Специализированное инженерное программное обеспечение

   Хотя сегодня, чаще всего, мы применяем компьютерную технику ради собственного удобства и она вошла в нашу жизнь настолько плотно, что мы стали использовать ее повсеместно: в процессе общения, обучения, хранения и передачи информации, организации документооборота, создания презентаций и прочее – изначальное же назначение вычислительных машин было иным. Первые вычислительные комплексы создавались для того, чтобы человек мог переложить на никогда не устающие электронные машины огромный объем алгоритмизованных вычислений, избавив тем самым себя от ручного труда, связанного с проведением необходимых для текущей работы расчетов. Последовавшее далее бурное развитие вычислительной техники, кибернетики и численных методов позволило человеку ставить все более и более сложные проблемы, находя решения задач, считавшихся ранее не решаемыми. Вычислительные возможности высокопроизводительных систем широко используются в наше время при проведении расчетных, проектировочных, научно-исследовательских, изыскательских работах. Специализированные программные комплексы сегодня используются практически во всех областях производственной деятельности человека: в авиации, машиностроении, судостроении, в атомной промышленности, в химической промышленности и металлургии. Специализированное инженерное программное обеспечение – это пришедший на смену логарифмической линейке инструмент, позволяющий наиболее широко охватить весь этап производственной деятельности от разработки того или иного механизма, до его производства и последующего внедрения, это тот инструмент, которым активно пользуется разработчик при проведении исследовательских или расчетно-проектировочных работ. 
   Описываемое инженерное программное обеспечение создается с использованием современных технологий программирования и обладает, как правило, сложным математическим аппаратом. Кроме того, широта интересов человека такова, что невозможно создать «с нуля» полностью законченную версию программного продукта, удовлетворившую бы все запросы пользователей. Создание действительно мощных вычислительных пакетов под силу лишь коммерческим фирмам, сотрудничающим с передовыми специалистами в области науки и техники, программирования; выпускающим постоянные обновления и новые версии своих программных продуктов; предоставляющим техническую поддержку пользователям и осуществляющим обучение по работе со своими программными продуктами, что просто необходимо по причине сложности существующих инженерных пакетов. Именно этим объясняется необходимость приобретения проприетарного инженерного программного обеспечения. Кроме того, наличие коммерческой лицензии просто необходимо, если предполагается применение специализированных инженерных пакетов для получения коммерческой выгоды, что, конечно же, осуществляется в университете в виде реализации различного рода грантов, выполнения договорных расчетно-проектировочных и исследовательских работ с предприятиями и организациями и прочее. Вдобавок к сказанному заметим, что для прикладных инженерных пакетов желательна сертификация, подтверждающая их работоспособность и  соответствие стандартам. Данная процедура, в большинстве случаев, доступна лишь коммерческим фирмам и организациям, выпускающим платное программное обеспечение. Приобретение коммерческих и учебных лицензий передовых инженерных программных пакетов является необходимым условием дальнейшего успешного развития ВУЗа как организации, осуществляющей изыскательскую, научно-исследовательскую деятельность, так и как учебного заведения, готовящего молодых специалистов к работе с современными инженерными технологиями проектирования и создания механизмов, машин, конструкций.

Пермским государственным техническим университетом была закуплена линейка программных продуктов фирмы ANSYS Inc., являющейся одним из мировых лидеров  в области расчетных технологий.
   В линейку приобретенных программных продуктов входят:

• ANSYS Multiphysics;
• ANSYS CFX Full Capability Solver;
• ANSYS CFX PrepPost;
• ANSYS Mechanical HPC;
• ANSYS CFX Parallel Computing.

   ANSYS – это профессиональный конечно-элементный расчетный комплекс, имеющий гибкую модульную комплектацию, позволяющий решать задачи прочности, теплообмена, электромагнетизма, гидрогазодинамики как по отдельности, так и совместно, в связанной постановке. Все программные продукты ANSYS сертифицированы согласно серии стандартов ISO 9000.1. С 2002 г. программа ANSYS бессрочно аттестована Госатомнадзором России. Область применения данного расчетного комплекса просто огромна. Она включает в себя авиационную и космическую промышленности, автомобилестроение и наземный транспорт, судостроение, атомную и химическую промышленности, гражданское строительство, электронику, телекоммуникации, медицину, микромеханику, производство силовых агрегатов и турбомашин, энергетику и прочее.
 

   На данный момент ВУЗ владеет двумя бессрочными коммерческими лицензиями (право пользования) на программное обеспечение ANSYS Multiphysics с подпиской на обновления в течении 1 года, а так же бессрочной академической лицензией на программное обеспечение ANSYS Academic Research на 25 рабочих мест, позволяющей использовать данный программный продукт в учебном процессе при подготовки молодых специалистов к работе с новейшими инженерными пакетами программ.
   В программе ANSYS Multiphysics реализованы:

• Прочностной анализ с учетом физической и геометрической нелинейности;
• Контактные задачи;
• Частотная область динамического анализа (гармонический и спектральный анализы, вибрации, акустика);
• Динамический анализ неустановившихся процессов;
• Линейная и нелинейная устойчивость конструкций;
• Механика разрушений для изделий композиционных и армированных материалов, включая температурные воздействия;
• Задачи теплопроводности с учетом радиации и конвекции;
• Решение задач газогидродинамики;
• Совместный междисциплинарный анализ.

   В программе ANSYS CFX Full Capability Solver реализованы следующие возможности решения задач гидрогазодинамики:

• Стационарные и нестационарные течения;
• Сжимаемые и несжимаемые, ламинарные и турбулентные потоки;
• Естественная и вынужденная конвекция;
• Сопряженный теплоперенос;
• Вязкие и многокомпонентные течения;
• Учет горения и химических реакций;
• Фильтрация.

Приобретено программное обеспечение ANSYS CFX PrepPost, в котором реализовано:

• Создание, импорт и экспорт геометрических моделей;
• Построение, импорт и экспорт конечно-элементных сеток;
• Задание начальных и граничных условий;
• Обработка результатов: визуализация, листинг, операции над результатами.

   Помимо этого, для установки на 64-процессорном кластере вычислительной рабочей станции приобретено программное обеспечение ANSYS Mechanical HPC, обеспечивающее возможность параллельных вычислений при решении задач механики, а так же программное обеспечение ANSYS CFX Parallel Computing, обеспечивающее возможность параллельных вычислений при решении задач гидрогазодинамики в пакете ANSYS Multiphysics.

   Еще одним «тяжелым» программным продуктом, приобретенным техническим университетом в рамках проекта «Инновационная образовательная программа» стал современный программный комплекс FlowVision. 
   FlowVision моделирует трехмерные стационарные и нестационарные течения жидкости и газа, позволяет быстро и эффективно анализировать результаты расчета. Многочисленные физические модели и адаптивные алгоритмы дают возможность изучать такие сложные движения жидкости, как течения с сильной закруткой, горением, свободными поверхностями, ударными волнами. 
   

   FlowVision эффективно используется для решения следующих промышленных задач:

• Внешняя аэро- гидродинамика: обтекание автомобиля, судна, самолета, ракеты, зданий и сооружений (определение коэффициентов сопротивления и подъемной силы, распределенная нагрузка, тепло- и массоперенос) 
• Внутренняя аэро-гидродинамика: течение в салоне автомобиля и в подкапотном пространстве, вентиляция внутренних отсеков, движение газов и жидкостей по магистралям и трубопроводам 
• Моделирование турбомашин: течение в турбинах, компрессорах, насосах, учет влияния гребных винтов на обтекание судна 
• Моделирование процессов горения: сжигание природного газа в котлах ТЭЦ, образование оксидов азота 
• Моделирование технологических процессов: моделирование теплопереноса в микроэлектронных схемах, расчет расход-напорных характеристик эжекторного насоса, водозапорных устройств, расчет смесителей и газовых миксеров, совместный теплоперенос между жидкостью и твердыми телами 
• Моделирование процессов изготовления деталей: литье металлов, расчет процессов затвердевания и кристаллизации 
• Экология, управление микроклиматом: распространения загрязнений и примесей в атмосфере и водной среде, отопление, вентиляция и кондиционирование

   ВУЗом приобретена бессрочная коммерческая неограниченная по количеству расчетных ячеек параллельная версия ПО FlowVision HPC, включающая в себя следующие возможности:

• Пре- и постпроцессор (импорт геометрии из форматов VRML и STL);
• Модели теплопереноса и движения жидкости и газа при любых числах Маха;
• Модели турбулентности (SST, k-e, SA);
• Модель двухфазного течения среды;
• Подвижные тела;
• Модель зазора;
• Сопряженный теплообмен;
• Моделирование вращающихся тел;
• Поддержка параллельных вычислений;
• Сопряжение с Abaqus через MP-менеджер, импортер формата Abaqus;
• 3DV Translator repair (incl. Import STL, VRML);
• IGES format import;
• Parasolid format import;
• 3DVidea (импорт геометрии через Mesh файл);
• Abaqus (импорт геометрии и экспорт данных);
• ANSYS (импорт геометрии и экспорт данных).

   Вместе с этим, университет закупил бессрочную коммерческую лицензию на использование программного комплекса мирового уровня в области конечно-элементных прочностных расчетов ABAQUS, с помощью которого можно получать точные и достоверные решения для самых сложных линейных и нелинейных инженерных проблем.
   ABAQUS широко применяется в различных отраслях промышленности: в энергетике, автомобилестроении, авиастроении и обороне, электронике, металлургии, нефтедобыче и нефтепереработке, при производстве товаров народного потребления, в общей механике и геомеханике. 
   

   Одним из серьезных преимуществ ABAQUS является возможность решения связанных задач мультифизики в области прочности конструкций для следующих типов анализа:

• тепло – механика (последовательное или полностью сопряженное решение);
• тепло – электричество;
• поток в пористой среде – механика;
• напряжения – диффузия массы (последовательно сопряженное решение);
• пьезоэлектрика;
• акустика – вибрации.

   Программный комплекс ABAQUS позволяет учесть как физические, так и геометрические нелинейности, имеет большую библиотеку конечных элементов и позволяет исследовать всевозможные модели таких материалов, как металлы, бетон, грунты, эластомеры, композиты и т.д.

   Кроме того, приобретен учебный класс FlowVision на 10 рабочих мест, пятилетняя университетская лицензия на параллельную сетевую версию программы ABAQUS и заключен контракт на подготовку 5 специалистов по работе с данными программными пакетами. В стоимость контракта так же включена техническая поддержка по телефону и возможность вызова специалиста для решения возникших технических вопросов.

   Программы ANSYS, FlowVision, ABAQUS являются «тяжелыми» универсальными программными комплексами, применимыми для задач любой степени сложности и призванными удовлетворить любые потребности расчетчика. Зачастую, использование таких «монстров» не целесообразно. В ряде случае становится выгодно использовать узкоспециализированные программные продукты, более подходящие для решений тех или иных типов задач. Одним из таких пакетов, приобретенным техническим университетом, является учебная версия расчетного комплекса PLAXIS 3D Foundation v.2. 
   Расчетный комплекс PLAXIS 3D Foundation представляет собой пакет прикладных вычислительных программ для конечно-элементного анализа напряженно-деформированного состояния системы основание-фундамент-сооружение в условиях трехмерной (пространственной) задачи. Он ориентирован на решение сложных геотехнических задач (расчета плитных, свайноплитных и шельфовых фунтаментов), возникающих на этапах строительства, эксплуатации и реконструкции сооружения. 
   Расчетный комплекс PLAXIS 3D Foundation позволяет:

• создавать трехмерные расчетные схемы в режиме черчения CAD с учетом геометрии грунтового массива, сооружения, действующих нагрузок и граничных условий; 
• создавать неоднородные структуры грунтового основания с произвольным характером напластования грунтов и наклоном дневной поверхности по данным геологических колонок; 
• выполнять автоматическую разбивку трехмерной расчетной области на конечные элементы высокого порядка; 
• моделировать условия взаимодействия конструкции с грунтом с помощью специальных контактных элементов (интерфейсов); 
• моделировать технологические этапы строительства и схемы нагружения сосредоточенными и распределенными произвольно ориентированными нагрузками; 
• моделировать конструкции верхнего строения и фундамента набором готовых специальных элементов: балочных и плитных элементов для моделирования гибких и тонкостенных конструкций, свайных элементов для моделирования свай круглого и квадратного поперечного сечения; 
• моделировать линейное и нелинейное деформированное состояние элементов конструкции; 
• моделировать напряженно-деформированное состояние грунтов, с помощью нелинейных моделей: упругоидеальнопластической модели Кулона-Мора, упругопластической модели с упрочнением грунта; 
• моделировать установившееся гидростатическое давление и избыточное поровое давление при недренированном поведении грунта; 
• выполнять расчеты напряжений и деформаций в элементах системы основание-фундамент-сооружение с учетом последовательности этапов строительства; 
• осуществлять предварительный просмотр для проверки созданной трехмерной геометрической модели; 
• проводить оперативный визуальный анализ развития напряженного и деформированного состояний в любом элементе расчетной схемы (конструкция, грунт) с помощью графических материалов (таблицы, эпюры, изолинии, графики); 
• осуществлять просмотр геометрической системы в аксонометрии с возможным поворотом и в плоских поперечных сечениях;

   Техническим университетом закуплено специализированное программное обеспечение «GAMMA MSP/ISP/DIFF&GEO/LAT/IPTA». Программа GAMMA выполняет SAR и интерферометрическую обработку радарных космических снимков. Позволяет создавать интерферограммы, когерентные карты, карты высот, карты смещений земной поверхности и т.д. 
   Данная программа содержит в себе следующие модули:

• GAMMA Modular SAR Processor (MSP);
• GAMMA Interferometric SAR Processor (ISP);
• GAMMA Differential Interferometry and Geocoding Software (DIFF&GEO);
• GAMMA Land Application Tool (LAT);
• GAMMA Geocoding and Image Registration Software;
• GAMMA Interferometric Point Target Analysis (IPTA).

   Для осуществления исследовательских и изыскательских работ в области нефтедобычи, а так же для проведения учебных мероприятий ВУЗом был закуплен «Блок мониторинга и анализа разработки нефтяных залежей программного комплекса ТРИАС».
   Программный комплекс «ТРИАС» (трехмерная информационно-аналитическая система) предназначен для проектирования и анализа разработки нефтяных и газонефтяных месторождений. Комплекс «ТРИАС» может быть использован в качестве оперативного инструмента геологов и разработчиков для создания и сопровождения базы данных, построения трехмерных геолого-гидродинамических моделей, а также для анализа разработки объектов или участков крупных залежей, на которых применяются различные виды геолого-технических мероприятий.
   Задача блока – предоставление удобного инструмента для выполнения комплекса работ по мониторингу и анализу разработки с использованием геолого-гидродинамической модели:

• Анализ геологического строения;
• Анализ текущего состояния разработки (характеристика фонда скважин; анализ отборов нефти, воды, газа; оценка энергетического состояния залежи);
• Анализ выработки запасов (локализация зон с остаточными запасами, анализ темпов отборов от текущих и начальных извлекаемых запасов);
• Оценка эффективности проведенных геолого-технических мероприятий (ГТМ), направленных на повышение нефтеотдачи пластов и интенсификацию добычи нефти (бурение боковых стволов, дострел/перестрел пластов, потокоотклоняющие технологии, водоизоляционные работы и т.д.);
• Выработка рекомендаций по совершенствованию разработки на основе «Базы знаний» и вариантов гидродинамических расчетов.

   Для детальной визуализации при изучении текущего состояния разработки месторождения наряду с традиционными картами, графиками и таблицами используются такие инструменты «ТРИАС», как профиль, сечение, решетка, блок-диаграмма, гистограмма, ситуационная карта. В блоке мониторинга и анализа разработки можно оперативно проанализировать результаты промыслово-геофизических исследований. 
   Особое внимание уделяется задачам, связанным с проектированием геолого-технических мероприятий, включая:

• выбор объектов для проведения ГТМ (скважин, участков); 
• прогноз ожидаемой эффективности ГТМ; 
• оценку результатов применения ГТМ; 
• обоснование видов ГТМ для конкретных геолого-физических условий.

   Программный комплекс «ТРИАС» позволяет проводить указанные работы для широкого спектра технологий, начиная от химических методов и заканчивая зарезкой боковых стволов.

   Какими бы мощными и универсальными не были бы прикладные инженерные пакеты, одних лишь их не достаточно для выполнения поставленных задач. Любой программный пакет или комплекс по своей сути является лишь алгоритмом обработки вводимых в него пользователем данных. Как невозможно получить решение поставленной задачи, не зная методов ее решения, так и, в обратную сторону, нельзя решить задачу, зная алгоритмы и способы достижения результата, но не имея уникальных данных, единственным образом определяющих особенности поставленной задачи среди бесконечного множества подобных задач. Всегда при численном решении и анализе какой-либо инженерной задачи требуется задавать геометрические размеры исследуемого объекта, его свойства, свойства окружающей среды, параметры законов взаимодействия тела со средой и прочее. Зачастую, ради упрощения работы исследователя, проектировщика или расчетчика, наиболее часто используемые величины, константы, свойства чего-либо и т.д. классифицируются, структурируются и сводятся в единые хранилища знаний – базы данных. Наличие подобных баз данных, наравне с современным программным обеспечением, является необходимым условием успешного и, что не мало важно, своевременного решения поставленной проблемы.

   Пермский государственный технический университет приобрел несколько подобных баз данных: «Физико-химические свойства и состав нефтей Пермского Края» и «Характеристика рассеянного органического вещества (РОВ) пород и битумоидов Пермского Края».

   Состав и содержание данных баз данных следующий:

   База данных «Физико-химические свойства и состав нефтей Пермского Края»

1. Стандартно определяемые физико-химические свойства нефтей в поверхностных условиях:
   • по тектоническим элементам;
   • по основным нефтегазоносным комплексам;
   • по месторождениям;
   • по скважинам (в том числе глубоким, параметрическим).
2. Фракционный и групповой состав нефтей:
   • по тектоническим элементам;
   • по основным нефтегазоносным комплексам;
   • по месторождениям;
   • по скважинам (в том числе глубоким, параметрическим).
3. Товарные свойства нефтяных месторождений и нефтегазоносных комплексов
    

   База данных «Характеристика рассеянного органического вещества (РОВ) пород и битумоидов Пермского Края»

1. Результаты люминесцентно-битуминологического анализа горных пород, разрезов параметрических и разведочных скважин:
   • по тектоническим элементам;
   • по стратиграфическим подразделениям;
   • по разведочным площадям и месторождениям;
   • по скважинам (в том числе глубоким, параметрическим);
   • по литологическим разностям пород.
2. Данные лабораторных определений органического углерода и нерастворимого остатка горных пород в разрезах опорно-параметрических, поисковых и разведочных скважин:
   по тектоническим элементам;
   по стратиграфическим подразделениям;
   по разведочным площадям и месторождениям;
   по скважинам (в том числе глубоким, параметрическим);
3. Расчетные параметры состава битумоидов  и их содержание в органическом веществе пород.
   
   

Ссылки по теме:

• Презентация "Конечно элементный программный комплекс ANSYS. Анализ строительных конструкций".