Easy5 - programare vizuală în CAE

Venind din partea unui furnizor calibrat mai degrabă pe soluții specifice (ci nu pe soluții generice, precum sunt ANSYS sau COMSOL în segmentul Computer-Aided Engineering), ne așteptăm să găsim în facilitățile software-ului Easy5 o profilare concretă pe aplicări industriale (proiectare și inginerie pentru avioane, autovehicule, echipamente agricole, sisteme industriale, ș.a.), precum și o tratare mai ,,holistică" a sistemului proiectat/realizat. Însă cu adevărat definitorie este aici alcătuirea vizual-schematică a analizei CAE.

O soluţie CAD-CAE concretă şi facilă

Acest pachet software de simulare a sistemelor dinamice a fost creat în urmă cu patru decenii prin colaborarea dintre compania Boeing (producătoare celebră în domeniul aero-spaţial) și corporaţia MSC Software (creatoarea soluţiilor NASTRAN și ADAMS), și a ajuns în portofoliul Hexagon în anul 2017, odată cu achiziţionarea firmei MSC Software.

Aplicaţia Easy5 (al cărei nume este o abre­viere de la ,,Engineering Analysis System’’) și-a consolidat o reputaţie privind simularea precisă a sistemelor de control, a mecanismelor, a sistemelor hidraulice și pneumatice, a instalaţiilor de fluide, a agregatelor termice (de încălzire/răcire), a siste­melor electro-mecanice, a sistemelor de lubrifiere, a punţilor motoare pentru autovehicule, ș.a.m.d.. Atuul, și totodată specificul acestei soluţii software, constă într-o abordare simplificată a unor apecte ale analizei CAE/FEA tradiţionale (aspecte care necesită mult efort în cazul sistemelor dinamice). Analiza sistemelor dinamice – adică sisteme al căror principal comportament este o funcţie de timp – se face folosind ecuaţii algebrice sau ecuaţii diferenţiale de ordinul întâi.

Prima simplificare asumată de Easy5 rezidă în faptul că modelează în mod tipic o singură dimen­siune spaţială (de exemplu, cursa rectilinie a unui actuator, sau rotaţia unui motor). De fapt, aplicaţia poate analiza, prin compunere, sisteme evoluând în oricâte dimensiuni dacă i se furnizează seturile de ecuaţii descriind mișcarea.

O altă simplificare se manifestă la interfaţarea cu utilizatorul: în Easy5 sistemul de analizat se reprezintă prin asamblarea (vizuală și logică) a unor componente grafice schematice. În acest sens, pachetul software include o bibliotecă de componente predefinte (blocuri), cu ajutorul cărora se poate asambla un model reprezentând sistemul vizat, și care componente încorporează ecuaţiile necesare simulării. În această manieră, utilizatorul – proiectant, inginer – va lucra cu o paradigmă schematică familiară (ușor asimilabilă), în care, pentru particularizare, doar va specifica conexi­unile dintre componente, modelând sistemul de analizat într-un mediu ierarhic multi-nivel relativ ușor de înţeles și de folosit. (De notat că în această abordare se pot stabili cerinţele de proiectare și se poate verifica performanţa sistemului analizat fără a importa geometrie CAD.)

În reprezentarea modulară utilizatorul va insera blocuri cărora le specifică semnalele de intrare, iar la rulare fiecare bloc va realiza o operaţie matematică și va transmite rezultatul blocului din aval. Simularea presupune de obicei reluarea proce­sului, eventual repetat explicit în pași de timp foarte mici, până la finalizarea analizei. Easy5 generează automat sistemele de ecuaţii pentru diagrama care modelează sistemul analizat, pe baza ecuaţiilor caracteristice blocurilor asamblate, iar aici notăm și faptul că utilizatorul poate, la nevoie, să creeze propriile blocuri, cu ecuaţii matematice definite după necesităţi particulare.

Abilităţi Easy5

Deși este dedicat simulărilor dinamice (pe coor­donata timp), aflăm despre acest software CAE că poate derula și alte tipuri de analize (14 în total): analiză statică, liniarizare de model, analiză aleato­rie, calcularea limitei de stabilitate, ș.a. De exemplu, solverul de analiză statică este foarte util pentru determinarea punctului iniţial de operare, sau pen­tru aflarea valorilor de echilibru ale sistemului, înainte de a recurge la orice integrare de timp.

Spuneam că sistemul care se dorește a fi analizat este aici modelat prin asamblarea de blocuri existente predefinite din biblioteca Easy5. În această colecţie de module vom găsi în primul rând blocurile de modelare matematică (suma­toare, divizoare, diferenţiale, integratoare, filtre de compensare a întârzierilor, etc), dar și blocuri speci­fice aplicărilor industriale (supape, ventile, actua­tori, celule de combustie, reductoare, etc), adică module aparţinând unor biblioteci specializate, pre­cum: hidraulică, termostatică, motopropulsoare, dinamica gazelor, aerospaţial, fluide multifazice, pneumatică, sisteme electrice, motoare, pile elec­trice și altele. (Biblioteca Easy5 are implicit câteva sute de componente, organizate pe categorii, iar utilizatorul poate defini oricând noi blocuri.)

Biblioteci implicite de componente:

• General Purpose Library (blocuri de uz general);
• Interactive Simulation Library (blocuri pentru simulări interactive);
• Aerospace Vehicle Library (blocuri specializate pe analiza dinamică a componentelor de aeronave).

Biblioteci adiţionale:

• Gas Dynamics Library (blocuri pentru modelarea sistemelor cu fluide gazoase compresibile);
• Thermal Hydraulic Library (blocuri pentru modelarea avansată a sis- temelor cu fluide lichide).
• Electrical System Library (blocuri pentru modelarea sistemelor elec- tromecanice, electroenergetice și electronice).

Desigur, derularea analizelor beneficiază de flexibilitate: după oricare fază a procesului, utilizatorul poate iniţia o întoarcere la o fază anterioară, pentru a modifica datele/parametrii de intrare; fie ca o ajustare convergentă, fie pentru a studia sensibilitatea la variaţia parametrilor. Modificarea datelor de modelare nu afectează modelul executabil (modelul definit în Easy5 ca reprezentare a sistemului de analizat), astfel că analizele se pot re-derula imediat.

De menţionat este și faptul că, având o arhitectură deschisă, Easy5 poate colabora în simulări și cu alte aplicaţii CAE, precum MSC.ADAMS, MSC.Nastran sau Simulink. Software-ul Easy5 rulează pe calculatoare având sisteme de operare Windows și Linux (pe 64 de biţi).

Analize în Easy5

Aplicaţie CAE cu programare vizuală, Easy5 poate fi folosit la modelarea și analizarea de sisteme dinamice multi-domeniu, fiind destinată a ajuta activitatea de proiectare și dezvoltare a diverselor produse complexe (mecanice, termice, hidraulice, pneumatice, electrice, etc). Pentru aceasta, software-ul poate supune modelul vizat atât la analize liniare cât și la analize neliniare. Opţiunile de analiză neliniară includ posibilitatea de a derula atât analize dinamice cât și analize statice. De asemenea, Easy5 poate genera o aproxi­mare liniară a modelului neliniar, oferind astfel o percepţie referitoare la stabilitatea și performanţa sistemului neliniar în diverse puncte de operare.

Dintre facilităţile de analiză liniară menţionăm:

• analize ale funcţiilor de transfer (calcu­larea polilor, a zerourilor, coeficientul de dirijare, răspunsul în frecvenţă între oricare două puncte din model, ș.a.);
• analiza punctului rădăcină (determină punctul propriu al modelului de sistem ca o funcţie de orice variabilă);
• analiza sensibilităţii valorii proprii (măsoară sensibilitatea valorilor proprii ale sistemului la modificările de parametri aplicate de utilizator);
• analiza marjelor de stabilitate (determină valo­rile maxime și minime ale parametrilor specificaţi de utilizator între care se menţine stabilitatea siste­mului);
• analiza de generare a modelului liniar (calculează modelul liniar complet și vectorii proprii ai modelului liniar).

Aplicări concrete:

• Termo-hidraulică: sisteme de acţionare liniară; sisteme cu cilindri de presiune; sisteme de transmitere a mișcării; sisteme de frânare cu anti-blocare; trenuri de aterizare pentru avioane; sisteme de injecţie combustibil; sisteme de suspensie activă; sisteme de lubrifiere;
• Dinamica gazelor: pneumatică; propulsie; sterilizare; cicluri de aer și abur; instalaţii cu gaz de înaltă presiune; transport fluide gazoase; absorbţie; reacţii în fază gazoasă; HVAC; ECS; sisteme gazoase multi- specie;
• Fluide în multi-fază: refrigerare; aer-condiţionat; climatizare; reţele de conducte criogenice; sisteme de abur/apă; sisteme de combustibil cu fluide exotice/volatile;
• Sisteme de control hardware și software (SCADA): sisteme de achiziţie a datelor; comunicaţii asincrone; filtre electronice analogice și digitale, circuite în buclă de reacţie; comunicaţii cu magistrale de reţea (CAN) etc.
• Sisteme electrice: motoare CC/CA; circuite electronice de putere; baterii etc.
• Modelare detaliată pentru dinamica zborului, ș.a.m.d.