«Далеко-далеко на лугу пасутся ко...?»
Детская загадка
Правильный ответ — конечные элементы, если отгадывает самый маленький инженер‑прочнист, или контрольные объёмы, если инженеру ближе механика жидкости и газа. Ну, а если за дело берется менеджер по продажам, то для него там пасутся компании, которые этот софт для расчётов методом конечных элементов или контрольных объёмов разрабатывают и продают. На этот раз предлагаю посмотреть, с замещением каких продуктовых брендов можно столкнуться при внедрении российских САЕ‑продуктов, какие у них есть сильные и слабые стороны.
Продукты для инженерных расчётов бывают разные
Прочностные расчёты, они же расчёты механики деформируемого твёрдого тела, это самое частое, что встречается в задачах компаний, у которых есть хотя бы конструкторский отдел. Реже встречается вычислительная гидродинамика. В основном, это ПО используют для тепловых расчётов, в которых надо учитывать подвижную среду. Ещё реже — оптимизационные и параметрические расчёты. И уж совсем нечасто — системное моделирование. Сравнительно регулярно, но тоже нечасто, встречается запрос на моделирование динамики жёстких тел, моделирование в радиофизике, электродинамике и моделирование технологических процессов.
При этом, если классическим является соотношение, что на десять инженеров‑конструкторов приходится один инженер‑расчётчик, то с наибольшей вероятностью это будет механик (прочнист). Чуть менее вероятно, в соотношении двадцать к одному, встречаются гидродинамики. Ну, и далее по убывающей. Давайте теперь разберёмся, что за ПО могут использовать эти люди.
На первое место я, конечно, поставлю ansys
Это признанный мировой лидер САЕ‑софта. Ему принадлежит примерно 70% рынка САЕ в мире. В России, конечно, меньше, но не сильно. Важно знать, что Ansys не разрабатывает ничего, кроме САЕ‑систем, он сосредоточен именно на этом сегменте. Компания началась в 1970 году, то есть сейчас ей уже 53 года. Ее основал выпускник Корнелловского университета Джон Свонсон, который начал разрабатывать свой софт для прочностных расчётов и назвал его примерно по тому же принципу, что и АСКОН (Автоматизированные Системы КОНструирования): Ansys — это просто ANalysis SYStem.
Любезно предоставлено Михаилом Бубновым
А ещё важно знать, что никакого Ansys как единого целого практически не существует. С самого начала своей активной деятельности компания занимается поглощениями других разработчиков, у которых уже есть зарекомендовавашие себя продукты. Именно поэтому в портфолио Ansys есть продукты для моделирования самой разной физики (от механики до фотонной оптики и разработки встроенного ПО), и именно поэтому оно напоминает лоскутное одеяло решений. Всегда имеет смысл поинтересоваться, что именно имеет в виду человек, когда он говорит, что пользуется Ansys.
Любезно предоставлено Михаилом Бубновым.
Из значимых и самых часто встречаемых модулей следует выделить:
собственно Ansys (часто также Structural, Mechanical) — решение для задач механики деформируемого твёрдого тела, тепловых и сопряжённых задач (хотя там есть очень многое, например, акустико-термо-электро-механические задачи);
Fluent и CFX (у турбомашиностроителей) — решения для задач гидродинамики;
Maxwell — решение для электродинамики (у разработчиков крупной электротехники и электрических машин);
HFSS — решение для радиофизики (чаще всего у разработчиков радиоэлектронной аппаратуры в ВПК);
Autodyn — решение для явной динамики, чаще всего в России встречающееся в ВПК, потому что позволяет решать задачи моделирования взрывов, разлёта осколков, поражения целей и тому подобные;
LS-Dyna — решение для явной динамики, особенно любимое автомобилестроителями для моделирования краш-тестов автомобилей (хотя, конечно, там такой комбайн, в который на сегодняшний день чего только не входит).
Любезно предоставлено Михаилом Бубновым.
Из плюсов Ansys я бы выделил сравнительную однородность и связность решений и большое внимание к инструментам, облегчающим жизнь расчётчика: встроенная CAD‑система, удобные инструменты постановки задачи. Разработчики стремятся объединить разные модули, научиться делать связные расчёты (так называемую мультифизику). Очевидными минусами являются невозможность на данный момент ни купить, ни получить обновления или техническую поддержку. Кроме того, даже когда продукты продавались, они стоили сравнительно дорого. От десятков до сотен тысяч долларов США за лицензию. Впрочем, лицензии, как правило, покупали бессрочные, поэтому сейчас в России много предприятий, на которых есть легальный, но с каждым годом всё более устаревающий продукт. Отдельная статья — высокий уровень внедрения пиратских версий на малых и средних предприятиях. Решения Ansys в части механики можно заменять на отечественный APM WinMachine, в части гидродинамики — FlowVision. Maxwell в ряде случаев можно заменить на Elcut, а HFSS — отечественным продуктом САПР Гамма. Для замены решений явной динамики на российском рынке часть позиций может потенциально отвоевать себе ЛОГОС Прочность и Fidesys.
Компания Siemens
(точнее её часть, которая сейчас называется Siemens Digital Industries Software, она же бывший Unigraphics) не имела никогда своих собственных разработок по САЕ, поэтому её САЕ-портфолио держится на поглощённых компаниях. Так как у компании есть полноценное CAD‑решение (и не одно), здесь, также как и у АСКОН, возникает разделение на продукты, встроенные в CAD и отдельно стоящие.
Из удачных поглощений выделяется CD‑Adapco, продукты Star‑CD, который потом стал Star‑CCM+. Это отдельный пакет для вычислительной гидрогазодинамики, который, как и положено настоящему современному пакету, уже разросся до уровня всех смежных областей. Например, включает в себя решатель методом дискретных элементов. В России Star‑CCM+ особенно популярен у тех, кто начал внедрять численное моделирование давно. Из того, что мне доподлинно известно, это атомная отрасль и судостроение. Star‑CCM имеет свои плюсы, например, в виде железобетонного сеткопостроителя, который способен пережёвывать самые кривосделанные геометрические модели. Ну, а из минусов кроме очевидного в виде ухода Siemens из России, можно также указать на то, что продукт плохо дружит в смысле передачи даже со своими собратьями из Siemens Simcenter.
На поле механики портфолио Siemens представлено продуктом FEMAP (Finite Element Modeling And Postprocessing), который, как понятно из его названия, не является САЕ-продуктом полного цикла, в нём отсутствует самая важная часть — решатель. То есть он является только лишь пре- и постпроцессором, хотя и очень мощным и высокоавтоматизированным. Так получилось, что FEMAP любят в отечественном авиастроении.
Одна из самых интересных историй связана с NASTRAN
одним из самых старых кодов. В 1968 году он родился в недрах НАСА, поэтому так и называется: NAsa STRuctural ANalisys. Численное моделирование на тот момент становится одной из движущих сил развития американской космической программы. Если вы смотрели фильм «Скрытые фигуры», то, возможно, помните, как одна из главных героинь применяет численный метод Эйлера для расчёта траектории, когда не получается найти аналитическое решение, а другая начинает осваивать язык FORTRAN (это тоже акроним, FORmula TRANslator, то есть буквально переводчик формул) для того, чтобы ускорить ручные вычисления при помощи компьютера IBM. Так вот в том или ином виде NASTRAN сейчас используется и лицензируется несколькими компаниями. Но важно понимать, что NASTRAN это только решатель, у него нет пре- и постпроцессора, в том числе построителя сеток.
Siemens использует NASTRAN в связке с FEMAP в своём Simcenter. Компания MSC, тоже большой игрок на рынке САЕ, с целым портфолио поглощенных компаний (правда, не так широко представленных именно в России), предлагает свой препостпроцессор Patran для Nastran. В России я его встречал на аэрокосмических предприятиях и в атомной отрасли. Есть NEi Nastran, который является основой прочностных расчётов у Autodesk. Есть даже открытый код Nastan95, доступный на GitHub. В автомобилестроении и судостроении тоже местами используется Nastran для части задач, в частности, для задач вибропрочности и NVH. В ряде задач Nastran вполне заменяем на продукты APM.
DASSAULT SYSTÈMES
также является значимым игроком на рынке САЕ в России. Главным образом, за счёт встроенных в SolidWorks решений SolidWorks Simulation (для МКЭ), FlowSimulation (для МКО). Кроме этого, Dassault принадлежит продукт Abaqus, универсальный САЕ-софт, любимый однако, в основном, прочнистами и только в части сильно нелинейных расчётов. Отдельные апологеты будут говорить, что в Абакусе самая правильная нелинейная модель поведения бетона. Хотя, на самом деле, это вопрос, во многом, вкуса, нежели объективных измерений, и применимости к конкретной задаче. Встроенным продуктам для прочностных расчётов вполне составит конкуренцию APM FEM для КОМПАС-3D, особенно учитывая, что начиная с версии 22 он имеет второй, профессиональный уровень возможностей. А вот Abaqus можно заменить продуктами APM только в ограниченном наборе задач.
С FlowSimulation особая история
потому что команда разработки у него целиком из России и на сегодняшний день по-прежнему остаётся в России. Кроме FlowSimulation этот же продукт от этих же разработчиков — это Siemens (MentorGraphics) FLOEFD, а ещё модуль для гидродинамики в NX, SolidEdge, Creo и CATIA. Сейчас решение от тех же разработчиков выходит в России под брендом CadFlo. Уже есть встроенные решения под КОМПАС-3D и T-FLEX CAD. Ограниченную конкуренцию им может составить встроенный в КОМПАС-3D KompasFlow. Вполне серьёзную — FlowVision. Продукты Dassault Systèmes сейчас также недоступны на территории России.
ЗАТО ДОСТУПНЫ Уже не доступны продукты COMSOL
или, правильнее сказать, COMSOL Multiphysics. По задумке авторов, пакет должен предоставлять единый интерфейс для решения разных задач: тут тебе и механика, и гидродинамика, и электродинамика, и химия, и физика плазмы. Короче, всё, что душе угодно. На практике, правда, оказывается, что реальные промышленные задачи на реальных промышленных моделях COMSOL не тянет — например, не строит сетку на сложной геометрии, и плохо параллелится на несколько ядер процессора.
Любезно предоставлено Михаилом Бубновым.
Однако COMSOL имеет в России определённую аудиторию поклонников, в основном, в вузах и академических институтах. Особенно любим теми, кто занимается моделированием процессов в плазме. Для части задач вполне можно предложить в качестве альтернативы как продукты APM WinMachine, так и FlowVision. Особенно хорош FlowVision для разного рода полевых задач: гидродинамика, тепло, электромагнитная гидрогазодинамика и даже акустика. А ещё его можно гибко кастомизировать при помощи пользовательских моделей.
Из продуктов для динамики жёстких тел
самый распространённый и многофункциональный — MSC ADAMS. Его в России в той или иной мере заменяют Euler от компании Автомеханика и более близкий АСКОН продукт — Универсальный механизм от компании Вычислительная Механика. Последние обещают в скором времени выпустить серьёзный, полновесный по возможностям продукт, встроенный в КОМПАС-3D.
Источник: сайт Лаборатории вычислительной механики umlab.ru
В области моделирования технологических процессов
чаще всего спрашивают о продуктах для моделирования литья (как металла, так и пластика), штамповки, прокатки, сварки. Также бывают вопросы о моделировании процессов аддитивного производства. Так или иначе эти задачи сводятся к задачам механики деформируего твёрдого тела или гидродинамики, но универсальные пакеты для МКЭ/МКО обычно либо не учитывают всех аспектов процесса, либо делают это так сложно, что технологу-расчётчику бывает трудно освоить. Тут чаще всего упоминаются такие зарубежные продукты как DEFORM, COPRA, SYSWELD, ProCAST и некоторые другие, например, от французской компании ESI. Аналогами этих продуктов могут быть в задачах литья продукты ПолигонСофт и LVMFlowCV, в задачах обработки давлением — QForm. В других задачах могут ограниченно использованы и APM WinMachine, и FlowVision, но суть задач надо уточнять на месте.
Для системного моделирования
безоговорочным лидером является MATLAB Simulink, хотя есть присутствие и Ansys TwinBuilder, и Siemens Amesim, и более специфичных решений: Siemens Flowmaster, южноафриканского FLOWNEX, российского SimInTech. С замещением софта для системного моделирования всё обычно немного сложнее, потому что каждый пакет как правило особенно хорош в своей области промышленности, а в других — чуть хуже конкурентов. Так, например, и Pradis от «Ладуга» хорош для автомобильной и транспортной промышленности, особенно в части механической части системы. Но, тем не менее, вполне можно подумать о нем тем, у кого больше не работает Simulink или продукты Ansys и Siemens.
На рынке CAE для строительства
правят бал SCAD и Лира-САПР. Оба пакета, несмотря на то, что родом с Украины, сохраняют своё присутствие на российском рынке через отделившиеся группы теперь уже независимых российских разработчиков. Основная специфика строительного САЕ это выполнение расчётов в соответствии с российскими СП (СНиП). Именно поэтому тут, прежде всего, те компании, которые это соответствие обеспечили. Некоторую долю здесь традиционно занимал Autodesk со своими встроенными решениями и Plaxis для геотехнических расчётов от Bentley Systems (автомобили не при чём). Сейчас на его место частично претендует корейская компания Midas со своим Midas Civil и midas GTS NX (для геотехнических расчетов). Самая большая проблема российских строительных САПР — препроцессинг, то есть построение модели и интероперабельность с российскими BIM и CAD. Тут не лишним будет упомянуть, что у коллег из НТЦ «АПМ» есть конфигурация продукта APM Civil Engineering, предназначенная как раз для строительных расчётов.
Российские разработчики CAE-систем
немногочисленны и представлены на рынке не очень широко, однако в последнее время ситуация меняется благодаря их активным действиям как по улучшению продуктов, так и по маркетинговой активности. Я уже упоминал компании ТЕСИС, НТЦ «АПМ», Тор (Elcut), «Ладуга». Из значимых надо рассказать о Русатом Цифровые Решения (РЦР), РФЯЦ ВНИИЭФ — разработчике продукта ЛОГОС. Позиционируется как система общего назначения и состоит из модулей: Аэро-Гидро, Прочность, Тепло. Имеет свой Препостпроцессор на основе геометрического ядра C3D (@c3dlabs) и интеграционную Платформу для связывания расчётов в различных модулях. С компаниями-разработчиками ПО Euler, Fidesys, T-Flex, pSeven, REPEAT и SimInTech, РЦР образуют Консорциум CAD/CAЕ (не путайте с консорциумом «Развитие»), усилия которого направлены на улучшение взаимодействия между ПО. Вся основная функциональность аналогична продуктам FlowVision, APM, IOSO.
Продукт Fidesys разработан выходцами с факультета ВМК МГУ и существует на рынке уже более 20 лет. Обладает местами уникальными для российского рынка техническими решениями, например, реализацией решателя для явной динамики или специальными спектральными элементами для высоконелинейных задач. Очевидный минус — отсутствие собственного препостпроцессора. Препостпроцессор, который Fidesys предлагает со своим продуктом, является лицензионным вариантом препостпроцессора Coreform Cubit от Сандийской национальной лаборатории из США. Вопрос продления этой лицензии остаётся открытым.
