Cae пакеты. Основные функции cae-систем

И др.).

Современные системы автоматизации инженерных расчётов (CAE) применяются совместно с CAD -системами (зачастую интегрируются в них, в этом случае получаются гибридные CAD/CAE-системы).

CAE-системы - это разнообразные программные продукты, позволяющие при помощи расчётных методов (метод конечных элементов, метод конечных разностей, метод конечных объёмов) оценить, как поведёт себя компьютерная модель изделия в реальных условиях эксплуатации. Помогают убедиться в работоспособности изделия, без привлечения больших затрат времени и средств.

В русском языке есть термин САПР , который подразумевает CAD /CAM /CAE/PDM .

Наиболее распространённые CAE-системы

История развития

Историю развития рынка CAD/CAM/CAE-систем можно достаточно условно разбить на три основных этапа, каждый из которых длился, примерно, по 10 лет.

В начале 1980-х годов произошло расслоение рынка CAD-систем на специализированные секторы. Электрический и механический сегменты CAD-систем разделились на отрасли ECAD и MCAD. Разошлись по двум различным направлениям и производители рабочих станций для CAD-систем, созданных на базе ПК:

  • часть производителей сориентировалась на архитектуру IBM PC на базе микропроцессоров Intel х86;
  • другие производители предпочли ориентацию на архитектуру Motorola (ПК её производства работали под управлением ОС Unix от AT&T, ОС Macintosh от Apple и Domain OS от Apollo).

Производительность CAD-систем на ПК в то время была ограничена 16-разрядной адресацией микропроцессоров Intel и MS-DOS . Вследствие этого, пользователи, создающие сложные твердотельные модели и конструкции, предпочитали использовать графические рабочие станции под ОС Unix с 32-разрядной адресацией и виртуальной памятью, позволяющей запускать ресурсоёмкие приложения.

К середине 1980-х годов возможности архитектуры Motorola были полностью исчерпаны. На основе передовой концепции архитектуры микропроцессоров с усеченным набором команд (Reduced Instruction Set Computer - RISC) были разработаны новые чипы для рабочих станций под ОС Unix (например, Sun SPARC). Архитектура RISC позволила существенно повысить производительность CAD-систем.

С середины 1990-х годов развитие микротехнологий позволило компании Intel удешевить производство своих транзисторов, повысив их производительность. Вследствие этого появилась возможность для успешного соревнования рабочих станций на базе ПК с RISC/Unix-станциями. Системы RISC/Unix были широко распространены во 2-й половине 1990-х годов, и их позиции все ещё сильны в сегменте проектирования интегральных схем. Зато сейчас Windows NT и Windows 2000 практически полностью доминируют в областях проектирования конструкций и механического инжиниринга, проектирования печатных плат и др. По данным Dataquest и IDC, начиная с 1997 года рабочие станции на платформе Windows NT/Intel (Wintel) начали обгонять Unix-станции по объёмам продаж. За прошедшие с начала появления CAD/CAM/CAE-систем годы стоимость лицензии на них снизилась до нескольких тысяч долларов (например, 6000 долл. у Pro/Engineer).

Примечания

Ссылки

  • Конференция САПР2000 (бывший САПР2К), посвящённая использованию CAD/CAE/CAM-технологий

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Computer-aided engineering" в других словарях:

    Computer-aided engineering - (dt. rechnergestützte Entwicklung), abgekürzt CAE, umfasst alle Varianten der Computerunterstützung von Arbeitsprozessen in der Technik: CAD (computer aided design, rechnerunterstützte Konstruktion) Digital Mock Up (DMU, Ein und… … Deutsch Wikipedia

    Computer-Aided Engineering - , CAE … Universal-Lexikon

    Computer-aided engineering - Nonlinear static analysis of a 3D structure subjected to plastic deformations Computer aided engineering (CAE) is the broad usage of computer software to aid in engineering tasks. … Wikipedia

    computer-aided engineering - kompiuterinis konstravimas statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. CAE; computer aided engineering vok. CAE; rechnergestütztes Engineering, n rus. компьютеризованное конструирование, n pranc. I.A.O.; ingénierie assistée par ordinateur, f … Automatikos terminų žodynas

    Computer Aided Engineering - Zu diesem Stichwort gibt es keinen Artikel. Möglicherweise ist „computer aided engineering“ gemeint. Kategorie: Wikipedia:Falschschreibung … Deutsch Wikipedia

    computer-aided engineering - in industry, the integration of design and manufacturing into a system under the direct control of digital computers. CAE combines the use of computers in industrial design work, computer aided design (CAD), with their use in manufacturing… … Universalium

    computer-aided engineering - /kəmˌpjutər eɪdəd ɛndʒəˈnɪərɪŋ/ (say kuhm.pyoohtuhr ayduhd enjuh nearring) noun engineering which uses computers to assist especially in the collection and analysis of data but also in the production of graphics as in computer aided design. Also … Australian English dictionary

CAD-системы (сomputer-aided design – компьютерная поддержка проектирования) предназначены для решения конструкторских задач и оформления конструкторской документации (более привычно они именуются системами автоматизированного проектирования САПР). Как правило, в современные CAD-системы входят модули моделирования трехмерной объемной конструкции (детали) и оформления чертежей и текстовой конструкторской документации (спецификаций, ведомостей и т.д.). Ведущие трехмерные CAD-системы позволяют реализовать идею сквозного цикла подготовки и производства сложных промышленных изделий.

CAM-системы (computer-aided manufacturing – компьютерная поддержка изготовления) предназначены для проектирования обработки изделий на станках с числовым программным управлением (ЧПУ) и выдачи программ для этих станков (фрезерных, сверлильных, эрозионных, пробивных, токарных, шлифовальных и др.). CAM-системы еще называют системами технологической подготовки производства. В настоящее время они являются практически единственным способом для изготовления сложнопрофильных деталей и сокращения цикла их производства. В CAM-системах используется трехмерная модель детали, созданная в CAD-системе.

САЕ-системы (computer-aided engineering – поддержка инженерных расчетов) представляют собой обширный класс систем, каждая из которых позволяет решать определенную расчетную задачу (группу задач), начиная от расчетов на прочность, анализа и моделирования тепловых процессов до расчетов гидравлических систем и машин, расчетов процессов литья. В CAЕ-системах также используется трехмерная модель изделия, созданная в CAD-системе. CAE-системы еще называют системами инженерного анализа.

Общая классификация CAD/CAM/CAE-систем

За почти 30-летний период существования CAD/CAM/CAE-систем сложилась их общепринятая международная классификация:

– чертежно-ориентированные системы, которые появились первыми в 70-е гг. (и успешно применяются в некоторых случаях до сих пор);

– системы, позволяющие создавать трехмерную электронную модель объекта, которая дает возможность решения задач его моделирования вплоть до момента изготовления;

– системы, поддерживающие концепцию полного электронного описания объекта (EPD, Electronic Product Definition). EPD – это технология, которая обеспечивает разработку и поддержку электронной информационной модели на протяжении всего жизненного цикла изделия, включая маркетинг, концептуальное и рабочее проектирование, технологическую подготовку, производство, эксплуатацию, ремонт и утилизацию. Вследствие разработки EPD-концепции и появились основания для превращения автономных CAD-, CAM- и CAE-систем в интегрированные CAD/CAM/CAE-системы.



Традиционно существует также деление CAD/CAM/CAE-систем на системы верхнего, среднего и нижнего уровней. Следует отметить, что это деление является достаточно условным, т.к. сейчас наблюдается тенденция приближения систем среднего уровня (по различным параметрам) к системам верхнего уровня, а системы нижнего уровня все чаще перестают быть просто двумерными чертежно-ориентированными и становятся трехмерными.

В настоящее время на рынке широко используются два типа твердотельного геометрических ядра – Parasolid от фирмы Unigraphics Solutions и ACIS от Spatial Technology.

Российские САПР

КОМПАС 3D (АСКОН)

T-FLEX CAD 3D (Топ Системы) – Parasolid

САПР «Сударушка» - CAD/CAM/CAE система. Является развитием системы ГЕМОС (геометрическое моделирование обводов самолета), разработанной специалистами Российской авиационной промышленности в ОКБ им. А. С. Яковлева в 1989-1994 годах.

ADEM (Россия, Израиль, Геомания) - САПР для конструкторско-технологической подготовки и станков с ЧПУ. Основным продуктом является интегрированная CAD/CAM/CAPP система ADEM VX. Название расшифровывается как "автоматизированное проектирование, расчет и изготовление" (Automated Design, Engineering, Manufacturing); adem.ru. – ACIS

WinELSO 7 – предназначена для автоматизации работ при проектировании электроснабжения объектов на все напряжения 3-фазного, 1-фазного переменного и постоянного токов (Русская Промышленная Компания – авторизованный разработчик приложений под продукты Autodesk (Autodesk Developer Network)); winelso.ru.

Эксперт-СКС (Эксперт-Софт, Москва) - САПР для автоматизации на всех этапах проектирования структурированных кабельных систем, ВОЛС, ЛВС, линейных и магистральных сетей; expertsoft.ru.

Также существуют бесплатные САПР с открытыми исходным кодом.

САПР не российских производителей

Dassault Systèmes , Франция:

– CATIA - САПР для аэрокосмической промышленности;

– SolidWorks – универсальная САПР для машиностроения, Parasolid.

MathCAD (Mathsoft, сейчас – Parametric Technology Corp.) - математическое моделирование.

P-CAD (Altium, Сидней, Австралия) - САПР для проектирования электронных устройств.

Pro/Engineer (Parametric Technology Corp.) - универсальная САПР для машиностроения. Parasolid

SolidEdge (UGS – Siemens PLM Software) - 2D/3D CAD-система.

Autodesk Inc. :

– AutoCAD - самая распространённая САПР не российского производства. – – Autodesk Inventor - система трехмерного твердотельного проектирования для разработки сложных машиностроительных изделий – ACIS

Примерная стоимость систем, руб

Разделение на уровни условно, в основном зависит от функциональных возможностей и, следовательно, определяется ценой за рабочее место.

Системы низкого уровня к САПР никакого отношения не имеют. Это графические редакторы, предназначенные для автоматизации инженерно-графических работ, совместно с компьютером и монитором представляют собой "электронный кульман", то есть хороший инструмент для выполнения конструкторской документации. Эти системы называют двухмерными.

Общее название систем первого и второго уровней – трехмерные системы. Проектирование происходит на уровне твердотельных моделей с привлечением мощных конструкторско-технологических библиотек, с использованием современного математического аппарата для проведения необходимых расчетов. Эти системы позволяют с помощью средств анимации имитировать перемещение в пространстве рабочих органов изделия (например, манипуляторов роботов). Они отслеживают траекторию движения инструмента при разработке и контроле технологического процесса изготовления спроектированного изделия. Такие системы называются САПР/АСТПП (Системы Автоматизированного Проектирования/ Автоматизированные Системы Технологической Подготовки Производства), иначе говоря – сквозные САПР (CAD/CAM/CAE).

Системы CAD/CAM/CAE позволяют в масштабе целого предприятия логически связывать всю информацию об изделии, обеспечивать быструю обработку и доступ к ней пользователей, работающих в разнородных системах.

Создаваемая системой модель основана на интеграции данных и представляет собой полное электронное описание изделия, где присутствуют конструкторская, технологическая, производственная и др. базы данных по изделию. Это обеспечивает значительное улучшение качества, снижение себестоимости и сокращение сроков выпуска изделия на рынок.

Для проектирования систем электроснабжения (СЭ) возможно применение САПР из других отраслей производства, но специфические особенности систем электроснабжения как сложных технических систем требуют несколько другого подхода в проектировании.

Существующие системы проектирования СЭ, использующие вычислительную технику, ориентированы в основном на автоматизацию отдельных процедур или этапов процесса проектирования. Опыт показывает, что проще и эффективнее обучить специалистов по электроснабжению одной новой дисциплине – аппаратным и программным средствам вычислительной техники и САПР, чем специалистам-разработчикам САПР и программного обеспечения овладеть многими электротехническими дисциплинами, которые даются инженерам-электромеханикам. При изучении дисциплины "САПР электроснабжения" подразумевается знание курсов электротехнических дисциплин, а также умение работать с ЭВМ на уровне пользователя.

/CAE были компании Applicon, Auto-Trol Technology, Calma, Computervision и Intergraph. Поскольку мейнфреймы того времени были несовершенными, то появлялись определенные трудности. Интерактивный режим работы был практически недоступен из-за большой нагрузки на центральный процессор. Стоимость одной CAD /CAM /CAE системы составляла порядка $90000. С развитием прогресса аппаратные платформы CAD /CAM /CAE систем перешли с мейнфреймов на персональные компьютеры. Это было связано с меньшей стоимостью и большей производительностью ПК по сравнению с мейнфреймами. Закономерно снизилась и цена на CAD /CAM /CAE до $20000. На базе ПК создавались рабочие станции для CAD , которые поддерживали архитектуру IBM PC или Motorola. В середине 80-х годов появились архитектуры микропроцессоров с усеченным набором команд RISC (Reduced Instruction Set Computing). На их основе были разработаны более производительные рабочие станции, опиравшиеся на операционную систему Unix . С середины 90-х годов конкуренцию системам RISC /Unix составили технологии, разработанные компанией Intel на основе операционных систем MS Windows NT и MS Windows 2000 . В настоящее время стоимость CAD /CAM /CAE систем снизилась и составляет не более $10000.

Классификация

  • Системы полнофункционального инженерного анализа, обладающие мощными средствами, большими хранилищами типов для сеток конечных элементов, а также всевозможных физических процессов. В них предусмотрены собственные средства моделирования геометрии. Кроме того, есть возможность импорта через промышленные стандарты Parasolid , ACIS . Полнофункциональные САЕ-системы лишены ассоциативной связи с CAD . Поэтому, если в процессе подсчета появляется необходимость изменить геометрию, то пользователю придется заново производить импорт геометрии и вводить данные для расчета. Самыми известными подобными системами считаются ANSYS/Multiphysics , AI*NASTRAN и MSC.NASTRAN .
  • Системы инженерного анализа, встроенные в тяжелые САПР , имеют значительно менее мощные средства анализа, но они ассоциативны с геометрией, поэтому отслеживают изменения модели. Расчетные данные структурированы и интегрированы в общую систему проектирования тяжелой САПР . К ним относятся Pro/MECHANICA для Pro/ENGINEER , Unigraphics NX CAE для Unigraphics NX , Extensive Digital Validation (CAE) для I-deas , Catia CAE для CATIA ;
  • Системы инженерного анализа среднего уровня не имеют мощных расчетных возможностей и хранят данные в собственных форматах. Некоторые их них включают в состав встраиваемый интерфейс в CAD -системы, другие считывают геометрию из CAD . К первым относятся COSMOS/Works , COSMOS/Motion , COSMOS/FloWorks для SolidWorks Трехмерная проектная среда , ко вторым - visualNastran , Procision .

Возможности САЕ

С помощью САЕ можно проводить:

  • Прочностной анализ компонентов и узлов на основе метода конечных элементов;
  • Термический и гидродинамический анализ;
  • Кинематические исследования;
  • Моделирование таких процессов, как литье под давлением;
  • Оптимизацию продуктов или процессов.

Этапы работы с САЕ

  • Предварительная обработка - определение характеристик модели и факторов внешней среды, которые будут на нее воздействовать;
  • Анализ и принятие решения;
  • Обработка результатов.

Отрасли применения

Наибольшей популярностью САЕ пользуются в следующих отраслях производства: машиностроение и станкостроение, оборонная и аэрокосмическая промышленность, энергетика, судостроение, производство полупроводников, телекоммуникации, химическая, фармацевтическая и медицинская промышленность, строительство, производство систем отопления, кондиционирования, вентиляции.

Опыт использования САЕ в автомобильной промышленности

Преимущество систем САЕ состоит в том, что автопроизводители могут проводить компьютерное тестирование разрабатываемых моделей. Это позволяет сосредоточить максимум внимания на повышении безопасности, комфортности и долговечности автомобилей, не затрачивая при этом финансовых средств. Безопасность пассажиров при столкновениях может быть оценена при помощи таких программных продуктов, как RADIOSS , LS-DYNA , PAM-CRASH .

Основные направления в развитии САЕ

В процессе развития САЕ разработчики стремятся увеличить их возможности и расширить сферы внедрения. Преследуются следующие цели:

  • Совершенствование методов решения междисциплинарных задач моделирования;
  • Разработка новых платформ для интеграции различных систем САЕ, а также для интеграции САЕ-систем в PLM -решения;
  • Повышение интероперабельности САЕ и CAD систем;
  • Совершенствование методов построения расчетных сеток, описания граничных условий, параллельных вычисление и т.д;
  • Улучшение характеристик моделей, которые применяются для описания свойсв материалов;
  • Оптимизация систем САЕ для компьютерных платформ с 64-битными и многоядерными процессорами, а тем самым улучшение условий для моделирования сложных конструкций с большим количеством степеней свободы.

Мировой рынок

По прогнозу TechNavio (весна 2013 года), рынок CAE в ближайшие пять лет будет ежегодно расти на 11,18% и к 2016-му достигнет 3,4 млрд. долл. Этот рост обусловлен целым рядом факторов, главный из которых - необходимость ускорения выпуска продукции на рынок. А основным тормозом, как и в случае CAD, является рост популярности систем с открытым исходным кодом, обусловленный высокой стоимостью лицензий на коммерческие CAE-системы.

Из географических регионов самым большим с точки зрения востребованности CAE в 2012-м стала Северная Америка, а по темпам роста первое место занял Азиатско-Тихоокеанский регион, в котором активно развивается промышленность.

Наибольшее распространение CAE-системы получили в автомобиле- и самолетостроении, электротехнике и электронике, тяжелом машиностроении и оборонной отрасли. Самый высокий рост спроса на CAE ожидается в автомобильной промышленности, а наименьший - в тяжелом машиностроении.

Ведущие позиции на рынке CAE занимают Ansys, MSC Software, Dassault Systemes, CD-adapco Group и LMS International. Кроме них в этой области работает немало менее крупных компаний, но число фирм, сосредоточенных только на CAE, сокращается, так как их покупают более крупные игроки ради их технологий.

В своем комментарии аналитики из TechNavio отметили, что некоторые крупные глобальные поставщики CAE и PLM начали продвигать `глобализованные` лицензии, которые позволяют купившим их заказчикам использовать CAE-системы в любой точке мира и обращаться за услугами поддержки в офис поставщика в любой стране. Это позволяет вендорам устранить разницу в стоимости своих продуктов в различных странах и продавать их по одной цене по всему миру. Аналитики ожидают, что данный подход будет применять все больше поставщиков CAE и PLM, и тогда на рынке произойдут значительные перемены с точки зрения ценовой политики вендоров.

Постоянные трудности в разработке и сокращение сроков промышленных изделий поставили инженеров перед необходимостью сочетания эффективных методов для изучения особенностей поведения изделий с созданием реального прототипа. Практическое решение реальных промышленных задач механики, как правило, сводится к решению систем дифференциальных уравнений в частных производных. В 50-е годы были предприняты первые попытки приложения матричных методов к непрерывным структурам путем дискретизации на конечное число областей с заданными функциями аппроксимации неизвестных параметров. Появление электронно-вычислительной техники в 60-х годах оказало существенное влияние на аппарат численных методов, и дальнейшее их развитие неразрывно связано с прогрессом в области вычислительной техники.

Воплотившись в универсальных программных пакетах (получивших название Computer Aided Engineering - САЕ-системы), численные методы, в момент появления представлявшие только узконаучный интерес, за короткое время получили широкое распространение в инженерной среде. Полностью вытеснив старые методы, применяемые на стадии проектирования изделий, они стали основным средством при углубленном поверочном расчете.

Такая особенность методов, как работа с большими массивами данных, потребовала создания эффективных средств подготовки данных и обработки полученных результатов. В конце 70-х в расчетные пакеты был введен интерактивный режим работы. Это существенно упростило и ускорило процесс решения задач. Стало возможным использовать интерактивную графику для ввода и проверки геометрии модели, заданных свойств материала и граничных условий перед началом счета. Графическая информация предоставила возможность удобного визуального контроля результатов решения - зачастую единственно возможного способа оценки.

Стремительное развитие и распространение персональных компьютеров в последние годы привело к тому, что тяжелые расчетные программные пакеты стали доступны широчайшему кругу пользователей, постепенно спускаясь с многопроцессорных платформ сначала на рабочие станции UNIX, а затем и на ПК. Если в 1997 году, по статистическим данным, около 79% инсталляций систем САЕ приходилось на UNIX-платформы, то в 2000 году более 50% инсталляций будет приходиться на персоналки. За последний год на североамериканском рынке в сегменте компьютерных технологий наблюдается почти 25%-ный рост объемов, что в несколько раз превышает общие темпы роста по промышленности, при этом оборот рынка компьютерных технологий вышел на первое место по суммарному обороту, потеснив автомобильную отрасль. Это дает основания полагать, что в ближайшее время мы станем свидетелями бума компьютерных технологий, сравнимого по масштабам и последствиям только с появлением персональных компьютеров.

Современные САЕ-системы

Современные САЕ-системы представляют собой мощные средства инженерного анализа с развитым сервисным инструментарием, успешно применяющиеся для решения всех практических задач. В настоящее время на рынке представлено большое количество самых разнообразных расчетных пакетов. Рассмотрим программные продукты, основанные на методах конечных элементов (FEA), конечных (контрольных) объемов (control volumes) и т.д., которые традиционно применяются для решения задач прочности, электромагнитных полей, тепла, механики жидкостей и газов (CFD), акустики, моделирования техпроцессов и других инженерных проблем. Анализ динамики развития САЕ-систем позволяет выделить следующие основные тенденции и актуальные направления:

  • многодисциплинарность;
  • повышение скорости и эффективности;
  • повышение доступности тяжелых технологий.

Рассмотрим подробнее каждое из этих направлений.

Многодисциплинарность

Любая из представленных на сегодняшнем рынке систем при своем появлении являлась специализированной и ориентированной на проблематику только одной области - вычислительной гидрогазодинамики, прочности и т.д. вследствие различия математического аппарата решения каждого из этих типов. Однако в процессе развития программных продуктов стала очевидной необходимость организации связи между разнородными типами анализа. Так, например, имея поле давлений и температур по результатам аэродинамического расчета, было бы эффективно и разумно использовать их как исходные данные внешних нагрузок для проведения прочностного анализа. Следует отметить, что именно тематика взаимодействия жидкостей и газов с деформируемой конструкцией является сегодня одной из самых актуальных и быстроразвивающихся.

Практически реализовать такую возможность можно двумя путями, а именно:

  • многодисциплинарностью в рамках одного пакета;
  • интеграцией разнородных пакетов.

Оба направления, являясь взаимодополняющими, активно поддерживаются в настоящее время всеми известными производителями программного обеспечения (ПО). Так, например, комплекс ANSYS, будучи исключительно прочностным, в дальнейшем расширил области применения и последовательно включил теплофизику, электромагнитные поля и гидрогазодинамику. Благодаря этому стало возможным решать не только задачи в каждой из вышеприведенных областей, но и так называемые связанные задачи (например, индукционный нагрев токопроводящих структур, и далее - термодеформации). Надо отметить, что теперь самой фирмой ANSYS комплекс позиционируется как многодисциплинарный (multiphysics), и именно это его свойство является одним из важнейших в конкурентной борьбе. О важности многодисциплинарных связанных задач говорит осуществленная в 1999 году покупка фирмой ANSYS компании Centric Engineering Systems, Inc и системы Spectrum, основанной на алгоритмах произвольного контактного взаимодействия эйлеровых (традиционно применяемых для моделирования механики жидкостей и газов) и лагранжевых (механика сплошных сред) структур произвольного вида - ALE. Ожидается, что усиленный таким образом ANSYS будет сверхэффективным инструментом для решения связанных многодисциплинарных задач сверхбольшой размерности. Возможность передачи поля давлений и температур из газодинамического анализа в прочностной блок на сегодняшний день имеется практически у всех известных разработчиков тяжелых инженерных систем: из CFDesign в NASTRAN (MSC), из PAMFLOW в РАМCRASH…

В этом проявляется и стремление крупных разработчиков ПО (так же, как и производителей «железа») упрочить свои позиции на рынке путем покупки достаточно известных систем среднего и даже тяжелого уровня. В области САПР - это недавняя покупка фирмой PTC (Pro/Engineer) пакета CADDS и чуть ранее - расчетной системы Mechanica; Unigraphics и Dassault - систем Solid Edge и SolidWorks соответственно. В сфере конечно-элементных пакетов - покупка в 1999 году MSC - MARC и пр.

Одним из новейших методов, позволяющих реализовать в рамках одной программы прямое взаимодействие деформируемых конструкций с потоками жидкостей и газов, является так называемое произвольное лагранж-эйлерово взаимодействие. Первые научные публикации, посвященные этой тематике, появились в 1988 году. Среди известных авторов, активно работающих в этой области, можно назвать Томаса Хьюджеса (Thomas J.R. Hughes) (перешедшего теперь вместе со своим пакетом Spectrum в ANSYS) и Тэда Белышко (Ted Belyshko). Другим подтверждением явно оформившейся тенденции в развитии конечно-элементных пакетов является LS-DYNA (LSTC - Livermore Software Technology Corp), известная своей ориентацией исключительно на высоконелинейные и быстротекущие термомеханические процессы и основанная на явной схеме интегрирования по времени (модифицированный метод центральных разностей). Первичный код программы был разработан как средство для решения задач контактного взаимодействия оболочечных конструкций. В дальнейшем под воздействием запросов со стороны военно-промышленного комплекса США и автомобильной и авиакосмической отраслей в программу были включены и успешно решаются задачи гидро- и газодинамики, причем основное внимание уделяется связанным задачам. Реализация механизма взаимодействия жидкостей и газов с деформируемой конструкцией сделала возможным моделирование взрывного воздействия на конструкции (скажем, подводного взрыва на под- или надводные суда с разрушением последних, взрыва на борту летательных аппаратов или штамповки взрывом, поведения жидкостей с открытой поверхностью в деформируемых тонкостенных конструкциях, каковыми являются все топливные баки аэрокосмической индустрии, и др.).

Кроме того, в результате многолетнего сотрудничества фирм ANSYS, Inc. и LSTC в программу ANSYS была полностью интегрирована система LS-DYNA. Это иллюстрирует еще одно направление современного рынка - планомерное включение в один пакет двух типов решателей (ранее присутствовавших только по отдельности и, таким образом, строго задававших область применения той или иной программы). Соединение в одной программной оболочке традиционных неявных методов решения с обращением матриц и явной схемы, как это произошло с ANSYS и LS-DYNA, позволяет полностью использовать преимущества обоих методов и осуществлять переход с одного метода на другой в процессе решения задачи. С учетом предназначения каждого и с использованием функции перехода могут быть решены задачи динамического поведения предварительно напряженных конструкций (попадание птицы в преднапряженную турбину двигателя, сейсмический анализ сооружений, нагруженных, например, собственным весом, и т.п.), а также задачи исследования разгрузки конструкций, подвергнутых большим деформациям (упругое пружинение тонкого штампованного листа и т.д.). За последние несколько лет преимущества использования обеих схем настолько очевидны, что многие производители стали включать в свои программы недостающую: в 1999 году в LS-DYNA появились свои собственные неявные решатели (используются методы разреженных матриц, предопределенных сопряженных градиентов, Ланцоша (Lanczos)). То же самое прослеживается во всех системах, ориентированных на нелинейные задачи: системы ABAQUS, MARC имеют и явные и неявные решатели. Таким образом, все известные конечно-элементные системы (за исключением пока I-DEAS и COSMOS) имеют обе схемы. Вполне вероятно, что в ближайшие пять лет конечно-элементные системы, как и системы среднего уровня, включат оба метода.

В то же время в силу очевидных трудностей при разработке собственными средствами многих разнородных решений практически все известные разработчики программного обеспечения стремятся создать прямые интерфейсы к известному ПО в смежных областях. В качестве иллюстрации можно привести общеевропейский проект CISPAR, начатый в 1995 году. Заказчиками являются AeroSpatiale, Daimler-Chrysler, Sulzer Innotech и др. Суть проекта - создание универсальной библиотеки COCOLIB, связывающей разнородные специализированные гидрогазодинамические (CFD) и известные прочностные пакеты (ANSYS, ABAQUS, NASTRAN и др.) с целью решения связанных задач, а также осуществляющей с определенной периодичностью цикл «CFD-расчет => выдача результатов в COCOLIB => передача из COCOLIB в прочностной пакет => прочностной анализ => выдача напряженно-деформированного состояния в COCOLIB => полная перестройка сетки, моделирующая движение деформируемых тел и изменение областей интергрирования для CFD, => CFD-расчет». Для этого проекта была выбрана CFD-система STAR-CD (Computational Dynamics, Inc.). Объявлено, что в 1999 году система COCOLIB будет открыта для широкого использования.

Повышение скорости и эффективности

В приложении к рассматриваемому ПО общие требования, предъявляемые к любому продукту на современном рынке, могут быть переформулированы следующим образом: минимизация временных затрат при максимальном количестве принятых инженерных решений и максимальной всесторонности и глубине анализа. Процесс решения любой задачи состоит из трех этапов: постановка и подготовка исходных данных - создание модели, приложение начальных и граничных условий и нагрузок (так называемый препроцессинг), непосредственно решение, а также просмотр и обработка результатов расчета (постпроцессинг). Известно, что при решении практических задач временные затраты в процентном отношении составляют: около 40% - препроцессинг, 20% - решение и 40% - постпроцессинг. Первый и третий этапы, а именно пре-и постпроцессинг (около 80% суммарного времени), в большинстве случаев осуществляются средствами единого графического интерфейса. Следовательно, определяющим параметром является интенсивность пользовательской работы с графической оболочкой программы, то есть эффективность рабочего окружения; для сокращения же общего времени необходимо повышать:

  • эффективность рабочего окружения;
  • эффективность решателей (solver);
  • спектр возможностей.

Эффективность рабочего окружения

Наиболее очевидным и необходимым является развитие инструментария графического интерфейса. Однако, согласно проведенным исследованиям, простое добавление новых, пусть даже очень эффективных сервисных функций начиная с некоторого их критического количества, не приводит к интенсификации работы пользователя. Разработчики ПО встают перед необходимостью дальнейшего развития сервисных средств и повышением мобильности доступа к ним, теряемой из-за чрезмерного усложнения структуры графической оболочки. Первым способом, который стал воплощаться в среде САЕ-комплексов гораздо позднее, является иконное построение меню, что, впрочем, не дает значимого прироста производительности. Таким образом, первый уровень автоматизации, заключающийся в предоставлении пользователю множества инструментов для выполнения отдельных операций (сложение твердых тел, разбиение на конечные элементы, задание нагрузок и пр.), оказывается недостаточным. Одним из найденных эффективных решений, в первую очередь опробованных на простом ПО и знакомых всем, а теперь переходящих в тяжелые расчетные комплексы, является технология Wizards. Wizards-технология переводит автоматизацию работ на следующий уровень - автоматизацию не отдельных операций, а логически структурированных определенных стандартных последовательностей действий. При этом пользователь действует в жестких рамках, требуемых для выполнения задачи операций, причем возможность ошибки исключается, так как система не позволяет перейти к последующему этапу без определения всех необходимых параметров на предыдущем. В настоящий момент большинство разработчиков тяжелого ПО только начинают внедрение Wizards.

В качестве иллюстрации приведем ПО фирмы ANSYS, Inc. Отработка методологии была проведена на системе конструкторского направления DesignSpace, и к 1997 году DesignSpace был уже полностью построен на системе из нескольких специализированных Wizards - для задач статики, тепла, собственных частот, оптимизации. При запуске Wizard последовательно проводит пользователя по всем этапам, начиная от импорта геометрической модели до автоматизированного создания отчета по результатам проведенного расчета. В 1999 году фирма внедрила в головной тяжелый продукт элементы этой технологии. Так, например, требуемое для решения контактных задач назначение контактирующих поверхностей и задание условий контактного взаимодействия было объединено в группу Contact Wizard, а в новом продукте ANSYS/Professional вся система меню основана на похожих принципах: система не позволит запустить задачу на счет, если, например, не заданы свойства материала. Иллюстрацией из смежной области являются последние нововведения в уже упомянутом комплексе STAR-CD. И стандартный графический интерфейс, и опционно поставляемые специализированные сеточные генераторы SAMM (Semi-Automatic Meshing Methodology, adapco), ICEM (ControlData - PTC) в 1999 году также включили в себя подобные шаблоны, ведущие пользователя по всем этапам построения сеток, при этом от входа в систему до получения сетки при наличии готовой геометрии требуется всего три-четыре щелчка мыши.

Знакомая каждому расчетчику проблема составления отчетов в значительной мере разрешена в DesignSpace и ANSYS функцией автоматизированного составления отчета в формате HTML с полным описанием всех параметров задачи и использованием анимации (в том числе в формате VRML). Достаточно новой и привлекательной для корпоративных клиентов явилась возможность быстрого доступа к результатам расчета, проведенного другим пользователем на базе Internet -технологий. Отметим, что два-три года назад начавшие широко внедряться в области тяжелых CAD системы и возможности внутрикорпоративного взаимодействия и менеджмента проектов начали появляться и у производителей САЕ (например, MSC/SuperModel), хотя в специфичных условиях наших производств они еще долго не будут востребованы.

Эффективность решателей

Скорость решения задачи определяется возможностями реализованного в решателе алгоритма. Главное требование к решателям - это их способность быстро и устойчиво решать задачи большой размерности. Если в 70-х годах, как правило, решались системы из нескольких сотен неизвестных, а сверхбольшими считались задачи в 10-20 тыс. неизвестных, то в настоящее время обычным является решение систем из нескольких сотен тысяч неизвестных на персональном компьютере. Наибольшая известная задача, решенная на сегодняшний день, - это моделирование термогидрогазодинамического поведения атомного реактора, проведенное в 1998 году инжиниринговой фирмой adapco при помощи пакета STAR-CD, в разработке которого adapco принимает участие. Размерность составила 57 800 400 млн. (элементов) и сотни миллионов степеней свободы. Решение проводилось на кластере из 64 рабочих станций IBM SP, объединенных в сеть, и заняло 55 часов.

Этот пример наглядно иллюстрирует, пожалуй, самое «горячее» направление современных разработок - параллелизацию вычислений путем декомпозиции расчетных заданий (Domain Decomposition) на сетевых кластерах (то есть системах, состоящих из объединенных в сеть нескольких одинаковых или разнородных компьютеров). Совместно с динамическим размещением массивов эти возможности впервые стали доступными в 1998-1999 годах. За текущий год множество пакетов анонсировали реализации обеих этих методик - структурные ANSYS, LS-DYNA, MARC, гидрогазодинамические STAR-CD, CFX, FLOW3D и пр. Современное состояние рынка параллельных алгоритмов характеризуется следующими чертами:

  • отсутствием среди производителей многопроцессорных комплексов явного лидера (CRAY, NEC, Fujitsu…);
  • отсутствием единых стандартов и четкого приоритета в развитии. В настоящий момент существует множество различных компьютерных архитектур. Все более завоевывающие рынок вследствие относительной простоты реализации и, соответственно, пониженной стоимости массивно-параллельные комплексы и кластерные системы хуже подходят для инженерных вычислений, чем относительно старая векторная платформа;
  • проблемами параллелизации программных кодов - широко апробированные старые схемы довольно трудно адаптируются, а во многих случаях и вообще не подходят. Достаточно широкий круг задач требует разработки принципиально новых алгоритмов, изначально ориентированных на параллельные вычисления.

Спектр возможностей системы

Этот пункт является наиболее очевидным и по сути просто означает общее развитие возможностей в рамках научно-технического прогресса. Преобладающей тенденцией для программных средств по вычислительной механике твердого и жидкого тела является все большее включение нелинейных алгоритмов и более богатый инструментарий по моделированию нестационарных (transient), динамических процессов. Достаточно ознакомиться с позитивными изменениями в универсальных расчетных комплексах за последнее время, чтобы понять, что практически все они включают нелинейные модели материалов, методов решения и пр. Так как ни одно явление реального мира не является линейным, богатство нелинейного инструментария означает полноту и точность описания физики событий реального мира.

Неидеальные шарниры с зазорами, появившиеся в версии 10.0 системы ADAMS, возможности решения задач по механике жидкостей с открытой поверхностью и автоматизированное решение магнитопрочностных, термопрочностных и гидрогазодинамически-прочностных задач, специальные элементы предварительного напряжения для моделирования болтовых и других стянутых соединений в ANSYS 5.6 - это лишь малая часть тех изменений, которые все более приближают универсальные системы к полному комплексному описанию проблем любой сложности.

Повышение доступности тяжелых технологий

Доступность является комплексной характеристикой, позволяющей снизить стоимость программного обеспечения, необходимых для его работы аппаратных платформ и требований к образовательному уровню пользователей и пр.

Как и на рынке CAD/CAM, в области САЕ на быстрорастущий и перспективный сектор рынка средних систем начали активно проникать производители тяжелых пакетов, выпуская более дешевые и упрощенные версии. При этом в отличие от рынка CAD/CAM-систем среднего уровня, где проявляется одновременно два процесса - стремление средних по всем позициям максимально приблизиться к тяжелым пакетам и создание «младших братьев» больших пакетов (PT/Modeler от Pro/Engineer, Prelude от EUCLIDE, Artisan от I-DEAS и др.), - для САЕ действует преимущественно последняя тенденция. Производители тяжелых САЕ-пакетов пошли по пути интеграции расчетных модулей в среду CAD с исключением достаточно широкого круга возможностей CAE за счет максимальной интеграции с CAD-системой. При этом основной идеей таких модулей является максимальное упрощение работы, позволяющее тем, кто не имеет глубоких знаний в области вычислительной механики, производить расчет изделия, не выходя из среды столь милого ему AutoCAD (SolidWorks, Solid Edge…). Автоматизация в данном случае играет роль защиты от ошибок несведущего пользователя. Функции контроля и защиты построены на определенных правилах и нормах, выработанных в узком кругу расчетчиков и заложенных в модули в виде программных рекомендаций и ограничений. За последние три года практически все разработчики выпустили подобные продукты. Среди конечно-элементных систем ANSYS выпустил серию продуктов Design Space, за ним COSMOS - CosmosWorks, NASTRAN - Working Model и т.д. Известный производитель системы ADAMS, ориентированной на задачи в области теоретической механики и лидирующей в этой области, фирма MDI выпустила продукт под названием Dynamic Designer, являющийся приложением к AutoCAD, SolidWorks, SolidEdge и др. Еще пять-семь лет назад такие расчетные модули, интегрированные в среду CAD-систем, существовали только для тяжелых CAD, причем были собственными разработками производителей систем проектирования. Со временем появились аналогичные модули для пакетов проектирования от производителей тяжелых CAE-систем. В настоящее время они, как правило, используются как оболочка (сеточный генератор и постпроцессор) к аналитическому ядру от производителя CAE-программы . Еще более наглядной иллюстрацией является наличие абсолютно во всех больших и во многих средних системах проектирования средств по кинематическому и динамическому анализу механизмов. Как правило, эти средства - производные от ADAMS.

В ценовой категории программного обеспечения среднего уровня еще каких-то 10 лет назад существовали только специализированные программы, которые пытались «дотянуться» до больших систем. Будучи достаточно популярными, недавно появившиеся вышеописанные модули стали вытеснять с этого сегмента рынка специализированные аналитические программы профессиональной расчетной направленности среднего уровня, предлагая вполне сопоставимые аналитические возможности, но обладая при этом существенно большей простотой использования. Так, совсем недавно, решение контактных (геометрически нелинейных) задач для сборок было прерогативой только дорогостоящих САЕ-пакетов и уделом специалистов-расчетчиков. С новой версией DesignSpace 5.0 решение такого рода задач упростилось буквально до трех-четырех щелчков мыши. При этом в случае сборки пользователь выполняет один дополнительный щелчок мыши по сравнению с аналогичным расчетом единичной детали, всего лишь соглашаясь с предлагаемыми программой условиями контакта деталей (при этом области контакта, свойства и пр. определяются автоматически).

Все это дает возможность предположить, что в данной области с высокой степенью вероятности могут возобладать программные продукты в виде описанных модулей условно-«конструкторской» направленности, построенных на технологиях больших систем, преимущество которых перед обычными пакетами среднего уровня состоит помимо всего прочего и в обеспечении восходящей масштабируемости.

С ростом производительности компьютерной техники системы автоматизации инженерного анализа, являясь стимулятором ее развития, все ближе подходят к практически полностью автоматизированным комплексам, моделирующим события в масштабе реального времени, не расчленяющим комплексные проблемы на чисто прочностные, тепловые, газодинамические и пр., с визуализацией результатов расчета на уровне профессиональных программ анимации.

«САПР и графика» 2"2000

Функции CAD-систем в ма­шиностроении подразделяют на функции двухмерного (2D) и трехмерного (3D) проектирования. К функциям 2D относятся черчение, оформление конструкторской документации; к функциям 3D - по­лучение трехмерных моделей, метрические расчеты, реалистичная визуализация, взаимное преобра­зование 2D и 3D моделей.

Среди CAD-систем различают “легкие” и “тяжелые” системы. Первые из них ориентированы преимущественно на 2D графику, сравнительно дешевы и менее требовательны в отношении вычис­лительных ресурсов. Вторые ориентированы на геометрическое моделирование (3D), более универ­сальны, дороги, оформление чертежной документации в них обычно осуществляется с помощью предварительной разработки трехмерных геометрических моделей.

Основные функции CAM-систем: разработка технологических процессов, синтез управляющих программ для технологического оборудования с числовым программным управлением (ЧПУ), моде­лирование процессов обработки, в том числе построение траекторий относительного движения инст­румента и заготовки в процессе обработки, генерация постпроцессоров для конкретных типов обору­дования с ЧПУ (NC - Numerical Control), расчет норм времени обработки.

Наиболее известны (к 1999 г.) следующие CAE/CAD/CAM-системы, предназначенные для машиностроения. “Тяже­лые” системы (в скобках указана фирма, разработавшая или распространяющая продукт): Unigraphics (EDS Unigraphics); Solid Edge (Intergraph); Pro/Engineer (PTC - Parametric Technology Corp.), СЛТ1Л (Dassault Systemes), EUCLID (Matra Datavision), CADDS.5 (Computervision, ныне входит в PTC) и др.

“Легкие” системы: AutoCAD (Autodesk); АДЕМ; bCAD (ПроПро Группа, Новосибирск); Caddy (Ziegler Informatics); Компас (Аскон, С.Петербург); Спрут (Sprut Technology, Набережные Челны); Кредо (НИВЦ АСК, Москва).

Системы, занимающие промежуточное положение (среднемасштабные): Cimatron, Microstation (Bentley), Euclid Prelude (Matra Datavision), T-FlexCAD (Топ Системы, Москва) и др. С ростом возможностей персональных ЭВМ грани между “тяжелыми” и “легкими” CAD/CAM-системами постепенно стираются.

Функции CAE-систем довольно разнообразны, так как связаны с проектными процедурами ана­лиза, моделирования, оптимизации проектных решений. В состав машиностроительных САЕ-систем прежде всего включают программы для следующих процедур:

Моделирование полей физических величин, в том числе анализ прочности, который чаще все­го выполняется в соответствии с МКЭ;

Расчет состояний и переходных процессов на макроуровне;

Имитационное моделирование сложных производственных систем на основе моделей массо­вого обслуживания и сетей Петри.

Примеры систем моделирования полей физических величин в соответствии с МКЭ: Nastran, Ansys, Cosmos, Nisa, Moldflow.

Примеры систем моделирования динамических процессов на макроуровне: Adams и Dyna - в механических сис­темах, Spice - в электронных схемах, ПА9 - для многоаспектного моделирования, т.е. для моделирования систем, прин­ципы действия которых основаны на взаимовлиянии физических процессов различной природы.

Для удобства адаптации САПР к нуждам конкретных приложений, для ее развития целесообраз­но иметь в составе САПР инструментальные средства адаптации и развития. Эти средства представ­лены той или иной CASE-тсхнологисй, включая языки расширения. В некоторых САПР применяют оригинальные инструментальные среды.

Примерами могут служить объектно-ориентированная интерактивная среда CAS.CADE в системе EUCLID, содер­жащая библиотеку компонентов, в САПР T-Flex CAD 3D предусмотрена разработка дополнений в средах Visual C++ и Visual Basic.

Важное значение для обеспечения открытости САПР, се интегрируемости с другими автомати­зированными системами (АС) имеют интерфейсы, представляемые реализованными в системе форма­тами межпрограммных обменов. Очевидно, что, в первую очередь, необходимо обеспечить связи между CAE, CAD и САМ-подсистемами.

В качестве языков - форматов межпрограммных обменов - используются IGES, DXF, Express (стандарт ISO 10303-11, входит в совокупность стандартов STEP), SAT (формат ядра AC1S) и др.

Наиболее перспективными считаются диалекты языка Express, что объясняется общим характе­ром стандартов STEP, их направленностью на различные приложения, а также на использование в со­временных распределенных проектных и производственных системах. Действительно, такие форма­ты, как IGES или DXF, описывают только геометрию объектов, в то время как в обменах между раз­личными САПР и их подсистемами фигурируют данные о различных свойствах и атрибутах изделий.

Язык Express используется во многих системах интерфейса между CAD/CAM-системами. В частности, в систему CAD ++ STEP включена среда SDA1 (Standard Data Access Interface), в которой возможно представление данных об объек­тах из разных систем CAD и приложений (но описанных по правилам языка Express). CAD++ STEP обеспечивает доступ к базам данных большинства известных САПР с представлением извлекаемых данных в виде STEP-файлов. Интерфейс программиста позволяет открывать и закрывать файлы проектов в базах данных, производить чтение и запись сущностей. В качестве объектов могут использоваться точки, кривые, поверхности, текст, примеры проектных решений, размеры, свя­зи, типовые изображения, комплексы данных и т.п.

Определение CAD, САМ и CAE

Согласно предыдущему разделу, автоматизированное проектирование (computer- aided design - CAD) представляет собой технологию, состоящую в использовании компьютерных систем для облегчения создания, изменения, анализа и оптимизации проектов. Таким образом, любая программа, работающая с компьютерной графикой, также как и любое приложение, используемое в инженерных расчетах, относится к системам автоматизированного проектирования. Другими словами, множество средств CAD простирается от геометрических программ для работы с формами до специализированных приложений для анализа и оптимизации. Между этими крайностями умещаются программы для анализа допусков, расчета масс-инерционных свойств, моделирования методом конечных элементов и визуализации результатов анализа. Самая основная функция GAD - определение геометрии конструкции (детали механизма, архитектурные элементы, электронные схемы, планы зданий и т, и,), поскольку геометрия определяет все последующие этапы жизненного цикла продукта. Для этой цели обычно используются системы разработки рабочих чертежей и геометрического моделирования. Вот почему эти системы обычно и считаются системами автоматизированного проектирования. Более того, геометрия, определенная в этих системах, может использоваться в качестве основы для дальнейших операций в системах САЕ и САМ. Это одно из наиболее значительных преимуществ CAD, позволяющее экономить время и сокращать количество ошибок, связанных с необходимостью определять геометрию конструкции с нуля каждый раз, когда она требуется в расчетах. Можно, следовательно, утверждать, что системы автоматизированной разработки рабочих чертежей и системы геометрического моделирования являются наиболее важными компонентами автоматизированного проектирования.

Автоматизированное производство (computer-aided manufacturing - САМ) - это технология, состоящая в использовании компьютерных систем для планирования, управления и контроля операций производства через прямой или косвенный интерфейс с производственными ресурсами предприятия. Одним из наиболее зрелых подходов к автоматизации производства является числовое программное управление (ЧПУ, numerical conovl - NC). ЧПУ заключается в использовании запрограммированных команд для управления станком, который может шлифовать, резать, фрезероваггь, штамповать, изгибать и иными способами превращать заготовки в готовые детали. В наше время компьютеры способны генерировать большие программы для станков с ЧПУ на основании геометрических параметров изделий из базы данных CAD и дополнительных сведений, предоставляемых оператором. Исследования в этой области концентрируются на сокращении необходимости вмешательства оператора.

Еще одна важная функция систем автоматизированного производства - программирование роботов, которые могут работать на гибких автоматизированных участках, выбирая и устанавливая инструменты и обрабатываемые детали на станках с ЧПУ Роботы могут также выполнять свои собственные задачи, например, заниматься сваркой, сборкой и переносом оборудования и деталей по цеху.

Планирование процессов также постепенно автоматизируется. План процессов может определять последовательность операций по изготовлению устройства от начала и до конца на всем необходимом оборудовании. Хотя полностью автоматизированное планирование процессов, как уже отмечалось, практически невозможно, план обработки конкретной детали вполне может бьггь сформирован автоматически, если уже имеются планы обработки аналогичных деталей. Для этого была разработана технология группировки, позволяющая объединять схожие детали о семейства. Детали считаются подобными, если опт имеют общие производственные особенности (гнезда, пазы, фаски, отверстия и т, д.). Для аЕггомалгического обнаружения схожести деталей необходимо, чтобы бала данных CAD содержала сведения о таких особенностях. Эта задача осуществляется при помощи объектно-ориентированного моделирования или распознавания элементов.

Вдобавок, компьютер может использоваться для того, чтобы выявлять необходимость заказа исходных материалов и покупных деталей, а также определять их количество исходя из графика производства. Называется такая деятельность планированием технических требований к материалу (material requirements planning - MRP). Компьютер может также использоваться для контроля состояния станков в цехе и отправки им соответствующих заданий.

Автоматизированное конструирование (computer-aided engineering - CAE) - это технология, состоящая в использовании компыотерных систем для анализа геометрии CAD, моделирования и изучения поведения продукта для усовершенствования и оптимизации его конструкции. Средства САЕ могут осуществлять множество различных вариантов анализа. Программы для кинематических расчетов, например, способны определять траектории движения и скорости звеньев и механизмах. Программы динамического анализа с большими смещениями могут использоваться для определения нагрузок и смещений в сложных составных устройствах типа автомобилей. Программы верификации и анализа логики и синхронизации имитируют работу сложных электронных цепей.

По всей видимости, из всех методов компьютерного анализа наиболее широко в конструировании используется метод конечных элементов (finite - element method - FEM). С его помощью рассчитываются напряжения, деформации, теплообмен, распределение магнитного поля, потоки жидкостей и другие задачи с непрерывными средами, решать которые каким-либо иным методом оказывается просто непрактично. В методе конечных элементов аналитическая модель структуры представляет собой соединение элементов, благодаря чему она разбивается на отдельные части, которые уже могут обрабатываться компьютером.

Как отмечалось ранее, для использования метода конечных элементов нужна абстрактная модель подходящего уровня, а не сама конструкция. Абстрактная модель отличается от конструкции тем, что она формируется путем исключения несущественных деталей и редуцирования размерностей. Например, трехмерный объект небольшой толщины может быть представлен в виде двумерной оболочки. Модель создается либо в интерактивном режиме, либо автоматически. Готовая абстрактная модель разбивается на конечные элементы, образующие аналитическую модель. Программные средства, позволяющие конструировать абстрактную модель и разбивать ее па конечные элементы, называются препроцессорами (preprocessors). Проанализировав каждый элемент, компьютер собирает результаты воедино и представляет их в визуальном формате. Например, области с высоким напряжением могут быть, выделены красным цветом. Программные средства, обеспечивающие визуализацию, называются постпроцессорами (postprocessors).

Существует множество программных средств для оптимизации конструкций. Хотя средства оптимизации могут быть отнесены к классу САЕ, обычно их рассматривают отдельно. Ведутся исследования возможности автоматического определения формы конструкции путем объединения оптимизации и анализа. В этих подходах исходная форма конструкции предполагается простой, как, например, у прямоугольного двумерного объекта, состоящего из небольших элементов различной плотности. Затем выполняется процедура оптимизации, позволяющая определить конкретные значения плотности, позволяющие достичь определенной цели с учетом ограничений на напряжения. Целью часто является минимизация веса. После определения оптимальных значений плотности рассчитывается оптимальная форма объекта. Она получается отбрасыванием элементов с низкими значениями плотности.

Замечательное достоинство методов анализа и оптимизации конструкций заключается в том, что они позволяют конструктору увидеть поведение конечного продукта и выявить возможные ошибки до создания и тестирования реальных прототипов, избежав определенных затрат. Поскольку стоимость конструирования на последних стадиях разработки и производства продукта экспоненциально возрастает, ранняя оптимизации и усовершенствование (возможные только благодаря аналитическим средствам САЕ) окупаются значительным снижением сроков и стоимости разработки.

Таким образом, технологии CAD, САМ и САЕ заключаются в автоматизации и повышении эффективности конкретных стадий жизненного цикла продукта. Развиваясь независимо, эти системы еще не до конца реализовали потенциал интеграции проектирования и производства. Для решения этой проблемы была предложена новая технология, получившая название компьютеризованного

интегрированного производства (computer - integrated manufacturing - С/М). CIM пытается соединить «островки автоматизации» вместе и превратить их в бесперебойно и эффективно работающую систему. CIM подразумевает использование компьютерной базы данных для более эффективного управления всем предприятием, в частности бухгалтерией, планированием, доставкой и другими задачами, а не только проектированием и производством, которые охватывались системами CAD, САМ и CAE. С1М часто называют философией бизнеса, а не компьютерной системой.

Наконец, системы управления инженерными данными (PDM - Product Data Management) обеспечивают хранение и управление проектно-конструкторской документации разрабатываемых изделий, ведение изменений в документации, сохранение истории этих изменений и т. п.

Итак, термин САПР (система автоматизации проектирования) подразумевает комплексный подход к разработке изделия и включает совокупность систем CAD/CAM/CAE. Развитие систем геометрического моделирования, анализа и расчета характеристик изделия сопровождается интеграцией в рамках предприятия. Мировой рынок обособленных CAD/CAM решений уже насыщен, системы близки по функциональности, и темпы роста этого сегмента рынка минимальны. По этой причине происходит усиление интеграции систем CAD/CAM/CAE с системами PDM, которые позволяют хранить и управлять проектно-конструкторской документацией на разрабатываемые изделия, вносить в документацию изменения, поддерживать хранение истории этих изменений. Распространение функций PDM-систем на все этапы жизненного цикла продукции превращает их в системы PLM (Product Lifecycle Management). Развитие систем PLM обеспечивает максимальную интеграцию процессов проектирования, производства, модернизации и сопровождения продукции предприятия и по сути имеет много общего с концепцией интегрированной поддержки жизненного цикла изделия (CALb-технологии).



Примерка © 2024 Решение компьютерных проблем