Компьютерное моделирование и инженерный анализ в конструкторско-технологическом обеспечении машиностроительных производств

Министерство науки и высшего образования
Российской Федерации

Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

С. В.  Лукинских

Компьютерное моделирование 
и инженерный анализ 
в конструкторско-технологическом обеспечении
машиностроительных производств

Учебное пособие

Рекомендовано методическим советом
Уральского федерального университета
для студентов вуза, обучающихся
по направлениям подготовки
15.03.05, 15.04.05 — Конструкторско-технологическое 
обеспечение машиностроительных производств

2-е издание, стереотипное

Москва
Издательство «ФЛИНТА»
Издательство Уральского университета
2022

УДК 514.753.24(075.8)
ББК 30.11я73

Л84 

Л84

Рецензенты:
канд. техн. наук, доц. Н. Г. Новгородова 
(кафедра энергетики и транспорта 
ФГАОУ ВО Российского государственного 
профессионально-педагогического университета);
начальник конструкторского бюро 
АО «Опытное конструкторское бюро Новатор» Е. В. Смирнов

Научный редактор — канд. техн. наук, доц. С. С. Кугаевский

Лукинских С. В.
   Компьютерное моделирование и инженерный анализ в конструкторско-технологическом обеспечении машиностроительных производств : 
учебное пособие / С. В. Лукинских. — 2-е изд., стер. — Москва : 
ФЛИНТА : Изд-во Урал. ун-та, 2022. — 168 с. — ISBN 978-5-9765-5008-7 
(ФЛИНТА) ; ISBN 978-5-7996-3152-9 (Изд-во Урал. ун-та). — Текст : 
электронный.

В пособии рассмотрены вопросы инженерного анализа элементов конструкций при различных видах нагружения в среде SolidWorks Simulation, разработки 
3D-моделей на основе геометрической оптимизации деталей и получение конструкторской документации в соответствии с требованиями стандартов единой 
системы конструкторской документации (ЕСКД), приведены примеры выполнения инженерных расчетов конструкции в SolidWorks Simulation.
Учебное пособие предназначено для студентов всех форм обучения, изучающих курсы «Системы компьютерной поддержки инженерных решений», «Компьютерное моделирование и инженерный анализ».

Библиогр.: 4 назв. Рис. 80. Табл. 10.

УДК 514.753.24(075.8)
ББК 30.11я73

ISBN 978-5-9765-5008-7 (ФЛИНТА)
ISBN 978-5-7996-3152-9 (Изд-во Урал. ун-та)

© Уральский федеральный
     университет», 2020

Введение

Ц

елью данного учебного пособия является рассмотрение вопросов применения инженерного анализа в составе компьютерных систем для выработки технических решений в проектной, конструкторской, научной деятельности инженера.
Под термином Инженерный анализ понимается совокупность исследований, предназначенных для проверки работоспособности, определенных эксплуатационных характеристик проектируемых изделий, 
а также существующих конструкций, оборудования при заданных условиях.
Инженерный компьютерный анализ в процессе создания нового изделия позволяет спрогнозировать поведение системы и с минимальными затратами времени сопоставить ряд различных альтернативных 
конструкторских решений. В результате снижается объем экспериментальной отработки и доводки изделия, повышается его качество, а сам 
процесс проектирования ускоряется и удешевляется.
С каждым годом роль компьютерного моделирования и инженерного анализа при разработке новых изделий растет и, в конечном счете, они должны стать неотъемлемой и органичной частью любого процесса проектирования. Это предполагает тесную взаимосвязь между 
модулями геометрического моделирования и инженерного анализа 
компьютерных систем проектирования с тем, чтобы выполнение соответствующих расчетов и моделирования стало для рядового проектировщика таким же обычным и рутинным делом, как создание трехмерной модели или выпуск чертежей.
Современные системы инженерного анализа (или системы автоматизации инженерных расчетов) — CAE (англ. computer-aided 
engineering) обеспечивают решение задач линейного и нелинейного 
статического анализа, анализа частоты, устойчивости, температурного анализа, усталости, испытаний на ударную нагрузку, линейного и нелинейного динамического анализа, анализа оптимизации и др.

Введение

CAE применяются совместно с CAD-системами компьютерного геометрического моделирования (англ. computer-aided design). Назначение CAD-систем — создание 3D-моделей и получение чертежей. 
Зачастую CAE интегрируются в CAD, образуя гибридные CAD/CAEсистемы.
В русском языке есть термин САПР — системы автоматизированного проектирования, который может на английский язык переводиться 
как CAD-системы, CAE-системы. Однако в отечественной литературе и государственных стандартах САПР определяется как более емкое 
понятие, включающее не только программные средства.
Роль компьютерного инженерного анализа и моделирования при 
принятии проектных решений постепенно меняется. На смену существующей практике, когда инженерный анализ в лучшем случае используется лишь для проверки уже детально разработанного проекта 
(с проработанной геометрией и трехмерной моделью), приходят системы, в которых предварительный расчетный анализ и моделирование позволяют найти оптимальные проектные (в том числе геометрические) решения.
В пособии представлен материал, имеющий важное практическое 
значение при проектировании изделий машиностроения: построение 
3D-моделей в SolidWorks на основе геометрической оптимизации деталей в среде SolidWorks Simulation, инженерный анализ элементов конструкций при различных видах нагружения, приведены примеры выполнения инженерных расчетов конструкции в SolidWorks Simulation.
Эффективность освоения студентами вопросов проектирования изделий на основе компьютерных технологий значительно повышается 
при выполнении практической работы (курсовой, расчетно-графической и др.), предусматривающей разработку 3D-модели конструкции 
на основе компьютерных инженерных расчетов и геометрической оптимизации, а также создание комплекта конструкторской документации на изделие.

Методы исследования  
работоспособности изделия

Д

ля оценки работоспособности изделия существуют следующие методы:

● Натурный эксперимент заключается в проведении испытаний изделия, приближенных к реальным условиям эксплуатации, при 
помощи испытательных стендов. Такой метод всегда ограничен 
по времени и ресурсам. Во всех ситуациях он приводит к снижению неопределенности. Натурный эксперимент часто невозможен, однако обладает максимальной достоверностью, являясь 
критерием фактического разрешения проблемной ситуации.
● Экспертное исследование: работоспособность изделия оценивается на основе личностных знаний эксперта. Экспертное знание 
обладает свойством концентрироваться на важнейших группах 
альтернатив.
● Модельные исследования предполагают создание модели посредством формализации описания изделия и выбора критерия 
адекватности модели. Исследование модели завершается интерпретацией результатов моделирования для определения предпочтительности того или иного проектного решения. С развитием 
компьютерных технологий компьютерные модели стали обычным инструментом математического моделирования и широко применяются в различных областях машиностроения. Компьютерные модели используются для получения новых знаний 
об объекте или для приближенной оценки поведения систем, 
слишком сложных для аналитического исследования. Достоинством компьютерных технологий является то, что они помогают 
убедиться в работоспособности изделия без привлечения больших затрат времени и средств.

Методы исследования работоспособности изделия 

Для достижения максимальной эффективности инженерного анализа рационально комбинируют все три класса исследований.
Конечным результатом операций натурного, модельного и экспертного исследования является либо выигрыш во времени, либо экономия ресурсов, необходимых для производства изделия.

Системы инженерного анализа (CAE)

C

AE-системы включают расчетные модули, позволяющие оценить, как поведет себя компьютерная модель изделия в реальных условиях эксплуатации.
Расчетные модули, используемые в CAE-системах, как правило, основаны на численных методах решения дифференциальных уравнений (метод конечных элементов, метод конечных объемов, метод конечных разностей и др.).
CAE-системы можно условно разделить на 2 группы:
1. Системы полнофункционального инженерного анализа, обладающие мощными средствами, большими библиотеками конечных элементов, а также многоцелевой направленностью решаемых инженерных задач. В них предусмотрены собственные средства моделирования 
геометрии. Кроме того, есть возможность импорта через промышленные стандарты Parasolid, ACIS и пр.
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.
Самой известной подобной системой является ANSYS американской компании Ansys inc. Для создания геометрической модели 
в ANSYS используется ядро Parasolid, интегрированное во многие другие коммерческие программные продукты.

2. Системы инженерного анализа, объединенные единым интерфейсом с CAD-системами в интегрированную систему проектирования. Они имеют менее мощные средства анализа, но зато поддерживают ассоциативность с геометрией, поэтому отслеживают изменения 
модели. Кроме того, такие системы включают функционал для формирования конструкторской документации — чертежей, спецификаций 
и пр. К ним относятся CAD/CAM/CAE-система NX компании Siemens 

Системы инженерного анализа (CAE)

PLM Software, Creo Elements/Pro (ProEngineer) компании PTC, CATIA 
и SolidWorks компании Dassault Systèmes и др.

Возможности САЕ

Преимущество систем САЕ состоит в том, что они позволяют:
● уменьшить стоимость разработки за счет проведения испытания 
модели на компьютере вместо дорогостоящих эксплуатационных 
испытаний;
● сократить время, необходимое для представления продуктов 
на рынок, путем уменьшения количества циклов разработки изделия;
● улучшить изделия посредством быстрой проверки сразу большого количества концепций и сценариев перед принятием окончательного решения, тем самым предоставляя дополнительное время на обдумывание новых конструкций.
С помощью САЕ можно проводить:
● прочностной анализ компонентов и узлов на основе метода конечных элементов;
● частотные исследования;
● термический и гидродинамический анализ;
● кинематические исследования;
● моделирование таких процессов, как литье под давлением;
● оптимизацию продуктов или процессов и другие.
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;
● автомобильная промышленность.

Основные направления в развитии САЕ

Основные направления в развитии САЕ

В процессе развития САЕ разработчики стремятся увеличить их возможности и расширить сферы внедрения.
Основными направлениями развития CAE являются:
● совершенствование методов решения междисциплинарных задач моделирования;
● разработка новых платформ для интеграции различных систем 
САЕ, а также для интеграции САЕ-систем в PLM-решения;
● повышение функциональной совместимости САЕ и CAD-систем;
● совершенствование методов построения расчетных сеток, описания граничных условий, параллельных вычислений и т. д.;
● улучшение характеристик моделей, которые применяются для 
описания свойств материалов;
● оптимизация систем САЕ для компьютерных платформ с 64-битными и многоядерными процессорами, и тем самым улучшение 
условий для моделирования сложных конструкций с большим 
количеством степеней свободы.

Мировые лидеры рынка САЕ-систем

ANSYS (биржевой индекс ANSS) основана в 1970 году. На компанию работает почти 3000 профессионалов, штаб-квартира располагается в городе Canonsburg (Пенсильвания, США). Компания ANSYS 
давно является единоличным лидером рынка CAE. Ведущую позицию она заняла еще в 2006 году. И с каждым годом ANSYS, динамично развиваясь, улучшает свои показатели.
Dassault Systemes (биржевой индекс DASTY), с 2009 года возглавляющая рейтинг «королей» PLM, на рынке CAE занимает 2-ю позицию. 
Работы в области CAE-технологий ведутся под брендом SIMULIA, который появился после приобретения в 2005 году компании ABAQUS. 
Инструменты для инженерного анализа содержатся также в пакетах 
CATIA и SOLIDWORKS. Таким образом, у этой французской компании, помимо штаб-квартиры в Vоеlizy-Villacoublay, есть еще два географических центра, влияющих на развитие CAE-технологий: у под

Системы инженерного анализа (CAE)

разделения SIMULIA штаб-квартира находится в городе Providence 
(шт. Род-Айленд, США), а у SOLIDWORKS — в гор. Waltham (шт. 
Массачусетс, США).
Siemens PLM Software удерживает 3-е место на рынке PLM. Штабквартира компании, являющейся подразделением европейского концерна Siemens, располагается в городе Plano (штат Техас, США). Линейка продуктов CAE, выпускаемых Siemens PLM Software, включает 
NX CAE — набор средств инженерного анализа с основными расчетными модулями NX Nastran, NX Thermal и NX Flow.
14 июня 2016 года компания Siemens PLM Software представила комплексный портфель продуктов для инженерного анализа Simcenter, 
включающий в себя инструменты для проведения 1D- и 3D-расчетов 
(в том числе решение NX CAE).
На рис. 1 представлена диаграмма, отображающая состояние на рынке CAE-систем 2013–2017 гг.

Расчетные методы,  
используемые для инженерных исследований в CAE-системах

При выполнении в CAE-системах задач инженерных исследований, 
называемых анализами, для описания поведения объекта исследования в заданных условиях создается расчетная модель, которая включает геометрическую 3D-модель детали или сборки и набор условий, 
ограничивающих нагрузки и перемещения исследуемого изделия.
Обычно исходная задача инженерного анализа формулируется 
в дифференциальных уравнениях с частными производными совместно с начальными и граничными условиями.
По используемому математическому аппарату методы решения задач в частных производных делят на две группы: аналитические и численные.
При использовании аналитических методов решение задачи получается в виде формулы, позволяющей по заданному значению аргумента получить значение искомой функции. В этом случае говорят, 
что решение получено в аналитической форме.
Большое количество инженерных задач, связанных с исследованием 
напряженно-деформированного состояния твердых тел, может быть