Сравнение CAD-систем

Автор статьи:
Р. Г. Бородин, Н. Ю. Супрун, М. В. Тиханов, В. А. Устинов, А. В. Шпехт, К. В. Меняев

В условиях современного производства, предъявляются высокие требования к качеству выпускаемой продукции. При этом важно эффективно использовать время, отведенное на разработку. Применение систем автоматизированного проектирования (САПР) позволяет сократить время проектирования и улучшить его качество. Программы для проектирования развиваются скачкообразно, их функционал постоянно расширяется. Одним из недавних изменений стало внедрение расчетных модулей в системы CAD (Computer Aided Design). Это позволяет выполнять различные расчеты непосредственно при проектировании без переработки 3D моделей в расчетные схемы.

Расчетные модули различных разработчиков обладают схожим функционалом:

- статический расчет;

- расчет на устойчивость;

- расчет колебаний;

- тепловой расчет и др.

На данный момент функционал встроенных расчетных модулей не способен конкурировать с возможностями полноценных CAE (Computer Aided Engineering) систем. Преимуществом использования расчетных модулей является их полная интеграция в CAD. В области программного обеспечения (ПО) для проектирования выделяются такие крупные разработчики, как:

- Autodesk;

- Dassault Systémes;

- АСКОН.

Autodesk – это один из крупнейших в мире поставщиков ПО для компьютерного моделирования и анимации. Самым известным продуктом компании в области 3D проектирования является программа Inventor. Программа широко используется при проектировании в машиностроении. Французская компания Dassault Systémes предлагает множество решений в сфере проектирования. Среди них наиболее известные в российском машиностроении Solid Works и CATIA.

Рисунок 1 – Анализ результатов статического расчета в CATIA V5

КОМПАС-3D от компании АСКОН является довольно распространенной и популярной программой для проектирования в России. Отличительной особенностью этой программы является еѐ адаптация под ЕСКД.

В данной статье произведено сравнение результатов расчетов, выполненных вручную [1], с результатами, полученными с использованием ПО. Для этого составлены две простые расчетные схемы с простыми сечениями балки (рисунки 2, 3) и простая схема с более сложным сечением (рисунки 4, 5). Материал балок – сталь.


Рисунок 2 – Расчетная схема для трубы


Рисунок 3 – Расчетная схема для детали с прямоугольным сечением


Рисунок 4 – Расчетная схема для сборки

В первых двух расчетных схемах будет выполнен статический расчет деталей. Для третьего расчета составлена сборка, состоящая из нескольких деталей, которая имитирует реальную сборочную единицу. Сечение данной сборки состоит из двух швеллеров 20П по ГОСТ 8240-89.

Целью данных расчетов будет определение прогиба. Для первой расчетной схемы будет измеряться прогиб на свободном конце, для второй и третьей схем прогиб в центре балки.

Для расчета использовались следующие программы:

- CATIA V5;

- Inventor Professional 2018;

- KOMPAS V17.

Выбор именно этих программ обусловлен тем, что они находятся в свободном доступе для студентов и в каждой из них предустановлен расчетный модуль.Расчет в подобных программах выполняется по методу конечных элементов. Модель разбивается на множество элементов, например тетраэдров (рисунок 6). Данное множество обычно называют сеткой. Каждый элемент высчитывается отдельно, затем результаты суммируются для получения итогового результата.

Рисунок 5 – Модель сборки подвеса паропровода в КОМПАС-3D

Оценка эффективности осуществляется по следующим критериям:

- скорость выполнения работы;

- точность результатов расчета.

В качестве эталона принят результат ручного расчета (ожидаемый результат). Результат компьютерного расчета зависит от разбиения на элементы.

Чем больше элементов – тем точнее получится результат, но при этом увеличиваются требования к техническому оснащению ПК. В данном исследовании выполнены расчеты с низкой и высокой точностью.

Рисунок 6 – Разбитие детали на элементы в КОМПАС-3D

Все программы были установлены на один и тот же компьютер, который имеет следующие характеристики:

- Процессор Intel Core i3 3120M 2.5 GHz;

- ОЗУ 8 ГБ;

- Видеокарта Nvidia GeForce GT 635M.

Результаты расчетов деталей представлены в таблицах 1 и 2, результаты расчетов сборки в таблице 3.


Таблица 1 – Результаты расчета трубы

Программа

Число элементов

Время, с

Скорость

обработки, эл./сек

Результат, мм

Ожидаемый результат, мм

Отклонение, %

Catia*

18306

6

3051

-16,1019

-17,3598

7,25

Catia**

70352

15

4690,133

-17,3013

0,34

Inventor*

19247

14

1374,786

-16,59

4,43

Inventor*

*

70583

50

1411,66

-16,6

4,38

Компас -

3D*

18948

46

411,913

-16,806

3,19

Компас -

3D**

73942

72

1026,972

-17,514

0,89

Примечание: * - расчет с низкой точностью, ** - расчет с высокой точностью.


Таблица 2 – Результаты расчета детали с прямоугольным сечением

Программа

Число элементов

Время, с

Скорость

обработки, эл./сек

Результат, мм

Ожидаемый результат,мм

Отклонение,

%

Catia*

16553

5

3310,6

-0,50411

-0,5493

8,22

Catia**

39985

10

3998,5

-0,53524

2,55

Inventor*

16992

6

2832

-0,5355

2,5

Inventor**

36807

13

2831,30

8

-0,536

2,41

Компас -

3D*

13256

37

358,270

3

-0,524

4,6

Компас -

3D**

38190

52

734,423

1

-0,541

1,5

Примечание: * - расчет с низкой точностью, ** - расчет с высокой точностью.


Таблица 3 – Результаты расчета сборки

Программа

Число элементов

Время, с

Скорость обработки, эл./сек

Результат, мм

Ожидаемый результат, мм

Отклонение, %

Catia*

158740

35

4535,429

-

0,01375

0,01371

0,31

Catia**

745492

134

5563,373

-

0,01572

14,68

Inventor*

140717

47

2993,979

-0,0135

1,5

Inventor**

866341

348

2489,486

-0,0162

18,2

Компас -

3D*

145111

140

1036,507

-0,0123

10,26

Компас -

3D**

839562

920

912,5674

-0,0148

7,98

Примечание: * - расчет с низкой точностью, ** - расчет с высокой точностью.

Из результатов видно, что все программы справились с задачей –полученные значения прогиба не сильно отличаются от эталонных. При расчете сборки наблюдалась странная тенденция: при увеличении количества элементов, существенно менялись результаты расчета. В справочных материалах к Inventor указаны оптимальные параметры для построения сетки [2], которые соответствуют расчету низкой точности из таблицы 3. При расчетах деталей такого явления не наблюдалось. Для более наглядного отображения результатов, составлены диаграммы, изображенные на рисунке 7.

Самой быстрой программой оказалась CATIA V5. Но, из-за ограничений учебной версии, отсутствует функция анализа сборок, поэтому для теста сборка выполнена одной деталью, что исключает расчет контактирующих поверхностей. Эта особенность, возможно, сильно повлияла на скорость работы при расчете сборки, и дает повод усомниться в справедливости теста, хотя при расчете деталей результаты теста все равно наилучшие.

Второй результат по скорости показал Inventor Professional 2018.В отличие от других программ задание размера сетки происходит в зависимости от размеров сборки или детали, а не вводом абсолютного значения, как в остальных программах. Результаты расчетов деталей при высокой и низкой точности имеют практически одинаковые отклонения, но результаты расчетов сборки имеют наибольший разброс.

Рисунок 7 – Сравнение результатов расчетов


Последнее место по скорости работы занял КОМПАС-3D. Построение сетки здесь выполняется как отдельная операция, которая занимает достаточно длительное время. Результаты расчетов в КОМПАС-3D ненамного опережают по точности результаты других программ.

Рисунок 8 – Анализ результата расчета сборки в Inventor


Рисунок 9 – Анализ результата расчета детали в КОМПАС-3D

Работа в расчетных модулях не представляет особой сложности, основные операции интуитивно понятны для новичка. Результаты расчетов, такие как напряжения, перемещения, деформации, нагрузки на опоры и др. отображаются прямо на модели. Также имеется возможность сгенерировать отчет для печати. Рассмотренное программное обеспечение позволяет быстро и качественно разрабатывать различные конструкции, однако для подтверждения правильности выбора тех или иных решений необходим расчет, выполненный в соответствии с нормами. Подобное ПО может помочь лишь при рассмотрении и выборе различных вариантов исполнений конструкции.


ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова» г. Барнаул.


Список литературы

1. Справочник проектировщика промышленных, жилых и общественных зданий и сооружений. Расчетно-теоретический. В 2 книгах. Книга 1. [Текст]/ под ред. А.А. Уманского. – изд. 2-е, М.: Стройиздат, 1972. – 600 с.

2. Inventor 2018 Справка: Скорректируйте настройки и элементы управления сетки [Электронный ресурс] // Inventor 2018 Справка URL:http://help.autodesk.com/view/INVNTOR/2018/RUS/?guid=GUIDB73B2C75-4AA4-4F9E-9BC4-4AB8D26C1765 (дата обращения: 09.01.2018).

3. Тиханов М.В. Анализ результатов инженерного расчета системы CAE / М.В. Тиханов, А.В. Шпехт, Р.Г. Бородин, В.А. Устинов, Н.Ю. Супрун, К.В. Меняев // Журнал Фундаментальные основы механики. – 2017. – № 2. – с. 126 – 128.

48