Компьютерное моделирование и инженерный анализ в конструкторско-технологической подготовке производства

Министерство науки и высшего образования
Российской Федерации

Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

С. В. Лукинских

Компьютерное моделирование 
и инженерный анализ 
в конструкторско-технологической 
подготовке производства

Учебное пособие

Рекомендовано методическим советом
Уральского федерального университета
для студентов вуза, обучающихся
по направлениям подготовки
15.03.05, 15.04.05 — Конструкторско-технологическое 
обеспечение машиностроительных производств

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2020

УДК 514.753.24(075.8)
ББК 30.11я73
          Л84

Рецензенты:
канд. техн. наук, доц. Н. Г. Новгородова (кафедра энергетики и транспор-
та ФГАОУ ВО Российского государственного профессионально-педаго-
гического университета);
начальник конструкторского бюро АО «Опытное конструкторское бюро 
Новатор» Е. В. Смирнов

Научный редактор — канд. техн. наук, доц. С. С. Кугаевский

 
Лукинских, С. В.
Л84    Компьютерное моделирование и инженерный анализ в конструктор-
ско-технологической подготовке производства : учебное пособие / С. В. Лу-
кинских ; М-во науки и высш. обр. РФ. — Екатеринбург : Изд-во Урал. 
ун-та, 2020. — 168 с.

ISBN 978-5-7996-3152-9

В пособии рассмотрены вопросы инженерного анализа элементов конструк-
ций при различных видах нагружения в среде SolidWorks Simulation, разработки 
3D-моделей на основе геометрической оптимизации деталей и получение кон-
структорской документации в соответствии с требованиями стандартов единой 
системы конструкторской документации (ЕСКД), приведены примеры выполне-
ния инженерных расчетов конструкции в SolidWorks Simulation.
Учебное пособие предназначено для студентов всех форм обучения, изучаю-
щих курсы «Системы компьютерной поддержки инженерных решений», «Ком-
пьютерное моделирование и инженерный анализ».

Библиогр.: 4 назв. Рис. 80. Табл. 10.

УДК 514.753.24(075.8)
ББК 30.11я73

ISBN 978-5-7996-3152-9 
© Уральский федеральный

 
     университет», 2020

Введение

Ц

елью данного учебного пособия является рассмотрение во-
просов применения инженерного анализа в составе компью-
терных систем для выработки технических решений в про-
ектной, конструкторской, научной деятельности инженера.
Под термином Инженерный анализ понимается совокупность исследований, 
предназначенных для проверки работоспособности, определенных 
эксплуатационных характеристик проектируемых изделий, 
а также существующих конструкций, оборудования при заданных условиях.

Инженерный компьютерный анализ в процессе создания нового изделия 
позволяет спрогнозировать поведение системы и с минимальными 
затратами времени сопоставить ряд различных альтернативных 
конструкторских решений. В результате снижается объем экспериментальной 
отработки и доводки изделия, повышается его качество, а сам 
процесс проектирования ускоряется и удешевляется.
С каждым годом роль компьютерного моделирования и инженерного 
анализа при разработке новых изделий растет и, в конечном счете, 
они должны стать неотъемлемой и органичной частью любого процесса 
проектирования. Это предполагает тесную взаимосвязь между 
модулями геометрического моделирования и инженерного анализа 
компьютерных систем проектирования с тем, чтобы выполнение соответствующих 
расчетов и моделирования стало для рядового проектировщика 
таким же обычным и рутинным делом, как создание трех-
мерной модели или выпуск чертежей.
Современные системы инженерного анализа (или системы автоматизации 
инженерных расчетов) — CAE (англ. computer-aided 
engineering) обеспечивают решение задач линейного и нелинейного 
статического анализа, анализа частоты, устойчивости, температурного 
анализа, усталости, испытаний на ударную нагрузку, линейного 
и нелинейного динамического анализа, анализа оптимизации и др.

Введение

CAE применяются совместно с CAD-системами компьютерного геометрического 
моделирования (англ. computer-aided design). Назначение 
CAD-систем — создание 3D-моделей и получение чертежей. 
Зачастую CAE интегрируются в CAD, образуя гибридные CAD/CAE-
системы.
В русском языке есть термин САПР — системы автоматизированного 
проектирования, который может на английский язык переводиться 
как CAD-системы, CAE-системы. Однако в отечественной литературе 
и государственных стандартах САПР определяется как более емкое 
понятие, включающее не только программные средства.
Роль компьютерного инженерного анализа и моделирования при 
принятии проектных решений постепенно меняется. На смену существующей 
практике, когда инженерный анализ в лучшем случае используется 
лишь для проверки уже детально разработанного проекта 
(с проработанной геометрией и трехмерной моделью), приходят системы, 
в которых предварительный расчетный анализ и моделирование 
позволяют найти оптимальные проектные (в том числе геометрические) 
решения.
В пособии представлен материал, имеющий важное практическое 
значение при проектировании изделий машиностроения: построение 
3D-моделей в SolidWorks на основе геометрической оптимизации деталей 
в среде SolidWorks Simulation, инженерный анализ элементов конструкций 
при различных видах нагружения, приведены примеры выполнения 
инженерных расчетов конструкции в SolidWorks Simulation.
Эффективность освоения студентами вопросов проектирования изделий 
на основе компьютерных технологий значительно повышается 
при выполнении практической работы (курсовой, расчетно-графической 
и др.), предусматривающей разработку 3D-модели конструкции 
на основе компьютерных инженерных расчетов и геометрической оптимизации, 
а также создание комплекта конструкторской документа-
ции на изделие.

Методы исследования  
работоспособности изделия

Д

ля оценки работоспособности изделия существуют следую-
щие методы:

● Натурный эксперимент заключается в проведении испытаний из-
делия, приближенных к реальным условиям эксплуатации, при 
помощи испытательных стендов. Такой метод всегда ограничен 
по времени и ресурсам. Во всех ситуациях он приводит к сниже-
нию неопределенности. Натурный эксперимент часто невозмо-
жен, однако обладает максимальной достоверностью, являясь 
критерием фактического разрешения проблемной ситуации.
● Экспертное исследование: работоспособность изделия оценива-
ется на основе личностных знаний эксперта. Экспертное знание 
обладает свойством концентрироваться на важнейших группах 
альтернатив.
● Модельные исследования предполагают создание модели по-
средством формализации описания изделия и выбора критерия 
адекватности модели. Исследование модели завершается интер-
претацией результатов моделирования для определения предпо-
чтительности того или иного проектного решения. С развитием 
компьютерных технологий компьютерные модели стали обыч-
ным инструментом математического моделирования и широ-
ко применяются в различных областях машиностроения. Ком-
пьютерные модели используются для получения новых знаний 
об объекте или для приближенной оценки поведения систем, 
слишком сложных для аналитического исследования. Достоин-
ством компьютерных технологий является то, что они помогают 
убедиться в работоспособности изделия без привлечения боль-
ших затрат времени и средств.

Методы исследования работоспособности изделия 

Для достижения максимальной эффективности инженерного ана-
лиза рационально комбинируют все три класса исследований.
Конечным результатом операций натурного, модельного и эксперт-
ного исследования является либо выигрыш во времени, либо эконо-
мия ресурсов, необходимых для производства изделия.

Системы инженерного анализа (CAE)

C

AE-системы включают расчетные модули, позволяющие оце-
нить, как поведет себя компьютерная модель изделия в реаль-
ных условиях эксплуатации.
Расчетные модули, используемые в CAE-системах, как правило, ос-
нованы на численных методах решения дифференциальных уравне-
ний (метод конечных элементов, метод конечных объемов, метод ко-
нечных разностей и др.).
CAE-системы можно условно разделить на 2 группы:
1. Системы полнофункционального инженерного анализа, облада-
ющие мощными средствами, большими библиотеками конечных эле-
ментов, а также многоцелевой направленностью решаемых инженер-
ных задач. В них предусмотрены собственные средства моделирования 
геометрии. Кроме того, есть возможность импорта через промышлен-
ные стандарты Parasolid, ACIS и пр.
Полнофункциональные САЕ-системы лишены ассоциативной свя-
зи с CAD. Поэтому, если в процессе подсчета появляется необходи-
мость изменить геометрию, то пользователю придется заново произ-
водить импорт геометрии и вводить данные для расчета.
Самой известной подобной системой является ANSYS амери-
канской компании Ansys inc. Для создания геометрической модели 
в ANSYS используется ядро Parasolid, интегрированное во многие дру-
гие коммерческие программные продукты.

2. Системы инженерного анализа, объединенные единым интер-
фейсом с CAD-системами в интегрированную систему проектирова-
ния. Они имеют менее мощные средства анализа, но зато поддержи-
вают ассоциативность с геометрией, поэтому отслеживают изменения 
модели. Кроме того, такие системы включают функционал для форми-
рования конструкторской документации — чертежей, спецификаций 
и пр. К ним относятся CAD/CAM/CAE-система NX компании Siemens 

Системы инженерного анализа (CAE)

PLM Software, Creo Elements/Pro (ProEngineer) компании PTC, CATIA 
и SolidWorks компании Dassault Systèmes и др.

Возможности САЕ

Преимущество систем САЕ состоит в том, что они позволяют:
● уменьшить стоимость разработки за счет проведения испытания 
модели на компьютере вместо дорогостоящих эксплуатационных 
испытаний;
● сократить время, необходимое для представления продуктов 
на рынок, путем уменьшения количества циклов разработки из-
делия;
● улучшить изделия посредством быстрой проверки сразу большо-
го количества концепций и сценариев перед принятием оконча-
тельного решения, тем самым предоставляя дополнительное вре-
мя на обдумывание новых конструкций.
С помощью САЕ можно проводить:
● прочностной анализ компонентов и узлов на основе метода ко-
нечных элементов;
● частотные исследования;
● термический и гидродинамический анализ;
● кинематические исследования;
● моделирование таких процессов, как литье под давлением;
● оптимизацию продуктов или процессов и другие.
Наибольшей популярностью САЕ пользуются в следующих отрас-
лях производства:
● машиностроение и станкостроение;
● оборонная и аэрокосмическая промышленность;
● энергетика, судостроение;
● производство полупроводников;
● телекоммуникации;
● химическая, фармацевтическая и медицинская промышленность;
● строительство;
● производство систем отопления, кондиционирования, вентиля-
ции;
● автомобильная промышленность.

Основные направления в развитии САЕ

Основные направления в развитии САЕ

В процессе развития САЕ разработчики стремятся увеличить их воз-
можности и расширить сферы внедрения.
Основными направлениями развития CAE являются:
● совершенствование методов решения междисциплинарных за-
дач моделирования;
● разработка новых платформ для интеграции различных систем 
САЕ, а также для интеграции САЕ-систем в PLM-решения;
● повышение функциональной совместимости САЕ и CAD-систем;
● совершенствование методов построения расчетных сеток, опи-
сания граничных условий, параллельных вычислений и т. д.;
● улучшение характеристик моделей, которые применяются для 
описания свойств материалов;
● оптимизация систем САЕ для компьютерных платформ с 64-бит-
ными и многоядерными процессорами, и тем самым улучшение 
условий для моделирования сложных конструкций с большим 
количеством степеней свободы.

Мировые лидеры рынка САЕ-систем

ANSYS (биржевой индекс ANSS) основана в 1970 году. На компа-
нию работает почти 3000 профессионалов, штаб-квартира располага-
ется в городе Canonsburg (Пенсильвания, США). Компания ANSYS 
давно является единоличным лидером рынка CAE. Ведущую пози-
цию она заняла еще в 2006 году. И с каждым годом ANSYS, динамич-
но развиваясь, улучшает свои показатели.
Dassault Systemes (биржевой индекс DASTY), с 2009 года возглавля-
ющая рейтинг «королей» PLM, на рынке CAE занимает 2-ю позицию. 
Работы в области CAE-технологий ведутся под брендом SIMULIA, ко-
торый появился после приобретения в 2005 году компании ABAQUS. 
Инструменты для инженерного анализа содержатся также в пакетах 
CATIA и SOLIDWORKS. Таким образом, у этой французской компа-
нии, помимо штаб-квартиры в Vоеlizy-Villacoublay, есть еще два гео-
графических центра, влияющих на развитие CAE-технологий: у под-

Системы инженерного анализа (CAE)

разделения SIMULIA штаб-квартира находится в городе Providence 
(шт. Род-Айленд, США), а у SOLIDWORKS — в гор. Waltham (шт. 
Массачусетс, США).
Siemens PLM Software удерживает 3-е место на рынке PLM. Штаб-
квартира компании, являющейся подразделением европейского кон-
церна Siemens, располагается в городе Plano (штат Техас, США). Ли-
нейка продуктов CAE, выпускаемых Siemens PLM Software, включает 
NX CAE — набор средств инженерного анализа с основными расчет-
ными модулями NX Nastran, NX Thermal и NX Flow.
14 июня 2016 года компания Siemens PLM Software представила ком-
плексный портфель продуктов для инженерного анализа Simcenter, 
включающий в себя инструменты для проведения 1D- и 3D-расчетов 
(в том числе решение NX CAE).
На рис. 1 представлена диаграмма, отображающая состояние на рын-
ке CAE-систем 2013–2017 гг.

Расчетные методы,  
используемые для инженерных исследований в CAE-системах

При выполнении в CAE-системах задач инженерных исследований, 
называемых анализами, для описания поведения объекта исследова-
ния в заданных условиях создается расчетная модель, которая вклю-
чает геометрическую 3D-модель детали или сборки и набор условий, 
ограничивающих нагрузки и перемещения исследуемого изделия.
Обычно исходная задача инженерного анализа формулируется 
в дифференциальных уравнениях с частными производными совмест-
но с начальными и граничными условиями.
По используемому математическому аппарату методы решения за-
дач в частных производных делят на две группы: аналитические и чис-
ленные.
При использовании аналитических методов решение задачи полу-
чается в виде формулы, позволяющей по заданному значению аргу-
мента получить значение искомой функции. В этом случае говорят, 
что решение получено в аналитической форме.
Большое количество инженерных задач, связанных с исследованием 
напряженно-деформированного состояния твердых тел, может быть