Software & Systems

система автоматизированного проектирования силовых конструкций, предназначенная для решения задач механики твердого деформируемого тела на основе метода конечных элементов (МКЭ), возникающих в ходе проектирования, испытаний, доводки, производства, эксплуатации, ремонта и модернизации изделий машиностроения, и в первую очередь — изделий авиационной техники.

Система РИПАК позволяет проводить статический и динамический анализ конструкций, решение задач аэроупругости, структурную и параметрическую оптимизацию конструкций с учетом широкого спектра требований.

Система успешно эксплуатируется во многих проектно-конструкторских организациях 5 машиностроительных отраслей.

САПР РИПАК разработана в Куйбышевском авиационном институте им. акад. С. П. Королева. Система функционирует под управлением ОС ЕС и СВМ ЕС на ЕС ЭВМ-1033 и выше. Исходные тексты программного обеспечения системы составляют свыше 70 тыс. операторов языков ПЛ/1, ФОРТРАН и ассемблера.

Каждая из подсистем РИПАК состоит из препроцессоров, постпроцессоров и процессоров. Имеется также ряд сервисных программ.

Основные подсистемы РИПАК, находящиеся в промышленной эксплуатации:

—   СТАТИКА — реализация линейно-статических расчетов произвольных пространственных кон струкций методом конечных элементов в перемещениях (с учетом температурных напряжений);

—   ПРОЕКТИРОВАНИЕ ■— решение задач структурной и параметрической оптимизации произволь ных тонкостенных конструкций при условии непревышения заданных напряжений и обобщенных пере мещений с учетом технологических ограничений на проектное решение;

—   ДИНАМИКА — определение собственных частот и формы колебаний конструкций.

К экспериментальным подсистемам РИПАК относится АЭРОУПРУГОСТЬ — определение аэродинамических нагрузок на самолет, скорости флаттера самолета, скорости дивергенции, реверса органов управления, динамической реакции несущей поверхности.

Новая версия подсистемы ПРОЕКТИРОВАНИЕ позволяет находить проект минимальной массы при выполнении ограничений по прочности, жесткости, динамике, аэроупругости и технологичности.

Все подсистемы предполагают использование техники подконструкций.

Для моделирования конструкций разработана библиотека конечных элементов (более 30 типов), основу которой составляет семейство полусовместных (модифицированных) конечных элементов. Модификация элементов заключается в дополнении совместных изопараметрических функций формы несовместными функциями, связанными с определенными неузловыми параметрами. Эти элементы моделируют плоские мембраны, пластины, трехмерные тела. В состав библиотеки включены и традиционные конечные элементы: стержни, брусья, треугольные мембранные элементы, сирендипово семейство изопараметрических элементов. На основе модифицированного семейства построены специальные конечные элементы, предназначенные для описания фрагментов конструкций: подкрепленных панелей, силовых элементов типа лонжерона, трехслойных пластин; элементы с эксцентриситетами и т. д. Имеется также ряд дополнительных элементов, среди которых можно выделить элемент, моделирующий трещину, композиционные материалы, пружины, элементы крепежа, элемент, моделирующий косые опоры, и т. д. Все элементы библиотеки проходят всестороннее тестирование.

Для эффективной эксплуатации системы большое значение имеют возможности программ подготовки данных (препроцессоры) и обработки результатов (постпроцессоры).

Препроцессоры системы обеспечивают сжатие, ввод, контроль и документирование исходных данных по конечноэлементной модели (КЭ-модели). Описание КЭ-модели подготавливается на языке, близком к естественному. Данные вводятся в свободном формате. Имеются широкие возможности по генерации КЭ-моделей в произвольных одно-, двух- и трехмерных областях. Они могут описываться в любых общих и местных системах координат (декартовой, цилиндрической, сферической, крыльевой). Автоматически вычисляются инерционные нагрузки в произвольных полях ускорений, нагрузки от собственного веса конструкций, распределенного давления, а также аэродинамические нагрузки. Реализуется возможность автоматического задания инерционных характеристик несиловых элементов изделия (топливо, грузы, багаж, пассажиры и т. д.). Препроцессоры позволяют контролировать равновесие и при необходимости автоматически доуравновешивают КЭ-модель.

Постпроцессоры системы позволяют выводить перемещения, узловые реакции, любые вычисляемые внутренние силовые факторы и значения тензора напряжений в местной и общей системах координат, эквивалентные напряжения, главные напряжения, углы ориентации векторных величин в различных точках произвольных конечных элементов, получать огибающую результатов расчетов из нескольких вариантов нагружения. Пользователь имеет возможность вывести из совокупности вычисляемых результатов для каждого конечного элемента системы (для некоторых КЭ до 250 величин) только те, которые необходимы ему на данном этапе обработки данных. Результаты можно получить для любой линейной комбинации перемещений от нескольких случаев нагружения.

Графические пре- и постпроцессоры позволяют изображать КЭ-модель, ее фрагменты и развертки поверхностей в произвольных проекциях, получать рисунки деформированного состояния или форм колебаний, строить в векторной форме потоки главных усилий и напряжений, наносить на сетку модели значения указанных напряжений, жесткостей, номеров узлов, элементов и т. д., строить линии равного уровня напряжений и жесткостей. Графические пре- и постпроцессоры работают в пакетном (вывод на графопостроитель) и интерактивном (графический дисплей) режимах. В качестве дополнительных возможностей интерактивный режим обеспечивает вращение КЭ-модели, удаление невидимых линий, изображение форм колебаний КЭ-модели в определенном масштабе времени.

В основу разработки системы РИПАК положен ряд концепций, обеспечивающих такие ее особенности, как универсальность, возможность решения больших задач, эффективность, надежность, возможность развития, ориентация на пользователя.

Решение больших задач осуществляется с помощью алгоритмов обработки данных, организации обменов и хранения данных на внешних носителях, использования техники подконструкций.

Основные программные ограничения:

число неизвестных в одной подконструкций не более 32000;

число случаев нагружения не более 145;

число линейных комбинаций перемещений до 440;

число подконструкций практически не ограничено.

Надежность работы системы обеспечивается тщательным тестированием программного обеспечения, развитыми программными и графическими средствами контроля, оптимальным уровнем избыточности в исходных данных, средствами резервирования информации и рестарта, большим количеством (свыше 350) диагностических сообщений о допущенных синтаксических ошибках, необычных данных и результатах.

Возможность развития появляется в результате использования архитектурных средств системы: динамической последовательности организаций программ, сервисных программ расширения. Библиотека конечных элементов системы является открытой, т. е. ни одна из программ системы не подвергается изменениям при включении нового элемента, заносится лишь определенная информация в специализированную служебную базу данных КЭ.

Ориентация на пользователя достигается простотой и естественностью используемых языков, развитой системой диагностики.

Перспективы развития: в настоящее время разрабатываются технические проекты подсистем «Теплопередача», «Нелинейность».

Подсистема «Теплопередача» будет обеспечивать решение задач стационарной и нестационарной теплопроводности на дискретных моделях.

Подсистема «Нелинейность» предназначена для решения задач физической и геометрической нелинейности.

Примеры использования системы приведены на рис. 1—2.

Рис. 1. КЭ-модель планера самолета, сопровождающая завершающие этапы проектирования, изготовление и эксплуатацию конструкции изделия.

Содержит 75 тыс. неизвестных (4 подконструкции), составлена из четырехузловых мембранных элементов для моделирования обшивок и стенок, из осевых элементов и специальных элементов для моделирования каркаса

Рис. 2. Деформированная КЭ-модель кузова автомобиля для анализа статической прочности.

Содержит 5,4 тыс. элементов, 21,7 тыс. неизвестных (7 подконструкции), составлена из четырехугольных изгибномембранных элементов для

моделирования тонких пластин и оболочек