Autodesk – simulace v roce 2015

Tags: Autodesk | CAD | CAE | CAM | CFD | MKP | PLM | Simulace | Software

Aktivity firmy Autodesk jsou v oblasti výpočtového modelování stále intenzivnější. Nelze se divit, neboť CAD už „umí každý". Že Autodesk CAD umí, o tom není pochyb. Ale jaké umí MKP? Na to se podíváme v tomto textu a rovněž na to, co se u „Autodesků" v poslední době v oblasti simulací událo.

Základní softwarové portfolio firmy Autodesk čítá několik desítek programů. Mezi nimi jsou schovány různé softwarové variace a navíc mnohé programy existují v základní, vylepšené či „light" verzi. V tomto nemalém počtu jsou samozřejmě obsaženy stálice, jako je 3ds Max, AutoCAD, Inventor, Revit a další ryze CADové programy pro všelikeré technické obory. Mezi další patří rovných 26 aplikací pro mobilní platformu a iOS (Autodesk vyvíjí aplikace rovněž pro Android). Mezi těmito 26 aplikacemi jsou hned dvě určeny pro výpočtové simulování reálného chování objektů. Prvou je program ForceEffect (řešení statických úloh) a ForceEffect Motion (analýzy rozpohybovaných sestav). Obě aplikace slouží k serióznímu modelování fyzikální reality. Pro vzdělávání v oblasti chování objektů na úrovni kinematiky a dynamiky hravou formou doporučuji vyzkoušet TinkerBox – newtonovské zákony akce a reakce spojené s logikou.

Inventor zcela neuspokojí

Programy pro profesionální užití jsou orientovány na řešení různých fyzikálních problémů, a nejen těch. Základem je mechanika pevných látek a tekutin. Nejdostupnější a zároveň „nejjednodušší" způsob, jak začít s výpočtovým modelováním v klasickém strojírenství, je nasadit na řešení problémů mechaniky těles Autodesk Inventor Professional. Inventor nese profesionální označení, nástroje v programu obsažené opravdové profesionály stěží uspokojí. Pro konstrukční praxi je však výborným pomocníkem. Tento Inventor obsahuje nástavbu na bázi metody konečných prvků jednotlivých součástí a nově i sestav, a nástavbu pro analýzu kinematiky a dynamiky mechanismů. Modul metody konečných prvků má omezení na úlohy lineární mechaniky poddajných těles. Proto je potřeba být velmi obezřetný při práci s materiály jinými než lineárně izotropními (jednoduše řečeno jinými než konstrukční ocel) a je potřeba si hlídat, zda se i u těchto materiálů zatížený objekt pohybuje v lineární oblasti (platnosti Hookova zákona). Nemenší opatrnost je nezbytná při zatěžování tenkých a štíhlých prutů, tenkostěnných součástek, neuzavřených tenkostěnných profilů, kontaktů a dalších – které vedou k nelinearitám geometrickým. Druhý modul – modul pro kinematické a dynamické výpočty funguje tak, že tělesa v těchto simulacích jsou uvažována jako tuhá. Pro zjišťování např. reakčních sil v ložiscích, rychlosti a zrychlení nějakého bodu nějakého mechanismu je toto standardní způsob výpočtového modelování. Výsledky dynamické simulace mechanismu lze u vybrané součástky v daném zátěžném stavu použít pro posouzení poddajnosti a pevnosti v pevnostním modulu.

Příklad simulace sestavy speciálního nosníku v oblasti zpracovatelského průmyslu

Simulace proudění, kompozity a vstřikování plastů

Profesionální simulační nástroje, které Autodesk nabízí, jsou Autodesk Simulation DFM a Simulation Moldflow. Pro simulace kompozitů nabízí Simulation Composite Analysis a Composite Design, proudění umí simulovat programy Autodesk Simulation CFD a Flow Design. Oblast mechanických úloh v oboru stavebnictví zvládá Robot Structural a pro strojařinu je určen Autodesk Simulation Mechanical.

Programy pro simulace a vstřikování plastů z portfolia Autodesku jsou Simulation Moldflow a Simulation DFM. Zkratka DFM znamená Design For Manufacturing. Zaměření je na plastové součástky a programy spolu úzce souvisí. Zatím co Moldflow je plnohodnotný program, tak jak si oblast simulací žádá, Simulation DFM se nejčastěji integruje do CAD programu. Pomocí něj konstruktér, když uzná za vhodné (když zavolá jeho příkazy), může kontrolovat vyrobitelnost součástky. Program, spíše programový doplněk, má integrována speciální pravidla a znalosti z tohoto oboru a například v každém stavu modelu si lze nechat animovat šíření zplastizované hmoty během vstřikování. Program je vyvíjen i pro konkurenční produkty Solid Works a PTC Creo, avšak může fungovat i jako samostatná aplikace.

Simulation Composite Analysis a Design jsou na trhu v podstatě rok. Programy pomáhají posuzovat vlastnost konstrukcí vyrobených z kompozitních materiálů. Konstruktéři těchto dílců musí sledovat závislost chování navrhovaného objektu nejen na jeho tvaru, ale také na složení matrice a pojiva (jejich procentuální podíl, jejich mechanické vlastnosti v jednotlivých vrstvách a orientaci nosných vláken a další). Tyto programy mají velmi blízko k materiálovému výzkumu (obsahují velké množství modelů chování materiálů, které mají v každém směru jiné mechanické vlastnosti) a samozřejmě umí posoudit i finální objekty.

Analýza kompozitů – hledání vlivu geometrie na chování oka (zdroj Autodesk)

Proudění a teplo

Autodesk Simulation CFD je určen řešení problémů modelováním v oblasti proudění a tepla. Součástí programu jsou modely (materiály a řešiče) pro simulace problémů obsahující stlačitelné a nestlačitelné kapaliny a řešené úlohy mohou být ustálené i tranzientní (časově závislé). Program disponuje nástroji pro generování sítí vhodných pro CFD. Týká se to například styku kapaliny s pevnou látkou – plochy rozhraní jsou pokryty velmi kvalitní sítí a řízen je počet vrstev sítě elementů v jejich okolí. Důvodem kladení důrazu na kvalitní sítě je, aby bylo co nejlépe zachyceno chování tekutiny v mezních vrstvách. Program CFD obsahuje velkou databázi materiálů, zdrojů tepla a například knihovnu ventilátorů a jejich charakteristik jakožto zdrojů proudícího vzduchu v elektrotechnickém průmyslu. Multifyzikální úlohy dovolují automatický přenos tlakového zatížení od proudící tekutiny z CFD do simulací mechanického zatěžování. Stejně tak je samozřejmý automatický přenos teplotního pole z CFD simulací do mechanického výpočtu.

Stavební konstrukce, tuhá tělesa, výpočty

Autodesk Robot Structural je program orientovaný pro analýzu stavebních konstrukcí (statika, seismická odolnost). Stejné analýzy lze dělat i v programu Simulation Mechanical, avšak Robot Structural obsahuje nástroje, knihovny, normy a vychytávky zaměřené na stavařinu, díky nimž jsou analýzy staveb výrazně efektivnější.

Autodesk Simulation Mechanical slouží pro řešení typických úloh mechaniky tuhých těles. Program je nelineární, pod čímž si lze zjednodušeně představit možnost řešit úlohy mimo oblast Hookova zákona lineárního izotropního materiálu a dalších materiálů, které žádnou lineární oblast nemají.

Ladění materiálového modelu – nelineární model tahové zkoušky

Autodesk Simulation je určen pro jak návrhové, tak kontrolní výpočty. Umožňuje provádět citlivostní analýzy a optimalizační výpočty pomocí změny modelových parametrů, typicky tloušťka skořepiny. Optimalizace za využití změny rozměrů modelu je možná díky zachování asociativity numerického modelu s originálními daty CAD programu Autodesk Inventor (Fusion). Autodesk Inventor ve verzi 2015 obsahuje řadu funkcí z volného modeláře Fusion, proto příprava geometrie pro potřeby výpočtového modelování je v Inventoru o to jednodušší a efektivnější.

Metoda konečných prvků

Fusion, a tedy i poslední verze programu Autodesk Inventor obsahuje specializované funkce pro přípravu CAD modelu pro potřeby MKP. Jedná se o vyhledání a následně řízené odstranění zanedbatelných detailů, tj. zejména malých otvorů, zaoblení, sražení hran. Tyto geometrické detaily modely komplikují (mnohdy je činí neřešitelnými), proto je mnohdy možné (nutné) je záměrně zanedbat.

Snad moc neprozradíme, když se zmíníme o nově připravovaném programu Autodesk SimStudio (dříve nazýváno Project ARRO). Na základě osobních zkušeností s tímto programem, který se právě nachází ve stavu betatestování, to vypadá, že se stane „pravou rukou" výpočtáře. Příprava geometrie pro potřeby MKP je zde mnohem efektivnější a propracovanější než v programu Fusion.

Autodesk Simulation Mechanical má nástroje pro výpočty spolehlivosti a únavové životnosti – unikátním způsobem jsou propojeny nástroje a metody numerické (metoda konečných prvků) s nástroji analytickými (Wöhlerova teorie atd.). V minulosti tento program uměl řešit velkou řadu multifyzikálních úloh (typicky kombinaci proudění v kombinaci s mechanickým zatěžováním konstrukce či Mass Transfer), avšak produktová strategie Autodesku vyústila v rozhodnutí – oblast proudění (i další) v tomto programu nenabízet, zejména když jsou v nabídce specializované a výkonnější programy. Jaksi samozřejmým důsledkem tohoto rozhodnutí je to, že lze realizovat pokročilou multifyzikální analýzu v kombinaci s těmito specializovanými programy. Tedy výstupy analýzy proudění získané programem Autodesk Simulation CFD použít jako vstupy pro strukturální úlohy. Multifyzikální oblast, která v programu zůstala zachována, je přenos tepla jak ustáleného, tak transientního a aplikace výsledků pro pevnostní výpočty.

Aktuální verze programu obsahuje proti předchozí řadu vylepšení pro přípravu MKP modelu a formulaci řešené úlohy. Faktem je, že jedna věc je úlohu vytvořit a druhá ji vypočítat. V druhé polovině tohoto roku byla vydána významná aktualizace programu Autodesk Simulation Mechanical – přibyly řešiče úloh z programu Nastran, tj. možnosti programu Autodesk Simulation Mechanical se posunuly do oblasti rychlých dynamických dějů a dalších. S tímto souvisí i dvě novinky v portfoliu firmy, kterými jsou Nastran a Nastran In-CAD. Nastran je MKP program a řešič úloh v jednom, pro pokročilejšího zájemce o simulace bude zajisté zajímavý právě zmíněný Nastran In-CAD. Tento se integruje přímo do CAD programu, a co se týká obsahové stránky – výrazně překračuje vlastnosti a možnosti programu Inventor Professional. Na rozdíl od Simulation Mechanical například neumožňuje pokročilou práci s MKP sítí, tak jak to potřebují ti, kdo využívají velkých idealizací řešeného problému kvůli např. zkrácení výpočtu rozsáhlých modelů.

Závěr a na co se nedostalo

V úvodu textu byl malý „šťouchanec", že Autodesk nemá software pouze na simulace problémů z oblasti technických a přírodních věd. Uveďme příklad na závěr. Program AutoCAD Factory Design obsahuje nástroje, které umožňují simulovat výrobní kapacity závodu v závislosti na typu a počtu instalovaných strojů, typu a propustnosti manipulace mezi nimi a při zahrnutí dalších vlivů na výrobní proces. Další simulační nástroje jsou obsaženy v produktech zaměřených na řízení životního cyklu výrobku – PLM. Autodesk je velmi aktivní v oblasti cloudu, kde má službu nazvanou Autodesk 360. Jejich přínos lze shledat například v tom, že uživatel má k dispozici výpočetní výkon, který by si nemohla dovolit samostatně hospodařící středně veliká firma, software je stále aktuální atd. Veliký význam má nezávislost na operačním systému, pomocí něhož je ke cloudovým programům přistupováno. Aktuálně Autodesk nabízí strukturální aplikaci se základními funkcemi Sim 360 a pro pokročilé uživatele a řešení komplexnějších problémů Sim 360 Pro a Sim 360 Moldflow (opět simulace plastů).

Z představeného množství vývojových projektů (na které se v textu nedostalo, např. Projekt Ventus) je vidět, že je Autodesk oblastí velmi aktivní. Že toho umí hodně, o tom není pochyb. A aby toho hodně uměli i uživatelé, stále vylepšuje vzdělávací a školicí kanály. Až znalý uživatel programu – výpočtář CAD modelu vdechne ducha reálného světa – fyziky. A jak známo, ve fyzice, na rozdíl od politiky, se nic neokecá.