книги / Численно-аналитические методы решения задач дифракции акустических волн на абсолютно твёрдых телах и оболочках

между ними и CAD-системами, интегрированная среда моде­ лирования и управления информацией (в том числе средства управления спецификациями и документооборотом), а также возможность ввода в эксплуатацию в короткие сроки.

Рынок CAE-систем в настоящее время условно поделен меж­ ду двумя крупными компаниями MSC.Software (линейка продук­ тов инжиниринг-анализа VPD Products — Patran, MSC Nastran, Adams, Marc, Dytran; комплекс междисциплинарного анализа MD Solutions) и ANSYS, Inc (платформа Workbench и програм­ мные комплексы междисциплинарного анализа ICEM, ANSYS, AutoDYN, CFX, Fluent, Maxwell). Используемые в программных продуктах этих компаний технологии обеспечивают комплексное решение многодисциплинарных инженерных задач, благодаря чему достигается высокая точность при исследовании работы изделий, сопровождающейся проявлениями различных физиче­ ских феноменов, что характерно для большинства реальных жизненных ситуаций. Применение новейших вычислительных технологий позволяет более точно исследовать функциониро­ вание изделия, не применяя многочисленные «точечные» рас­ четные технологии, обеспечивающие исследование работы изде­ лия с позиций какой-либо одной дисциплины. Продукты MD Solutions являются открытыми системами, допускающими инте­ грацию с пакетами других компаний-разработчиков программно­ го обеспечения. Продукты семейства MD Solutions обеспечива­ ют решение «связанных» задач упругость-динамика-прочность, теплопередача-НДС (напряженно-деформированное состояние), моделирования мехатронных систем, разрушения композитных конструкций, сложного контактного взаимодействия и др.

Особенностью указанных систем является единая среда мо­ делирования и инженерного анализа, исключающая трансляцию (преобразование) данных из формата одной расчетной системы в формат другого программного пакета. Это уменьшает вероят­ ность появления ошибок и приводит к существенной экономии затрат времени, а использование подхода «междисциплинарного анализа» обеспечивает существенное повышение точности рас­ четов.

Термин «компьютерная математика» в последнее время в ши­ роких кругах пользователей вычислительных машин различного класса стал достаточно популярным и широко используемым. Данное понятие включает совокупность как теоретических и методических средств, так и современных программных и аппа­ ратных средств, позволяющих производить все математические вычисления с высокой степенью точности и производительности.

112 Гл. 4. Динамика подводного аппарата

Указанные программные продукты позволяют проводить и ана­ литические, символьные вычисления, относящиеся к разряду «чистой математики». Наличие собственных языков программи­ рования и средств визуализации позволяет пользователю строить сложные цепочки аналитических и вычислительных алгоритмов с широкими возможностями визуализации процессов и данных при их обработке.

На рынке современных математических систем в настоя­ щее время присутствует целый ряд крупных фирм: Waterloo Maple Software (программный продукт Maple), MathWorks Inc. (программный продукт MATLAB), Wolfram Research Inc. (про­ граммный продукт Mathematica), MathSoft (программный про­ дукт MathCAD) и др.

Из всего многообразия представленных продуктов «законо­ дателем мод» в области численных методов и вычислительного эксперимента является программный комплекс MATLAB. Ука­ занный продукт представляет собой язык высокого уровня для научно-технических вычислений. Среди основных областей при­ менения MATLAB — математические расчеты, разработка алго­ ритмов, моделирование, анализ данных и визуализация, научная и инженерная графика, разработка приложений, включая гра­ фический интерфейс пользователя. MATLAB решает множество компьютерных задач — от сбора и анализа данных до разработки готовых приложений. Среда MATLAB соединяет в себе мате­ матические вычисления, визуализацию и мощный технический язык. Встроенные универсальные интерфейсы позволяют легко работать с внешними информационными источниками, а так­ же осуществлять интеграцию с процедурами, написанными на языках высокого уровня (С, C++, Java и др.). Мультиплатформенность MATLAB сделала его одним из самых распространен­ ных продуктов — он фактически стал принятым во всем мире стандартом технических вычислений. MATLAB имеет широкий спектр применений, в том числе цифровую обработку сигналов и изображений, проектирование систем управления, естествен­ ные науки, финансы, экономику, приборостроение и т. п.

Современный водный, автомобильный и железнодорожный транспорт по сложности геометрических форм технических ре­ шений хоть и уступает аэрокосмическим объектам (рис. 2, 3 цветной вклейки), но отдельные образцы уже составляют достой­ ную конкуренцию.

Наличие открытых интерфейсов в промышленных CAD/CAEкомплексах и системах компьютерной математики позволяют разработчикам создавать программные модули, реализующие

На первом этапе компьютерного моделирования происходит разработка и утверждение внешней формы и размеров подводной лодки. Используя приложение Microsoft Excel, реализована воз­ можность управления габаритными размерами подводной лодки, что существенно снижает количество времени, затраченного на проектирование. При производстве оригинал-макета использует­ ся метод каркасного моделирования, который позволяет снизить стоимость производства практически в 2 раза.

Решая обратную задачу проектирования, прежде всего, необходимо определить форму корпуса подводной лодки. Важно учесть, что формообразование корпуса напрямую зависит от физических и гидродинамических характеристик подводной лодки:

—корпус должен быть обтекаемым, без сильно выступающих частей;

—в сечении корпус должен представлять собой фигуру, похо­ жую на эллипс;

—необходимо учитывать, что корпус должен замыкаться сам на себя, чтобы воспринимать внешние нагрузки;

—оптимальное соотношение внешнего и внутреннего объема во многом способствует достижению оригинальной компоновки;

—внутренняя компоновка, а именно, размещение балластных цистерн и систем жизнеобеспечения, должна быть учтена при проектировании.

Важной задачей проектирования было создание эффектного дизайна подводной лодки, одной из составляющих которого яв­ ляется оригинальное остекление.

Учитывая вышеизложенные требования, в ходе работы по­ явились следующие варианты корпуса ПЛ, представленные на рис. 4-7 цветной вклейки. Как видно из этих рисунков, оконча­ тельный вариант корпуса удовлетворяет основным требованиям, которые предъявляются к подводной лодке. V-образная форма оперения была выбрана как самая оптимальная, сочетающая в себе как безопасность, так и эффектный дизайн.

Далее предполагается, что, исходя из технического задания, необходимо обеспечить следующие параметры подводной лодки:

—глубина погружения — 30 м;

—количество пассажиров — 12 человек;

—максимальный диаметр корпуса — 4 м;

—длина пассажирского отсека — 6-7 м;

—автономность — 8-10 часов;

—скорость — 3-4 узла.

рение, силовая установка, а также различные агрегаты и грузы. В продольный силовой набор корпуса входят лонжероны и стрин­ геры, в поперечный — силовые и нормальные (формообразую­ щие) шпангоуты. Кроме того, часто устанавливаются элементы вспомогательного назначения для местного усиления основной. Общий вид силового набора лодки показан на рис. 16, 17 цветной вклейки.

4 .3 . И нтеграция системы геом етрического м оделирования S O L ID W O R K S и программного

ком плекса M A T L A B в задачах м оделирования динам ики

абсолю тно твердого тела и акустической среды

В настоящем параграфе рассмотрены некоторые вопросы ин­ теграции программных комплексов SOLIDWORKS® и MATLAB® на уровне передачи геометрической модели и параметров в систе­

му MATLAB® для реализации разработанных ранее алгоритмов. Для построения конечно-элементной сетки на «смоченной» поверхности абсолютно твердого тела в программном комп­ лексе SOLIDWORKS® был использован специальный модуль

SOLIDWORKS SIMULATION V2009.

Создание сетки — очень важный этап в анализе конструкций. Автоматический генератор сетки в программном комплексе со­ здает сетку на основе глобального размера элемента, допуска и характеристик локального управления сеткой. Управление сет­ кой позволяет задать разные размеры элемента для компонентов, граней, кромок и вершин.

Программа в автоматическом режиме определяет размер эле­ мента для модели, принимая во внимание ее объем, площадь поверхности и другие геометрические характеристики. Размер создаваемой сетки (количество узлов и элементов) зависит от геометрии и размеров модели, допуска сетки, параметров управления сеткой и характеристик контакта. На ранних ста­ диях анализа конструкций, где могут подойти приблизительные результаты, можно задать больший размер элемента для более быстрого решения. Для более точного решения может потребо­ ваться меньший размер элемента.

Генерация сетки в программном комплексе приводит к созданию трехмерных тетраэдральных элементов, двумерных треугольных элементов оболочки и одномерных элементов балочного типа. Сетка состоит из элементов одного типа, если не задан тип комбинированной сетки.