FEMAP – СПЕЦИФИКА И ОСОБЕННОСТИ

В последнее время на специализированных САЕ форумах очень часто звучат мысли об архаичности системы FEMAP, о том, что программа мало распространена в России и не пользуется успехом. С другой стороны, разработчиком системы Femap является компания Siemens PLM Software, которая так же является разработчиком еще одной, альтернативной по функционалу САЕ системы - NX Advanced Simulation. Системы FEMAP и NX Advanced Simulation это пред-постпроцессоры, базовым решателем которых является NX Nastran. Поэтому возникает вопрос: "Зачем компании Siemens PLM Software развивать два альтернативных по функционалу пред-постпроцессора с одним базовым решателем?" Может быть, FEMAP это тупиковая ветка, которая постепенно уйдет, или все таки это специализированный пред-постпроцессор, рассчитанный на специальный круг задач, для которых NX Advanced Simulation малоэффективен? В чем же специфика и особенности системы FEMAP? Все эти вопросы рассмотрим в данной статье.

1 Работа с геометрией

Можно сказать, что FEMAP, также как и NX Advanced Simulation, независимый от CAD систем пред- постпроцессор – связующее звено между CAD данными в виде 3D моделей и решателем. Решатель здесь – это некоторое математическое ядро, осуществляющее вычисления в задачах инженерного анализа. С точки зрения поддержки решателя, Femap и NX Advanced Simulation также независимые программные продукты, так как кроме базового решателя NX Nastran есть возможность подключения внешних, таких как MSC Nastran, LS-DYNA, Ansys, Abagus и другие.

Система FEMAP входит в так называемую "легкую" линейку программных продуктов Siemens PLM Software. Ранее эта линейка называлась Velocity Series. Как правило в "легких" линейках программных продуктов вся необходимая для инженерного анализа геометрия (3D модели и сборки) разрабатывается в соответствующей СAD системе, в нашем случае это Solid Edge. Учитывая "родство форматов" геометрия Solid Edge без проблем открывается в FEMAP для дальнейшей генерации на ее основе сеток конечных элементов. Как уже было ранее замечено, Femap независимый от CAD систем пред-постпроцессор, поэтому есть возможность импорта "чужой" геометрии в формате Parasolid или других нейтральных форматах. Кроме этого в FEMAP предусмотрен свой функционал для построения геометрии, причем геометрия может быть достаточно сложной. Конечно, функционал FEMAP по геометрическому моделированию значительно уступает по возможностям соответствующему функционалу в СAD системах, но здесь следует учитывать, что для инженерного анализа конструкторская геометрия как правило избыточна и требует некоторой идеализации для корректного определения конечно-элементных сеток. Поэтому предусмотренный в FEMAP геометрический функционал рассчитан именно на построение идеализированных моделей.

Что же у NX Advanced Simulation в плане работы с геометрией? Здесь все просто, модуль NX Advanced Simulation не что иное как САЕ составляющая "тяжелой" системы автоматизированного проектирования NX. Поэтому в любой момент можно перейти в CAD модуль системы и получить в распоряжение весь необходимый геометрический функционал, который, как известно, много шире чем в CAD системах "легких" линеек.

1 Работа с сетками конечных элементов

И система FEMAP, и NX Advanced Simulation имеют возможность генерировать конечно-элементные сетки различной топологии на основе геометрии или без неѐ. Это и объемные сетки на основе тетраэдров или гексаэдров, это и плоские сетки на основе треугольников или четырехугольников, это и балочные сетки. Поддерживаются конечные элементы разных порядков. Имеется возможность использовать специальные конечные элементы. В Femap и в NX Advanced Simulation предусмотрена возможность моделирования практически всех типов материалов. Материалы: изотропные, ортотропные, анизотропные. Нелинейные упругие, би-линейные и пластичные. Упрочнение: изотропное или кинематическое. Допускается задавать зависимости характеристик материала от температуры и т.п.

Алгоритмы сеточной генерации в FEMAP и NX Advanced Simulation принципиальной разницы не имеют. Единственное различие - это поддержка в NX Advanced Simulation ассоциативности конечно-элементной сетки и геометрии, на основе которой и сгенерированная данная сетка. Полной ассоциативной связи с возможностью автоматизированного обновления конечно-элементной модели при изменении геометрии (как это есть в NX Advanced Simulation) в Femap нет и не будет. И это сделано не просто так, дело в том, что система FEMAP предназначена для решения тех задач, где не требуется подобных ассоциативных связей.

Действительно существуют задачи, для которых ассоциативная связь конечно-элементной сетки и геометрии не просто не нужна, а скорее даже вредна. Например, если требуется рассчитать прочность ферменной конструкции, то в конечно-элементной постановке, как правило, используются балочные конечные элементы для моделирования расчетной схемы пространственной рамы. Естественно для генерации балочных сеток наиболее удобна идеализированная модель фермы в виде рамной схемы, которая кардинально отличается от ЗD модели фермы построенной в САD системе. Поэтому, в данном случае, гораздо быстрее построить расчетную схему без использования САD модели и без каких либо ассоциативных связей между конечными элементами и геометрией.

И еще один пример. Если требуется рассчитать достаточно простую модель, а это балки, пластины и т.п., то такую расчетную модель в FEMAP построить намного быстрее и дешевле во всех смыслах, нежели использовать "тяжелый" NX. Действительно, зачем из пушки стрелять по воробьям?

Для построения конечно-элементных сеток без использования геометрии в FEMAP предусмотрен специальный функционал. Указанный функционал эффективен для быстрого конечно-элементного моделирования простых конструкций или конструкций, составные части которых унифицированы. Следует заметить, что в старшие версии NX этот функционал перешел именно из FEMAP, но при этом в стандартных САЕ шаблонах NX этот набор инструментов скрыт.

FEMAP, также как и NX Advanced Simulation, позволяет создавать конечно-элементные модели на основе 3D сборок. Технологии создания конечно-элементных моделей 3D сборок в обоих программных продуктах во многом схожи. Это, как правило, применение сеток  из тетраэдров второго  порядка и  условий контактного взаимодействия или контактных конечных элементов в местах соприкосновения деталей.

FEMAP и NX – открытые системы, имеющие некий набор инструментов: для исполнения одних и тех же действий, написания подпрограмм, макросов для автоматизации САЕ процессов, составления собственных наборов интерфейса. В среде FEMAP программирование построено с применением API функций и подход к построению собственных приложений аналогичен подходу по созданию макросов в Microsoft Office. В NX процесс создания собственных приложений-надстроек более сложен и требует не только профессиональных программистов, но и наличие специальной лицензии на NX Open.

И еще немного об интерфейсе FEMAP касательно работы с сетками конечных элементов. В FEMAP в отличии от NX Advanced Simulation интерфейс англоязычный и построен на терминах и подходах, применяемых в большинстве коммерческих САЕ систем (MSC Nastran, LS-DYNA, Ansys, Abagus). Таким образом, если Вы работали в какой-то другой коммерческой САЕ системе, то Вы очень быстро и без особого труда освоите FEMAP.

1 Прочностные расчеты

Система FEMAP на базе решателя NX Nastran позволяет проводить анализ прочности конструкций в статической и динамической постановках, получать решение связанных многодисциплинарных задач, нестационарных нелинейных пространственных задач, задач механики композитов и композитных структур, строительной и технологической механики, проводить анализ теплопереноса. В основу NX Advanced Simulation кроме возможностей решателя NX Nastran легли решения, пришедшие из системы I-DEAS – это решатели Master FEM, Laminate Composites, Advanced Durability, разрабатываемые с 1967 года компанией SDRC и принадлежащие на сегодняшний день компании Siemens PLM Software. Именно возможность выхода на решения от системы I-DEAS отличают пред-постпроцессор NX Advanced Simulation от FEMAP.

2 Расчеты тепломассопереноса и моделирование гидрогазодинамических процессов

Расчеты тепломассапереноса в FEMAP проводятся в стационарной постановке, методом конечных элементов с применением решателя NX Nastran. Дополнительно к пред-постпроцессору FEMAP можно подключить специализированный тепловой модуль TMG. Указанный модуль позволяет проводить исследование установившихся и неустановившихся процессов тепломассапереноса и моделирование гидрогазодинамических процессов с применением методов конечных разностей и конечных объемов.

Решатель TMG – пришедший из системы I-DEAS решатель, с 1983 года разрабатываемый компанией Maya Heat Transfer Technologies и впоследствии вошедший в программные продукты Siemens PLM Software.

В FEMAP модуль TMG вошел в том же виде как и присутствовал в системе I-DEAS, без каких либо принципиальных изменений. В этом плане пользователи I-DEAS без особого труда и без потери своих ранних наработок переходят работать в FEMAP.

В NX Advanced Simulation решение TMG трансформировалось в набор решателей NX Thermal/Flow, NX ESC и др. Изменился интерфейс пользователя (он стал в стиле системы NX), и значительным образом расширился функционал. Формально это уже не TMG, а набор принципиально новых решателей для моделирования тепломассапереноса и гидрогазодинамических процессов, сопоставимых по возможностям с ANSYS Professional, ANSYS Fluent.

Заключение.

С учетом возможностей по сеточному моделированию и встроенных решателей NX Nastran и TMG система FEMAP является независимой полнофункциональной средой для моделирования, имитации и оценки результатов анализа характеристик изделий. Ни о какой архаичности FEMAP речи идти не может, скорее это специализированное САЕ приложение от Siemens PLM Software, необходимое для эффективного решения строго определенного класса задач.