Программное обеспечение для конечно-элементного анализа (FEA), также известное как FEA-программы, сегодня является неотъемлемым инструментом для каждого инженера-механика.
На современном рынке существует множество вызовов, с которыми необходимо справляться, чтобы оставаться конкурентоспособным. Высокая прибыль требует продукции высокого качества. Поэтому инженеры по разработке продукции, инженеры по качеству, инженеры по надежности, инженеры-конструкторы и другие специалисты должны прилагать максимум усилий для достижения этого уровня качества.
К основным вызовам относятся проведение испытаний, чтобы убедиться, что детали и материалы продукции ведут себя ожидаемым образом. Это включает реакции на различные воздействия: силы, вибрации и тепло.
Ранее эти испытания проводились на физических прототипах. Однако создание прототипов и проведение тестов на них обычно занимает много времени и приводит к увеличению затрат.
Использование конечно-элементного анализа отлично вписывается в методы бережливого производства, позволяя максимизировать производительность и минимизировать потери.
Конечно-элементный анализ (FEA) — это вид компьютерного анализа, который применяется для изучения физических явлений на основе метода конечных элементов (FEM). FEM — это численный метод, использующий математические модели для решения сложных инженерных задач, описываемых дифференциальными уравнениями.
Инженеры используют FEA в процессе проектирования. Вместо создания прототипов и проведения реальных экспериментов, они обращаются к программному обеспечению FEA.
Применение FEA на этапе проектирования позволяет оптимизировать элементы машин, создавать более совершенные продукты и быстрее выводить их на рынок.
Процесс проектирования делится на несколько этапов. Один из них — тестирование решений, чтобы убедиться, что они соответствуют требованиям и работают должным образом.
Сначала формулируется задача. Проводится исследование рынка для определения и уточнения требований. Затем проводится мозговой штурм и оценка различных вариантов. На этом этапе моделируются отдельные детали и даже целые сборки с помощью CAD-программ для лучшей визуализации.
К счастью, современные CAD-программы обычно поставляются в виде пакета, включающего модули, выходящие за рамки простого моделирования. Многие из них уже поддерживают FEA. Среди них есть решения, работающие с жидкостями — это численное моделирование течений (CFD).
Таким образом, модели, созданные на предыдущих этапах проектирования, могут быть использованы для тестирования возможных решений. При необходимости детали переосмысливаются на основании полученных данных и результатов испытаний.
Разумеется, модели также можно экспортировать в другое специализированное программное обеспечение для симуляций. Такие решения обеспечивают большую точность и обладают широким функционалом. Например, подобная оптимизация необходима для массового производства. Переразмеривание деталей приводит к ненужным затратам, которые накапливаются при серийном производстве.
При использовании FEA в проектировании стоит учитывать следующие моменты:
Для получения корректных результатов важно выбирать подходящий тип анализа.
Статический анализ
Включает линейные статические и нелинейные квазистатические задачи. Наиболее часто встречающиеся сценарии — это анализ напряжений, деформаций и тепловых процессов.
Простые и сложные структурные расчеты под действием определенных нагрузок — типичная область применения статического анализа.
Динамический анализ
Изучает поведение конструкции под динамическими нагрузками, например, при вибрациях. Включает модальный анализ, гармонический отклик, переходные динамические расчеты и анализ вращающихся систем.
Примеры применения: исследование поведения деталей двигателя на разных этапах работы, включая запуск. Также возможно моделирование ударных воздействий вне инженерной сферы, например, реакция человеческого черепа на удар.
Сегодня существует широкий спектр CAD- и FEA-программ. Благодаря постоянному развитию технологий стало проще создавать специализированные решения с уникальными функциями. Остается главный вопрос — какое из них лучше всего подойдет именно вам?
Интеграция FEA в перечень возможностей — одно из главных преимуществ CAD-программ. Ниже представлен обзор самых мощных CAD-систем с интегрированными инструментами конечно-элементного анализа. Указаны их преимущества и возможные ограничения, чтобы облегчить ваш выбор.
Компания Autodesk стала известна во всем мире благодаря серии AutoCAD для 2D-проектирования. Сейчас Autodesk — один из ведущих поставщиков CAD и FEA-программ.
Inventor — это решение Autodesk для механического проектирования и 3D-моделирования. Программа включает классические функции CAD: параметрическое моделирование, моделирование сборок и создание чертежей. Помимо этого, появились современные инструменты автоматизации проектирования и создания каркасов.
Inventor также позволяет работать с листовым металлом в отдельной среде. Для визуализации доступны разнесенные виды и анимация процессов.
Что касается FEA, вы можете легко запускать статический или модальный анализ напряжений и динамический анализ на своих моделях. Программа предлагает диалоговое окно настроек, параметрическую таблицу и пошагового помощника по симуляциям.
Кроме того, Autodesk предлагает Inventor Nastran — программное обеспечение для FEA, встроенное в CAD. Доступно только при подписке на коллекцию Product Design and Manufacturing Collection.
Inventor Nastran расширяет возможности FEA Inventor. Он поддерживает больше типов расчетов и материалов, включая линейный и нелинейный анализ напряжений, динамику и теплоперенос.
SolidWorks — один из главных конкурентов Autodesk Inventor, разработанный во Франции. Отличается возможностями перехода от проектирования к производству.
Среди его ключевых функций — работа с большими и сложными сборками: можно начать с простой детали и масштабировать проект до целого комплекса.
SolidWorks — это комплексное CAD-решение с множеством модулей, в числе которых один из лучших CAD-CAM пакетов. Среди модулей:
FEA реализован через модуль SolidWorks Simulation. Он доступен в трех версиях: Standard, Professional и Premium. Последняя включает:
Кроме того, доступны дополнительные модули для Simulation: например, решения для потоков, пластика, охлаждения электроники, устойчивого проектирования и т.д. Все они интегрированы непосредственно в 3D CAD.
Для расширения возможностей FEA Dassault Systèmes SolidWorks предлагает ABAQUS через Simulia Structural Simulation Designer — специализированное FEA-решение, прекрасно интегрируемое с CAD.
Solid Edge — полный набор инструментов для разработки продукции от Siemens. Эта немецкая компания предлагает решения для механического и электрического проектирования, симуляций, производства, технической документации, управления данными и многое другое.
В последней версии Solid Edge появились новые возможности, в том числе технологии дополненной реальности и полный переход к цифровому проектированию и производству.
Еще одной важной особенностью является поддержка как аддитивного, так и субтрактивного производства. Можно определять и реализовывать различные технологические процессы, включая:
Последнее крайне актуально благодаря развитию 3D-печати.
Симуляционные возможности Solid Edge представлены тремя уровнями: Solid Edge Premium, Solid Edge Simulation и Solid Edge Simulation Advanced. Модульная структура позволяет пользователю оптимизировать и верифицировать детали, сборки и системы на ранних этапах, снижая потребность в быстром прототипировании и экономя время и средства.
FEA в Solid Edge включает моделирование отдельных деталей, анализ сборок и CFD. В этой CAD- и FEA-системе доступны:
Все расчеты выполняются на основе проверенных технологий Femap и NX Nastran.
Creo — еще один известный бренд в инженерном и проектном сообществе. Их 3D CAD и FEA-программы составляют серьезную конкуренцию ведущим решениям.
Creo предлагает масштабируемые пакеты для 3D-проектирования и разработки продукции. В их состав входят средства моделирования и проектирования, симуляции и анализа, дополненной реальности и аддитивного производства.
Помимо стандартных функций 3D-проектирования, Creo позволяет использовать данные о реальной эксплуатации изделий благодаря функции Smart Connected Design.
Возможности FEA в Creo постоянно расширяются. В последних версиях появился CFD-модуль Creo Flow Analysis Extension. Кроме того, инструмент Creo Simulation Live обеспечивает мгновенную обратную связь прямо в процессе моделирования.
Creo Simulation Live — ключевая функция, позволяющая проводить структурные, тепловые и модальные анализы непосредственно в среде проектирования без необходимости создания сетки или упрощения моделей.
Эта технология создана в партнерстве с одним из самых уважаемых разработчиков инженерного ПО — компанией ANSYS, что существенно повысило авторитет и надежность Creo.
С Creo 6.0 доступны:
Все эти возможности делают Creo отличным выбором для комплексного 3D CAD и FEA.
Стоит отметить, что существуют специализированные и мощные FEA-программы, такие как ANSYS. Они позволяют проводить расчеты для самых сложных и специфических инженерных задач. Однако такие решения не могут использоваться как самостоятельные CAD-системы и требуют параллельной работы с одной из описанных выше программ.
Если вы студент, преподаватель или владелец малого бизнеса, часто можно воспользоваться специальными предложениями. Некоторые программы даже предоставляются бесплатно для обучения, поэтому используйте эту возможность и выберите подходящий для себя вариант.
