Raport: Programy MES. Programy do analiz metodą elementów skończonych

Zestawienie programów obliczeniowych, które Państwu przedstawiamy, nie jest rankingiem. Nie jest bowiem naszą intencją ocena poszczególnych aplikacji. Nie zamieszczamy listy programów najlepszych oraz najgorszych. Nie ma punktacji, wyników itp. Co więc znajdą Państwo na następnych stronach naszego magazynu? Chcielibyśmy przedstawić przegląd aktualnie dostępnych na polskim rynku profesjonalnych programów służących do przeprowadzania symulacji metodą elementów skończonych.

Antoni Skrobol

W tabelach znajdują się informacje o możliwościach tych programów, takich jak rodzaje wykonywanych analiz, możliwość rozwiązywania zadań z nieliniowością, polskojęzyczny interfejs, dostępność serwisu, itp.
Programy podzielone są na pewne grupy. Zdecydowaliśmy się utworzyć trzy kategorie, w których będą prezentowane poszczególne aplikacje. Pierwsza z nich obejmuje komercyjne programy przeznaczone do zastosowań typowo obliczeniowych (MES). Druga to oprogramowanie do wykonywania symulacji, będące częścią – samodzielną lub nie – uniwersalnych programów CAD albo dedykowaną dla nich aplikacją (CAD/+MES). Trzecia grupa (tu – z konieczności – właściwie tylko zaznaczona) opisuje w skrócie darmowe programy do wykonywania obliczeń MES.
Zależało nam aby przedstawić jasny i czytelny przegląd przez poszczególne aplikacje z nastawieniem na potencjalnego odbiorcę/użytkownika. Jest więc grupa programów adresowana do jednostek (biur konstrukcyjnych, centrów badawczych i obliczeniowych, jednostek akademickich), w których istnieją wyraźnie wyodrębnione komórki zajmujące się przeprowadzaniem symulacji MES. Jest również kategoria skierowana do osób, dla których MES jest jedynie narzędziem mającym wspomagać projektowanie. Te osoby będą raczej zainteresowane nakładkami obliczeniowymi na istniejące platformy CAD.

Tabela 1. Programy MES (grupa I) oferenci, dostępność, wymagania systemowe i sprzętowe

Trzeba również wspomnieć o bardzo licznej grupie osób rozpoczynających swoją przygodę z metodą elementów skończonych, studentów lub takich użytkowników, którzy mają problem wymagający zastosowania symulacji MES na tyle prosty, że wystarcza oprogramowanie o ograniczonych możliwościach wielkości modelu i na tyle rzadko występujący, że, ze względów ekonomicznych, nie jest opłacalne kupowanie jakiegokolwiek programu komercyjnego.

Tabela 2. Programy CAD/+MES (grupa II) oferenci, dostępność, wymagania systemowe i sprzętowe

Znaczna część programów z drugiej grupy (CAD/+MES) jest oferowana przez większą ilość firm niż jest to ujęte w niniejszym raporcie, ale z uwagi na to, że staramy się tu zaprezentować głównie programy, a nie cały rynek - uwzględniliśmy te firmy, które wyraziły chęć wzięcia udziału w raporcie i odpowiedziały na nasze ankiety.
(red.)

Do kategorii dedykowanych dla MES programów komercyjnych zaliczyliśmy takie aplikacje jak Abaqus, Algor, Ansys, Femap, pakiet programów HyperWorks, programy z rodziny PAM, oprogramowanie MSC.Software oraz NEiSoftware.
ABAQUS jest częścią marki Simulia, w której skład wchodzi Abaqus/CAE będący pre- i postprocesorem, solvery - Abaqus/Standard umożliwiający dokonywanie analiz metodą iteracyjną oraz Abaqus/Explicit wykorzystujący metodę bezpośrednią umożliwiający rozwiązywanie silnie nieliniowych problemów.
Częścią Simulii jest również Isight – niedawno wprowadzone narzędzie służące, w dużym uproszczeniu, do optymalizacji.
Abaqus umożliwia rozwiązywanie zagadnień m.in. z dziedziny akustyki lub piezoelektryki. Program ten wykorzystuje język programowania Python i umożliwia tworzenie własnych definicji materiałów lub budowanie własnego interfejsu (GUI). Należy wspomnieć, że Abaqus nie ma wbudowanych bibliotek materiałów, ma natomiast olbrzymią bazę modeli materiałowych.

Tabela 3. Programy MES (grupa I) funkcjonalność, możliwości

Kolejnym programem z tej grupy jest ALGOR. Program oferuje możliwość obliczeń statycznych oraz liniowej dynamiki. Zawiera również pakiet pozwalający na symulację przepływu cieczy i gazów oraz działania niektórych mechanizmów. Zawiera szereg modeli materiałowych m.in. betonu, tworzyw sztucznych, pianek, stopów metali, gruntu, szkła, tkanin. Podobnie jak w większości przedstawianych tutaj programów istnieje możliwość zdefiniowania/skonstruowania własnego pakietu zawierającego wybrane tylko moduły oferowane przez ALGOR.

Tabela 4. Programy MES/+CAD (grupa II) funkcjonalność, możliwości

ANSYS powstał jako program ogólnego przeznaczenia do obliczeń metodą elementów skończonych. Z czasem jednak, poprzez rozwijanie własnych narzędzi oraz kupowanie niektórych marek, stał się produktem umożliwiającym przeprowadzanie analiz problemów z obszaru liniowej i nieliniowej statyki oraz dynamiki, symulacji przepływu ciepła, zagadnień przepływów płynów, zagadnień akustyki oraz problemów z obszaru elektromangetyzmu, analizę pól sprzężonych. ANSYS w obecnej postaci nie jest jedynie programem. Jest potężnym produktem – pakietem wyspecjalizowanych programów umożliwiających oprócz „standardowych” wspomnianych już obliczeń dokonywanie symulacji procesu wtrysku, tłoczenia, analiz dla budownictwa przemysłowego i wielu innych.

FEMAP różni się od prezentowanych wcześniej programów. Powstał jako pre- i postprocesor, czyli aplikacja umożliwiająca przygotowanie modelu MES i zapisanie go w pliku wsadowym, który później zostanie załadowany do solvera. Jako postprocesor FEMAP umożliwia przegląd wyników symulacji, stworzenie raportu. FEMAP ma wbudowany solver NX Nastran umożliwia jednak współpracę z innymi solverami TMG, MSC/MD Nastran, ABAQUS oraz ANSYS. Trudno oceniać możliwości programu gdyż jego głównym zadaniem jest przygotowanie modelu do analizy oraz obróbka wyników. Rodzaj przeprowadzanej analizy zależy natomiast od zastosowanego solvera.
Pakiet HyperWorks zawiera między innymi program HyperMesh będący preprocesorem przygotowanym do współpracy z wieloma solverami. Istnieje możliwość wyboru opcji HyperMesh wraz ze zintegrowanym solverem Radioss. W skład HyperWorks wchodzą również postprocesory: HyperView, HyperGraph, HyperStudy. Pakiet zawiera jeszcze kilka innych aplikacji. Po wykupieniu odpowiedniej ilości licencji uzyskuje się dostęp do wielu ciekawych programów partnerskich, takich jak np. MADYMO lub FEMFAT.
Jednym z pionierów obliczeń MES jest firma MSC.Software. Oferuje ona pełną gamę programów wśród których najbardziej znane marki to: Nastran, Patran, Marc, Dytran. Podobnie jak wiele innych firm MSC.Software rozbudowywała swoją ofertę nie tylko poprzez tworzenie aplikacji od podstaw, ale również poprzez przejmowanie niektórych marek. W tej chwili oferuje programy do obliczeń statycznych i dynamicznych, wibracji, przepływów ciepła i wielu innych zastosowań.
NEi Software jest producentem m.in. programu NEi Fusion. Jego moduł geometryczny pozwala na tworzenie trójwymiarowych parametrycznych modeli CAD. Całość jest oparta na rozwiązaniach zaczerpniętych z SolidWorks. NEi Fusion jest preprocesorem, współpracującym z NEi Nastran – solverem, umożliwiającym dokonywanie liniowych i nieliniowych analiz statycznych, analiz dynamicznych, symulacji przepływu ciepła. Chociaż jest modułem obliczeniowym, posiada jednak interfejs graficzny oraz ciekawą możliwość śledzenia „na żywo” postępu obliczeń. Program jest również oferowany jako osobny produkt i współpracuje z większością najbardziej popularnych pre- i postprocesorów.

Dla użytkownika o wąskiej specjalizacji, niezainteresowanego oprogramowaniem uniwersalnym, przeznaczone są programy specjalistyczne, które ujęliśmy w tej grupie z uwagi na to, że są ściśle dedykowane tylko do przeprowadzania zaawansowanych obliczeń metodą MES. Do takich produktów należą aplikacje do analiz z zakresu mechaniki nieliniowej – np. symulacja zderzeń (PAM-CRASH, PAMSAFE, PAMSHOCK), tłoczenia (PAMSTAMP), analizy materiałów kompozytowych i żywic (SYSPLY) i in.

Tabela 5. Programy MES (grupa I) funkcjonalność CAD

Krótko podsumowując kategorię komercyjnych programów dedykowanych do analiz MES można zauważyć pewne prawidłowości. W większości przypadków programy te zostały utworzone w przeszłości bądź jako moduły obliczeniowe, albo jako pre- i postprocesory. Życie wymusiło na twórcach uzupełnienie oferty o brakujące elementy-moduły. Budowanie pełnego pakietu aplikacji przebiegało na dwa sposoby – poprzez tworzenie aplikacji od podstaw lub też kupowanie istniejących marek i adaptowanie ich na własne potrzeby. (Możliwa też jest ścisła współpraca producentów, tak jak w przypadku HyperWorks i produktów partnerskich lub NEi Software i producenta FEMAP). Z czasem niektórzy producenci oprogramowania zacieśniali współpracę między sobą (np. Abaqus z Dassault Systemes, NEi Software z SolidWorks, Algor z Autodesk), po to, by zapewnić użytkownikom jak najbardziej kompletny pakiet programów inżynierskich CAD+CAE (Computer Aided Engineering).

Tabela 6.1 Programy MES (grupa I) inne możliwości wyróżniające program na tle konkurencji

Druga grupa programów – to moduły MES zintegrowane z programami CAD (lub dla nich dedykowane).
Jeszcze kilka lat temu można było zauważyć pewien wyraźny podział pomiędzy aplikacjami samodzielnymi a modułami zintegrowanymi z systemami CAD. Pierwotnie, zintegrowane programy nie oferowały możliwości przeprowadzania symulacji dynamicznych, zamodelowania nieliniowych materiałów, bądź symulacji kontaktu.

Narzędzia do nakładania siatki były wyraźnie uboższe od typowych programów MESowskich. Czasy się jednak zmieniły. Wymagania rynku – coraz większy nacisk na wirtulane projetowanie i zmniejszenie ilości tworzonych prototypów sprawiły, że producenci programów CAD rozszerzyli swoją ofertę o dodatkowe aplikacje i moduły obliczeniowe. Elastyczne podejście do klienta sprawia jednak, że ten sam produkt – program CAD można kupić „w różnych opcjach wyposażenia” (używając terminologii zaczerpniętej z salonu samochodowego). Dalej istnieje możliwość pracy z programem CAD wyposażonym w najprostszy moduł obliczeń MES – statyka z liniową definicją materiału, dla wymagających użytkowników producenci oferują jednak pełen pakiet zawierający możliwość przeprowadzania analiz nieliniowych, przepływu cieczy, termodynamikę itd. W naszym zestawieniu ujęliśmy w tej grupie: Autodesk Inventor Simulation Suite, NX Mach 3 Simulation, SolidWorks Simulation oraz CATIA i ProEGNINEER z ich modułami obliczeniowymi do analiz, a także dedykowane do współpracy z konkretnymi programami CADowskimi – SimDesigner (dedykowany dla CATII) i NeiWorks (do współpracy z SolidWorks).

Tabela 6.2. Programy CAD/+MES (grupa II) – inne możliwości wyróżniające program na tle konkurencji
Tabela 7.1 Programy MES (grupa I) zastosowania, odbiorcy, branże
Tabela 7.2 Programy CAD/+MES (grupa II) zastosowania, odbiorcy, branże

W przypadku programów dedykowanych dla analiz MES (grupa I), w tabelach, oprócz rodzaju przeprowadzanych analiz lub możliwości generowania siatek, przedstawiliśmy również funkcjonalność CAD. Jest to naszym zdaniem istotna cecha takiego oprogramowania i ma duży wpływ na jakość i komfort pracy inżyniera. Te same cechy pominęliśmy jednak przy zestawianiu możliwości aplikacji z grupy II (MES/+CAD), bowiem te moduły obliczeniowe korzystają z możliwości programów CAD w skład których wchodzą, lub dla których są dedykowane.

Tabela 8. Firmy oferujące oprogramowanie - dane teleadresowe, szczegóły oferty. Cz. 1.

Wszystkie omawiane do tej pory kategorie zawierały w sobie programy lub pakiety programów przeznaczone do komercyjnego wykorzystania w nauce lub przemyśle. Programy te są bardzo zaawansowanymi numerycznie narzędziami pozwalającymi na analizę w zasadzie dowolnego rodzaju problemów (oczywiście w ramach obszaru znanego do tej pory nauce). Wszystkie przedstawiane tutaj aplikacje zawierają zaawansowane moduły do automatycznego nakładania siatki zarówno 2D, jak i 3D. Ogromna większość z nich pozwala na obliczanie zadań z dziedziny statyki z uwzględnieniem kontaktu między częściami modelu. Niewiele jest już w tej chwili programów, które nie mają możliwości założenia nieliniowego materiału (np. modelu sprężysto-plastycznego). W zasadzie takiej możliwości nie mają jedynie skromniejsze wersje modułów dostarczanych w aplikacjach CAD. Z pomocą większości przedstawianych programów jest możliwe (w mniejszym lub większym stopniu) przeprowadzanie analiz dynamicznych, symulacja zderzeń, analiza procesów quasi-statycznych. Programy komercyjne nie mają ograniczeń na wielkość modelu... To ostatnie stwierdzenie nie do końca jest jednak zgodne z rzeczywistością. Bliższym prawdy jest stwierdzenie, że ograniczenia programowe wprawdzie istnieją, ale to warunki narzucane przez sprzęt (np. stacje robocze) są w tej chwili większym problemem (ilość pamięci wymaganej do obliczeń, czas obliczeń, moc procesora, miejsce na składowanie danych, itp.).

Tabela 8 c.d. Firmy oferujące oprogramowanie - dane teleadresowe, szczegóły oferty. Cz. 2.

Programy dla profesjonalistów mają jednak ogromną wadę – są drogie, a wręcz bardzo drogie. Nie bardzo nadają się więc do poćwiczenia MES lub do pobawienia się wieczorami w domu na zwykłym pececie. Użytkownicy, którzy szukają aplikacji do takich celów, będą raczej zainteresowani programami z trzeciej kategorii – grupy programów niekomercyjnych, darmowych. Z natury rzeczy, programy dostępne za darmo są mniej rozbudowane od komercyjnych. Większość z nich posiada spore ograniczenia związane z wielkością modelu, jaki może zostać poddany analizie. Programy te są również uboższe jeśli chodzi o rodzaj analiz, jakie można z ich pomocą przeprowadzić.

Tabela 8 c.d. Firmy oferujące oprogramowanie - dane teleadresowe, szczegóły oferty. Cz. 3.

Sporo tego rodzaju programów jest dostępnych na stronach internetowych uczelni wyższych – większość studentów na pewno jest tego świadoma, innych zainteresowanych zachęcam do odwiedzenia stron wydziałów uczelni – na pewno coś ciekawego można będzie znaleźć.

Tabela 9. Darmowe programy do analiz MES dostępne w sieci

Oczywiście, istnieje również możliwość skorzystania z darmowych wersji programów komercyjnych. Jest to również ciekawa propozycja, i także dla studentów, których czeka przecież w przyszłości (życzę im tego z całego serca) praca na profesjonalnych – nie okrojonych – wersjach programów MES.
Darmowe programy dostępne w sieci, których kilka przykładów przedstawiamy, zaspokajają większość obszaru zainteresowań współczesnych inżynierów (liniowa i nieliniowa statyka, dynamika, drgania, przepływy ciepła, magnetyzm...).

Podsumowując niniejszy raport można stwierdzić, że w chwili obecnej każda z osób zainteresowanych przeprowadzaniem symulacji może znaleźć coś dla siebie. Są dostępne potężne platformy programów umożliwiające przeprowadzenie każdej ze znanych współczesnej nauce analiz, są programy zintegrowane z aplikacjami CAD aby ułatwić życie konstruktorom i przyspieszyć proces projektowania. Bardzo wąsko wyspecjalizowane programy służą specjalistom z określonych dziedzin. Są również dostępne niekomercyjne programy, które można, zachowując pewne zasady, użytkować za darmo. Cóż więc pozostaje? Nic, tylko zasiąść przed komputerem i symulować.

Antoni Skrobol