23 февраля 2016г.
В последнее время на специализированных САЕ форумах очень часто звучат мысли об архаичности системы FEMAP, о том, что программа мало распространена в России и не пользуется успехом. С другой стороны, разработчиком системы Femap является компания Siemens PLM Software, которая так же является разработчиком еще одной, альтернативной по функционалу САЕ системы - NX Advanced Simulation. Системы FEMAP и NX Advanced Simulation это пред-постпроцессоры, базовым решателем которых является NX Nastran. Поэтому возникает вопрос: "Зачем компании Siemens PLM Software развивать два альтернативных по функционалу пред-постпроцессора с одним базовым решателем?" Может быть, FEMAP это тупиковая ветка, которая постепенно уйдет, или все таки это специализированный пред-постпроцессор, рассчитанный на специальный круг задач, для которых NX Advanced Simulation малоэффективен? В чем же специфика и особенности системы FEMAP? Все эти вопросы рассмотрим в данной статье.
1 Работа с геометрией
Можно сказать, что FEMAP, также как и NX Advanced Simulation, независимый от CAD систем пред- постпроцессор – связующее звено между CAD данными в виде 3D моделей и решателем. Решатель здесь – это некоторое математическое ядро, осуществляющее вычисления в задачах инженерного анализа. С точки зрения поддержки решателя, Femap и NX Advanced Simulation также независимые программные продукты, так как кроме базового решателя NX Nastran есть возможность подключения внешних, таких как MSC Nastran, LS-DYNA, Ansys, Abagus и другие.
Система FEMAP входит в так называемую "легкую" линейку программных продуктов Siemens PLM Software. Ранее эта линейка называлась Velocity Series. Как правило в "легких" линейках программных продуктов вся необходимая для инженерного анализа геометрия (3D модели и сборки) разрабатывается в соответствующей СAD системе, в нашем случае это Solid Edge. Учитывая "родство форматов" геометрия Solid Edge без проблем открывается в FEMAP для дальнейшей генерации на ее основе сеток конечных элементов. Как уже было ранее замечено, Femap независимый от CAD систем пред-постпроцессор, поэтому есть возможность импорта "чужой" геометрии в формате Parasolid или других нейтральных форматах. Кроме этого в FEMAP предусмотрен свой функционал для построения геометрии, причем геометрия может быть достаточно сложной. Конечно, функционал FEMAP по геометрическому моделированию значительно уступает по возможностям соответствующему функционалу в СAD системах, но здесь следует учитывать, что для инженерного анализа конструкторская геометрия как правило избыточна и требует некоторой идеализации для корректного определения конечно-элементных сеток. Поэтому предусмотренный в FEMAP геометрический функционал рассчитан именно на построение идеализированных моделей.
Что же у NX Advanced Simulation в плане работы с геометрией? Здесь все просто, модуль NX Advanced Simulation не что иное как САЕ составляющая "тяжелой" системы автоматизированного проектирования NX. Поэтому в любой момент можно перейти в CAD модуль системы и получить
в распоряжение весь необходимый геометрический функционал, который, как известно, много шире чем в CAD системах "легких" линеек.
1 Работа с сетками конечных
элементов
И система
FEMAP, и NX Advanced Simulation имеют возможность генерировать конечно-элементные сетки различной топологии на основе геометрии или без неѐ. Это и объемные сетки на основе тетраэдров или гексаэдров, это и плоские сетки на основе треугольников или четырехугольников, это и балочные сетки. Поддерживаются конечные
элементы разных
порядков. Имеется возможность использовать специальные конечные элементы. В Femap и в NX Advanced Simulation предусмотрена возможность моделирования практически
всех типов материалов. Материалы: изотропные, ортотропные, анизотропные. Нелинейные упругие, би-линейные и пластичные. Упрочнение: изотропное или кинематическое. Допускается задавать зависимости характеристик материала от температуры и т.п.
Алгоритмы сеточной
генерации в FEMAP и NX Advanced Simulation принципиальной разницы
не имеют. Единственное различие - это
поддержка в NX Advanced Simulation ассоциативности
конечно-элементной сетки и геометрии, на основе
которой и сгенерированная данная сетка. Полной ассоциативной связи с возможностью автоматизированного обновления конечно-элементной модели
при изменении геометрии
(как это есть в NX Advanced Simulation) в Femap нет и не будет. И это сделано не просто
так, дело в том, что система
FEMAP предназначена для решения тех задач, где не требуется
подобных ассоциативных связей.
Действительно существуют задачи, для которых ассоциативная связь конечно-элементной сетки и геометрии не просто
не нужна, а скорее даже вредна. Например,
если требуется рассчитать прочность
ферменной конструкции, то в конечно-элементной постановке, как правило,
используются балочные конечные
элементы для моделирования расчетной
схемы пространственной рамы. Естественно для генерации балочных
сеток наиболее удобна идеализированная модель фермы в виде рамной схемы, которая
кардинально отличается от ЗD модели фермы построенной в САD системе. Поэтому, в данном случае, гораздо быстрее построить расчетную
схему без использования САD модели и без каких либо ассоциативных связей между конечными
элементами и геометрией.
И еще один пример. Если требуется
рассчитать достаточно простую модель, а это балки, пластины
и т.п., то такую расчетную
модель в FEMAP построить намного быстрее и дешевле во всех смыслах,
нежели использовать "тяжелый" NX. Действительно, зачем из пушки стрелять по воробьям?
Для построения конечно-элементных сеток без использования геометрии в FEMAP предусмотрен специальный функционал. Указанный функционал эффективен для быстрого конечно-элементного моделирования простых конструкций или конструкций, составные части которых унифицированы. Следует заметить, что в старшие версии NX этот функционал перешел именно
из FEMAP, но при этом в стандартных САЕ шаблонах NX этот набор инструментов скрыт.
FEMAP, также как и NX Advanced Simulation, позволяет
создавать конечно-элементные модели на основе 3D сборок. Технологии создания конечно-элементных моделей 3D сборок в обоих программных продуктах во многом схожи. Это, как правило, применение сеток из тетраэдров второго
порядка и условий
контактного взаимодействия или контактных конечных
элементов в местах соприкосновения деталей.
FEMAP и NX – открытые системы, имеющие некий набор инструментов: для исполнения одних и тех же действий, написания подпрограмм, макросов для автоматизации САЕ процессов, составления собственных наборов интерфейса. В среде FEMAP программирование
построено с применением API функций и подход к построению собственных приложений аналогичен подходу по созданию
макросов в Microsoft Office. В NX процесс создания собственных приложений-надстроек более сложен и требует не только
профессиональных программистов, но и наличие специальной лицензии на NX Open.
И еще немного об интерфейсе FEMAP касательно работы с сетками
конечных элементов. В FEMAP в отличии от NX Advanced Simulation интерфейс англоязычный и построен
на терминах и подходах,
применяемых в большинстве коммерческих САЕ систем (MSC Nastran, LS-DYNA, Ansys, Abagus). Таким образом, если Вы работали
в какой-то другой коммерческой САЕ системе,
то Вы очень быстро
и без особого труда освоите FEMAP.
1 Прочностные расчеты
Система FEMAP на базе решателя NX Nastran позволяет проводить анализ прочности конструкций в статической и динамической постановках, получать решение связанных
многодисциплинарных задач, нестационарных нелинейных пространственных задач, задач механики
композитов и композитных структур, строительной и технологической механики,
проводить анализ теплопереноса. В основу NX Advanced Simulation кроме возможностей решателя NX Nastran легли решения, пришедшие из системы I-DEAS – это решатели Master FEM, Laminate Composites, Advanced Durability, разрабатываемые с 1967 года компанией SDRC и принадлежащие на сегодняшний день компании Siemens PLM Software. Именно возможность выхода
на решения от системы I-DEAS отличают пред-постпроцессор NX Advanced Simulation от FEMAP.
2 Расчеты тепломассопереноса и моделирование гидрогазодинамических процессов
Расчеты тепломассапереноса в FEMAP проводятся в стационарной постановке, методом конечных элементов с применением решателя NX Nastran. Дополнительно к пред-постпроцессору FEMAP можно подключить специализированный тепловой модуль TMG. Указанный модуль позволяет проводить
исследование установившихся и неустановившихся процессов тепломассапереноса и моделирование гидрогазодинамических процессов с применением методов конечных разностей
и конечных объемов.
Решатель TMG – пришедший
из системы I-DEAS решатель, с 1983 года разрабатываемый компанией
Maya Heat Transfer Technologies и впоследствии вошедший
в программные продукты Siemens PLM Software.
В FEMAP модуль TMG вошел в том же виде как и присутствовал в системе I-DEAS, без каких либо принципиальных изменений. В этом плане пользователи I-DEAS без особого
труда и без потери своих ранних наработок переходят работать
в FEMAP.
В NX Advanced Simulation решение TMG трансформировалось в набор решателей NX Thermal/Flow, NX ESC и др. Изменился интерфейс пользователя (он стал в стиле системы NX), и значительным образом расширился функционал. Формально это уже не TMG, а набор принципиально новых решателей для моделирования тепломассапереноса и гидрогазодинамических процессов, сопоставимых по возможностям с ANSYS Professional, ANSYS Fluent.
Заключение.
С учетом возможностей по сеточному моделированию и встроенных решателей NX Nastran и TMG система FEMAP является независимой полнофункциональной средой
для моделирования, имитации
и оценки результатов анализа характеристик изделий. Ни о какой архаичности FEMAP речи идти не может, скорее это специализированное САЕ приложение от Siemens PLM Software, необходимое для эффективного решения строго определенного класса
задач.