Материал: САПР технологического оборудования. курс лекций. Новокщенов С.Л., Бойко А.Ю
аэродинамические расчеты до числа М=10
анализ ламинарного и турбулентного течений, учет вязкости газа и жидкости
Преимущества рассмотренного примера построения сквозного интегрированного решения - очевидны. Прежде всего, они проявляются в возможности прямой передачи данных между различными приложениями, что позволяет создать гибкий программный комплекс, в котором могут быть задействованы лучшие в своем классе приложения. Так реализуется идея специализации по отдельным областям с возможностью их объединения в единое целое. Однако математические модели многих расчетных методик, программ моделирования, которые используются для расчета и выбора проектных параметров, получены на основе многократных упрощений и аппроксимаций как при составлении математических зависимостей, так и при их реализации на ЭВМ. Кроме того, значительную неопределенность вносит многокритериальность расчетных моделей, когда проектные параметры одновременно должны обеспечивать высокую точность и производительность обработки, и низкую стоимость. Кроме погрешностей аппроксимации и имитации, неопределенность параметров в процессе как лабораторного, так и производственного эксперимента увеличивается из-за погрешностей измерения. Таким образом, появляется дополнительная погрешность, связанная с точностью эмпирических формул.
11.3. Имитационное моделирование в процессе проектирования кузнечно-штамповочных машин
Процесс конструирования не заканчивается моделированием трехмерных деталей или конструкций. Для предсказания работоспособности спроектированного объекта используются средства имитационного моделирования. Имитационная модель должна с максимальной точностью воспроизводить (имитировать) реальные процессы. При построении имитационных моделей используют структурный подход, согласно которому сначала обеспечивается программная реализация моделей функциональных блоков исследуемого объекта и затем объединение полученных программных модулей с учетом взаимодействия и связей между функциональными блоками в реальном объекте.
Имитационное моделирование используют на начальных этапах процесса проектирования для выбора и формирования требований к отдельным составляющим проектируемого оборудования с точки зрения обеспечения заданной точности, надежности или производительности в условиях действия дестабилизирующих факторов. В основном под имитационным моделированием подразумевают методику моделирования объектов и процессов, параметры которых меняются случайным образом. Математической основой имитационного моделирования является метод статистических испытаний (метод Монте-Карло). Программную основу имитационного моделирования составляют специальные языки моделирования. Имитационное моделирование узлов или процессов может выполняться как самостоятельный машинный эксперимент. Если имитационное моделирование производится в рамках физического эксперимента, его применяют для формирования программы испытаний, при обработке результатов испытаний и непосредственно в процессе испытаний. Для анализа динамических систем используют имитационное динамическое моделирование. Динамическая имитационная модель отражает внутреннюю структуру моделируемого объекта. Аппарат этого вида моделирования позволяет имитировать причинно-следственные связи между элементами и динамику изменений каждого элемента или блока объекта моделирования. С программной точки зрения в исходные данные для программы, реализующей алгоритм имитационного моделирования, должны входить сведения по типовой детали и типовой партии деталей, структуре, и ее характеристикам, по размещению инструмента по позициям, и его параметрам, по оборудованию. Эти данные должны включать детерминированные значения параметров (их математические ожидания) и параметры законов распределений. В последние годы широкое распространение нашли программные системы, обеспечивающие поддержку жизненного цикла выпускаемой продукции, которые, как правило, имеют собственную конфигурацию и особенности применения, связанные с кругом решаемых задач. В этой связи актуальной является проблема стандартизации обмена информацией между этими системами. Так, например, в области машиностроения необходимость стандартного представления информации определяется следующими причинами:
в разработке и создании изделий могут принимать участие несколько организаций и предприятий;
в большинстве случаев, не только на разных предприятиях, но и в рамках одного из них, используются разные САПР, системы управления данными об изделии – PDM-системы и ERP-системы.
С этой точки зрения можно полагать, что более перспективным способом описания структуры изделий с целью обмена информацией между разнородными системами является использование языка XML (eXtensible Markup Lanuage, расширяемого языка разметок), технология которого активно развивается в последние годы. В основу этой технологии положена возможность деления документа на составные элементы, объединяемые в иерархические структуры. Создание же самого документа на языке XML возможно с помощью любого изолированного или встроенного текстового редактора
Имеющиеся в технической литературе примеры решения некоторых инженерных задач с помощью имитационного моделирования относятся к областям машиностроения, технологии, управления качеством и основываются в своем большинстве на использовании SADT – методологии. Базовые концепции этой методологии включают: возможность графического представления модели в виде иерархии блок – схем, обеспечивающих компактность информации; максимальную коммуникативность, то есть доступность для понимания широкому кругу специалистов; строгость и точность, которые гарантируют качество модели; пошаговые процедуры, повышающие эффективность процесса разработки модели, ее просмотра и реализации. Указанные особенности SADT – методологии позволяют рассматривать ее как основной метод функционального моделирования, который в свою очередь является одним из этапов процесса имитационного моделирования. SADT – методология получила развитие в приложении к вопросам автоматизации решения некоторых задач проектирования, например, волнового редуктора, выбора технологического процесса обработки детали, задачам САПР и параметризации, в которых результаты решения на выходе являлись конечными дискретными показателями, удовлетворяющими поставленным начальным условиям. Однако при решении ряда инженерных задач определенный интерес представляют не только выходные результаты в виде отдельных конкретных значений, но и количественно – качественные характеристики для последующего анализа исследуемого процесса при многовариантности определяющих его параметров. Для возможности практического изучения указанной проблемы разработана схема имитационного моделирования решения инженерных задач, которая не только реализует SADT – методологию и некоторые из существующих методов моделирования, но и позволяет осуществить более общий, комплексный подход как для выбора конкретных показателей технического объекта, так и для анализа его функциональных характеристик.
Схема имитационной модели состоит из блоков, соответствующих этапам процесса решения инженерной задачи: анализа и формирования базы знаний для данной области, моделирования процесса решения, количественно – качественной оценки результатов моделирования.
При этом для каждого из блоков формируется в зависимости от функциональной принадлежности реляционное отношение в интегрированной базе данных имитационной модели, полученной на основе базы знаний. Функциональное взаимодействие блоков и модулей схемы имитационной модели процесса решения инженерной задачи происходит в следующей последовательности:
- осуществляется анализ конкретной задачи при заданных начальных условиях и параметрах;
- создается база знаний о методах решения задачи;
- с помощью специально разработанного программного обеспечения в информационном поле задачи генерируется имитационная модель исследуемого процесса и создается механизм ее функционирования;
- в блоке моделирования входные данные с помощью принятой имитационной модели преобразуются в выходные параметры, которые затем используются для расчета количественно – качественных характеристик;
- в зависимости от поставленной задачи выбирается метод оценки и представления результатов решения;
- производится расчет оценочных показателей и анализ решения задачи с целью определения сходимости результатов имитационного моделирования и реальных условий исследуемого процесса;
- в зависимости от степени соответствия результатов решения условиям задачи полученные выходные параметры либо заносятся в базу данных для последующего использования в других имитационных моделях, либо служат исходными для соответствующей корректировки механизма принятой имитационной модели (принцип обратной связи между входными и выходными параметрами).
Основная имитационная программа может включать подпрограмму расчета параметров производительности и экономической эффективности при детерминированных характеристиках оборудования. Разыгрываются параметры изготавливаемых деталей и их число в партии. Это позволяет оценить качество выбранной компоновки по всей номенклатуре деталей. Если качество не удовлетворяет заданному (с некоторым запасом), то изменяются компоновка, режимы резания либо оборудование. В результате этого этапа оценивается также требуемая вместимость накопителей. После выбора компоновки рассчитывается производительность и экономическая эффективность с учетом надежности работы оборудования и инструмента. Отказы оборудования обычно делятся на две группы: отказы электромеханических узлов и отказы механических узлов. Наибольшую трудоемкость при подготовке программы имитационного моделирования имеют расчеты, связанные с формированием компоновочных решений. Основная задача, которая при этом должна быть решена – это выбор типа оборудования, числа и размещение технологического оборудования. Для обеспечения функционирования схемы моделирования применяются интегрированные системы баз данных, включающие входные параметры, инженерные справочники, имеющиеся результаты моделирования, необходимые конструктивные элементы и их количественно – качественные характеристики. Результаты проведенного анализа используются для выполнения поставленной задачи и накопления конкретных инженерных решений в соответствующих базах данных.
Вопросы для самоподготовки:
1. Охарактеризуйте структурную схему процесса получения и коррекции проектных параметров?
2. На чем основаны автоматизированные испытания деталей и узлов кузнечно-штамповочных машин?
3. Для решения каких задач применяется аппарат имитационного моделирования в процессе проектирования кузнечно-штамповочных машин?
Лекция №12 Архитектура и математическое обеспечение сапр машинных испытаний и исследования кузнечно-штамповочных машин
Теоретические вопросы:
12.1. Архитектура САПР МКЭ
12.2. Построение разбиения
12.3. Визуализация результатов
12.1. Архитектура САПР МКЭ
Наибольшее количество задач машинных испытаний кузнечно-штамповочного оборудования решаются с применением метода конечных элементов. Наиболее важными среди них являются задачи оптимизации конструкции. Используя метод конечных элементов, оптимизацию можно проводить по нескольким конструктивным параметрам и в качестве критерия оптимизации использовать стоимость, массу, перемещение, напряжение, реакции, деформацию, частоту или какой- либо другой, имеющий отношение к конструкции. Например, можно минимизировать массу сборочной единицы при условии обеспечения величин напряжений, первой собственной частоты, и максимального перемещения в заданных пределах. Современные САПР МКЭ состоят из программных модулей и вспомогательных файлов, которые можно сгруппировать по их функциональному назначению. Взаимосвязь модулей и решаемые ими задачи определяются архитектурой системы, которая построена по следующей схеме.
Основу систем САПР МКЭ составляют две основные программы, так называемые пре- и постпроцессоры. Первая программа предназначена для ввода и редактирования исходных данных, а вторая - для анализа результатов расчета. К одной из главных функций пре-процессора можно отнести построение разбиения для анализируемой геометрии. Методы и средства построения разбиений будут рассмотрены далее.
Ядро систем САПР МКЭ составляют программы, предназначенные для выполнения процедуры расчета. Она может запускаться в управляемом режиме или вручную, при запуске пре-процессора в независимом режиме. Все исходные данные (цифровая модель конструкции, параметры и режимы расчета), а также результаты, для каждой расчетной схемы хранятся в отдельной базе данных, структура которой едина для всех задач. Многодокументный интерфейс, закладываемый главную программу, позволяет работать над двумя и более задачами (проектами) одновременно, выполняя одновременно и их расчет. Если компьютеры объединены в сеть, то принятая архитектура позволяет выполнять сложные расчеты на другой, более мощной ЭВМ и таким образом реализовать параллельные вычисления.
Расчетные модули находятся в динамически присоединяемых библиотеках и реализуют отдельные шаги метода конечных элементов, оптимального проектирования и конструктивных расчетов. Пре-процессор САПР МКЭ позволяет создавать список исполняемых расчетных модулей и корректировать его путем удаления и добавления элементов, настраивать программу для работы с определенной задачей. При необходимости в процессе расчета программа может выдавать в окно протокола диагностические сообщения и другую полезную информацию. При расчете конструкций методом конечных элементов необходимы значительные вычислительные ресурсы. Однако, для того чтобы решатель мог полноценно работать с другими приложениями, он не захватывает центральный процессор в монопольное использование, а периодически возвращает операционной системе часть его ресурса.
12.2. Построение разбиения
Существенным преимуществом метода конечных элементов является возможность адаптировать его к любой геометрической форме исследуемой области с помощью соответствующего разбиения. Многочисленные методы построения разбиений для дву- и трехмерных областей с геометрической точки зрения подразделяются на три основных класса:
1. Построение разбиения, осуществляемого преобразованием отображения разбиения области с геометрически простой формой;
2. Построение разбиения, осуществляемое преобразованием уже существующего разбиения;
3. Прямое, элемент за элементом, построение разбиения, начиная с задания распределения точек в области или на ее границе.
Построение разбиений выполняется с помощью одного из следующих методов:
Разбиение с вспомогательной программой. С помощью вспомогательной интерактивной программы определяются узлы на линиях, поверхности и объемы. Эта операция упрощается, если имеется численное описание формы объекта. Необходимо так же располагать дополнительными функциями для разрезания, сшивки, уточнения и т.д. Этот метод используется чаще всего.
Разбиение с обучением. Если есть запись предыдущего сеанса, его можно автоматически повторить, внося определенные изменения. Возможности этого метода ограничены.
Библиотека подансамблей. Следуя определенным правилам, можно составить библиотеку подансамблей, разбитых на конечные элементы, и затем собирать из них нужные разбиения.
Разбиение с помощью вычислений. В некоторых случаях можно запрограммировать автоматическое построение разбиения исходя из заданных простых характеристик: толщины, высоты, диаметра и т.д.
Автоматическое обновление. Этот способ представляет наибольший интерес в сочетании с САПР, дающей численное определение границы. Задача заполнения двумерной области треугольниками к настоящему времени решена полностью и кроме того существуют и решения задачи заполнения трехмерной области четырехгранниками.
Модификация ансамблей. Исходя из уже существующего разбиения, легко выполняются изменение масштаба и преобразования симметрии. Можно проводить и более сложные изменения с локальными или глобальными преобразованиями. Если имеющееся разбиение расположено в кубе, составленном из расположенных параллельно осям и эквидистантных полюсов, то с помощью метода Безье можно вычислить параметрические координаты каждого узла и, меняя положение полюсов, управлять перемещениями узлов, которые при это сохраняют свои параметрические координаты.
Разбиение по соответствию. Проводится разбиение куба на шестигранники и устанавливается соответствие ребер, граней и внутренности куба с подобными частями области, в которой строится разбиение. Полученный результат часто нуждается в уточнении.
Разбиение с помощью физической имитации. Допустим, что решается задача вычисления линий тока в веществе, помещенном в постоянное электрическое поле. Разбиение на шестигранники можно построить с помощью изопотенциальных поверхностей и линий тока, задавая точки и участки входа и выхода внешнего тока. Но для решения этой задачи требуется иметь начальное разбиение, что приводит к итерациям.
Адаптивное разбиение. Это более развитый метод, заключающийся в переопределении разбиения в процессе вычислений в зависимости от природы исследуемого явления.
Разбиение с помощью экспертной системы. Можно увеличить степень автоматизации процесса разбиения, формируя команды, выполняющие разбиение в соответствии с геометрической ситуацией, которая определяет данные, и со списком правил, которые определяют действия системы в конкретных ситуациях. Из-за ряда ограничений разделить область на элементы, пользуясь только каким-то одним способом, можно только в исключительных случаях, поскольку метод построения разбиения должен: а) давать возможность обрабатывать сложные геометрические конфигурации; б) минимизировать выполняемую работу и ограничивать максимальное число требуемых данных; в) обеспечивать надежность результатов; г) наилучшим образом использовать возможности применяемых алгоритмов, которые в разной степени приспособлены к рассматриваемым геометрическим условиям; д) давать результат, пригодный для дальнейшего использования и содержащий всю необходимую информацию в форме, обеспечивающей быстрый и удобный доступ к ней. Качество получаемого разбиения оценивается визуально или определением площадей элементов (площадь вычисляется как векторное произведение): если хотя бы одна из площадей отрицательна, то разбиение выполнено неправильно. Визуальный осмотр полезен и в тех случаях, когда отрицательных площадей нет.
12.3. Визуализация результатов
После того как задача решена численно, полученные результаты отображаются визуально. Для этого применяются, как и на этапе построения разбиения, специальные модули, которые называются пост-процессорами (рис. 37), с развитыми графическими средствами и высоким уровнем интерактивности.
