Инженерный анализ — это основа безопасной и экономически эффективной эксплуатации оборудования, строительных конструкций и технологических систем. Особенно важно применять точные методы расчета в таких ответственных отраслях, как атомная энергетика, нефтехимия, машиностроение и строительство. Один из ключевых факторов, определяющих качество инженерного анализа, — это выбор программного обеспечения.

В этой статье мы расскажем о популярных и зарекомендовавших себя решениях: ANSYS, LS‑DYNA, ЗЕНИТ-95 и APM Structure3D (APM WinMachine).

ANSYS — промышленный стандарт мультифизического моделирования

ANSYS Mechanical — один из самых мощных и универсальных инструментов для конечно-элементного анализа (FEA). Программа позволяет решать широкий спектр задач:

• статический и динамический прочностной анализ;
• тепловые расчеты;
• расчеты гидрогазодинамики;
• анализ вибраций;
• анализ устойчивости;
• расчет контактных взаимодействий;
• сейсмический анализ с учетом спектров отклика.

ANSYS интегрируется с другими модулями, поддерживает нелинейности, пластичность, ползучесть и разрушение. Это идеальное решение для крупного промышленного проектирования, в том числе в атомной энергетике.

LS‑DYNA — лидер в расчетах высокоскоростных и аварийных процессов

LS‑DYNA применяется, когда необходим нелинейный динамический анализ с учетом сильных деформаций, разрушений, ударов и взрывов.

Сценарии применения:

• падения, столкновения и пробитие,
• анализ последствий сейсмических и аварийных нагрузок,
• моделирование технологических процессов (штамповка, литье).

Программа отлично справляется с задачами, где требуется высокая точность во времени и пространстве при моделировании разрушения конструкций.

ЗЕНИТ-95 — отечественная система для прочностного анализа оборудования

ЗЕНИТ-95 — специализированный российский программный комплекс, разработанный для расчета оборудования (в том числе — сосудов, трубопроводов, теплообменников) в соответствии с нормативами ПНАЭ, ГОСТ, РД и другими отраслевыми стандартами.

Преимущества:

• акцент на соответствие российским и отраслевым нормам,
• удобные шаблоны расчета и автоматизация типовых задач,
• высокая скорость освоения и применения.

Подходит для проектирования и анализа оборудования АЭС и объектов нефтегазовой промышленности.

APM Structure3D / APM WinMachine — доступное решение для широкого круга задач

APM Structure3D — программный комплекс, разработанный в России. Он применяется для прочностных расчетов строительных конструкций и машиностроительных изделий.

Возможности:

• линейный и нелинейный статический анализ;
• расчет на устойчивость;
• спектральный и модальный анализ;
• оценка прочности сварных и болтовых соединений.

Это хороший выбор для малых и средних предприятий, которым важно соответствие СНиП и СП.

Заключение

В инженерном анализе не бывает универсальных решений. Разные задачи требуют разного подхода — от методов моделирования до выбора программного обеспечения.

Грамотный подбор инструмента под конкретную инженерную задачу позволяет обеспечивать оптимальный баланс между точностью, скоростью и стоимостью расчетов.

Важным фактором при выборе программного обеспечения для инженерных расчетов является его аттестация для применения на объектах атомной энергетики. Только сертифицированные и аттестованные расчетные комплексы могут использоваться при проектировании и обосновании безопасности оборудования АЭС. Это требование продиктовано как нормативными документами, так и высоким уровнем ответственности — ведь от точности расчетов напрямую зависит безопасность эксплуатации. Поэтому при работе в атомной отрасли выбор ПО должен учитывать не только технические возможности, но и его допуск к использованию в проектах повышенного уровня ответственности.

Наши сотрудники имеют опыт работы в ANSYS, LS‑DYNA, APM WinMachine (APM Structure3D), Зенит‑95, ЛОГОС.

Статья посвящена ключевым аспектам обеспечения достоверности и качества численного моделирования напряженно-деформированного состояния (НДС) сложных конструкций в упругой области.

Информация может служить руководством для специалистов, занимающихся численным моделированием в области механики и машиностроения, и подчеркивает важность соблюдения установленных требований для получения достоверных и воспроизводимых результатов.

Введение

Численное моделирование все более широко используется для исследования процессов, происходящих в сложных элементах конструкций. Применение численных методов позволяет снизить затраты на экспериментальные исследования и доводку изделий, делая возможным более глубокий, чем раньше, анализ функционирования конструкции и позволяя рассмотреть большое количество вариантов реализации конструкции.

Благодаря совершенствованию вычислительной техники и информационных технологий расширяется использование технологий численного моделирования анализа напряженно-деформированного состояния (НДС) деталей и узлов.

Вместе с тем использование современных вычислительных технологий для расчета НДС сложных конструкций в упругой области может приводить к неправильным результатам при несоблюдении ряда требований к используемому программному обеспечению компьютерного моделирования (ПО КМ) НДС сложных конструкций.

Накопленный в настоящее время опыт применения ПО для анализа в упругой области НДС сложных конструкций позволяет сформулировать общие требования к ПО и постановке задачи численного моделирования, выполнение которых должно обеспечить достоверность получаемых решений, что и является целью настоящего стандарта.

Установленные в настоящем стандарте правила сформулированы для проверки применимости ПО для исследования НДС сложных конструкций в упругой области, верификации и валидации моделей, и распространяются на задачи исследования НДС конструкций любой степени сложности, изготовленных из изотропных материалов с линейно-упругими свойствами, при статических нагрузках, и не распространяются на конструкции из материалов с нелинейно-упругим поведением, а также из анизотропных, композиционных и полимерных материалов.

Требования к конечно-элементным моделям сложных элементов конструкций для численного моделирования НДС в упругой области

Используемая для моделирования численными методами конечно-элементная модель должна соответствовать следующим требованиям:

1. Не допускается при генерации КЭМ с применением трехмерных твердотельных элементов использовать для тонкостенных конструкций менее трех элементов по толщине.
2. Допускается использовать пластинчатые или оболочечные элементы.
3. Нежелательно использовать треугольные и тетраэдральные элементы первого порядка при проведении численного моделирования в 2D- и 3D-постановках соответственно.
4. Рекомендуется использовать элементы второго порядка (с промежуточными узлами). Использование элементов первого порядка возможно при обосновании допустимости применения таких элементов для данной задачи.
5. Необходимо использовать контактные элементы для учета взаимодействия нескольких геометрических тел в рамках одной численной модели.
6. Допускается для сокращения времени расчетов применять модели меньшей размерности [0D (сосредоточенная масса), 1D и 2D], если это соответствует физической сущности задачи.
7. Допускается использовать условия циклического или периодического типов симметрии для уменьшения расчетной области и сокращения временных затрат, если объект обладает такими свойствами.
8. При подготовке к построению КЭМ геометрическая модель должна быть предварительно проверена на наличие дефектов, необъясняемых конструктивным обликом геометрической модели: поверхностей с острыми углами, геометрических объектов существенно меньшего размера по сравнению с габаритами модели, разрывов в непрерывности и т.д. При наличии указанных дефектов должна быть проведена коррекция геометрической модели.
9. Допускается упрощать геометрическую модель для ускорения генерации сетки (например, проводить операции по удалению фасок и галтелей, объединению линий и поверхностей). Эти операции не должны приводить к изменению НДС в «критических местах» рассматриваемых конструкций. Рекомендуется проводить сравнительные расчеты при принятии решений по упрощению геометрической модели.
10. Для построения КЭМ надлежащего качества над геометрическими моделями помимо коррекции и упрощения должны быть проведены действия по разделению геометрической модели на объемы упрощенной формы. Рекомендуется выделять части геометрической модели, на базе которых может быть сгенерирована упорядоченная сетка (в том числе методом протяжки), в отдельные объемы. Топология смежных объемов при их разделении должна быть сохранена. То есть количество вершин, граней и поверхностей на общей границе должно совпадать. Должна выполняться проверка твердотельной модели на наличие сдвоенных поверхностей и линий.
11. Допускается для построения КЭМ использовать сторонние сеточные генераторы при соблюдении требований к геометрии и проведении сравнительных численных исследований влияния импорта/экспорта геометрических моделей и КЭМ на результат.
12. Допускается для построения КЭМ использовать сторонние сеточные генераторы при соблюдении требований к геометрии и проведении сравнительных численных исследований влияния импорта/экспорта геометрических моделей и КЭМ на результат.
13. Для оценки качества КЭМ необходимо использовать различные критерии. Применение каждого из перечисленных ниже критериев является необходимым, но недостаточным условием КЭМ высокого качества.

Критерии оценки качества КЭМ

1. Критерии, основанные на геометрическом совершенстве элементов.
   Разработчики ПО вправе использовать различные подходы к данному виду оценки, однако их суть должна сводиться к тому, чтобы определять отличие используемых элементов от элементов идеальной формы. Разработчики ПО обязаны предоставлять количественные оценки качества сетки, подкрепленные конкретными верификационными примерами.
   
2. Критерии, основанные на исследовании изменения напряжений в узле в смежных элементах.
   При определении напряжений в точках интегрирования значения напряжений в узле КЭМ в смежных элементах будут различными. Сетка является тем более высокого качества, чем меньше параметр, характеризующий отношение разницы между максимальным и минимальным величинами напряжений к среднему в узле между смежными элементами. Этот параметр не должен превышать 10% в критических местах модели.
   
3. Критерии, основанные на исследовании зависимости напряжений от количества элементов.
   Необходимо провести серию последовательных расчетов, увеличивая в каждом выполняемом расчете число элементов КЭМ. Расчеты остановить и признать годной к применению КЭМ, когда разность вычисленных напряжений в наиболее напряженных зонах исследуемой конструкции в двух последовательных расчетах не будет превышать наперед заданного значения, определяемого требованиями к точности выполняемых расчетов и степенью ответственности исследуемой конструкции. Допускается использование элементов невысокого качества в заведомо некритичных местах конструкции.

Требования к расчетным моделям

Расчетная модель должна удовлетворять следующим требованиям:

• Обоснованность применения граничных условий и корректность используемых методов для расчета нагрузок должны быть подтверждены.
• Если рассчитываемый элемент сложной конструкции работает в условиях неравномерного нагрева, то характеристики материала необходимо задавать во всем диапазоне рабочих температур (например, в виде табличных данных). Допускается использование линейной интерполяции для определения характеристик промежуточных значений.
• Для ответственных деталей, разрушение которых может привести к человеческим жертвам или существенному экономическому ущербу, необходимо учитывать рассеяние характеристик и использовать в расчетах статистически обоснованные минимальные характеристики материалов, если это предусмотрено нормирующими в отрасли документами.
• Допускается для расчетов нагрузок (в том числе полей температур) использовать КЭМ, отличную от той, на которой численно определяется НДС, при наличии проверенной методики пересчета нагрузок с одной КЭМ на другую.