Система Unigraphics
Система Unigraphics фирмы EDS широко распространена в аэрокосмической и автомобильной промышленности, а также и машиностроении. Особенностями являются наличие средств гибридного трехмерного моделирования, ассоциативной базы данных, развитых средств моделирования сборочных узлов и создания чертежей.
В состав Unigraphics входит несколько десятков модулей, основные:
• UG/Gateway – модуль, поддерживающий интерфейс системы с пользователем и взаимодействие между ее отдельными компонентами;
• UG/Solid Modeling – базовый модуль трехмерного гибридного моделирования (проволочного, поверхностного, твердотельного и их модификаций);
• UG/Features Modeling – модуль, позволяющий редактировать и параметрически задавать стандартные элементы изделий (отверстия, щели, выступы, прокладки, стержни, трубы, желоба и т.д.);
• UG/Freeform Modeling – модуль трехмерного моделирования сложных «скульптурных» поверхностей;
• UG/User-Defined Features – модуль, позволяющий представлять произвольные группы деталей в виде одного параметризованного стандартного объекта, который может использоваться всеми конструкторами,
• UG/Drafting – модуль автоматизированного черчения, поддерживающий все основные промышленные стандарты (ANSI, ISO, DIN, JIS) и включающий в себя средства формирования ортогональных и изометрических проекций, разрезов, сечений и т.д.;
• UG/Assembly Modeling – модуль, позволяющий создавать ассоциативные параметрические модели сложных сборочных узлов в режиме групповой работы конструкторов;
• UG/Mechanisms – модуль проектирования и моделирования двумерных и трехмерных механических систем непосредственно в среде пакет Unigraphics, позволяющий осуществить полный кинематический анализ, оценить зазоры между элементами, выявить столкновения, вычислить силы, моменты и т.д.
Кроме этого в состав Unigraphics входит целый ряд модулей для подготовки автоматизированного производства, базовыми из которых являются UG/CAM Base и UG/Postprocessor. Имеются также модули, ориентированные на конкретные технологические процессы: UG/MF-Flowcheck – для литья; UG/Lathe – для токарных работ; UG/Planar Milling, UG/Fixed-Axis Milling, UG/Variable-Axis Milling – для фрезерования; UG/Sheet Metal Design, UG/Sheet Metal Fabrication, UG/Sheet Metal Nesting – для изготовления изделий из листового металла. Используя средства пакета Unigraphics можно создавать фотореалистические изображения разрабатываемых изделий (UG/Photo) и их трехмерные прототипы (UG/Rapid Prototyping).
2. Моделирование процессов в металлах сварных конструкций методом конечных элементов
2.1. Назначение и методы моделирования процессов, протекающих в металле
При сварке различными способами происходит сложное взаимодействие процессов, воздействующих на свариваемые детали. Основными из них для большинства способов сварки являются:
•протекание электрического тока через сварное соединение;
•распространение теплоты от нагрева проходящим током и другими источниками, а также при последующем охлаждении;
•диффузия примесей, структурные, фазовые и химические превращения в металле шва и околошовной зоны, в том числе плавление и кристаллизация;
•деформация металла под действием нагрева и других факторов, приводящая к изменению его свойств, возникновению напряжений и повреждению или его полному разрушению.
Для оценки и повышения надежности сварной конструкции необходимо исследовать влияние на нее протекающих процессов. Основным средством исследования является проведение численных экспериментов на компьютерных моделях.
Рассмотрим методы моделирования процессов на примере решении задачи о протекании тока. Остальные из перечисленных задач сложнее, но решаются аналогично.
Постановка задачи такова: имеется сварное соединение, к нескольким точкам которого подведено напряжение от источника тока (потенциал этих точек известен). По детали течет ток, плотность которого различна в разных точках вследствие сложной формы и разного удельного сопротивлении. Требуется определить значение плотности тока как по величине, так и но направлению, а также электрические потенциалы в заданных точках на поверхности и в толще металла.
В
простейшем случае (длинный ровный
стержень из однородного металла) эта
задача элементарна, но в реальных случаях
сварных соединений дуговой и контактной
сварки она чаще всего не имеет
аналитического решения. К решению задачи
возможны два подхода: опираться либо
на дифференциальное уравнение, либо на
интегральное. По своему физическому
смыслу они аналогичны, различие имеет
технический характер. Для задачи о
протекании тока дифференциальным
уравнением является уравнение постоянства
заряда в элементарном объеме металла.
Это уравнение справедливо, если
рассматривать не переходные процессы
при включении тока, а его равновесное,
установившееся, медленно изменяющееся
протекание.
Для того чтобы заряд в элементарном объеме
dV=dxdydz (рис. 2.1)
не изменялся, сумма токов, направленных внутрь элемента через все его границы, должна быть равна нулю.
Согласно закону Ома, плотность тока
пропорциональна напряженности поля Е,
т.е. градиенту потенциала U:
где — удельное сопротивление вещества, n — координата, направленная по нормали к поверхности, через которую течет ток. Знак минус означает, что ток течет в направлении убывания потенциала. Ток равен произведению плотности тока на площадь поверхности, через которую он протекает.
Суммарный заряд, понижающий в элементарный объем dV через две его грани, перпендикулярные к оси х, пропорционален разности токов, протекающих через левую и правую грани:
Разность производных потенциала на
двух гранях равна второй производной
по координате х, умноженной на dx.
Если
,
значит ток, протекающий через левую
грань Iх1,
больше, чем вытекающий через правую Iх2
, т.е. в объеме происходит накопление
зарядов. Всего по трем осям получаем
Это уравнение постоянства заряда (первый закон Кирхгофа) приводит к уравнению Лапласа
(2.2)
относительно потенциала произвольной внутренней точки. Его необходимо проинтегрировать по всему объему детали с учетом граничных условий, и эту задачу, как отмечено выше, редко удается решить аналитически, особенно если она нелинейная (если электропроводность неодинакова в разных точках тела, тем более если она зависит от плотности тока, т.е. от результатов решения задачи).
Интегральное уравнение можно получить из условия минимума энергии. При заданной разности потенциалов на границах тела выделение энергии при прохождении тока обратно пропорционально сопротивлению цепи. Tок течет по пути наименьшего сопротивления, совершая минимально возможную работу. Вся работа за единицу времени может быть найдена, если выражение закона Джоуля–Ленца проинтегрировать по объему тела:
Равновесному состоянию соответствует такое распределение потенциалов и плотностей тока внутри сварного соединения, при котором значение интеграла минимально. Минимизируя Р, можно найти решение задачи. Трудности решения интегральных уравнений примерно такие же, как и дифференциальных.