Structural Research & Analysis Corporation

Cosmos/M – один из наиболее передовых и универсальных пакетов конечно-элементного анализа – включает следующие возможности:

• создание геометрических моделей как отдельных деталей, так и сборок;
• конечно-элементное представление геометрических моделей для последующего анализа;
• современные способы визуализации геометрических объектов и результатов решения.

Предметами исследования могут выступать тепловое и напряженно-деформированное состояние элементов конструкции, устойчивость и частотные характеристики объектов, динамический отклик, усталость, электромагнетизм, высокочастотный анализ, динамика жидких сред. Большая часть задач решается и в нелинейной постановке.

Cosmos/M – модульная система, которая функционирует на платформах Windows 95, Windows 98, Windows NT и UNIX. Сейчас существует 10 модулей, один из которых (GEOSTAR) является пре- и постпроцессором, два (OPTSTAR – оптимизация, Translators – трансляторы для FEM-форматов) – вспомогательные, а семь остальных – вычислительные и предназначены для решения разнообразных задач математической физики.
Из модулей компонуются пакеты Cosmos/M, которые можно достаточно условно разделить по вариантам на Базовый (Basic), Промежуточный (Intermediate) и Усовершенствованный (Advanced). Каждый из вариантов в зависимости от уровня сложности решаемых задач адресован разным группам пользователей. В то же время пользователь сам может определить необходимый набор модулей.

Краткое описание модулей

GEOSTAR

Интерактивный 2D/3D CAD-подобный геометрический построитель и конечно-элементный пре- и постпроцессор для расчетных модулей.

Основные возможности:

• Построение 1D, 2D и 3D-моделей с помощью исчерпывающего набора команд.
• Параметрическое и автоматическое построение конечно-элементной сетки сложных 2D/3D-моделей. Модуль имеет один из самых быстрых и надежных автоматических трехмерных сеточных генераторов. Автоматическая проверка качества сетки.
• Проверка сходимости решения на основе H-, P- и НР-адаптивных технологий.
• Определение всевозможных граничных условий и нагрузок для геометрических и конечно-элементных компонент. Параметрическое задание нагрузок.
• Расширенные возможности выделения геометрических и конечно-элементных компонент – для обеспечения гибкости при формировании граничных условий и нагрузок.
• Установление геометрических связей при сопряжении несовместимых сеток – для обеспечения корректности конечно-элементной структуры.
• Выделение критичных подобластей из общей структуры – для более детального и точного анализа.
• Обширный набор вариантов представления результатов анализа.

STAR

Предназначение модуля – анализ линейной статики деталей и сборок. Рассчитываются перемещения, деформации, напряжения, усилия при разнообразных условиях нагружения.

Основные возможности:

• Богатая библиотека 1D, 2D и 3D конечных элементов для аппроксимации линий, поверхностей и объемных тел.
• Моделирование изотропных, ортотропных, анизотропных, композитных материалов.
• Учет зависимости теплофизических свойств материалов от температуры.
• Анализ многослойных композитных тонких и толстых структур с использованием разных критериев прочности. Определение сил взаимодействия между слоями.
• Уточнение решения в областях концентрации напряжений для сложных моделей.
• Решение контактных задач с учетом и без учета трения.
• Анализ задач линейной статики с начальными несовершенствами – наличием трещины.
• Многоточечные ограничения и ограничения в виде уравнений. Используются при сопряжении несовместимых конечных элементов, специфических граничных условиях и в других специальных случаях.
• Анализ осесимметричных тонких оболочек и объемных тел под действием несимметричной нагрузки.

DSTAR

Модуль предназначен для расчета собственных частот, критических нагрузок и соответствующих форм; реализует несколько алгоритмов. Использование того или иного метода определяется размером модели, количеством определяемых собственных значений и некоторыми другими параметрами. DSTAR поддерживает метод итераций в подпространстве в сочетании с алгоритмом Ланцоша, что наиболее эффективно для больших моделей при вычислении значительного числа частот и форм.

HSTAR

Модуль для расчета теплового состояния как отдельных деталей, так и сборок.

Основные возможности:

• Моделирование кондуктивного, конвективного и радиационного (температурное излучение) переноса тепла.
• Анализ стационарного теплового состояния.
• Анализ переходных тепловых процессов с граничными условиями, зависящими от времени.
• Моделирование изотропных, ортотропных, анизотропных и композитных материалов.
• Учет зависимости теплофизических свойств материалов от температуры.
• Учет зависимости коэффициента конвективного теплообмена и интенсивности теплового источника от температуры.
• Поддержка трехмерного трубчатого (pipe) элемента для моделирования вынужденной конвекции. Элемент предназначен для учета теплового взаимодействия между жидкостью и твердым телом, включая массоперенос жидкой средой.
• Моделирование термоэлектрических эффектов, связанных с выделением Джоулева тепла при прохождении электрического тока через проводящую среду.
• Анализ радиационного теплопереноса, включая вычисление коэффициентов облученности для двумерной, осесимметричной и трехмерной систем.
• Адаптивная вычислительная процедура для эффективного вычисления коэффициентов облученности.
• Поддержка быстрого и надежного решателя для разряженных матриц, который наиболее эффективен при расчете больших и сложных систем.
• Прямая связь c модулями, производящими расчет напряженно-деформированного состояния конструкции.

ASTAR

Модуль выполняет анализ систем, находящихся под динамическим воздействием всех типов.

Предоставляет возможность смоделировать воздействие землетрясения и других сложных динамических факторов. Анализ производится методом нормальных мод (normal mode method), который требует предварительного расчета собственных частот и форм модели.

Основные возможности:

• Расчет динамического отклика для заданной истории нагрузки, входного спектра воздействия, постоянного гармонического входного сигнала и воздействия случайной вибрации.
• Поддержка контактных элементов с учетом трения, что позволяет моделировать взаимодействие падающего элемента с плоскостью (drop-test) и решать другие контактные задачи.
• Обеспечение (поддержка) нескольких вариантов демпфирования – демпфирование Рэлея, модальное демпфирование, концентрированные демпферы и композитное модальное демпфирование.
• При анализе случайной вибрации возбуждение между двумя точками структуры можно рассчитывать как полностью корректное, полностью некорректное и частично корректное в зависимости от требований пользователя.
• Все результаты анализа динамического отклика (перемещения, скорости, ускорения, напряжения и деформации) можно представить графически в модуле GEOSTAR в разные моменты времени либо как функцию времени для отдельно взятых точек структуры.

FSTAR

Модуль производит расчет объектов на усталость (она наблюдается в тех элементах конструкции, которые подвергаются циклическому воздействию механических или термических нагрузок).

FSTAR позволяет определить области в конструкции, которые могут разрушиться под влиянием эффекта усталости.

OPTSTAR

Оптимизация конструкции – итерационный процесс, требующий длительного и напряженного труда. OPTSTAR, оснащенный технологией COSMOS/FFE (Fast Finite Element), дает возможность существенно снизить затраты времени и сил при проектировании изделия.

Первоначально определяется набор параметров и формируется зависящая от них целевая функция. При оптимизации эти параметры (их называют конструкционными переменными) могут в ограниченных пределах меняться. Варьируя значения конструкционных переменных, добиваются, чтобы целевая функция достигла экстремума (максимума или минимума). Помимо целевой функции, на конструкцию накладываются ограничения, определяющие ее работоспособность: предельные напряжения, интервалы, в рамках которых должны лежать собственные частоты системы, и другие.

Основные возможности:

• Оптимизация как размера, так и формы изделия.
• Выбор из обширного перечня параметров для формирования целевой функции (объем, вес, напряжения, деформации, перемещения, собственная частота, критическая нагрузка, коэффициент усталости, температура, тепловой поток и температурный градиент).
• В качестве ограничений могут выступать напряжения, деформации, перемещения, частоты, критические нагрузки, тепловые потоки, температурные градиенты и их комбинации.
• Использование анализа чувствительности для определения влияния различных конструкционных переменных на результаты оптимизации.
• Анализ глобальной чувствительности.
• Анализ локальной чувствительности.
• Поддержка многосторонней оптимизации, когда учитываются результаты решения задач статического, динамического, термического, нелинейного, частотного анализа, а также результаты расчета на усталость и устойчивость.
• Возможность формирования целевой функции и ограничений самим пользователем.

ESTAR

Модуль для расчета задач по электромагнетизму.

Основные возможности:

• Магнитостатический анализ для двумерных, осесимметричных и трехмерных задач с источниками тока и постоянными магнитами.
• Электростатический анализ и анализ токов для двух- и трехмерных моделей.
• Анализ переходных электромагнитных режимов для двумерных и осесимметричных моделей.
• Анализ вихревых переменных (гармонических) токов в двумерных и осесимметричных моделях.
• Возможность использования результатов расчета для электротермического анализа и проектирования магнитоэлектрических устройств.
• Нелинейный анализ на основе B-H-зависимостей и кривых размагничивания постоянных магнитов.
• Формирование файлов с результатами решения, включающими плотность магнитных потоков, интенсивность полей, силы, крутящие моменты, матрицы электрической емкости, напряжение, электрическое поле, возбужденные вихревые токи, энергетические потери и др.

NSTAR

Модуль для решения нелинейных задач.

Основные возможности:

• Нелинейная статика и динамика с геометрической и физической нелинейностями: большие перемещения, большие деформации, пластичность, ползучесть, термопластичность и вязкоупругость.
• Решение нелинейных контактных задач, включая взаимодействие трехмерных моделей с учетом и без учета трения.
• Нелинейный динамический отклик в условиях статического нагружения.
• Нелинейный (или линейный) пошаговый динамический анализ при динамической нагрузке и/или ударе.
• Расчет на предельную нагрузку.
• Нелинейный частотный анализ, расчет нелинейной устойчивости.
• Возможность формирования пользователем собственной модели материала.
• Автоматическая генерация контактных поверхностей и линий на основе геометрической информации.
• Использование адаптивного автоматического шага при анализе переходных процессов.
• Ограничения, моделирующие шарнирные соединения.

NSTAR снабжает пользователя подсказками и советами по выбору опций и параметров при решении задачи, что значительно уменьшает количество ошибок, обычно сопровождающих процесс нелинейного анализа. Опция перезапуска исключает необходимость повтора уже проведенных этапов расчета в случае, если окончательное решение не было получено вследствие возникновения ошибки. NSTAR включается в большинство пакетов варианта Intermediate. Можно использовать NSTAR как самостоятельный модуль, комбинируя его с GEOSTAR, а также другими модулями.

Модели материалов, используемые в модуле NSTAR

• Изотропный материал.
• Ортотропный материал.
• Пластичность по Мизесу, Треска и Друкеру-Прагеру.
• Упругопластичность и полная пластичность.
• Изотропное/кинематическое упрочнение.
• Несжимаемые материалы.
• Нелинейная упругость.
• Гиперупругость Муни-Ривлина (Mooney-Rivlin).
• Гиперупругость Одена (Ogden).
• Зависимость свойств материалов от температуры.
• Термопластичность.
• Ползучесть.
• Вязкоупругость (модель Максвелла).
• Пластичность, сопровождающаяся большими деформациями.
• Бетон.
• Ползучесть, зависящая от температуры.
• Модель материала Блатз-Ко (Blatz-Ko).
• Законы ползучести, определяемые пользователем.

Нагрузки, моделируемые в модуле NSTAR

• Концентрированные (точечные) – силы и моменты.
• Давление/ центробежные силы, зависящие от деформации.
• Давление.
• Гравитационные и центробежные силы.
• Термическая нагрузка.
• Предписанные перемещения.

Расширение возможностей в последней версии модуля NSTAR

• Сняты ограничения на размер конечно-элементной сетки и количество линейных и поверхностных контактных областей.
• Включен прямой решатель системы уравнений, использующий специальную технологию для разреженных матриц и усовершенствованную технику перенумерации узлов, что позволяет сократить время решения задачи. Новый решатель гораздо эффективнее обычных прямых методов.
• Используется новый подход при решении системы уравнений итерационным методом, который по сравнению с прямыми методами дает значительный выигрыш во времени при решении систем очень высокого порядка.

См. также

• Cosmos/DesignSTAR

к списку программного обеспечения