Сучасні прикладні програми для інженерних розрахунків

На теперешній час існує багато різних прикладних програм для виконання інженерних розрахунків. В алгломовній літературі вони мають загальну назву CAE.

CAE (англ. Computer-aided engineering) — загальна назва для программ, призначених для вирішення різних інженерних задач: розрахунків, анализа і симуляции фізичних процесів. Розрахункова частина пакетів найчастіше заснована на численных методах рішення диференціальних рівнянь (див.: метод кінцевих елементів, метод кінцевих об'ємів і ін.). Сучасні системи автоматизації інженерних розрахунків (CAE) застосовуються спільно з CAD-системами (часто інтегруються в них, в цьому випадку виходять гібридні CAD/CAE-системи). CAE-системи — це різноманітні програмні продукти, що дозволяють за допомогою розрахункових методів (метод кінцевих елементів, метод кінцевих різниць, метод кінцевих об'ємів) оцінити, як поводиться комп'ютерна модель виробу в реальних умовах експлуатації. Допомагають переконатися в працездатності виробу, без залучення великих витрат часу і засобів. У російській мові є термін САПР який має на увазі CAD/CAE/PDM.

Історію розвитку CAD / CAM / CAE-систем можна досить умовно розбити на три основні етапи, кожен з яких тривав, приблизно, по 10 років.

Перший етап розпочався в 1970-і роки. В ході його було отримано ряд науково-практичних результатів, що довели принципову можливість проектування складних промислових виробів. Під час другого етапу (1980-ті) з'явилися і почали швидко поширюватися CAD / CAM / CAE-системи масового застосування. Третій етап розвитку ринку (з 1990-х років до теперішнього часу) характеризується вдосконаленням функціональності CAD / CAM / CAE-систем та їх подальшим поширенням у високотехнологічних виробництвах (де вони найкраще продемонстрували свою ефективність).

На початковому етапі користувачі CAD / CAM / CAE-систем працювали на графічних терміналах, приєднаних до мейнфреймів виробництва компаній IBM і Control Data, або ж міні-ЕОМ DEC PDP-11 і Data General Nova. У мейнфреймів того часу був ряд істотних недоліків. Наприклад, при поділі системних ресурсів дуже великим числом користувачів навантаження на центральний процесор збільшувалася до такого ступеня, що працювати в інтерактивному режимі ставало важко. Але в той час користувачам CAD / CAM / CAE-систем нічого, крім громіздких комп'ютерних систем з поділом ресурсів (по встановлюваним пріоритетам), запропонувати було нічого, оскільки мікропроцесори були ще вельми недосконалими.

Розвиток додатків для проектування шаблонів друкарських плат і шарів мікросхем зробило можливою появу схем високого ступеня інтеграції (на базі яких і були створені сучасні високопродуктивні комп'ютерні системи). Протягом 1980-х років було здійснено поступове переведення CAD-систем з мейнфреймів на персональні комп'ютери (ПК). У той час ПК працювали швидше, ніж багатозадачні системи, і були дешевші.

Слід сказати, що на початку 1980-х років відбулося розділення CAD-систем на спеціалізовані сектори. Електричний і механічний сегменти CAD-систем розділилися на галузі ECAD і MCAD. Розійшлися по двох різних напрямках і виробники робочих станцій для CAD-систем, створених на базі ПК: частина виробників зорієнтувалася на архітектуру IBM PC на базі мікропроцесорів Intel х86, інші виробники воліли орієнтацію на архітектуру Motorola (ПК її виробництва працювали під управлінням ОС Unix від AT & T, ОС Macintosh від Apple і Domain OS від Apollo).

Продуктивність CAD-систем на ПК в той час була обмежена 16-розрядної адресацією мікропроцесорів Intel і MS-DOS. Внаслідок цього, користувачі, що створюють складні твердотілі моделі і конструкції, воліли використовувати графічні робочі станції під ОС Unix з 32-розрядної адресацією і віртуальною пам'яттю, що дозволяє запускати ресурсомісткі програми.

До середини 1980-х років можливості архітектури Motorola були повністю вичерпані. На основі передової концепції архітектури мікропроцесорів з усіченим набором команд (Reduced Instruction Set Computer - RISC) були розроблені нові чіпи для робочих станцій під ОС Unix (наприклад, SunSPARC). Архітектура RISC дозволила істотно підвищити продуктивність CAD-систем.

З середини 1990-х років розвиток мікротехнологій дозволило компанії Intel здешевити виробництво своїх транзисторів, підвищивши їх продуктивність. Внаслідок цього з'явилася можливість для успішного змагання робочих станцій на базі ПК з RISC / Unix-станціями. Системи RISC / Unix були широко поширені в 2-й половині 1990-х років, і їх позиції все ще сильні в сегменті проектування інтегральних схем. Зате зараз системи з ОС Windows практично повністю домінують в областях проектування конструкцій і механічного інжинірингу, проектування друкованих плат та ін.

Найбільш поширені CAE-системи:

- APM WinMachine 2010 - універсальна система для проектування і розрахунку в галузі машинобудування, що включає КЕ аналіз з вбудованим пре-/постпроцесором;

- APM Civil Engineering 2010 - універсальна система КЕ аналізу з вбудованим пре-/постпроцесором для проектування і розрахунку металевих, залізобетонних, армокам'яних і дерев'яних конструкцій;

- OpenFOAM - вільно-поширювана універсальна система КО просторового моделювання механіки суцільних середовищ;

- SALOME - платформа для проведення розрахунків МСС (підготовка даних - моніторинг розрахунку - візуалізація та аналіз результатів);

- CAElinux [1] - дистрибутив операційної системи Лінукс, що включає в себе ряд вільних САЕ-програм, у тому числі OpenFOAM і SALOME.

- EULER (Ейлер) [4] - програмний комплекс автоматизованого динамічного аналізу багатокомпонентних механічних систем;

- ФРУНД [5] - комплекс моделювання динаміки систем твердих і пружних тіл;

- Femap - незалежний від САПР пре-і постпроцесор для проведення інженерного аналізу методом кінцевих елементів;

- QForm 2D/3D - спеціалізований програмний комплекс для моделювання та оптимізації технологічних процесів об'ємного штампування;

- MBDyn [6] - система комплексного аналізу та розрахунків нелінійної динаміки твердих і пружних тіл, фізичних систем, "розумних" матеріалів, електричних мереж, активного управління, гідравлічних мереж, аеродинаміки літаків і вертольотів. Поширюється на умовах ліцензії GNUGPL 2.1.;

- SimulationX [7] - програмний комплекс для моделювання та аналізу динаміки і кінематики автомобілів, індустріального обладнання, електро-, пневмо-і гідроприводів, ДВС, гібридних двигунів і т. д.

- FEM-models - програмний комплекс для моделювання та аналізу методом кінцевих елементів. Спеціалізація програми - геотехнічні розрахунки, спільні розрахунки систем будівля-основа.

Також однією з універсальних систем для проведення інженерних розрахунків є MathCad. MathCad є потужним, спеціалізованим, програмним пакетом, призначеним для вирішення самих різних математичних задач. Його головна перевага в тому, що завдання можна вирішувати, практично не складаючи програму, тобто без використання мови програмування. Саме це і приваблює в пакеті самих різних користувачів. Адже конкретного фахівця цікавить лише результат поставленої задачі, а не те, як для цього скласти програму.

У цьому пакеті є три процесори: текстовий, математичний і графічний.

Текстовий процесор фактично являє собою досить скромний текстовий редактор з дуже обмеженим набором можливостей. Він використовується в основному для постачання виконуваних математичних розрахунків деякими текстовими ремарками. У цьому редакторі занадто обмежений вибір текстового шрифту. Найчастіше це шрифти Arial, Times New Roman. Цей редактор не виконує перевірок граматики і синтаксису, в ньому досить складно вставляти символи, таблиці та формули.

Математичний процесор, навпаки, вельми і вельми розвинений. Він дозволяє виконувати послідовні, розгалужені і циклічні розрахунки. Спектр операцій в ньому дуже широкий - від простих, арифметичних, до операцій диференціювання й інтегрування. Процесор має широкий набір вбудованих функцій - від стандартних до спеціалізованих функцій рішення рівнянь і систем, інтерполювання, апроксимації. Крім числових розрахунків цей процесор може виконувати і символьні, тобто, наприклад, диференціювати або інтегрувати шляхом символьних перетворень вихідних формул. Основним шрифтом для роботи в пакеті є ЛАТИНСКИЙ, хоча можливо вживання символів російської або грецької мов. Символи грецького алфавіту розміщені на відповідній палітрі інструментів.

Графічний процесор також вельми розвинений. Він дозволяє будувати складні графіки розрахункових залежностей, як на площині, так і в тривимірному просторі з дотриманням масштабів, викреслюванням осей, числових міток і т.д.

Дата добавления: 2013-12-14