status помогает отслеживать выполнение расчета. Вычислительные ресурсы ProCAST определяются решателями, реализующими самые передовые модели и подходы.

- ProCAST Thermal Solver – расчетный модуль для моделирования тепловых явлений в процессе заливки формы и кристаллизации отливки. Эффективно моделируется многоцикловое литье в постоянные формы (учитывается постепенный прогрев формы в процессе выпуска партии деталей), а также процессы образования макро- и микропористости.

- Radiation Module – модуль расчета теплоизлучения в процессе кристаллизации отливки. Система учитывает разнообразные эффекты влияния теплоизлучающих отливок и других элементов системы друг на друга: прямое воздействие тепловых лучей, эффекты отражения, затенения по законам «визуальных факторов». Нагревательные элементы, отражающий экран, система охлаждения могут двигаться относительно отливки по заданным законам, при этом значения визуальных факторов автоматически пересчитываются.

- ProCAST Flow Solver – модуль, рассчитывающий течение потока расплава и анализирующий заполнение формы. Система ProCAST моделирует течение потока расплава со свободными поверхностями на основе уравнения течения Навье-Стокса и учитывает особенности различных методов литья. Таким образом, один и тот же модуль Fluids Module может использоваться для любого вида заполнения, вплоть до самых высоких скоростей течения, встречающихся при литье под давлением.

- Lost Foam option – опция к Flow Solver, предназначенная для расчета процесса литья по выжигаемым моделям.

- Tixocasting option – опция к Flow Solver для расчета литья тиксоматериалов.

- Centrifugal option – опция для расчета центробежного литья.

- Core Blowing option – опция, обеспечивающая расчет изготовления песчаных стержней.

- ProCAST Stress Solver – модуль расчета напряжений и деформаций (термические напряжения) по упруго-пластичным и упруго-вязкопластичным моделям. В системе ProCAST можно рассчитывать остаточные напряжения, пластические деформации и получать конечную форму отливки с учетом деформаций и действующих напряжений.

- Grain Structure Module (CAFE) – модуль стохастического прогнозирования качества процесса кристаллизации отливки, а также моделирования эволюции зерен и их роста в структуре расплава при затвердевании.

- Microstructure Module – расчет фазовых состояний микроструктуры для сплавов.

- Inverse Module – модуль обратного моделирования для уточнения граничных условий процесса по полученным экспериментальным данным.

- Porosity Module – расчет макро- и микропористости в получаемой отливке. Модель расчета тесно связана с прогнозированием «горячего» растрескивания, к которому и может привести пористость при появлении деформаций и внутренних напряжений. Система находит и отмечает зоны наиболее вероятного появления таких дефектов.

ProCAST представляет собой законченное решение, охватывающее широкий спектр литья металлов и сплавов. Большая часть сталей, чугунов, сплавов Al, Co, Cu, Mg, Ni, Ti, Zn представлена в соответствующих базах данных системы, открытых для пополнения и обновления. Интуитивно понятный интерфейс позволяет автоматически рассчитывать свойства сплава, просто задавая его состав.

Все модули моделируют реальную физику соответствующих процессов (теплопроводность, потоки, напряжения и т.д.) и, следовательно, применимы к любому типу технологических процессов литья, где должны учитываться эти физические явления. Модульного деления по виду применяемых материалов нет. Благодаря этому, например, один и тот же модуль течения Fluids Module может успешно применяться для чугуна, стали, алюминия и т.д. – причем система по умолчанию учитывает специфику расчета выбранного материала.

Таким образом, программный комплекс ProCAST, применимый к различным технологическим процессам литья и располагающий сложным математическим аппаратом, адекватно описывает физику литейных процессов и позволяет полноценно проанализировать технологию с учетом любых условий литейного производства. Гибкость этого пакета в сочетании с практическим опытом его разработчиков гарантирует, что ProCAST позволит решать и новые задачи, которые могут появиться при смене технологий на предприятии.

Данный раздел, завершает описание прикладного программного обеспечения верхнего уровня CAD/CAM/CAE/PDM, формирующего управление жизненным циклом (PLM) наукоемких изделий, в частности, разрабатываемых и изготавливаемых в авиационно-космической отрасли наукоемкой промышленности, и эксплуатируемых при непрерывной поддержке отрасли.