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-программы . 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.

«САПР и графика» 2"2000

В данной статье я бы хотел поделится своим опытом работы с одной малоизвестной коммерческой CAE программой.

Имя этой программе GiD , и перед тем, как перейти к описанию, хотелось бы коротко рассказать о том, как я пришел к ее использованию.

Пролог

Я являюсь студентом одного из технических факультетов, одного из сибирских ВУЗов. За ненадобностью (и просто от греха подальше) конкретизировать не стану. На факультете студентам некоторых кафедр преподается курс вычислительной механики. Разумеется, при качественном изучении подобной дисциплины, никак нельзя обойтись без соответствующего программного обеспечения, и таковое на кафедре имелось. Более того, оно на этой же кафедре было разработано, успешно выполняло свои функции (на протяжении многих лет) и на момент создания было, вполне актуальным.

Если конкретнее, то это был комплект из программы создания конечно-элементных сеток и пре/постпроцессинга (Pascal с использованием DOS графики), расчетной программы, базирующейся на методе конечных элементов (fortran 75) и оптимизатора сеток (тоже fortran). Взаимодействие между этими программами осуществлялось с помощью вооруженного знаниями и командной строкой студента.

Процесс создания сеток был не вполне удобным и очень трудоемким, как вообще-то и весь остальной процесс решения задач, с помощью этого программного комплекса. На фоне постоянно растущего многообразия различных современных CAE систем, комплекс этот стал выглядеть устаревшим, и возник вопрос о его замене. Начались поиски…

Сами поиски подробно описывать не стану, речь не об этом. Замечу лишь, что такой комбайн как ANSYS для этих целей не подходил (тем более для него на факультете был выделен аж целый один отдельный курс лекций). Среди многочисленных open source проектов тоже не было очевидного претендента, удовлетворяющего нашим требованиям. В конце концов, прислушавшись к совету своего научного руководителя, я начал присматриваться к GiD.

Персональный пре/постпроцессор

В итоге выяснилось, что этот комплекс представляет из себя:

1. графический препроцессор с довольно мощным аппаратом геометрического моделирования, дискретизации геометрических моделей и неплохими возможностями импорта геометрии и сеток из других CAE/CAD программ
2. неплохой и довольно простой графический постпроцессор, позволяющий анализировать результаты проделанных вычислений

Несколько скриншотов

Сразу отмечу одну из особенностей GiD, которая впоследствии и подтолкнула использовать ее для описанных во введении целей. В комплекте с GiD не поставляется ни одной расчетной программы, решающей те или иные задачи, зато имеется возможность использовать для этих целей любую стороннюю программу . Правильнее было бы назвать это не особенностью, а основной идеей.

Таким образом рассматриваемая программа представляет из себя универсальный пре/постпроцессор, который можно использовать для решения самых разнообразных задач.

Скорее всего, это не единственная программа, выполняющая такие функции, и я буду премного благодарен тем, кто приведет примеры. Но так уж вышло, что далее работать я стал именно с ней. Тем более демо-версия не накладывала никаких ограничений на срок работы с программой и на ее функциональность, кроме ограничения на количество используемых в сетке узлов (не более 1010 узлов). То есть для обучающих целей она могла использоваться, вообще говоря, бесплатно .

Цена продукта, кстати говоря, тоже весьма приемлема (только не нужно воспринимать эту информацию как рекламу). Вдобавок ко всему, разработчики предоставляют версии для различных платформ, что было очень удобно, так как я использую Ubuntu, а на машинах факультета стоят либо XP либо семерка.

Мы решили заменить устаревший пре/постпроцессор используемого нами программного комплекса GiD-ом, оставив ту же расчетную программу.

Как это работает?

Для того чтобы организовать связь между пре/пострпоцессорм GiD и некоторым решателем (уж простите, если кому режет слух, но в моем словарном запасе нет русского аналога слову solver ), используются гибкие и довольно простые механизмы, о которых я вкратце, на примерах расскажу.

Итак, мы имеем:

1. собственную расчетную программу расчета НДС пластин на базе МКЭ
2. коммерческий пре/постпроцессор

А необходимо нам сообразить из этого рабочую, простую и удобную CAE систему, пригодную для тех или иных целей (в моем случае обучение работе с подобными системами)

Подробные инструкции к этому процессу, как и руководство по работе в пре/постпроцессоре, подробно описано в мануалах, от разработчиков. На офсайте продукта вообще можно найти много доступной и полезной информации, от FAQ до материалов конференций, посвященных работе с GiD.А благодаря стараниям некой

Irene Grigorieva from University of Kemerovo

пользовательский мануал доступен на русском языке (хотя, на мой взгляд, это могли сделать и сами разработчики).

Я же затрону лишь основные аспекты.

Система шаблоннов

GiD осуществляет взаимодействие между своим препроцессором и решателем путем обмена файлами данных (ANSI типа). Если вы хотите использовать ее для работы с программой, которая в качестве входных данных для своих расчетов использует какие-либо не форматированные (или с закрытым форматом) файлы, то, скорее всего, у вас ничего не выйдет. Хотя возможно появится, а может быть уже появилось, какой-нибудь модуль/дополнение.

Для того чтобы передать информацию, о построенной (или импортированной) в препроцессоре модели во входной файл решателя, используется система шаблонов . Шаблон представляет из себя файл с расширением.bas, написанный, в соответствии с придуманными разработчиками правилами, который указывает препроцессору в каком виде нужно записать данные о сетке в файл.

Шаблон состоит из набора любых символов, в котором все символы, кроме ключевых слов, следующих за символом «* », GiD воспринимает, как простой текст, и в том же виде передает во входной файл.

Ниже в качестве пояснения представлено несколько примеров «шаблон – результат»

Пример 1. Вывод общего числа элементов и узлов сетки

myproblem.bas
Myprogram datafile NumberOfNode = *NPoin NumberOfElements = *NElems

projectname.dat
Myprogram datafile NumberOfNode = 12 NumberOfElements = 10

Пример 2. Список элементов

myproblem.bas
ElemsList Elem Node1 Node2 Node3 Material Elemtype *Loop elems *ElemsNum *ElemsConec *ElemsMat *ElemsTypeName *End elems

projectname.dat
ElemsList Elem /Node1 Node2 Node3 / Material 1 / 1 2 12 / 1 2 / 2 11 12 / 2 3 / 2 3 11 / 2 4 / 3 10 11 / 2 5 / 3 4 10 / 2 6 / 4 9 10 / 1 7 / 4 5 9 / 1 8 / 5 8 9 / 1 9 / 5 6 8 / 2 10 / 6 7 8 / 2

Пример 3. Создание переменных. Форматированный вывод.

myproblem.bas
*Set var pi= 3.1415926535897 *Set var circlelength *Set var radius=15 *format(IRadius=15, CircleLength=%5.3f) *operation(2*radius*pi)

projectname.dat
Radius=15, CircleLength=94.245

Думаю для наглядного объяснения, этих примеров должно хватить. На мой взгляд, все просто, и не требует от пользователя знания какого-либо языка программирования. Для того чтобы освоить основной набор лексем, используемых в шаблоне, хватит и нескольких часов.

В наборе этом присутствуют и стандартные циклы, и условия, и циклы по элементам, и messаge-box-ы, для уведомлениях об ошибках, и еще много чего. Если же стандартного набора не хватит, ввиду сложного формата входного файла, или необходимости реализации каких-то хитрых функций, то в шаблоне можно использовать процедуры, написанные на языке Tcl (как из идущей в комплекте библиотеки, так и написанные пользователем). Интерпретатор Tcl идет в комплекте, так что о его установке беспокоиться не придется.

Проблематика конкретной задачи

С сетками и шаблонами все понятно. Но для решения конкретной задачи этого мало, ведь у каждой задачи своя проблематика, а отсюда наличие различных типов (и способов их описания) материалов, граничных условий и прочих особенностей.

Для того чтобы можно было оперировать этим набором данных, опять таки нужно создавать текстовые файлы с соответствующими расширениями.

• .cnd - для описания используемых вами граничных условии
• .mat - для описания материалов, и третий
• .prb - для прочих параметров.

С созданием этих файлов все еще проще чем с шаблонами. Вот пример файла в котором описывается два граничных условия(нагрузка в узле, и начальное перемещение узла)

myproblem.cnd
CONDITION: Point-Move CONDTYPE: over points CONDMESHTYPE: over nodes QUESTION: X-Move VALUE: 0 QUESTION: Y-Move VALUE: 0 HELP:перемещение{см} END CONDITION CONDITION: Point-Force-Load CONDTYPE: over points CONDMESHTYPE: over nodes QUESTION: X-Force VALUE: 0.0 QUESTION: Y-Force VALUE: 0.0 HELP: Нагрузка{см} END CONDITION

После создания всех указанных выше файлов, нужно «сложить» их в папку с любым угодным вам именем (которое впоследствии будет использоваться в интерфейсе программы, в качестве идентификатора вашей задачи) и «расширением» .gid . Папку эту нужно поместить одну из подкаталогов программы GiD, при следующем запуске ваш тип задачи будет доступен для работы.

Проекты хранятся в папках с тем же «расширением» .gid . Туда же помещаются полученные с помощью шаблонов файлы данных, а так же дублируются файлы с граничными условиями и материалами (для возможности менять их применительно только к одному проекту). Шаблонов может быть сколь угодно много, и каждому из них будет соответствовать свой файл данных.

Готово! Как заводить?

Когда модель построена, сетка сгенерирована, граничные условия заданы – нужно запустить решатель. Чтобы это можно было сделать непосредственно из препроцессора, нужно написать простенький скрипт. При нажатии кнопки “Caclulate” в GiD, программа просто запустит этот скрипт с тремя параметрами (имя проекта, путь к папке проекта, путь к папке с определением типа задачи). В скрипте можете реализовать все, что вам не хватало, на CMD в Windows или на bash/sh в Linux.

А что же с постпроцессором?

С постпроцессором, к сожалению, все не так гибко. Он требует от расчетной программы, вывода данных в файлы, в угодном ему формате. Более удобной системы пока не придумали.

В моем случае эта проблема была решена созданием «конвертера», который, на основе выходных файлов нашей расчетной программы, создавал файлы, необходимые постпроцессору. Формат этих файлов подробно описан в мануалах, и создание такого «конвертера» не составит труда, при наличии минимальных навыков работы с файлами в любом языке программирования.

Подведение итогов

GiD может оказаться полезен тем, кто ищет простой и удобный пре/постпроцессор для решения самых разнообразных задач, но при этом не хочет обзаводиться такими гигантами как ANSYS (даже самый базовых комплект которого включает в себя много, порой лишних и ненужных инженерам/исследователям функций, за которые, хочешь не хочешь придётся платить).

Так же эта программа может стать выходом для тех, кто не может найти CAE, умеющую делать то, что им нужно, но при этом имеет собственный решатель (либо планирует его создать).

Надеюсь данный материал будет кому-то полезен.

CAE (англ. Computer-aided engineering) - общее название для программ или программных пакетов, предназначенных для инженерных расчётов, анализа и симуляции физических процессов. Расчётная часть пакетов чаще всего основана на численных методах решения дифференциальных уравнений (см.: метод конечных элементов, метод конечных объёмов, метод конечных разностей и др.).
Современные системы автоматизации инженерных расчётов (CAE) применяются совместно с CAD-системами (зачастую интегрируются в них, в этом случае получаются гибридные CAD/CAE-системы).
CAE-системы - это разнообразные программные продукты, позволяющие при помощи расчётных методов (метод конечных элементов, метод конечных разностей, метод конечных объёмов) оценить, как поведёт себя компьютерная модель изделия в реальных условиях эксплуатации. Помогают убедиться в работоспособности изделия, без привлечения больших затрат времени и средств.

В русском языке есть термин САПР, который подразумевает CAD/CAM/CAE


Наиболее распространённые CAE-системы:
-T-FLEX Анализ - универсальная система КЭ анализа с встроенным пре-/постпроцессором;
-APM WinMachine - отечественная универсальная система для проектирования и расчета в области машиностроения, включающая КЭ анализ с встроенным пре-/постпроцессором;
-APM Civil Engineering - отечественная универсальная система КЭ анализа с встроенным пре-/постпроцессором для проектирования и расчета металлических, железобетонных, армокаменных и деревянных конструкций;
-ANSYS - универсальная система КЭ анализа с встроенным пре-/постпроцессором;
-MSC.Nastran - универсальная система КЭ анализа с пре-/постпроцессором MSC.Patran;
-ABAQUS - универсальная система КЭ анализа с встроенным пре-/постпроцессором;
-NEiNastran - универсальная система КЭ анализа с пре-/постпроцессором;
-NX Nastran - универсальная система МКЭ анализа;
-SAMCEF - универсальная система КЭ анализа с пре-постпроцессором SAMCEF Field.
-OpenFOAM - свободно-распространяемая универсальная система КО пространственного моделирования механики сплошных сред;
-SALOME - платформа для проведения расчётов МСС (подготовка данных - мониторинг расчёта - визуализация и анализ результатов);
-CAElinux - дистрибутив операционной системы Линукс, включающий в себя ряд свободных САЕ-программ, в том числе OpenFOAM и SALOME.
-STAR-CD - универсальная система МКО анализа с пре-/постпроцессором;
-STAR-CCM+ - универсальная система МКО анализа с пре-/постпроцессором;
-ADAMS - система моделирования и расчёта многотельной динамики;
-Универсальный механизм (UM) - программный комплекс предназначен для моделирования динамики и кинематики плоских и пространственных механических систем;
-EULER (Эйлер) - программный комплекс автоматизированного динамического анализа многокомпонентных механических систем;
-ФРУНД - комплекс моделирования динамики систем твёрдых и упругих тел;
-Femap - независимый от САПР пре- и постпроцессор для проведения инженерного анализа методом конечных элементов;
-QForm 2D/3D - специализированный программный комплекс для моделирования и оптимизации технологических процессов объёмной штамповки;
-MBDyn - система комплексного анализа и расчётов нелинейной динамики твёрдых и упругих тел, физических систем, "умных" материалов, электрических сетей, активного управления, гидравлических сетей, аэродинамики самолётов и вертолётов. Распространяется на условиях лицензии GNU GPL 2.1.;
-SimulationX - программный комплекс для моделирования и анализа динамики и кинематики автомобилей, индустриального оборудования, электро-, пневмо- и гидроприводов, ДВС, гибридных двигателей и т. д.
История развития
Историю развития рынка CAD/CAM/CAE-систем можно достаточно условно разбить на три основных этапа, каждый из которых длился, примерно, по 10 лет. Первый этап начался в 1970-е годы. В ходе его был получен ряд научно-практических результатов, доказавших принципиальную возможность проектирования сложных промышленных изделий. Во время второго этапа (1980-е) появились и начали быстро распространяться CAD/CAM/CAE-системы массового применения. Третий этап развития рынка (с 1990-х годов до настоящего времени) характеризуется совершенствованием функциональности CAD/CAM/CAE-систем и их дальнейшим распространением в высокотехнологичных производствах (где они лучше всего продемонстрировали свою эффективность).
На начальном этапе пользователи CAD/CAM/CAE-систем работали на графических терминалах, присоединённых к мейнфреймам производства компаний IBM и Control Data, или же мини-ЭВМ DEC PDP-11 и Data General Nova. Большинство таких систем предлагали фирмы, продававшие одновременно аппаратные и программные средства (в те годы лидерами рассматриваемого рынка были компании Applicon, Auto-Trol Technology, Calma, Computervision и Intergraph). У мейнфреймов того времени был ряд существенных недостатков. Например, при разделении системных ресурсов слишком большим числом пользователей нагрузка на центральный процессор увеличивалась до такой степени, что работать в интерактивном режиме становилось трудно. Но в то время пользователям CAD/CAM/CAE-систем ничего, кроме громоздких компьютерных систем с разделением ресурсов (по устанавливаемым приоритетам), предложить было нечего, так как микропроцессоры были ещё весьма несовершенными. По данным Dataquest, в начале 1980-х стоимость одной лицензии CAD-системы доходила до 90 000 долл.
Развитие приложений для проектирования шаблонов печатных плат и слоёв микросхем сделало возможным появление схем высокой степени интеграции (на базе которых и были созданы современные высокопроизводительные компьютерные системы). В течение 1980-х годов был осуществлён постепенный перевод CAD-систем с мейнфреймов на персональные компьютеры (ПК). В то время ПК работали быстрее, чем многозадачные системы, и были дешевле. По данным Dataquest, к концу 1980-х годов стоимость CAD-лицензии снизилась, примерно, до 20 000 долл.
Следует сказать, что в начале 1980-х годов произошло расслоение рынка CAD-систем на специализированные секторы. Электрический и механический сегменты CAD-систем разделились на отрасли ECAD и MCAD. Разошлись по двум различным направлениям и производители рабочих станций для CAD-систем, созданных на базе ПК:
часть производителей сориентировалась на архитектуру IBM PC на базе микропроцессоров Intel х86;
другие производители предпочли ориентацию на архитектуру Motorola (ПК её производства работали под управлением ОС Unix от ATT, ОС Macintosh от Apple и Domain OS от Apollo).
Производительность CAD-систем на ПК в то время была ограничена 16-разрядной адресацией микропроцессоров Intel и MS-DOS. Вследствие этого, пользователи, создающие сложные твердотельные модели и конструкции, предпочитали использовать графические рабочие станции под ОС Unix с 32-разрядной адресацией и виртуальной памятью, позволяющей запускать ресурсоёмкие приложения.
К середине 1980-х годов возможности архитектуры Motorola были полностью исчерпаны. На основе передовой концепции архитектуры микропроцессоров с усеченным набором команд (Reduced Instruction Set Computer - RISC) были разработаны новые чипы для рабочих станций под ОС Unix (например, Sun SPARC). Архитектура RISC позволила существенно повысить производительность CAD-систем.
С середины 1990-х годов развитие микротехнологий позволило компании Intel удешевить производство своих транзисторов, повысив их производительность. Вследствие этого появилась возможность для успешного соревнования рабочих станций на базе ПК с RISC/Unix-станциями. Системы RISC/Unix были широко распространены во 2-й половине 1990-х годов, и их позиции все ещё сильны в сегменте проектирования интегральных схем. Зато сейчас Windows NT и Windows 2000 практически полностью доминируют в областях проектирования конструкций и механического инжиниринга, проектирования печатных плат и др. По данным Dataquest и IDC, начиная с 1997 года рабочие станции на платформе Windows NT/Intel (Wintel) начали обгонять Unix-станции по объёмам продаж. За прошедшие с начала появления CAD/CAM/CAE-систем годы стоимость лицензии на них снизилась до нескольких тысяч долларов (например, 6000 долл. у Pro/Engineer).