САЕ-системы в XXI веке


В данной статье рассматривается динамика развития профессиональных расчетных программных комплексов и содержится анализ тенденций развития современных САЕ-систем на примере нескольких широко известных пакетов. Прогнозируются возможности и характеристики расчетных программных пакетов после 2000 года. Автор надеется, что статья положит начало широкому обсуждению поднятых проблем.
Константин Жеков
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-программы1. 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.






Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2017 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.