Системы Femap и NX Nastran сыграли ключевую роль в создании нового космического корабля Orion, разрабатываемого НАСА

Пример внедрения: Lockheed Martin Space Systems

Создание корабля для исследования дальнего космоса

Компания Lockheed Martin Space Systems является одним из четырех основных подразделений корпорации Lockheed Martin и главным подрядчиком проекта по созданию многоцелевого пилотируемого космического корабля Orion. Это первый за многие годы новый корабль, разрабатываемый НАСА для исследования дальнего космоса. Экипаж корабля Orion составляет до шести человек. Корабль оснащен системами аварийного спасения и жизнеобеспечения. Он способен безопасно входить в атмосферу на второй космической скорости.

Orion состоит из трех блоков: отсек экипажа, служебный отсек и отсек системы аварийного спасения на старте. Расчет методом конечных элементов (МКЭ) играет ключевую роль в проектировании всех трех отсеков. С его помощью разработчики исследуют нагрузки и напряжения в конструкции на всех этапах полета. По результатам расчетов выполняется оптимизация таких параметров, как масса и жесткость, производится выбор материала, геометрии и прочностных свойств отдельных деталей.

Это типовой итерационный процесс, в который вовлечены конструкторы и инженеры-прочнисты. На основе МКЭ-расчетов принимаются оптимальные проектные решения. В ином случае работа растянулась бы на годы, а конечноэлементные модели имели огромные размеры (до миллиона элементов). Еще одно важное отличие — большое число вариантов нагружения, подлежащих расчету. Это связано как со сложностью запуска корабля в космос и его возвращения на Землю, так и с ограниченной производительностью компьютерной техники (МКЭ-расчеты выполняются на кластере из серверов с ОС Linux).

«Когда в начале 1990-х гг. я проектировал самолеты, мы рассматривали всего 100 вариантов нагружения, и не более пяти из них были критически важными», — вспоминает Эрик Льюис (Eric Lewis), специалист по прочностным расчетам и старший инженер в компании Lockheed Martin Space Systems. Он входит в группу расчетчиков, занимающихся проектированием служебного отсека и системы аварийного спасения корабля Orion. «По мере роста вычислительных мощностей и возможностей программного обеспечения в большинстве подобных проектов стало возможным проводить расчеты гораздо большего числа вариантов нагружения». Сегодня Льюис и его коллеги исследуют порядка 900 сочетаний нагрузок, соответствующих различным сценариям запуска корабля Orion.

Интегрированные МКЭ-решатель, пре- и постпроцессор

Компания Martin Space System выбрала системы Femap™ и NX™ Nastran®, объединяющие МКЭ-решатель, пре- и постпроцессор, в качестве средства проведения конечноэлементных расчетов. Разработчиком этих систем является компания Siemens PLM Software — поставщик решений по управлению жизненным циклом изделия (PLM). По словам Льюиса, Femap с NX Nastran обладают массой преимуществ при проведении расчетов корабля Orion.

«Я работал во многих системах, и именно Femap полностью соответствует нашим процессам применения МКЭ», — отмечает Джозеф Хесс (Joseph Hess), инженер-прочнист компании Red Canyon Engineering and Software, работающий на полную ставку по проекту Orion.

Например, Femap не привязана к одной конкретной CAD-системе. Инженеры могут импортировать геометрию из Pro/ENGINEER® и на ее основе создавать модели для МКЭ-расчетов. Кроме того, в Femap предусмотрено множество инструментов создания и редактирования геометрии. С их помощью расчетчики могут при необходимости вносить изменения в конструкторские модели, на основе которых строятся модели для конечноэлементных расчетов. Модели с крупной сеткой конечных элементов применяются в прочностных расчетах. Специалисты по анализу нагрузок и динамики выполняют комбинированные расчеты единой системы «корабль + ракетоноситель». Кроме того, создаются модели с более мелкой сеткой. Они служат для более точного расчета механических напряжений, а также оптимизации массы и жесткости деталей.

Хесс отмечает тот факт, что Femap работает под управлением операционной системы Windows®. «На наших рабочих станциях установлено программное обеспечение для Windows, благодаря чему информацию из Femap удобно копировать в другие программы, например, в Excel. Изображения переносятся очень удобно», — отмечает он.

Прочнисты применяют имеющийся в системе Femap интерфейс разработки приложений (API) для создания сценариев, автоматизирующих выполнение часто повторяющихся задач. В частности, один такой сценарий переносит набор сжимающих усилий с одной модели на другую. Другой сценарий пересчитывает значения массы и площади ненесущих элементов оболочек, чтобы получить фактическую полную массу. Остальные сценарии рассчитывают оптимальную толщину оболочки, исходя из напряжений в элементах и результирующих усилий среза. В расчетах применяются конечные элементы типа CBUSH, CBAR и CBEAM.

Функции расчета критических случаев нагружения экономят время

Около 60 специалистов по прочностным и динамическим расчетам работают в Femap с NX Nastran по проекту Orion (данная система применяется расчетчиками, разрабатывающими как отсек экипажа, так и служебный отсек, и систему аварийного спасения).

Одним из основных преимуществ Femap является удобство системы в работе, что позволяет быстро выполнять поиск компромиссных технических решений. «В Femap очень просто редактировать модели целых систем изделия. Это очень помогает, когда вы вносите изменения в одну или несколько деталей и хотите выяснить, как это повлияет на всю систему в целом», — отмечает Льюис. «За один рабочий день мы выполняем несколько циклов расчета моделей, содержащих около миллиона элементов, а на весьма сложные исследования альтернативных решений требуется всего две-три недели».

Льюс добавляет: «Что мне еще нравится в Femap — это высокая степень визуализации всех процессов. При создании конечноэлементной модели очень легко допустить ошибку. В Femap предусмотрено множество режимов отображения модели, а вывод ее различных элементов и участков геометрии можно включать или отключать. Это помогает нам проверять модели и находить ошибки».

При работе над данным проектом ряд функций системы Femap принес особую пользу. В частности, из-за огромного количества рассматриваемых вариантов нагружения результаты требовалось часто сортировать, чтобы выявить, какие нагрузки являются критическими. Предусмотренная в Femap функция ранжирования табличных данных сортирует их, быстро показывая максимальное и минимальное значения. Это устраняет необходимость экспортировать результаты в Excel, а затем писать в нем функции поиска минимума и максимума. «Таблица данных выполняет эту задачу автоматически», — говорит Хесс. «Это существенно экономит время».

Еще одна функция, помогающая сократить число критических вариантов нагружения — имеющееся в Femap средство расчета свободных тел, входящее в состав инструментов процессора. Оно строит так называемые диаграммы свободных тел (силовые схемы) и позволяет определять нагрузки в местах контакта. «Нам нравится этот инструмент, так как с его помощью мы строим сечения корабля на разных уровнях и быстро выявляем траектории передачи и типы нагрузок в различных участках конструкции», — поясняет Льюис.

Льюис называет себя «приверженцем Femap»: он постоянно рассказывает своим коллегам из авиационно-космической отрасли о преимуществах этой системы. «Я говорю о том, насколько система удобна в работе и как легко ее освоить», — отмечает он. «Femap — очень мощная и интуитивно понятная среда».

Integrated FEA solver, pre- and postprocessor

Lockheed Martin Space Systems’ FEA software-of-choice for the Orion structural analysis is Simcenter Femap™ with Nastran® software, an integrated FEA solver, pre- and postprocessor from product lifecycle management (PLM) specialist Siemens Digital Industries Software. According to Lewis, Simcenter Femap with Nastran has a lot of advantages for the Orion analysis.

“I’ve used a lot of the commercial products, and Simcenter Femap really supports the way that we use FEA,” says Joseph Hess, a stress analyst with Red Canyon Engineering and Software who works fulltime on the Orion project.

For example, because Simcenter Femap is CAD-independent, analysts can import design geometry created using Pro/ENGINEER® software to use as the basis for FE models. Simcenter Femap also offers a wealth of geometry creation and modification functions, allowing analysts to change the geometry if necessary prior to creating the FE models. The structural analysts create coarse mesh models, which are provided to the loads and dynamics analysts who run coupled loads involving both the spacecraft and the launch vehicle. They also create models with finer meshes, which are more appropriate for detailed stress analyses and optimizing parts for weight and stiffness.

Hess appreciates the fact that Simcenter Femap utilizes the Windows® operating system. “Our engineering workstations utilize Windows-based software, so it’s easy to get information out of the Simcenter Femap models into other tools such as Excel, and to pull out pictures,” he says.

The structural analysts have used the Simcenter Femap application programming interface (API) to create scripts that automate repetitive tasks. One script, for example, maps multiple pressure loads from one model to another. Another updates the non-structural mass/area on multiple shell properties to match the total actual mass. Others calculate optimized shell thickness based on element stresses, and resultant shear forces for cbush, cbar, and cbeam element output.

Time-saving functionality for determining critical load cases

In all, approximately 60 stress and dynamics analysts use Simcenter Femap with Nastran on the Orion project. (This solution is used by the analysts working on the crew module, in addition to those working on the service and launch abort modules.)

One of the main benefits of Simcenter Femap is that its ease-of-use helps turn around trade studies quickly. “When you’re changing one or more components and looking at the effects on the whole system, Simcenter Femap really helps because it’s easy to modify these full-system models,” says Lewis. “We’re able to run several iterations each day, on models with approximately one million elements, and we’re able to perform some fairly complicated trade studies in just two to three weeks.”

Lewis adds, “Another thing I like about Simcenter Femap is that it’s very visual. It’s so easy to make an error in a finite element model. Using Simcenter Femap, you can view your model in a lot of different ways, and turn different elements and geometry on and off. This helps us double-check and catch mistakes.”

Several aspects of Simcenter Femap are particularly valuable on this project because the high number of load cases requires a lot of sorting of the results data to figure out which load cases are critical. The data ranking function in the Simcenter Femap data table, for example, can be used to sort the data and show the maximum and minimum very quickly. This eliminates the need to export results into an Excel software file and create minimum and maximum functions. “The data table does that for you,” says Hess. “It’s a huge time savings.”

Another tool that can be used to narrow down the number of critical load cases is the Simcenter Femap free body tool, which is an extension to the postprocessing toolbox that allows easy creation of free body diagrams and investigation of interface loads. “We like the free body tool because we can do section cuts through the vehicle at different stations and figure out the load paths to see what types of loads are in the different areas very quickly,” Lewis explains.

Lewis describes himself as a “Simcenter Femap champion,” spreading the word about the advantages of Simcenter Femap among his aerospace colleagues. “I tell them how easy it is to use, and easy-to-learn,” he says. “That Simcenter Femap is very powerful and intuitive software.”