Книга 1. Общее описание программного комплекса

Введение

Программный комплекс EULER предназначен для математического моделирования динамики многокомпонентных механических систем (ММС) в трехмерном пространстве. Это могут быть как простейшие механические системы (маятник или брошенный камень), так и сложные. К сложным системам относятся структуры, объединяющие множество жестких или деформируемых тел, связанных шарнирами и силовыми элементами (пружинами, амортизаторами и т.д.). Примерами таких систем служат автомобиль, составной автопоезд или самолет. ММС может включать в себя замкнутые каналы управления с датчиками и приводами. При работе ММС допускается изменение ее структуры. В частности, разрешается включение – выключение каналов управления и силовых элементов, удаление или заклинивание шарниров и т.д. Программный комплекс EULER позволяет исследовать (моделировать) механические системы, относящиеся к различным прикладным областям. К примеру, EULER может использоваться в автомобилестроении, авиации, ракетно-космической технике, машиностроении оборонного назначения, робототехнике, станкостроении и в ряде других отраслей.

Программный комплекс EULER может применяться при проектировании, отработке, испытаниях и доводке изделий, в научных и прикладных исследованиях, а также в процессе обучения. Использование программного комплекса позволяет уже на ранних стадиях проектирования получить достоверную информацию о поведении и силовых нагрузках в создаваемых изделиях. Кроме того, EULER позволяет оперативно проводить исследования нештатных ситуаций, возникающих в процессе эксплуатации уже существующих систем. С помощью математических моделей, без создания опытных образцов, можно определять характеристики работы новых систем, оптимизировать их параметры и проводить сравнительный анализ различных вариантов конструкции. В результате, сокращаются сроки разработки, существенно уменьшается объем доводочных испытаний, повышается качество изделий и снижаются затраты на их создание.

При моделировании механических систем в EULER нет необходимости выводить уравнения движения или оперировать абстрактными математическими понятиями. Процесс описания модели механической системы максимально приближен к традиционному конструированию. В силу этого работа с программным комплексом одинаково понятна и инженеру-механику, и математику, а также другим специалистам. Фактически, пользователь просто рисует на экране компьютера механическую систему и выделяет звенья (части механической системы). После чего он указывает шарниры, силовые элементы и, при необходимости, создает объекты контроля и управления механической системой. На этом работа по описанию модели заканчивается. Далее пользователь сразу может выполнять исследование движения данной механической системы. EULER, в соответствии с описанием модели, автоматически сформирует точные в рамках классической механики уравнения движения. Формулировки уравнений в EULER не имеют ограничений на локальность перемещений, принятых в методе конечных элементов. Это позволяет рассчитывать в точной постановке движение различных механических систем, составные части которых совершают большие перемещения в пространстве относительно друг друга. Если в процессе движения механической системы меняется ее структура, например, разрушаются или заклиниваются какие-то шарниры, то соответствующие уравнения будут автоматически изменены. Такая модификация уравнений происходит достаточно быстро и не вызывает заметных задержек в процессе расчета.

В отличие от EULER, программные комплексы, основанные на методе конечных элементов, предназначены для расчета напряженно-деформированного состояния конструкции и оценки ее динамического поведения при локальных перемещениях, даже если в терминах метода конечных элементов они называются большими. В качестве простейшего примера можно привести физический маятник, движения которого с большой амплитудой в подобных программных комплексах точно не моделируются.

Важно отметить, что подход, принятый в EULER, и метод конечных элементов не исключают, а взаимно дополняют друг друга. При анализе сложных механических систем с большими перемещениями составных частей EULER позволяет исследовать общее поведение системы и определить возникающие при движении нагрузки и перемещения. Далее, на основании полученных данных о нагрузках и перемещениях, с помощью метода конечных элементов можно рассчитать возникающее при этом напряженно-деформированное состояние конструкции и ее элементов. Если в механической системе присутствуют тела с существенной эластичностью, их жесткостные характеристики, полученные методом конечных элементов, можно использовать в модели динамического анализа. В EULER задание упругих тел в составе механических систем также возможно на основе моделей, созданных методом конечных элементов в соответствующих программных комплексах.

При проведении исследований с помощью EULER пользователь может наблюдать движение механической системы в нескольких видах. Каждый вид имеет собственную пространственную привязку, ракурс, масштаб и другие параметры. Пользователь может также получать данные об ускорениях, скоростях, расстояниях, углах и силах, возникающих в механической системе в процессе движения. Программный комплекс позволяет выводить эти характеристики в виде графиков, таблиц или числовых значений. Силы, действующие в механической системе, могут отображаться в виде векторов. Эти векторы могут включаться в графическое представление механизма, то есть выводиться вместе с изображением внешнего вида ММС.



Важнейшие особенности EULER

− Программный комплекс позволяет моделировать механические системы с учетом больших перемещений в нелинейной постановке.

− Программный комплекс дает возможность автоматически генерировать математические модели исследуемых механических систем по их инженерному описанию.

− Программный комплекс предназначен для инженеров-механиков и не требует знания программирования или специальной математической подготовки.

− Программный комплекс имеет удобный пользовательский интерфейс. Этот интерфейс позволяет оперативно получать визуальную картину движения системы параллельно с ее характеристиками в виде графиков и числовых значений.

Возможные области применения EULER

Приведенные области применения следует рассматривать как примеры, которыми возможности программного комплекса EULER не ограничиваются.

Ракетно-космическая техника

− Моделирование кинематики и динамики раскрытия на орбите сложных космических конструкций (солнечные батареи, антенны, радиаторы системы терморегулирования и т.д.).

− Моделирование движения изделий на переходных участках полета (старт, отделение блоков, головного обтекателя, полезных нагрузок и т.д.).

− Моделирование полета изделий с учетом упругих колебаний конструкции, колебаний жидкого наполнителя в баках и работы системы управления.

− Моделирование посадки космических аппаратов и возвращаемых блоков ракет-носителей.

− Моделирование движения инопланетных транспортных средств (луноходы и т.п.).

Авиация

− Моделирование процессов выпуска/уборки шасси.

− Моделирование динамического поведения стоек шасси и расчет нагрузок в стойках шасси и базовых узлах самолета при взлете, посадке и в различных режимах наземного движения.

− Моделирование процессов выпуска/уборки механизации крыла.

− Моделирование процессов отделения полезных нагрузок (сбрасываемые топливные баки, снаряды и другие изделия).

− Моделирование открывания/закрывания створок грузового отсека и отсека шасси, фонаря, люков и других элементов, в частности, двери пассажирского самолета с учетом работы ее механизмов.

− Моделирование работы системы управления летательным аппаратом при наведении на цель.

− Моделирование процесса дозаправки самолета топливом в полете.

Автомобилестроение

− Исследование динамики движения различных типов автомобилей: легковых, грузовых, с прицепами, со всеми поворотными колесами, с любыми типами подвесок и приводов и т.д. для оценки характеристик устойчивости и управляемости и определения силовых нагрузок в узлах и агрегатах.

− Автономные исследования кинематики и динамики различных узлов и агрегатов автомобиля: механизмов подвески, рулевого управления, открывания капота и т.д.

Иные области применения

− Моделирование работы различных сельскохозяйственных, строительных и промышленных механизмов.

− Моделирование движения механизмов различных станков, роботов и манипуляторов.

− Моделирование динамики движения механических стендов, центрифуг, механических систем комплексных стендов-тренажеров.



Требования к квалификации пользователей

Программный комплекс EULER предназначен для инженеров-механиков, занимающихся проектированием, анализом или испытаниями механических систем в самых различных областях. Предполагается, что пользователь умеет описывать механические системы в обычных инженерных терминах, таких как звено, масса, момент инерции, шарнир, силовой элемент. К последним, например, относятся упругий силовой элемент (пружина) и демпфирующий силовой элемент (амортизатор). Знание программирования или специальная математическая подготовка для работы с EULER не требуются. Желательно, чтобы пользователь имел опыт работы с системами автоматизированного проектирования и операционной системой MS Windows. Однако, если такого опыта нет, то его можно приобрести при работе с EULER.



Требования к программно-аппаратному обеспечению

Программный комплекс EULER функционирует в операционной системе MS Windows. Рекомендуется использовать 64 разрядную версию MS Windows 7 и выше. Минимальная конфигурация компьютера для работы программного комплекса определяется требованиями используемой операционной системы. Для эффективной работы программного комплекса рекомендуются приведенные параметры конфигурации компьютера (см. таблица 1). Программный комплекс вместе с интерактивной пользовательской документацией, примерами использования и т.д. занимает на жестком диске примерно 205 Мбайт.

Таблица 1. Рекомендуемые параметры программно-аппаратного обеспечения

Параметр	Минимальные требования	Рекомендуемые параметры
Операционная система	MS Windows 10 x64	MS Windows 10 x64 MS Windows 11
Процессор	Intel/x64 или AMD/x64 (не менее 2 ГГц)	Intel Core i9 / AMD Ryzen
Объем оперативной памяти	4 Гб	8 Гб и более
Объем свободного дискового пространства	20 Гб	SSD 128 Гб и более
Видеокарта	Интегрированная в процессор	NVIDIA / AMD с поддержкой OpenGL Память 2Гб и более