CAE-система: что это за технология, для чего предназначены Computer-aided engineering программы

Определение CAE-систем принято давать описательно, без буквального перевода с английского, что означает computer-aided engineering, т. к. уже при своем появлении этот термин получил более широкое значение: программы и пакеты ПО для расчета и системной проверки проектных заданий и промышленных продуктов на основе анализа, симуляцией и моделирования физических процессов.

Общее представление

При реализации инженерных проектов практически всегда возникают частные проблемы, на решение которых приходится затрачивать дополнительное время и средства. Решаются реальные задачи при помощи механики, в системах дифференциальных уравнений. До появления компьютеров матричные методы применялись в математических описаниях. Но такой подход замедлял сам процесс разработки. Проще всегда оказывалось столкнуться с проблемой при воплощении проекта и решить ее в реальности.

Появление достаточно мощных ЭВМ в 1960-х годах позволило работать с большими массивами данных, а это открыло безграничные возможности применения математических методов. В 1970-х компьютеры уже могли использовать интерактивную графику, чтобы создать проект и проверить его геометрию, заданные свойства материалов. По сути, это уже было CAE-проектирование, позволившее дать проектным решениям достаточно точную визуализацию и проверить их на компьютерной модели.

Стремительное распространение персональных компьютеров и непрерывное расширение их возможностей позволило распространить применение математических расчетных программ на все области промышленного производства, сделав важным фактором в конкурентной борьбе. Повышение качественного выполнения проекта при сокращении времени на их разработку сказалось на себестоимости конечных продуктов.

Сфера применения

CAE-технологии используются в промышленном производстве на стадии проектирования. При их помощи выполняются:

• контроль вероятности напряжений в изделиях и конструкциях;
• моделирование поведения потоков с разными характеристиками по методикам вычислительной гидродинамики;
• создание процессов металлообработки.

В принципе, доступен анализ и любых других динамических работ в области промышленного производства. Это дает дополнительные возможности для оптимизации технологических процессов, для сокращения затрат времени, материалов и финансовых средств на всех этапах реализации и распределения промышленных продуктов.

Например, программное обеспечение «Склад-15», разработанное компанией Клеверенс для автоматизации работы на складе при помощи мобильных устройств, переводит в удобный цифровой формат все операции по учету передвижения товаров от момента поступления до отправки потребителю.

Автоматизация с применением специальных гаджетов позволяет отказаться от ручных методов учета, уменьшить временные затраты на инвентаризацию как минимум вдвое и довести точность учетных сведений практически до 100%. Благодаря экономии времени и материальных потерь, из-за действия человеческого фактора общее снижение издержек доходит до 70%.

Конкретные результаты применения систем автоматизации можно увидеть по итогам внедрения программного пакета «Кировка». В этом ПО предусмотрены полноценные готовые сценарии обработки товаров. Они включают в себя все операции маркировки и регистрации, в том числе наклейку этикеток, отслеживают все этапы движения продукта, начиная от ввода кодов маркировки в оборот. Именно при помощи этого софта торговая сеть «ЛЕНТА» на своих объектах в Китае смогла кардинально уменьшить потери на неправильной маркировке, свести к нулю ошибки в DataMatrix кодах.

Классификация программных пакетов

CAE-системы в определенном приближении можно разделить на несколько больших групп:

• Системы инженерного анализа с полным набором функций. Из преимуществ: значительный набор типовых решений и готовых моделей физических процессов, есть инструментарий для моделирования геометрии, большие расчетные возможности, выполняют импорт через индустриальные стандарты. Не имеют ассоциативной связи с CAD, из-за чего для внесения изменений в геометрию приходится повторно ее импортировать с введением новых данных. Наиболее популярными считаются структуры КЭ анализа ANSYS и MSC.Nastran (с пре-/постпроцессором MSC.Patran).
• Комплексы среднего уровня. Не располагают расширенными возможностями для выполнения расчетов. Иногда используют встраиваемый интерфейс CAD-системы или получают обработанную геометрию непосредственно из CAD.
• Встроенные в САПР (Computer Aided Design System). Обходятся без расширенных возможностей для анализа, зато могут работать с геометрией. Это позволяет им контролировать изменения в рассчитанном проекте. Обработанные данные интегрируются в общую структуру проектирования, благодаря чему можно быстро реализовывать конструкторские идеи с помощью автоматизированного функционала.

Возможности CAE-систем

Расчеты в составе программных пакетов делаются на основе численных методов решения дифференциальных уравнений. Благодаря этому, система может выполнять изолированные или комплексные исследования в области кинематики, термо- и гидродинамики, моделировать динамические производственные процессы.

Отображение расчетов позволяет создавать компьютерные модели, анализ которых помогает:

• оптимизировать продукты и деятельность;
• с большой вероятностью понять последствия реализации проектов в ходе эксплуатации;
• оценить потенциальную работоспособность конструкции или изделия, не рискуя временем и средствами.

Точность прогнозов в CAE-проектировании основан на использовании математических инструментов, подробной входной информации, анализе всех надлежащих допущений в качестве исходных данных.

Многодисциплинарность

Изначально все предлагаемые потребителям системы были предназначены для решения проблем в отдельно взятых областях (например, в гидрогазодинамике, сопротивлении материалов и проч.). Подбирался соответствующий математический аппарат. Однако очень быстро определилась важность применения разных типов анализа в действиях по разработке одной модели.

Рассматривались два варианта:

• сочетание разных дисциплин в пределах одного программного пакета;
• взаимодействие приложений с разными возможностями.

Определилось, что лучшие результаты дает комплексная работа с обоими вариантами. Например, комплекс ANSYS, занимаясь проблемами прочности, расширил сферу применения, добавив методики решения задач сразу из нескольких областей, охватывающих теплофизику, действие электромагнитных полей, гидрогазодинамику. Это сделало возможным реализацию не только изолированных задач в отдельных направлениях, но и т. н. «связанных», таких как термодеформация.

Интеграция в одной программной оболочке различных методов предоставляет для применения более совершенный инструментарий для выполнения расчетов и формирования моделей благодаря возможности перехода от одного метода к другому.

Повышение скорости и эффективности

От любого нового программного продукта требуется уменьшение затрат времени на принятие многочисленных и разноплановых инженерных решений в сочетании с глубоким и всесторонним анализом вводных.

САЕ-системы позволяют повысить интенсивность работы пользователя с графикой, уменьшив путь к получению результатов до нескольких кликов. Это достигается благодаря высокой эффективности, которую обеспечивает набор инструментов, широкий спектр возможностей ПО, которое способно быстро и устойчиво работать с внушительными массивами информации, от чего и зависит быстрота выполнения расчетов, необходимых для выполнения задач большой размерности.

Повышение доступности и тяжелых технологий

Простота использования облегчает работу с аппаратными платформами, значительно понижая требования к уровню, на котором может свободно работать пользователь. В конечном итоге уменьшение сложности позволяет снизить цену на программное обеспечение, повысить его популярность и распространенность применения на всех уровнях промышленного производства. Это заставляет производителей тяжелых пакетов разрабатывать менее дорогие и упрощенные версии.

Дополнительно модули, интегрированные с CAD-системой, позволяют сильно упростить работу недостаточно «продвинутым» пользователям, дают возможность производить расчеты, даже не выходя из среды суперпопулярного AutoCAD.

Преимущества решения

Специализированный software позволяет кардинально повысить эффективность деятельности инженерно-технического персонала на всех этапах производства и распределения. Благодаря САЕ достигается:

• уменьшение трудоемкости проектно-конструкторской работы;
• снижение затрат на моделирование и тестирование;
• повышение качества разработки и ее технико-экономический уровень;
• сокращение сроков на всех этапах реализации продукта;
• снижение потерь;
• минимизация себестоимости изделия.

В конечном итоге, это обеспечивает значительное улучшение финансово-экономических показателей.

Этапы работы

Последовательность выполнения компьютерного проектирования с применением CAE-systems:

• Начальный этап — определение внешних условий, которые будут учтены при формировании проекта.
• Выполнение расчетов.
• Создание визуализированной модели.

Этот цикл может многократно повторяться для оптимизации с внесением корректив. В каждом случае повторно выполняется прогнозирование того, как будет работать объект моделирования после воплощения в реальность.

В каких отраслях применяется

Практически САЕ-моделирование можно использовать для анализа любых проектных решений и оптимизации в сфере промышленного производства. Разработаны специальные САПР (Системы Автоматизированного Проектирования), выполняющие функции CAD/CAM/CAE/PDM, позволившие автоматизировать создание проекта, конструирование и подготовку технологического цикла, управлять инженерными данными.

Сегодня различные пакеты САЕ используются в оборонной, аэрокосмической, фармацевтической, а также химической промышленности и т. д.

Для чего нужна CAE-система в машиностроении

Очень широко инструменты САЕ применяются в автомобилестроении, помогая прогнозировать результаты воплощения конструкторских идей, вносить исправления на всех стадиях создания продукта. Это дает оптимизацию технологических процессов, удешевление изделий, повышает безопасность и долговечность автомобилей.

Стало доступным точное компьютерное тестирование, многократно облегчившее и ускорившее проверку проектов на безопасность и эффективность. Для этого разработаны специальные пакеты, например, PAM-CRASH.

Вектор развития

Современные изделия становятся все более сложными. Возрастает потребность во всестороннем анализе, включая элементы управления, использование для проектирования продукта всей доступной информации о новых материалах и технологиях.

Соответственно, производители программного обеспечения постоянно работают над созданием пакетов, позволяющих лучше использовать компьютерные ресурсы, инновационные инструменты, новые математические решения. Это должно помочь с наибольшим охватом применять имеющуюся информацию и сформировать более точные виртуальные модели.

Очевидно, что дальнейшее развитие CAE-систем во многом зависит от важных инноваций, таких как:

• Разработка более совершенных способов работы с междисциплинарными аналитическими задачами обработки информации.
• Формирование комплексных методик создания проектов.
• Появления новых платформ, на которых будет с большим успехом выполняться интеграция различных САЕ-систем, включая их включение в PLM-решения.
• Улучшения совместимости САЕ и CAD.
• Упрощения работы пользователя с системой.

Очевидна необходимость дальнейшего совершенствования инструментария графического интерфейса. Речь уже идет о качественном преобразовании сервисных средств для повышения мобильности доступа к ним, которая все больше теряется из-за чрезмерного усложнения структуры графической оболочки.

CAE и CAD: в чем разница между этими программами

В современном автоматизированном проектировании они не только применяются совместно, но и интегрируются в них, формируя гибридные CAD/CAE-системы. Но это разные, хотя и взаимно дополняющие друг друга, комплексы.

САЕ — система автоматизации инженерных расчетов, ориентированная на создание математической модели, симуляции ее реализации, выявление и устранение ошибочных решений и оптимизации всего процесса работы с продуктом.

CAD (Computer-Aided Design) — предоставляет возможности программирования, когда необходимо создать геометрические образцы изделий и конструкций. Результат отображается в комплектах чертежей и сопровождающей документации.

Примеры программ

Сегодня подавляющее большинство важных проектно-конструкторских работ выполняется в САПР (Системе Автоматизированого Проектирования, англ. CAD Systems). В этом процессе применяется системный подход, открывающий огромные возможности для интегрирования различного компьютерного софта. Это позволяет охватить все этапы производства и распределения продуктов, применять программные пакеты во всех отраслях промышленности.

При этом разрабатываются структуры, ориентированные для использования в определенных областях. Например:

• в машиностроении используются Autodesk Inventor, NX, CATIA, SolidWorks;
• в строительстве популярны ArchiCAD; OrCAD, Pads.

В частности, разработаны российские универсальные системные комплексы:

• АРМ WinMachine 2010 для разработки проекта в сфере машиностроения.
• APM Civil Engineering 2010 для создания конструкций из металла, дерева и камня.
• ФРУНД — комплекс, позволяющий определять динамику движения разработанной модели.

Подведем итоги

Использование CAE (вместе с САПР) стало обязательным во всех отраслях промышленности, так как эти системы обеспечивают уменьшение затрат на производство и продвижение товаров, делая их конкурентоспособными.

В математические модели, на которых базируется успешность САЕ-систем, включается все больше нелинейных алгоритмов, инструментарий по проектированию нестационарных динамических процессов становится все более разнообразным. Это повышает их потенциал, делая необходимым инструментом, без которого уже нельзя организовать конкурентоспособное производство в нашем быстро меняющемся мире.

Вопросы-ответы

Чем CAE и CAD отличаются друг от друга и от CAM?

Если говорить просто, то их отличие состоит в конечном продукте. В первом случае разработчикам предоставляется возможность сделать расчеты для математической модели, во втором — графический образ, его геометрию. CAM расшифровывается как Computer-Aided Manufacturing, т. е. производство при помощи компьютера — имеется в виду проектная деятельность с использованием специального программного обеспечения.

Существуют ли российские программы для расчетов в промышленности и проектирования?

Сегодня можно воспользоваться ПО отечественной разработки для любых промышленных областей и для научной деятельности. Например, FlowVision для расчетов химических реакций, многодисциплинарных и механических процессов, Antaria — для принятия решений по применению материалов, ЛОГОС Прочность и ЛОГОС Аэро-Гидро — о назначении этих программных продуктов говорят их названия.

Как развиваются САЕ-системы, а также совершенствуется ли только технические возможности или математический аппарат тоже меняется?

Для САЕ актуальны почти все области математики. В первоначальных системах применялись численные методы. Сегодня им на смену пришли символьные. Они предоставляют более точные алгоритмы, т. к. решение задач выполняется в аналитическом виде. Все современные САЕ-программы уже получили встроенные системы символьных вычислений.

Можно ли найти САЕ в свободном доступе?

Хорошие возможности предоставляет ОС Linux. Ее дистрибутив CAElinux имеет несколько доступных программ, например, OpenFOAM, SALOME.

Количество показов: 699