Зачем инженеру CAE?

Для того, чтобы ответить на вопрос зачем нужен подход CAE необходимо разобраться, что обозначает эта аббревиатура и чем данный подход может помочь в проектировании любого устройства.

CAE — computer-aided engineering, обобщенное название различных программ и программных комплексов, предназначенных для решения инженерных задач и симуляции физических явлений и процессов. Любая подобная система содержит расчетную часть, представляющую решатель, либо набор решателей. Принцип работы решателя построен на численном методе решения дифференциальных уравнений. В зависимости от класса решаемых задач, а также типа CAE-систем дифференциальные уравнения могут решаться методом конечных элементов (МКЭ), либо методом конечных объемов (МКО). Также существует метод конечных разностей, но этот и другие методы применяется значительно реже.
Суть методов МКЭ и МКО заключается в разбиение расчетной области на конечное число подобластей, в первом случае на элементы, во втором — на некоторые замкнутые объемы. Для каждой подобласти справедливо решение аппроксимирующей функции в случае МКЭ, в МКО производится поиск полей макроскопических величин, которые обычно формулируются с помощью законов сохранения.

Поиск неизвестных величин для нескольких конечных элементов или объемов можно произвести и вручную, аналитически, решив систему алгебраических уравнений. Однако, если речь заходит о расчетной области, описанной несколькими тысячами или миллионами ячеек, то без современных вычислительных мощностей решение инженерной задачи может занять достаточно много времени. Сочетание численных расчетных методов, вычислительной мощности современных компьютеров, и инженерной мысли ключевым образом описывает суть подхода CAE. Ни одно современное устройство не обходится без предварительных расчетов и проведения инженерного анализа. Масштаб охватываемых задач колоссален. От расчета тепловыделения и последующего охлаждения микрочипов и электронных компонентов, до создания расчетных моделей высотных зданий и сооружений, например, мостов.

Для разных изделий и конструкций применяются различные типы расчетов: прочностные расчеты, решение задач газодинамики или тепломассопереноса — вычисляемые характеристики и величины всегда отличаются, однако подход остается неизменным. Любая геометрическая модель соответствует сеточной модели, которая как раз представляет из себя структуру, состоящую из конечного числа элементов или объемов. Применяя инструменты различных решателей, дополняя модель граничными условиями, мы можем переходить к расчету, а затем и к анализу полученных данных.

Располагая столь мощными и точными инструментами инженеру под силу решать гораздо более сложные и емкие задачи в сравнение с аналитическим подходом, который обычно дополняется некой долей эмперики. Основная трудность заключается в том, что с течением времени устройства и конструкции становятся лишь сложнее. Требования к изделиям ужесточаются, зачастую применяются новые, более легкие и прочные материалы. Меняется масштаб моделирования в целом. И чтобы вывести изделие на конкурентноспособный уровень, нужно повысить его рабочие характеристики, при этом постараться еще и снизить затраты на производство.

Возвращаясь к подходу CAE. Теперь это не просто удобный инструмент, с помощью которого можно быстро и точно смоделировать тот или иной процесс. Теперь CAE просто необходим, как на ранних этапах проработки концепта, так и на более поздних этапах проектирования для эффективной оценки последствий принятия тех или иных инженерных решений. Благодаря выявлению и устранению потенциальных проблем существенно снижается вероятность брака. Аналогичным образом и любые внесения изменений в виртуальную модель вместо создания новых физических прототипов значительно экономят время и деньги.

Системы инженерного анализа
CAE — Computer-Aided Engineering

Комплекс программных продуктов, которые способны дать пользователю характеристику того, как будет вести себя в реальности разработанная на компьютере модель изделия. По-другому CAE можно назвать системами инженерного анализа. В своей работе они используют различные математические расчеты: метод конечных элементов, метод конечных разностей, метод конечных объемов. При помощи CAE инженер может оценить работоспособность изделия, не прибегая к значительным временным и денежным затратам.

Смотрите также: Каталог САПР/CAD-систем и проектов, CAD, PLM, PDM.

САЕ-системами (Computer-Aided Engineering) называется программное обеспечение, предназначенное для расчётов, анализа и симуляции физических процессов в решении инженерных задач. Данные системы востребованы в авиастроении, ракетостроении, машиностроении, энергетике, индустрии новых материалов, строительстве крупных инфраструктурных объектов и пр. Они позволяют при помощи расчётных методов моделировать «поведение» промышленных изделий в реальных условиях эксплуатации.

История

CAE неразрывно связаны с CAD и CAM. Развитие этих программных продуктов шло параллельно. В начале 80-х годов XX столетия первые пользователи CAD/CAM/CAE применяли для работы графические терминалы, которые были компонентами мейнфреймов IBM и Control Data. Основными поставщиками аппаратного и программного обеспечения CAD/CAM/CAE были компании Applicon, Auto-Trol Technology, Calma, Computervision и Intergraph. Поскольку мейнфреймы того времени были несовершенными, то появлялись определенные трудности. Интерактивный режим работы был практически недоступен из-за большой нагрузки на центральный процессор. Стоимость одной CAD/CAM/CAE системы составляла порядка $90000. С развитием прогресса аппаратные платформы CAD/CAM/CAE систем перешли с мейнфреймов на персональные компьютеры. Это было связано с меньшей стоимостью и большей производительностью ПК по сравнению с мейнфреймами. Закономерно снизилась и цена на CAD/CAM/CAE до $20000. На базе ПК создавались рабочие станции для CAD, которые поддерживали архитектуру IBM PC или Motorola. В середине 80-х годов появились архитектуры микропроцессоров с усеченным набором команд RISC (Reduced Instruction Set Computing). На их основе были разработаны более производительные рабочие станции, опиравшиеся на операционную систему Unix. С середины 90-х годов конкуренцию системам RISC/Unix составили технологии, разработанные компанией Intel на основе операционных систем MS Windows NT и MS Windows 2000. В настоящее время стоимость CAD/CAM/CAE систем снизилась и составляет не более $10000.

Классификация

• Системы полнофункционального инженерного анализа, обладающие мощными средствами, большими хранилищами типов для сеток конечных элементов, а также всевозможных физических процессов. В них предусмотрены собственные средства моделирования геометрии. Кроме того, есть возможность импорта через промышленные стандарты Parasolid, ACIS. 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. Самыми известными подобными системами считаются ANSYS/Multiphysics, AI*NASTRAN и MSC.NASTRAN.
• Системы инженерного анализа, встроенные в тяжелые САПР, имеют значительно менее мощные средства анализа, но они ассоциативны с геометрией, поэтому отслеживают изменения модели. Расчетные данные структурированы и интегрированы в общую систему проектирования тяжелой САПР. К ним относятся Pro/MECHANICA для Pro/ENGINEER, Unigraphics NX CAE для Unigraphics NX, Extensive Digital Validation (CAE) для I-deas, Catia CAE для CATIA;
• Системы инженерного анализа среднего уровня не имеют мощных расчетных возможностей и хранят данные в собственных форматах. Некоторые их них включают в состав встраиваемый интерфейс в CAD-системы, другие считывают геометрию из CAD. К первым относятся COSMOS/Works, COSMOS/Motion, COSMOS/FloWorks для SolidWorks Трехмерная проектная среда, ко вторым — visualNastran, Procision.

Возможности САЕ

С помощью САЕ можно проводить:

• Прочностной анализ компонентов и узлов на основе метода конечных элементов;
• Термический и гидродинамический анализ;
• Кинематические исследования;
• Моделирование таких процессов, как литье под давлением;
• Оптимизацию продуктов или процессов.

Этапы работы с САЕ

• Предварительная обработка — определение характеристик модели и факторов внешней среды, которые будут на нее воздействовать;
• Анализ и принятие решения;
• Обработка результатов.

Отрасли применения

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.

Опыт использования САЕ в автомобильной промышленности

Преимущество систем САЕ состоит в том, что автопроизводители могут проводить компьютерное тестирование разрабатываемых моделей. Это позволяет сосредоточить максимум внимания на повышении безопасности, комфортности и долговечности автомобилей, не затрачивая при этом финансовых средств. Безопасность пассажиров при столкновениях может быть оценена при помощи таких программных продуктов, как RADIOSS, LS-DYNA, PAM-CRASH.

Основные направления в развитии САЕ

В процессе развития САЕ разработчики стремятся увеличить их возможности и расширить сферы внедрения. Преследуются следующие цели:

• Совершенствование методов решения междисциплинарных задач моделирования;
• Разработка новых платформ для интеграции различных систем САЕ, а также для интеграции САЕ-систем в PLM-решения;
• Повышение интероперабельности САЕ и CAD систем;
• Совершенствование методов построения расчетных сеток, описания граничных условий, параллельных вычисление и т.д;
• Улучшение характеристик моделей, которые применяются для описания свойсв материалов;
• Оптимизация систем САЕ для компьютерных платформ с 64-битными и многоядерными процессорами, а тем самым улучшение условий для моделирования сложных конструкций с большим количеством степеней свободы.

Мировой рынок

По прогнозу TechNavio (весна 2013 года), рынок CAE в ближайшие пять лет будет ежегодно расти на 11,18% и к 2016-му достигнет 3,4 млрд. долл. Этот рост обусловлен целым рядом факторов, главный из которых — необходимость ускорения выпуска продукции на рынок. А основным тормозом, как и в случае CAD, является рост популярности систем с открытым исходным кодом, обусловленный высокой стоимостью лицензий на коммерческие CAE-системы.

Из географических регионов самым большим с точки зрения востребованности CAE в 2012-м стала Северная Америка, а по темпам роста первое место занял Азиатско-Тихоокеанский регион, в котором активно развивается промышленность. Чат-боты в России: особенности рынка, заметные проекты, ближайшие перспективы. Обзор TAdviser

Наибольшее распространение CAE-системы получили в автомобиле- и самолетостроении, электротехнике и электронике, тяжелом машиностроении и оборонной отрасли. Самый высокий рост спроса на CAE ожидается в автомобильной промышленности, а наименьший — в тяжелом машиностроении.

Ведущие позиции на рынке CAE занимают Ansys, MSC Software, Dassault Systemes, CD-adapco Group и LMS International. Кроме них в этой области работает немало менее крупных компаний, но число фирм, сосредоточенных только на CAE, сокращается, так как их покупают более крупные игроки ради их технологий.

В своем комментарии аналитики из TechNavio отметили, что некоторые крупные глобальные поставщики CAE и PLM начали продвигать `глобализованные` лицензии, которые позволяют купившим их заказчикам использовать CAE-системы в любой точке мира и обращаться за услугами поддержки в офис поставщика в любой стране. Это позволяет вендорам устранить разницу в стоимости своих продуктов в различных странах и продавать их по одной цене по всему миру. Аналитики ожидают, что данный подход будет применять все больше поставщиков CAE и PLM, и тогда на рынке произойдут значительные перемены с точки зрения ценовой политики вендоров.

CAD | CAE | CAM | PDM | PLM | CALS системы | Описание | Применение

Приведем основные определения CAD/CAE/CAM/PDM/PLM систем.

CAD (Computer Aided Design) — система автоматизированного проектирования (САПР) — программный пакет, предназначенный для создания чертежей, конструкторской и/или технологической документации и/или 3D моделей. Современные системы автоматизированного проектирования обычно используются совместно с системами автоматизации инженерных расчётов и анализа CAE (Computer-aided engineering). Данные из CAD-систем передаются в CAM (Computer-aided manufacturing) — система автоматизированной разработки программ обработки деталей для станков с ЧПУ или ГАПС (Гибких автоматизированных производственных систем).

Обычно охватывает создание геометрических моделей изделия (твердотельных, трехмерных, составных), а также генерацию чертежей изделия и их сопровождение. Следует отметить, что русский термин «САПР» по отношению к промышленным системам имеет более широкое толкование, чем «CAD» — он включает в себя CAD, CAM и CAE.

CAE (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, таких как: метод конечных элементов, метод конечных объёмов, метод конечных разностей и др. Позволяют при помощи расчетных методов оценить, как поведет себя компьютерная модель изделия в реальных условиях эксплуатации. Помогают убедиться в работоспособности изделия, без привлечения больших затрат времени и средств.

Современные системы автоматизации инженерных расчётов (CAE) применяются совместно с CAD-системами (зачастую интегрируются в них, в этом случае получаются гибридные CAD/CAE-системы).

CAM (Computer-aided manufacturing) — подготовка технологического процесса производства изделий, ориентированная на использование ЭВМ. Под термином понимаются как сам процесс компьютеризированной подготовки производства, так и программно-вычислительные комплексы, используемые инженерами-технологами.

Русским аналогом термина является АСТПП — автоматизированная система технологической подготовки производства. Фактически же технологическая подготовка сводится к автоматизации программирования оборудования с ЧПУ (2- осевые лазерные станки), (3- и 5-осевые фрезерные станки с ЧПУ; токарные станки, обрабатывающие центры; автоматы продольного точения и токарно-фрезерной обработки; ювелирная и объемная гравировка).
PDM.

Следует отметить, что как правило, большинство программно-вычислительных комплексов совмещают в себе решение задач CAD/CAM, CAE/САМ, CAD/CAE/CAM.

PDM ( Product Data Management ) — система управления данными об изделии — организационно-техническая система, обеспечивающая управление всей информацией об изделии. При этом в качестве изделий могут рассматриваться различные сложные технические объекты (корабли и автомобили, самолёты и ракеты, компьютерные сети и др.). PDM-системы являются неотъемлемой частью PLM-систем.

В PDM-системах обобщены такие технологии, как:

• управление инженерными данными (engineering data management — EDM)
• управление документами
• управление информацией об изделии (product information management — PIM)
• управление техническими данными (technical data management — TDM)
• управление технической информацией (technical information management — TIM)
• управление изображениями и манипулирование информацией, всесторонне определяющей конкретное изделие.

Базовые функциональные возможности PDM-систем охватывают следующие основные направления:

• управление хранением данных и документами
• управление потоками работ и процессами
• управление структурой продукта
• автоматизация генерации выборок и отчетов
• механизм авторизации

С помощью PDM-систем осуществляется отслеживание больших массивов данных и инженерно-технической информации, необходимых на этапах проектирования, производства или строительства, а также поддержка эксплуатации, сопровождения и утилизации технических изделий. Такие данные, относящиеся к одному изделию и организованные PDM-системой, называются цифровым макетом. PDM-системы интегрируют информацию любых форматов и типов, предоставляя её пользователям уже в структурированном виде (при этом структуризация привязана к особенностям современного промышленного производства). PDM-системы работают не только с текстовыми документами, но и с геометрическими моделями и данными, необходимыми для функционирования автоматических линий, станков с ЧПУ и др, причём доступ к таким данным осуществляется непосредственно из PDM-системы.

С помощью PDM-систем можно создавать отчеты о конфигурации выпускаемых систем, маршрутах прохождения изделий, частях или деталях, а также составлять списки материалов. Все эти документы при необходимости могут отображаться на экране монитора производственной или конструкторской системы из одной и той же БД. Одной из целей PDM-систем и является обеспечение возможности групповой работы над проектом, то есть, просмотра в реальном времени и совместного использования фрагментов общих информационных ресурсов предприятия.

PLM ( Product Lifecycle Management ) — технология управления жизненным циклом изделий. Организационно-техническая система, обеспечивающая управление всей информацией об изделии и связанных с ним процессах на протяжении всего его жизненного цикла, начиная с проектирования и производства до снятия с эксплуатации. При этом в качестве изделий могут рассматриваться различные сложные технические объекты (корабли и автомобили, самолёты и ракеты, компьютерные сети и др.). Информация об объекте, содержащаяся в PLM-cистеме является цифровым макетом этого объекта.

По-сути, как уже было сказано, PLM — является практически синонимом CALS технологий.

Самые читаемые статьи в этом разделе!

Рейтинг: 4.97

При подготовке материала использовались источники:
https://connective-plm.com/blog/chtotakoecae
https://www.tadviser.ru/index.php/%D0%A1%D1%82%D0%B0%D1%82%D1%8C%D1%8F:CAE_%D0%A1%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%BC%D1%8B_%D0%B8%D0%BD%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%BD%D0%BE%D0%B3%D0%BE_%D0%B0%D0%BD%D0%B0%D0%BB%D0%B8%D0%B7%D0%B0
https://techgidravlika.net/view_post.php?id=45