Моделирование физических процессов в САПР

Моделирование физических процессов – один из самых актуальных аспектов САПР (систем автоматизированного проектирования). Эта функция применяется, например, в проектировании зданий, транспорта, трубопроводов и многого другого.

САПР включает в себя компоненты CAD, CAM, CAE. На моделировании физических процессов специализируется комплекс CAE (computer-aided engineering). Расчетная часть пакетов CAE базируется на численных методах решения дифференциальных уравнений.

Целью работы является рассмотрение такое моделирование физических процессов в САПР, как:

• прочностные расчеты;
• тепловые расчеты;
• аэро- и гидродинамические расчеты.

Будем иллюстрировать изложение материала конкретными примерами из возможностей тех или иных САПР. Примечание: в различных САПР физические процессы моделируются по-разному.

Статические расчеты конструкций на прочность являются особо важными в машиностроительном проектировании. Часто в машиностроительном проектировании появляется необходимость оценить напряженное состояние отдельных деталей или конструкции в целом.

Обычно при проверочном расчете изделия на прочность нас интересует распределение составляющих напряжений по объему элементов конструкции и максимально возможные значения напряжения компонентов в материале.

Большинство современных САПР позволяют конструктору на этапе проектирования изделия решить обе эти задачи, обеспечив, таким образом, высокие механические характеристики будущего изделия.

Прочностные расчеты содержат:

• анализ потери устойчивости конструкций;
• расчет напряженно-деформированного состояния конструкций при нагрузках (рис. 1);
• расчет ветровых и волновых нагрузок на конструкции и т. д.

Рисунок 1 – Вертикальная деформация в САТIA Building Structure

Изделия, требующие оценки теплового режима, весьма разнообразны: это и тепловые двигатели, и различные электрические устройства, выделяющие тепловую энергию, и специализированные термические установки.

Как правило, перед разработчиком ставится задача оценки температурных режимов деталей изделия или изделия целиком. То есть, необходимо определить температуры, возникающие в изделии при воздействии приложенных к системе источников тепловой энергии.

Тепловые расчеты включают в себя:

• анализ термических напряжений (рис. 2) в конструкциях (моделирование напряжений в случае пожаров или циклических тепловых нагрузок);
• термогидравлические расчеты трубопроводов (моделирование протекания потоков в сложных системах труб с учетом тепловых потоков на стенах);
• моделирование работы систем вентиляции (полная картина воздушных потоков, создаваемых вентиляцией); и т. д.

Следует отметить, что наличие тепловых моделей является довольно сложно функцией САПР.

Не все САПР поддерживают возможности физического моделирования тепловых процессов. Можно назвать, для примера, САПР, поддерживающие такую возможность, такие, как:

• САТIA;
• AVEVA;
• SolidWorks, и т. д.

Как правило такие системы относятся к полноценных САПР, т. е. содержат компоненты CAD / CAM / CAE.

Рисунок 2 – Симуляция нагрева тела в SolidWorks Simulation

Для моделирования потоков жидкостей и газов в САПР применяется так называемая вычислительная гидродинамика. В ней используются основные уравнения гидро-и газодинамических потоков, а именно:

Уравнение сохранения энергии:

Уравнение сохранения импульса:

Уравнение неразрывности:

Уравнение состояния газов:

Эти уравнения характеризуют модель течения среды. Из них и нескольких дополнительных уравнений (уравнения для учёта турбулентности, учёта переноса веществ, учёта химических реакций и т. д.) составляется система нелинейных дифференциальных уравнений второго порядка.

В случае моделирования реального процесса производится так называемая дискретизация пространства и времени, таким образом, что геометрия процесса разбивается на расчётные ячейки, выбранные особым образом, а время процесса – на расчётные временные интервалы.

Рисунок 3 – Аэродинамика самолета в CosmosFloworks

С помощью гидро- и аэродинамических расчетов можно смоделировать:

• потоки в трубопроводах;
• внешнюю аэродинамику, обтекание подводных конструкций;
• химические реакции в потоках;
• работу систем вентиляции и кондиционирования;
• течения, создаваемые вращательными движениями машин и т. д.

Проделанный анализ позволяет сказать, что моделирование физических процессов играет одну из самых важных и актуальных ролей в развитии САПР. Однако, комплекс CAE все еще нуждается в улучшении, т. к. на данный момент в большинстве САПР используется только простая математика. Также хотелось бы отметить, что для правильного развития CAE также необходимо развивать смежный комплекс CAD, т. к. наличие полноценной, хорошей графики облегчает моделирование физических процессов.