Пильов В.О., Шеховцов А.Ф. Двигуни внутрішнього згоряння: Серія підручників. Том 4. Основи САПР ДВЗ

Подождите немного. Документ загружается.

Таблиця 3.2 – Основні види задач аналізу якості об’єкта проектування,

що розв’язується за допомогою проблемно-орієнтованого програмно-

го забезпечення САПР ДВЗ

Вид задачі Особливості постановки задачі

Стаціонарний варіант

Нестаціонарний варіант

Тепловий аналіз

Теплопровідність

Конвекція

Випромінювання

Лінійна пружність

Фізична нелінійність

Геометрична нелінійність

Задачі міцності

Пластичність

Повзучість

Утомленість

Механіка руйнування

Контактні задачі

Контакт поверхні з поверхнею

Урахування кривини поверхні

Динамічний

частотний аналіз

Гармонічний

Спектральний

Випадкові впливи

Аналіз стійкості

Лінійний

Нелінійний

Стаціонарний потік

Нестаціонарний потік

Ламінарний потік

Турбулентний потік

Нестисні потоки

Стисні потоки

Гідрогазодинамічний

аналіз

Однокомпонентні течії

Багатокомпонентні течії

Зв’язний

багатодисциплінарний

аналіз

Гидрогазодинаміка –

теплообмін –

міцність

Будова скінченного елемента полягає в заданні координат його вуз-

лових точок. В зоні контакту двох скінчених елементів усі вузлові точки

повинні бути спільними. Сукупність усіх скінченних елементів моделі

об’єкта аналізу при цьому утворює скінченно-елементну сітку області до-

сліджень.

На практиці для апроксимації геометрії об’єкта аналізу застосовують

різноманітні

типи скінченних елементів. Приклади цих елементів подано

170

на рис.3.62. Їх вузлові точки позначено цифрами. Тут для трикутного сим-

плекс-елементу, який має три вузлові точки (див. рис.3.62, а), використо-

вують апроксимацію величини

вигляду

yaxaau

210

, (3.2)

де

– координати довільної точки, яка належить вибраному скінченому

елементу.

Чотирикутний симплекс-елемент (див. рис.3.62, б)

має чотири вузло-

ві точки та забезпечує апроксимацію шуканої фізичної величини вигляду

xyayaxaau

3210

. (3.3)

Трикутний ізопараметричний елемент (див. рис.3.62, в),

вже має

шість вузлових точок та підтримує наступну апроксимацію

xyayaxayaxaau

3210

+++++=

. (3.4)

8 7

е ж

исунок 3.62 – Приклади скінченних елементів:

а – трикутний симплекс-елемент; б – чотирикутний симплекс-елемент;

в – трикутний ізопараметричний елемент; г – чотирикутний ізопараметричний

елемент; д – трикутний, в перетині вісесиметричний елемент; е – десятивузловий

призматичний елемент; ж – двадцятивузловий паралепипед

171

Відповідно до вказаного, чотирикутний ізопараметричний елемент

(див. рис.3.62, г) має вісім вузлів та підтримує апроксимацію вигляду

yxaxyayaxaxyayaxaau

43210

+++++++=

. (3.5)

Аналогічним чином виконується апроксимація довільної фізичної

величини для інших, більш складних видів скінченних елементів.

Окрім наведених на рис.3.62 елементів з вузлами в їх вершинах і на

гранях, існують елементи з вузлами на ребрах. При цьому повинно бути

ясно, що зменшення розмірів скінченного елемента або збільшення кілько-

сті його вузлів підвищує

точність результатів аналізу. Водночас це збіль-

шує розміри задачі, об’єми потрібної пам’яті ЕОМ та час розрахунків.

На практиці найчастіше використовують нерівномірну скінченно-

елементну сітку при її згущенні (зменшенні розмірів елементів) в зонах рі-

зкої зміни геометрії або граничних умов (ГУ). Останні відтворюють взає-

модію об’єкта аналізу з оточуючим

середовищем. Приклади скінченно-

елементних сіток різноманітних деталей ДВЗ було подано вище на рис.

3.31; 3.32, а; 3.35; 3.36.

У цілому типовий хід розв’язання задач за методом скінченних еле-

ментів передбачає:

1) розробку геометричної моделі об’єкта аналізу;

2) синтез сіткової моделі цього об’єкта;

3) завдання фізичних властивостей матеріалів та граничних умов, що

відповідають

умовам експлуатаційних навантажень двигунів;

4) безпосереднє розв’язання задачі аналізу. Пошук рішення тут здій-

снюється з використанням процедури, що заснована на мінімізації певного

функціоналу, зв’язаного з диференційним рівнянням математичного опису

фізичної задачі та граничними умовами. Вказаний функціонал дискретизу-

ється на заданій множині скінченних елементів з використанням відповід-

них функцій апроксимації.

В результаті виконаної дискретизації та мінімі-

зації отримують систему алгебраїчних рівнянь, рішення якої визначає зна-

чення шуканої функції

в заданих вузлах сіткової моделі;

5) виведення результатів розрахунків.

Використання методу скінчених елементів дозволяє з успіхом вирі-

шувати задачі для областей складної форми, задавати складні ГУ, здійсню-

вати аналіз багатокомпонентних конструкцій, автоматизувати всі етапи

172

розв’язання задачі . Ці переваги методу сприяли появі достатньо великої

кількості прикладних систем такого класу. Найбільш розповсюдженими

комплексами проблемно-орієнтованого програмного забезпечення САПР є

автоматизовані системи ANSYS, NASTRAN, ADAMS, COSMOS, LS-

DYNA, AutoSEA, STAR-CD, КРОК тощо.

Для розв’язання задач за методом скінченних елементів універсальні

комплекси використовують власні спеціалізовані підсистеми створення

скінчено-елементних сіток, мають можливості імпортування сіткових

мо-

делей з інших МСЕ-систем, використовують сіткові моделі, що створені в

автономних генераторах. Прикладами генераторів сіток є системи ICEM

CFD, EZ-ICE, Pro*Am, Pm-Am тощо. Можливу складність сіткових моде-

лей, що створюються за їх допомогою, проілюстровано на рис.3.63. Видно,

що візуалізація сіткових моделей здійснюється на основі використання за-

собів векторної ілюстративної графіки.

исунок 3.63 – Скінченно-елементна модель для визначення теплового

стану двигуна в підкапотному просторі автомобіля Mercedes E-class,

що сгенерована в системі Pm-Am (дані САDFEM GmbH)

Для генерації сіткової моделі об’єкта аналізу необхідно мати інфор-

мацію щодо конфігурації його поверхонь. З цього приводу для ефективно-

173

го виконання сіткової моделі найчастіше здійснюється імпорт геометрії,

що створена в системах інженерної графіки. Наведемо перелік систем ін-

женерної графіки, в які інтегруються розрахункові модулі, наприклад сис-

теми скінченно-елементного аналізу ANSYS. Це Pro/Engineer, Unigraphics,

CATIA, SolidWorks, AutoCAD, Solid Edge, Microstation. Аналогічні дані

можна навести щодо інших проблемно-орієнтованих систем аналізу.

Водночас до кожної з розвинутих систем інженерної графіки

інтег-

руються всі найбільш удосконалені системи проблемно-орієнтованого ПЗ.

Наприклад, графічна система SolidWorks утворює програмний комплекс з

розрахунковими модулями COSMOS, NASTRAN, ANSYS, CADFEM то-

що, система Pro/Engineer – з системами Pro/MECHANICA, ANSYS,

NASTRAN, ADAMS.

З метою ефективної підтримки процесу аналізу конструкцій до скін-

ченно-елементних комплексів залучаються бази даних численних відомос-

тей щодо властивостей матеріалів і речовин, а результати отриманих роз

рахунків надаються з використанням засобів наукової графіки, у тому чис-

лі шляхом трасування траєкторій руху часток речовин і анімації нестаціо-

нарних процесів (див. рис.3.41 – 3.44).

Результати поетапної візуалізації ходу розв’язання задачі теплопро-

відності поршня при використанні графічної системи Pro/Engineer та про-

блемно-орієнтованного програмного комплексу ANSYS подано на

рис.3.64. Тут геометричну модель

поршня виконано в системі Pro/Engineer.

Надалі отриману геометричну інформацію передано в систему ANSYS, де

синтезовано сіткову модель та виконано розрахунки температурного стану

деталі. Наведені дані є прикладом інтеграції в єдиному комплексі систем

синтезу й аналізу конструкцій – створення CAD/CAE-системи. Інші при-

клади використання програмного комплексу ANSYS в двигунобудуванні

подано на рис.3.65.

Наступним кроком інтеграції систем

синтезу й аналізу конструкцій є

впровадження двостороннього асоціативного зв’язку між ними. Останнє

означає, що після проведення конструктивної оптимізації об’єкта проекту-

вання в системі аналізу модель знову повертається до системи інженерної

графіки, але вже в удосконаленому вигляді. Щодо пакета ANSYS, то такий

зв’язок існує з системами Pro/Engineer, Unigraphics та ін.

174

исунок 3.64 – Візуалізація етапів послідовного

процесу розв’язання задачі теплопровідності

поршня автотракторного дизеля

(САDFEM GmbH – МГТУ ім.Н.Е.Баумана):

а – геометрична модель деталі в системі

Pro/Engineer;

б – сіткова модель в системі ANSYS;

в – температурний стан деталі в системі ANSYS

исунок 3.65 – Результати розрахунку температурного стану поршня (а)

і напруженого стану шатуна (б) в системі ANSYS

175

В цілому розглянуті підходи забезпечують доступ користувачів

САПР до найсучасніших технологій синтезу й аналізу конструкцій. Тільки

систему інженерної графіки Pro/Engineer використовують фірми Caterpillar,

John Deere, BOSH, DAEWOO, Komatsu, Volvo, BMW, понад 28 тис. інших

фірм. З іншого боку, наприклад, система проблемно-орієнтованого про-

грамного забезпечення ANSYS встановлена більше, ніж на 60 тис. робочих

місць інженерів в різних країнах світу. Те саме можна

навести щодо інших

підсистем БПЗ та ППЗ САПР.

Окрім поданого важливо, що усі системи проблемно-орієнтованого

програмного забезпечення САПР з метою скорочення часу розрахунків

підтримують паралелізм обчислень та використовують можливості багато-

процесорних ЕОМ. Вказане буде викладено при розгляді технічного забез-

печення САПР в п.6.2.

3.4.2. Об’єктно-орієнтоване програмне забезпечення

Об

’єктно-орієнтоване ППЗ САПР призначене для аналізу специфіч-

них функціональних описів, які слід розглядати під час проектування по-

даного технічного об’єкта. В САПР ДВЗ сюди в першу чергу відносять

програми й програмні комплекси з розрахунків та оптимізації внутріш-

ньоциліндрових процесів. Прикладами цих комплексів є розробки НТУ

“ХПІ”, ХарДАЗТ (Україна

), Державного морського технічного університе-

ту (Росія), Хоккайдського університету (Японія) тощо. Вказані програмні

засоби враховують реальну геометрію КЗ, рух повітря в камері, процес

розповсюдження паливного факела, взаємодію крапель палива зі стінками

КЗ, випарювання палива в об’ємі камери та на її стінках, вигоряння палива

з урахуванням локальних значень коефіцієнту надлишку повітря.

Саме та-

кий підхід дозволяє ліквідувати ефект протиінтуітивної поведінки ДВЗ як

складної технічної системи та забезпечити потрібну точність опису проце-

сів, що прогнозуються (див. рис.1.6 – 1.7).

Окрім вказаного вище, специфіка роботи двигунів внутрішнього зго-

ряння в ряді випадків обмежує використання існуючих проблемно-

орієнтованих програмних комплексів. Так, за МСЕ не завжди вдається до-

стовірно прогнозувати ресурс високотермонавантажених деталей КЗ з ура-

хуванням експлуатаційного нестаціонарного аперіодичного навантаження

176

двигунів, а інваріантні бази да-

них не завжди надають потріб-

ну специфічну інформацію що-

до властивостей матеріалів в

умовах вказаної експлуатації.

Наприклад, на рис.3.66 подано

криві (позначено цифрами 1 і 2)

деформування поршневого

сплаву АЛ25 в умовах повзучо-

сті з урахуванням тривалості

циклу

експлуатаційних ни-

зькочастотних термонаванта-

жень поршня. Водночас на

рис.3.66, а (крива 3) наведено

дані щодо стаціонарної повзу-

чості вказаного матеріалу при

параметрах навантаження, які

відповідають максимальним

значенням температур і напру-

жень відповідного реального

низькочастотного циклу. Порі-

вняння кривих 1 і 3 свідчить,

що реальна деформація матері-

алу вже на момент випробувань

=2 год перевищує деформа-

цію стаціонарної повзучості

майже в 2,5 разу. З іншого бо-

ку, порівняння кривих 2 і 3 вка-

зує на те, що деформація циклічної повзучості може відповідати деформа-

ції стаціонарної для вдвічі зменшеного напруження. Зрозуміло, що такі

специфічні умови навантажень повинні враховуватись шляхом викорис-

тання об’єктно-орієнтованих математичних моделей опису

процесів, що

розглядаються. Подані вище процеси деформування матеріалу деталі КЗ

враховано в програмі РЕСУРС (НТУ “ХПІ”, свідоцтво України № 5915).

0,5 1,5

1,0

, год

0,5

1,5

1,0

, год

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

0,2

0,4

0,6

Рисунок 3.66 – Криві повзучості поршнево-

го сплаву АЛ25 при циклічному змінюванні

температури в межах 200↔300 °С,

ступінчастому змінюванні напружень і

різній тривалості циклу (НТУ “ХПІ”):

а – σ = 50↔30 МПа; б – σ =25↔6,4 МПа;

1 – = 6 хв; 2 – τ = 12 хв; 3 – стаціонарне

навантаження з максимальними параметрами

циклу; – експеримент;

– розрахунок

177

Аналогічні спеціалізовані програмні комплекси створюють для моде-

лювання процесів утворення токсичних речовин в циліндрі ДВЗ, течії па-

лива в трубопроводах високого тиску, руху газу в колекторах двигуна, ро-

боти підшипників ковзання тощо. Роботи в цьому напрямку ведуть відпо-

відні підрозділи всіх провідних двигунобудівних фірм та науково-

дослідних організацій.

З метою підвищення

ефективності САПР до об’єктно-орієнтованих

систем, як їх певні підсистеми, залучається проблемно-орієнтоване про-

грамне забезпечення. Наприклад, в САПР ДВЗ може бути створено спеціа-

лізований комплекс з аналізу температурного стану поршня. Тут об’єктно-

орієнтоване ПЗ буде виконувати функції автоматизованого синтезу геоме-

трії нової конструкції (етап 1 загального ходу розв’

язання задачі за МСЕ,

див. п.3.4.1), визначення і завдання ГУ залежно від режиму експлуатації

двигуна (етап 3), керування виконанням вказаних та усіх інших етапів. Ін-

ші етапи розв’язання задачі базуються на використанні проблемно-

орієнтованого скінчено-елементного комплексу, за допомогою якого вико-

нується типовий алгоритм пошуку рішення.

У зв’язку з вищенаведеним

, спеціалізовані фірми-виробники програ-

много забезпечення активно розробляють не тільки складові БПЗ САПР та

проблемно-орієнтовані програмні комплекси, а і об’єктно-орієнтовані мо-

дулі до своїх систем. Прикладом такого підходу до будови системи є уні-

версальний програмний комплекс STAR-CD, що підтримує моделі аналізу

гідро-газодинамічних, теплових і хімічних процесів у

двигунах внутріш-

нього згоряння. Унікальні методики комплексу дозволяють виконувати

розрахунки: подавання повітря і палива; течій та згоряння в циліндрі; ви-

пуску та каталітичного очищення відпрацьованих газів; охолодження бло-

ку циліндрів, процесів кавітації; параметрів теплообмінників; інших пока-

зників якості процесів в ДВЗ. Приклади результатів використання системи

STAR-CD в двигунобудуванні подано на рис.3.67 – 3.69.

Зрозуміло, що перевершити якість кращих зразків-аналогів об’єкта

проектування в САПР можливо тільки за умов удосконалення ПЗ, що від-

стежує розвиток об’єктно-орієнтованих напрямів наукових досліджень. З

цієї причини система STAR-CD надає можливості доступу користувачів до

внесення змін в математичні моделі розв’язання певних задач.

178

исунок 3.67 – Розрахунок

у системі STAR-CD (а) та

експериментальні дані (б)

щодо розповсюдження

паливного струменя

исунок 3.68 – Розрахунок

розвитку паливних факелів

у циліндрі ДВЗ

(система STAR-CD)

исунок 3.69 – Результати

розрахунку температурного

стану радіатора

(система STAR-CD)

179