Журнал САПР и графика

Евгений Стрелец-Стрелецкий, Роман Водопьянов

Наряду с крупными программными комплексами, такими как ЛИРА и МОНОМАХ, на современном рынке программного обеспечения широкой популярностью пользуются программы­спутники. Эти программы предоставляют инженеру и исследователю возможность выполнять компьютерные расчеты множества частных задач, которые возникают в процессе работы над проектом сооружения и обычно не вписываются в структуру больших программных комплексов. Необходимость в решении указанных задач возникает как при выработке расчетной модели конструкции, так и при анализе результатов расчета целостной модели сооружения, как при экспертной оценке проектов, так и при техническом надзоре за возведением здания, а также во многих других ситуациях, имеющих место при проектировании и строительстве. Программы­спутники необходимы инженеру в повседневной работе и обеспечивают поддержку в принятии оптимального конструктивного решения.

Полная конфигурация ЭСПРИ версии 1.0 содержит более 60 программ, которые тематически структурированы по десяти разделам: «Математика», «Статика­Динамика­Устойчивость», «Сечения», «Нагрузки», «Сталь», «Железобетон», «Камень», «Дерево», «Фундамент», «Мосты». В каждом разделе содержатся программы, выполняющие расчетные и справочные функции. В какой­то мере ЭСПРИ можно сравнить с широко известным (и давно не переиздававшимся) расчетно­теоретическим справочником проектировщика.

Здесь представлены программы, относящиеся к разделу «Фундамент». В настоящее время этот пакет содержит девять программ. Далее приведены их краткое описание и возможности.

Программа предназначена для определения осадки и коэффициентов постели С1 и С2 под центром фундамента или фундаментной плиты по заданным грунтовым условиям и нагрузке.

Вычисление осадки производится по схемам линейного полупространства и линейно деформированного слоя. В расчетах реализованы положения, изложенные в СП 50­101­2004 и СНиП 2.02.01­83*.

В соответствии с вычисленной осадкой определяются коэффициенты постели С1 и С2 по нескольким методикам для моделей грунта Винклера и Пастернака. Реализована возможность определения коэффициентов постели при динамических воздействиях.

Вычисление коэффициентов постели

Программа предназначена для расчета фундаментных конструкций на грунтовом основании. Трехмерная модель грунтового массива создается программой автоматически на основании инженерно­геологических условий площадки строительства.

Для описания площадки строительства задается база характеристик слоев грунта (ИГЭ), указываются расположение и отметки устья скважин, характеристика слоев грунта, составляющего ту или иную скважину.

По заданным нагрузкам на грунт от проектируемой фундаментной конструкции, а также по нагрузкам от близлежащих сооружений определяются переменные по области проектируемой конструкции, глубина сжимаемой толщи и осадка по схеме линейно­упругого полупространства. На основании полученных осадок по нескольким методикам вычисляются коэффициенты постели упругого основания С1 и С2 для моделей Винклера и Пастернака.

Полученные результаты отображаются в виде изополей осадок, усредненных модулей деформации и коэффициентов Пуассона, а также изополей глубин сжимаемой толщи и коэффициентов постели.

Вычисление переменных коэффициентов постели

Программа позволяет определить несущую способность одиночной сваи прямоугольного или кольцевого сечения. Рассчитываются сваи­стойки и висячие сваи в соответствии с положениями СНиП 2.02.03­85 «Свайные фундаменты», МГСН 2.07­01 и «Руководства по проектированию свайных фундаментов».

Результатами вычислений являются несущая способность сваи, ее осадка, в том числе с учетом взаимовлияния в группе свай, а также погонная жесткость сваи.

Расчет одиночной сваи

Программа предназначена для расчета одиночной сваи по деформациям и на устойчивость от совместного действия вертикальной и горизонтальной сил и момента согласно приложению 1 СНиП 2.02.03­85 «Свайные фундаменты». Предполагается, что в процессе нагружения система «свая — грунт» проходит две стадии напряженно­деформированного состояния. На первой стадии грунт, окружающий сваю, работает как упругая линейно­деформируемая среда. Упругие свойства грунта характеризуются коэффициентом постели, линейно возрастающим по глубине. На второй стадии в верхней части грунта, окружающего сваю, образуется область предельного равновесия (пластическая зона). Жесткость грунта в пределах области предельного равновесия характеризуется прочностным коэффициентом пропорциональности, ниже грунт работает упруго, как в первой стадии. За предельное состояние системы «свая — грунт» принимается момент образования в свае плас­тического шарнира в пределах или на границе области предельного равновесия грунта.

В результате расчета определяются горизонтальное перемещение и угол поворота головы сваи. В случае расчета по одной стадии производится проверка устойчивости грунта согласно п. 13 приложения 1 СНиП 2.02.03­85. При учете развития второй стадии напряженно­деформированного состояния грунта производится расчет несущей способности сваи в соответствии с условием H ≤ Fd / γk. где H — расчетное значение поперечной силы, действующей на сваю; Fd — несущая способность сваи, определяемая в соответствии с требованиями п. 10; γk — коэффициент надежности, принимаемый равным 1,4.

Расчет сваи на совместное действие нагрузок

Программа позволяет рассчитать осадку куста свай в соответствии со СНиП 2.02.03­85 «Свайные фундаменты». Осадка в данном случае определяется как для условного фундамента на естественном основании с использованием расчетной схемы в виде линейно­деформируемого полупространства в соответствии с требованиями СНиП 2.02.01­83*. Результатом расчета является значение осадки куста свай. Полученные размеры условного фундамента, его собственный вес, глубина сжимаемой толщи и величина осадки помещаются в отчет.

Расчет «Определение осадки фундамента»

Программа предназначена для вычисления главных и эквивалентных напряжений σ1, σ2, σ3 по заданным значениям тензора напряжений: σx, σy, σz, τxy, τxz, τyz.

Помимо главных напряжений для заданных расчетных характеристик грунта определяются предельные и эквивалентные напряжения по одному из заданных условий предельного равновесия — условия Кулона — Мора или модифицированные условия Кулона — Мора. Кроме того, вычисляются углы наклона главных напряжений к текущим осям, а также модуль полных деформаций в соответствии с теорией упругости линейно­деформируемого полупространства.

Программа предназначена для определения устойчивости однородного грунтового склона по плоской (1­й тип) или цилиндрической (2­й тип) поверхности скольжения.

В результате вычисляются координаты оползневой поверхности, оползневое давление и предельные характеристики склона — критическая высота, критический угол площадки скольжения, суммарный вес грунтового массива над плоскостью разрушения, суммарная сдвиговая сила от веса грунта по плоскости разрушения, предельная сила устойчивости склона, длина плоскости или цилиндрической поверхности разрушения. Вычисляются также критическое расстояние от подошвы склона до верхней точки безопасного (относительно безопасного) удаления, коэффициент запаса устойчивости (устойчивой прочности) и средние нормальное и сдвиговое напряжения на площадке скольжения, а также другие параметры.

Устойчивость многослойного склона

Программа предназначена для определения устойчивости многослойного грунтового склона по цилиндрической поверхности скольжения. Расчет производится методом, разработанным Шведским обществом геомеханики. Данный метод представлен в работе А.В. Шаповала «Оптимизация алгоритма расчета устойчивости откосов и склонов».

В результате определяются координаты оползневой поверхности, оползневое давление, а также коэффициенты запаса при статическом и динамическом нагрузкам, суммарная активная нормальная сила, активная составляющая сдвиговых сил, реактивная составляющая от сцепления и радиус поверхности скольжения.

Программа предназначена для расчета подземной части сооружений, возводимых методом «стена в грунте». Расчетная модель является плоской и состоит из грунтового массива, элементов стенового ограждения и анкерных креплений стен. Задаются размеры грунтового массива и характеристики грунтов в нем, размеры котлована и уровни его отрывки, нагрузки на поверхность грунта, размеры и параметры материала и сечения стеновых элементов и анкеров, а также силы натяжения в анкерных креплениях.

В текущей версии программы допускается не более четырех анкеров с каждой стороны стенового ограждения и не более четырех уровней отрывки котлована.

После ввода исходных данных выполняется автоматическая триан­­гуляция области грунтового массива с соответствующей разбивкой элементов стен и анкеров. Массив моделируется треугольными конечными элементами грунта, а стены и анкеры — стержневыми элементами.

Расчет ограждения котлована

Расчет производится последовательно по стадиям. На первой стадии производится расчет полной модели (без анкеров) на собственный вес и заданную нагрузку. Дальнейшее количество стадий определяется автоматически и зависит от заданных уровней выемки грунта и отметок установки анкеров. То есть пока не вынут грунт (демонтаж), анкер не может быть установлен (монтаж).

По ходу расчета выполняется накопление перемещений в узлах, напряжений в элементах грунта и усилий в элементах стен и анкеров по стадиям.

Результаты расчета представляются в графическом виде — эпюры усилий в стенах и изополя напряжений в грунте по стадиям.

Результаты оформляются в виде отчета.

Представленный раздел ЭСПРИ «Фундаментные конструкции и основания» насыщается новыми программами. Расширяются функциональные возможности программ, учитываются предложения, пожелания и замечания пользователей. Программы пакета снабжены контекстной справкой. Реализована возможность одновременной работы в локальной сети нескольких пользователей.

Сопровождение ЭСПРИ осуществляет группа специалистов высокой квалификации, имеющих многолетний опыт расчета конструкций и обеспечивающих поддержку пользователей по всему спектру возникающих вопросов.

Isicad: Новые геометрические ядра из России будут конкурировать с традиционными моделерами и поддерживать новых пользователей

От главного редактора isicad.ru: Один из очевидных полезных смыслов и результатов таких мероприятий как COFES Россия — глобальное распространение информации о российском рынке, об его участниках, об отечественных разработках, их перспективах и т.д. Надо понимать, что речь идет на столько о приятных патриотических чувствах, сколько об эффективной международной рекламе, способной с немалой вероятностью принести реальные коммерческие результаты или даже радикальное развитие бизнеса.

Вполне возможно, устная информация, которую получит рынок от дюжины общепризнанных международных авторитетов, принявших участие в Петергофском COFES, в конечном счете, окажется самой действенной. Однако публикации в зарубежной прессе мы можем оценить сразу и непосредственно. Две такие публикации уже попались нам на глаза: одна, «Семь причин, по которым российское инженерное ПО находится на подъёме » на днях была переведена и опубликована на isicad.ru, другую мы представляем сегодня. Кэтлин Маер (Kathleen Maher) — редактор и аналитик одного из самых известных, оперативных и уважаемых международных медийно-аналитических агентств Jon Peddie Research. которым сравнительно недавно было поглощено популярное издание Graphic Speak, приобретшее широкую известность благодаря обзорам Рэндалла Ньютона (Randall Newton).

В своей статье Кэтлин допустила несколько неточностей, однако, читатели isicad.ru, как мы предполагаем, их легко обнаружат и простят, поскольку, как пишет сама Кэтлин, на нашем портале публикуется очень много материалов как непосредственно по теме данной заметки, так и вообще о геометрическом моделировании.

В начале работы COFES Россия в Санкт-Петербурге российский САПР-вендор АСКОН представил C3D — геометрическое ядро собственной разработки, которое в мае 2012 года было открыто для свободного лицензирования. АСКОН известен своей разработкой и распространением КОМПАС-3D — трехмерным САПР, широко используемым в России.

C3D предлагается компаниям, которые могли бы создавать расширения для КОМПАС-3D или разрабатывать собственные продукты в сфере САПР. Ядро C3D появилось на рынке в интересное для геометрических движков время. Сегодня Dassault Systemes. через свое подразделение Spatial. предлагает свое ядро CGM. которое поддерживает флагманские продукты компании — CATIA V5 и CATIA V6. Spatial, кроме того, лицензирует одно из самых широко используемых геометрических ядер — ACIS.

Помимо C3D, российские математики, при поддержке правительства России, сейчас работают над удачно названным Российским Геометрическим Ядром (RGK). Этот проект возглавляется разработчиками ЛЕДАС а, и многие работы выполняются в СТАНКИНе — Московском Государственном Технологическом Университете. Похоже, что после двух лет работы, проект RGK близок к завершению.

Сейчас на рынке есть два основных лицензируемых геометрических ядра: ACIS — принадлежащий DS и распространяемый компанией Spatial, и Parasolid от Siemens PLM. Оба моделера были созданы в 1985 году и в девяностых годах широко распространились на рынке САПР. Parasolid используется в качестве движка моделирования в системах Dassault SolidWorks. Siemens NX и Solid Edge. Bentley MicroStation. Nemetschek Vectorworks и других. ACIS также применятся в широкой гамме продуктов, это ядро ранее служило движком для AutoCAD. а сегодня — в таких САПР как SpaceClaim. Bricscad и Kubotek. В ходе разработки Inventor. Autodesk создал собственное ядро ShapeManager (ASM) (ставшее ответвлением от ACIS 7.0) и с тех пор строит свои продукты на основе ASM. Стоит напомнить, что Autodesk подвергся судебному преследованию со стороны Дассо за нарушение условий контракта, которое возникло в результате использования ACIS для создания ASM. В конце концов, Дассо проиграло этот процесс, поскольку было признано, что исходный контракт Autodesk со Spatial давал компании Autodesk права на соответствующее использование ACIS, включая внесение необходимых изменений.

Дассо хотело бы видеть CGM в качестве главного действующего лица на рынке лицензируемых ядер, в том числе — перевести на это ядро САПР SolidWorks, однако, такой перевод приходится совершать осторожно, чтобы не нарушить поддержку огромной базы пользователей SolidWorks. В то же время большие компании демонстрируют предпочтение своим собственным движкам: так, у РТС есть свое ядро Granite. Nemetschek использует свои разработки и т.д.

Все эти ядра нельзя назвать новыми. Разработки дассошного CGM и асконовского C3D начались в середине девяностых годов. ShapeManager был разработан в Autodesk в 2001 году.

Аналитик Кен Версприлл из CPDA и CIMdata глубоко знаком с тем, что можно назвать «ядерными войнами». В качестве руководителя разработок в Computervision — одной из пионерских САПР-компаний мирового рынка, Кен курировал создание САПР CADDS. позднее ставшего продуктом РТС. На представлении ядра C3D на COFES в Санкт-Петербурге Кен выступил с небольшим обзором мирового рынка геометрических ядер. Он сообщил, что после того, как целый ряд компаний создали свои ядра, сейчас мир САПР вступает в новую эру. Версприлл перечислил несколько факторов, которые порождают новые требования к ядрам. Во-первых, это — широкие возможности использования параллельных вычислений. Во-вторых, — взрывной рост интереса к методам прямого производства (имеется в виду производство детали без механической обработки — прим. переводчика ), в том числе, в САМ, лазерной резке, 3D-печати, методах конечных элементов и др. — стимулируют интерес к созданию трехмерных моделей для промышленного производства. Версприлл также указывает на важную перспективу области обработки данных из облаков точек.

Ядро C3D было разработано с использованием C++ и Visual Studio в АСКОНе командой под руководством Николая Голованова. Работа началась в 1995 году для поддержки КОМПАС-3D.

Геометрическое ядро C3D включает 2D-скетчер, 3D-моделер, решатель и конвертер для взаимодействия с другими приложениями

По словам представителей АСКОНа, сегодня у КОМПАС-3D имеется 57 000 пользователей — в основном, в России, что очевидным образом представляет собой серьезную основу для C3D как инструмента построения современных продуктов и плагинов для КОМПАС-3D. Общее руководство проектом C3D, включая бизнес-аспекты, осуществляется Олегом Зыковым. В АСКОНе чрезвычайно гордятся своей технологией и способностями российских математиков предоставить мировому рынку качественное геометрическое ядро. Голованов говорит, что эффективность его ядра влияет на производительность продуктов, построенных на его основе.

Команда АСКОНа, работающая над C3D: Николай Голованов, Александр Максименко, Юрий Козулин

По словам Зыкова, для C3D запланировано развитие, предусматривающее дальнейшие усовершенствования. Например, есть намерения создать моделер, который будет использовать возможности параллелизма, имеющиеся в современных процессорах: пока в этом отношении классические САПРы существенно отстают. Кроме того, в C3D ведутся работы, направленные на усиленную поддержку продуктов средствами прямого моделирования и моделирования, основанного на ограничениях.

В Петергофе Голованов сообщил аудитории, что значимость C3D определяется тем, что это ядро является самым полнофункциональным из доступных ядер. Помимо 3D моделера, система содержит средства черчения, трехмерного поверхностного и твердотельного моделирования, параметрические констрейнты, а также средства конвертации в большинство основных форматов данных.

Голованов также заявил, что его команда продолжает наращивание возможностей C3D. В частности, разработчики сосредотачиваются на средствах прямого моделирования, которые должны поддержать гибридную обработку. Кроме того, вводятся возможности импорта STL и VRML. В настоящее время, C3D читает форматы STEP, IGES, X_T (Parasolid) и SAT (ACIS), и записывает данные в форматах STEP, IGES, X_T (Parasolid), SAT (ACIS), STL и VRML. C3D поддерживает 32- и 64-битовые версии Windows, а также 64-битовую версию Linux. Сотрудники этой растущей компании видят C3D как средство, позволяющее небольшим компаниям создавать новое поколение инструментов проектирования, и предоставляют солидный уровень сопровождения в сочетании с трехмесячным периодом бесплатного тестирования. У C3D уже есть первые клиенты. Наряду с применением в КОМПАС-3D, ядро C3D лицензировано ЗАО ЛО ЦНИТИ — российским дистрибьютором САМ Esprit и разработчиком мебели компанией Базис-Центр.

C3D — не единственное ядро, разрабатываемое в России. По государственному заказу ведется построение Российского Геометрического Ядра RGK, представляющего собой моделер, основанный на граничном представлении (B-Rep) и поддержке NURBS -кривых и поверхностей. В описании RGK говорится, что это ядро оптимизировано для выполнения сложных операций, включая специальные типы кривых и поверхностей, что позволило проводить вычисления быстрее и точнее. RGK разрабатывается российскими математиками в Московском университете, и подобно ядру C3D, поддерживает многопоточность и основано на OpenCL как библиотеке для поддержки GPU. RGK поддерживает 32- и 64-разрядные Windows, а также — Linux. В RGK сделан акцент на параллелизм. Разработчики говорят, что с помощью RGK можно создавать модели, использую разнообразные подходы для поддержки твердотельного, поверхностного и каркасного моделирования. В рамках одной модели приложение способно работать одновременно с разными типами данных. Ядро также включает средства визуализации, в т.ч. тесселяцию моделей и функции построения сеток. Все это, разумеется, представляет собой еще одну область важного применения GPU.

Выход на арену российских геометрических ядер предвещает появление нового поколения средств конструирования. Хотя российские разработчики хотели бы вывести свои ядра на мировой рынок, их основная цель, по-видимому, заключается в том, чтобы помочь российским компаниям в построении продуктов мирового уровня для растущего внутреннего рынка. Если покорить мировой рынок когда-нибудь и удастся, на это в любом случае потребуется много времени. Кен Версприлл указывает, что для того, чтобы убедить компании использовать новые инструменты придется приложить очень много усилий. Впрочем, АСКОН быстро растет и получает признание благодаря развитию КОМПАС-3D и других продуктов; кроме того, у компании есть амбициозные планы развития направлений BIM и PLM.

На российском портале isicad можно найти намного больше информации о российских разработках геометрических ядер и средств конструирования. Например, Дмитрий Ушаков опубликовал детальную статью «Геометрические ядра в мире и в России », в которой приводится полезная таблица ядер, используемых основными вендорами САПР.

Время, необходимое САПР-компаниям для использования в своем программном обеспечении новых аппаратных возможностей, само по себе свидетельствует о сложности такой задачи. Если бы она была простой, все было бы уже сделано.

Включите JavaScript, чтобы видеть комментарии Disqus.