С каждым годом сложность производства изделий и технологических процессов возрастает многократно в связи с новыми требованиями по экологичности, улучшения рабочих характеристик, жестких сроков разработки и снижения производственных затрат. В современном высококонкурентном мире выживает та компания, которая может поставить на рынок высокотехнологичный продукт за короткий срок и с минимальными издержками, однако сделать это классическими методами с использованием реальных опытных образцов для тестирования продуктов и последующей оптимизации становиться слишком долго, дорого и не эффективно. На помощь приходят инженерные расчеты в специализированных CAE-системах (от англ. Computer-Aided Engineering), обеспечивающие проверку проектных заданий и промышленных изделий на основе численного моделирования физических процессов, позволяя тем самым значительно сократить количество натурных испытаний, а в некоторых случаях полностью уйти от них. В рамках данной статьи мы познакомимся с понятием современного численного моделирования в инженерной проектной работе, какие виды расчетов сегодня применяются и какой положительный эффект они дают, а также рассмотрим некоторые примеры проектов, выполненные компанией «Нова-инжиниринг».
CAE-системы — это специализированное программное обеспечение, предназначенное для моделирования и анализа физических процессов в решении различных инженерных задачах. Данные системы широко распространены в авиационной, ракетно-космической, судостроительной отраслях, в машиностроении, энергетике, металлургии, медицине и других сферах.
Решатели компьютерных программ CAE в большинстве своем основаны на численных методах решения дифференциальных уравнений — наиболее известными методами являются метод конечных элементов (МКЭ), метод конечных объемов (МКО), метод конечных разностей (МКР), метод граничных элементов [1]. Выполнение расчетов может проводиться в двухмерной постановке (упрощенный случай), но чаще всего применяется моделирование на трехмерной модели. Для этого используется 3D модели изделия и расчетной области, построенные в отдельных CAD-системах с их последующим импортом через универсальные форматы (Iges, Step, Parasolid) в расчетные пакеты. Также существуют CAD модули, встроенные в CAE приложениях, например расчетный пакет Ansys [2] имеет в своем составе SpaceClaim, который позволяет построить или отредактировать существующую геометрическую модель и затем подготовить расчетную сетку по ней, что обеспечивает бесшовную работу при подготовке моделей и возможность геометрической параметризации объекта для проведения оптимизационных расчетов. Построение расчетной сетки, другими словами, разбиение исследуемого пространства на элементарные ячейки (кубики, тетраэдры, гексаэдры и др.) для выполнения численного моделирования, является важной и ответственной задачей, от которой зависит точность полученного результата и длительность расчета (рис. 1).