APM StructFEM

Российская CAE-система автоматизированного расчета на прочность. Фактически является составной частью программного продукта APM WinMachine, но может функционировать как самостоятельная.

Инструменты конечно-элементного анализа позволяют подготовить к расчету модель конструкции с использованием стержневых (балочных), пластинчатых и твердотельных конечных элементов. Конечно-элементная сетка может быть построена автоматически или вручную. При этом исходная геометрия может быть получена из сторонних CAD-систем путем импорта файлов форматов STEP, SAT.

Также в состав продукта входит специализированный расчетный модуль для анализа соединений в конструкциях. Это позволяет, получив информацию о нагружении соединения, подобрать его оптимальные характеристики, например, минимально необходимые диаметры и количество болтов или заклепок, катет и длину сварного шва и т.д.

APM StructFEM предназначен для применения в следующих областях: автомобильная, атомная, нефтегазовая, тяжёлое и подъёмно-транспортное машиностроение,

железнодорожный транспорт, образование (подготовка студентов ВУЗов технических специальностей) и т.п.

Кроме того, помимо базовых возможностей для продукта доступны дополнительные функциональные возможности (опции):

• Composite: расчет конструкций из композиционных материалов;
• Fracture: механика разрушения;
• Fatigue: расчет выносливости;
• Harmonic: гармонический анализ;
• Pipe: расчет элементов трубопроводов;
• TopOpt: топологическая оптимизация.

Продукт APM StructFEM зарегистрирован в Реестре российских программ для ЭВМ и баз данных:

Расчетное ядро продукта APM StructFEM – модуль APM Structure3D – имеет аттестационный паспорт программного средства, выданный РОСТЕХНАДЗОР, ФБУ "НТЦ ЯРБ".

Линейный статический расчет

• распределение напряжений и их составляющих;
• линейные и угловые перемещения;
• деформации;
• внутренние усилия;
• коэффициенты запаса по текучести и прочности материала.

Воздействие силовых факторов на закрепленное материальное тело вызывает его деформацию и, как результат, возникновение напряжений в каждой его точке.

Совокупность напряжений и деформаций, возникающих при действии на твердое деформируемое тело внешних нагрузок, температурных полей и других факторов, называется напряженно-деформированным состоянием (НДС).

При математическом описании НДС деформируемое тело рассматривается как однородная сплошная изотропная среда, механические характеристики которой во всех направлениях одинаковы, при этом в каждой ее точке выполняется условие сплошности. Наиболее эффективным методом анализа НДС является численный метод конечных элементов (FEM), математическая реализация которого заключается в решении систем дифференциальных уравнений в частных производных или интегральных уравнений, описывающих взаимосвязь механических, тепловых, газо- и гидродинамических, электродинамических и других параметров твердого деформируемого тела.

Метод конечных элементов основан на представлении области, в которой ищется решение системы дифференциальных уравнений, в виде конечного количества подобластей, или конечных элементов, вершины которых называются узлами или узловыми точками.  Система дифференциальных уравнений в частных производных специальным образом  заменяется системой линейных алгебраических уравнений (СЛАУ), количество которых равно количеству неизвестных значений в узлах, на которых ищется решение исходной системы. Это количество, называемое размерностью задачи, прямо пропорционально количеству конечных элементов и количеству степеней свободы каждого из них (стержневые и пластинчатые элементы имеют по шесть  степеней свободы, а твердотельные – три) и ограничивается только возможностями ЭВМ.

Нелинейный расчет

• учет геометрической и физической нелинейности;
• контактное взаимодействие;
• моделирование процесса нагрузки и разгрузки.

Различные виды анализа, выполняемые в программных продуктах линейки APM, основаны на классических инженерных подходах к разработке математических моделей по­ведения механической системы при различных воздействиях.

В конечно-элемент­ной постановке искомы­ми переменными уравнений математической модели являются перемещения, углы поворотов, температура, электромагнитные характеристики и т. д. В свою очередь эти переменные в значительной степени зависят от физических и механических свойств исходной системы, то есть того материала, из которого изготовлена рассматриваемая конструкция. Как правило, при решении  инженерных задачах материалы можно считать однородными и изотропными, то есть имеющими одинаковые свойства в любом объеме и во всех направлениях.  

Фундаментальной механической характеристикой твердого деформируемого тела является зависимость силы упругости от деформации. Под деформацией понимается любое изменение размеров и формы тела, представляющее собой результат трансформирования межатомных расстояний и перегруппировки блоков атомов под действием внешней нагрузки. Деформированное состояние может быть вызвано растяжением, сжатием, изгибом, кручением и/или любой произвольной комбинацией силовых факторов. Однородные изотропные материалы деформируются упруго и упругопластически. При упругом деформировании материал после снятия нагрузки восстанавливает первоначальную форму и размеры, при упругопластическом происходит необратимое изменение формы и размеров деформируемых материалов, а при пластическом деформировании появляются остаточные напряжения (гистерезис), кроме того, возникает явление упрочнения поверхностного слоя. Упрочнение бывает кинематическим и изотропным.  

Стационарная и нестационарная теплопроводность

• специализированные тепловые нагрузки;
• карты распределения температур;
• карты распределения тепловых потоков;
• скорость изменения температуры.

В программных продуктах APM возможно проведение теплового анализа как отдельных элементов конструкции, так и сборок в целом. Для описания тепловых процессов используется метод конечных элементов.
Для решения теплового взаимодействия в конструкции в программных продуктах АПМ предусмотрено два типа теплового анализа:

• Стационарная теплопроводность – процесс теплопередачи, при котором поле температур является постоянным и не зависит от времени;
• Нестационарная теплопроводность – процесс теплообмена, при котором поле температур напрямую зависит от времени процесса.

Процесс проведения теплового анализа в программных продуктах АПМ разделен на три основных этапа:

• препроцессорная подготовка информации – подготовка расчетной модели (создание конечно-элементной модели, задание физических свойств материалов, воздействий (тепловых нагрузок) на конструкцию);
• процессорная обработка информации – задание параметров расчета и проведение расчета;
• постпроцессорная обработка информации – просмотр и анализ результатов расчета.

Расчет устойчивости:

• определение коэффициентов запаса;
• построение форм потери устойчивости.

Если в механической конструкции имеются протяженные элементы, то обеспечения только их статической прочности недостаточно. Разрушение конструктивного элемента при увеличении его длины может произойти не вследствие потери прочности, а из-за потери устойчивости. По этой причине в расчет статической прочности протяженных деталей необходимо включать проверку устойчивости.

Под устойчивостью понимается свойство системы сохранять свое состояние при внешних воздействиях. Понятие устойчивости играет очень важную роль в механике. Дело в том, что если какая-либо механическая система сконструирована без учета требований устойчивости, то она будет чувствительна даже к незначительным внешним воздействиям, а это в конечном итоге может привести к самым нежелательным последствиям. Переход системы в неустойчивое состояние, или потеря устойчивости, так же опасен, как и потеря ее прочности, т. е. способен вызвать полное разрушение конструкции. Именно поэтому крайне важно определить границы перехода механической системы от устойчивого состояния к неустойчивому.

Под устойчивым понимается такое состояние механической системы, находясь в котором, она при приложении любого сколь угодно малого внешнего воздействия (т. е. воздействия, которое является не только малым, но может быть сделано меньше любой наперед заданной величины) возвращается в исходное положение равновесия после снятия внешних силовых факторов. Значение внешней силы, при которой система переходит из устойчивого состояния в неустойчивое, называется критической силой. Доля  внешней нагрузки по отношению к критической называется запасом устойчивости.

Расчет собственных частот

• определение собственных частот колебаний;
• построение собственных форм.

Колебательные процессы, протекающие в различных технических устройствах, оказывают огромное, часто даже решающее влияние на условия эксплуатации этих объектов, их прочность и долговечность.

При конструировании механического объекта важно понимать, насколько далеко или близко от резонансных будут находиться его эксплуатационные режимы.

На начальном этапе расчета динамики исследуются свободные колебания, т. е. колебания автономных систем, происходящие под действием восстанавливающих и, в общем случае, диссипативных сил около состояния равновесия. Восстанавливающими называют силовые факторы, возникающие при отклонении системы от положения равновесия и направленные таким образом, чтобы вернуть систему в это положение. Собственные колебания затухают, что можно прогнозировать, принимая во внимание демпфирующие свойства объекта.

Расчет вынужденных колебаний

• задание графика изменения вынуждающих усилий;
• анимация карт напряженно-деформированного состояния конструкции;
• проверка отсутствия явлений резонанса.

Колебательные процессы, протекающие в различных технических устройствах, оказывают огромное, часто даже решающее влияние на условия эксплуатации этих объектов, их прочность и долговечность.

При конструировании механического объекта важно понимать, насколько далеко или близко от резонансных будут находиться его эксплуатационные режимы.

На начальном этапе расчета динамики исследуются свободные колебания, т. е. колебания автономных систем, происходящие под действием восстанавливающих и, в общем случае, диссипативных сил около состояния равновесия. Восстанавливающими называют силовые факторы, возникающие при отклонении системы от положения равновесия и направленные таким образом, чтобы вернуть систему в это положение. Собственные колебания затухают, что можно прогнозировать, принимая во внимание демпфирующие свойства объекта.

Расчеты соединений в конструкциях

• резьбовые;
• сварные;
• заклепочные;
• соединения тел вращения.

Детали, составляющие отдельные узлы, соединяются друг с другом, образуя более крупные структурные единицы, совокупность которых приводит к образованию всего многообразия машин, механических устройств, строительных и машиностроительных конструкций. Способы таких соединений разнообразны, так же, как и методы их инженерного расчета и проектирования.

Следует выделить следующие типы соединений:

• резьбовые,
• сварные,
• заклепочные,
• соединения тел вращений.

При расчете машиностроительных соединений используются общеизвестные методики.

Расчет соединений элементов строительных конструкций проводится с учетом специфики такого рода соединений.

Основные задач по расчету соединений можно условно разделить на две группы:

1. Проектировочный расчет, когда по заданным геометрическим параметрам, действующим нагрузкам и материалам определяются диаметры винтов (болтов, шпилек) для группового резьбового соединения; катет сварного шва для сварного соединения; диаметр сварной точки точечного соединения; допуски линейных размеров и подбор посадки для соединений с натягом; линейные размеры шпонок, шлицев, профильных, клеммовых и штифтовых соединений.
2. Проверочный расчет, когда по заданным геометрическим параметрам, действующим нагрузкам и материалам определяются коэффициенты запаса статической и усталостной прочности.

‍

Генерация сеток конечных элементов

• автоматическая генерация сеток КЭ на поверхностных и твердотельных 3D-моделях;
• постоянный либо переменный (адаптивный) шаг разбиения;
• дополнительные функции предразбиения ребер и поверхностей;
• возможность «ручной» правки созданной КЭ-сетки;
• работа со стержневыми, пластинчатыми и твердотельными КЭ.