ИСТИНА

Дается обзор системы инженерного анализа CAE Fidesys – российского программного пакета, нашедшего применение в ряде отраслей промышленности, в том числе в атомной отрасли. Наряду с описанием структуры и функционала отдельных модулей, отмечаются ключевые особенности CAE Fidesys: полное распараллеливание расчетного кода; заложенные в пакет модифицированные механические и математические модели, позволяющие решать задачи о перераспределении конечных деформаций; наличие двух расчетных ядер – ядра, основанного на методе конечных элементов, и ядра, использующего метод спектральных элементов. Пакет САЕ Fidesys является промышленной программной системой, которая обеспечивает инженерный анализ прочности на всех этапах жизненного цикла изделий и становится, таким образом, цифровым средством производства. Пакет состоит из препроцессора (включающего блок генерации расчетных сеток), расчетного ядра (блока расчетных модулей) и постпроцессора. Промышленная программная система, в отличие от программ, предназначенных для исследовательских целей, является «отчуждаемым» от разработчика интеллектуальным продуктом. Применительно к пакету прочностного анализа это, означает, в частности, что при использовании пакета не должны требоваться ни постоянное участие разработчика, ни углубленные знания пользователя в области механики деформируемого твердого тела; тем не менее, продукт должен технически поддерживаться разработчиком (вендором) и развиваться. Препроцессор CAE Fidesys поддерживает работу со всеми основными форматами данных, используемыми современными CAD-системами (системами инженерного проектирования) и пакетами инженерного анализа. Препроцессор позволяет загружать геометрию анализируемого изделия в виде CAD-модели и при необходимости исправлять ее, а также строить геометрическую модель восходящим образом (от вершин и кривых к поверхностям и объемам) и/или с использованием примитивов. Встроенный генератор сеток обеспечивает автоматическое создание трехмерных конечноэлементных моделей с использованием тетраэдральных, гексаэдральных, пирамидальных, призматических элементов и их комбинаций. Для двумерных, а также тонкостенных пространственных конструкций (оболочек) реализуется генерация неструктурированных конформных сеток из треугольных и четырехугольных элементов. Кроме этого, поддерживается построение балочных конечноэлементных моделей и моделей, содержащих комбинации объемных, оболочечных и балочных элементов. Предусмотрена возможность адаптации сетки к локальным особенностям геометрии и возможность сглаживания сетки с использованием различных метрик. Графический интерфейс пользователя CAE Fidesys позволяет задавать различные типы внешних воздействий, включая динамические и температурные нагрузки, а также физические свойства материалов, специфичные для разных частей изделия. Для многократно повторяющихся однотипных расчетов, например, при варьируемых размерах и расположении концентраторов напряжений, предусмотрена возможность автоматизации вычислений путем использования журнальных файлов, которые содержат параметрическую модель тела, описанную на встроенном языке сценариев (скриптов). Постпроцессор CAE Fidesys позволяет строить графики изменения основных параметров напряженно-деформированного состояния, а также комбинаций этих параметров в зависимости от координат или времени, визуализировать параметры в любых сечениях конструкции и отображать поля их распределения по всей конструкции. Пользователь (расчетчик, конструктор, исследователь) имеет возможность выбирать в рамках графического интерфейса определенные варианты теории прочности и получать в результате расчета, наряду с напряжениями и деформациями, коэффициенты запаса прочности. Для кусочно-непрерывных полей расчетных напряжений и деформаций (характерных для непосредственных результатов конечноэлементных расчетов) выполняется «сглаживание» с использованием теории согласованных результатов. Одним из конкурентных преимуществ САЕ Fidesys, предусмотренных при создании пакета, является использование двух методов численной дискретизации: метода конечных элементов, который является основой большинства CAE-систем, и метода спектральных элементов; последний применяется в настоящее время только в САЕ Fidesys. Метод спектральных элементов позволяет значительно ускорить решение больших нестационарных задач, характеризуемых быстропротекающими процессами, например, моделирование сейсмического воздействия или неразрушающего контроля, за счет реализации полностью явной схемы дискретизации по времени. Этот метод дает возможность не перестраивать расчетную сетку в случае обнаруженной недостаточной сходимости, а лишь менять порядок точности в настройках расчетной схемы; при этом с увеличением указанного порядка точность решения возрастает экспоненциально. В текущей версии САЕ Fidesys поддерживается решение следующих плоских и пространственных задач в области прочности: • статический и динамический анализ в условиях упругости (при динамическом анализе используются явные и неявные схемы интегрирования); • потеря устойчивости; • модальный и гармонический анализ; • задачи с геометрической нелинейностью (конечные деформации, большие перемещения); • задачи с физической нелинейностью (гиперупругие и упругопластические материалы); • контактные задачи; • анализ теплопроводности и термоупругости; • оценка эффективных свойств композиционных материалов. Распараллеливание расчетов, выполняемых CAE Fidesys, возможно на одном или нескольких многоядерных компьютерах и реализуется помощью технологий OpenMP/MPI. Качество получаемых численных результатов подтверждается проведенным тестированием с использованием стандартов и тестов NAFEMS (http://www.nafems.org), сравнением с точными аналитическими решениями и с результатами решения задач в других CAE-пакетах. В качестве примеров задач из атомной отрасли, решенных с помощью CAE Fidesys, приводятся следующие: контактное взаимодействие топливной таблетки и оболочки твэла, анализ прочности сосуда под давлением в составе ядерной энергетической установки, геомеханический анализ напряжений на разрабатываемом месторождении урановой руды.