НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Николай Биба,

к.т.н., генеральный директор

© 2007 ООО «КванторФорм»,

а/я 39, 119049 Москва, тел/факс +7 495 232 2691,  info@qform3d.com

www.qform3d.ru

Введение

Программы компьютерного моделирования процессов ОМД предназначены для анализа больших деформаций металла (мы часто говорим «течения металла») в технологических процессах типа штамповки, прессования, прокатки и др. При этом моделируется собственно формоизменение металла, распределение температуры, деформаций и напряжений, как в деформируемой заготовке, так и в рабочих инструментах (штампах, вальцах, матрице пуансоне), которые испытывают  значительные нагрузки.

С точки зрения технолога, ценность программы моделирования заключается в точности прогноза, простоте использования и скорости выполнения расчетов. Именно по этим критериям идет выбор программы для применения на том или ином заводе. Именно этим главным критериям подчинено развитие QForm в течение всех шестнадцати лет работы нашего коллектива ученых и программистов.  

Понятие точности предполагает хорошее соответствие результатов, полученных моделированием, реальным процессам как по формоизменению (заполнение штампов, возможное образование складок и других дефектов), так и по остальным параметрам (температура, усилие деформирования и т.д.). В качестве примера на рис. 1 приведены результаты моделирования заготовительной операции вальцовки, подтверждающие возможности моделирования точно предсказывать формоизменение. 

                                                                                  а                                                           б                                     в

Рис. 1. Моделирование вальцовки заготовки в четырех проходах в ковочных вальцах: (а) главное окно программы QForm; (б) формы заготовки после каждого перехода, полученные моделированием; (в)  формы заготовки после каждого перехода, полученные на практике

Немного истории

Технологические задачи формоизменения металлов сильно отличаются от других задач анализа деформаций и напряжений, например, в конструкциях. Главное отличие – это очень большая степень деформации, исчисляемая тысячами процентов, которая исключает применение программ, предназначенных для прочностного анализа. Такие известные программы как ANSYS, COSMOS, NASTRAN при всем своем совершенстве не могут быть использованы в этой области сколько-нибудь эффективно. Моделирование течения металла в большинстве технологических процессов предполагает многократное (сотни и тысячи раз за расчет) автоматическое перестроение сетки, течение металла по поверхности инструмента с трением (контактная нелинейная задача), связь деформации с полем температуры, выход на качественные параметры изделия (формирование волокнистой структуры поковки). Результаты такого уровня и качества могут быть получены только при помощи специализированных программ,  целенаправленно разработанных для данной области применения.

Здесь выбор программ невелик. В настоящее время на мировом рынке представлены четыре программы. Вот их названия в алфавитном порядке:

• DEFORM;
• FORGE;
• QForm;
• SuperForge/SuperForm.

Каждая из них имеет свою историю, преимущества и ограничения.

DEFORM раньше всех появилась на рынке и получила наиболее широкое распространение в США. В Германии она делит рынок с QForm и FORGE, а в Англии и Швеции, например, существенно уступает QForm. В России распространяется компанией ТЕСИС наряду с десятком других инженерных программ разных производителей, что позволяет усомниться в качестве поддержки потенциальных пользователей. Согласно сайту компании, количество пользователей на всем пространстве СНГ не превышает 5 заводов и 5 вузов в регионах. 

FORGE – это очень мощная программа, нацеленная на продвинутых пользователей. Обладает широкими возможностями, но очень сложным интерфейсом. Используется в основном на наиболее технически продвинутых заводах, где есть возможность создания специализированного центра моделирования с высококвалифицированным персоналом. Имеет почти монопольное использование во Франции (пользуется протекционистской поддержкой французского правительства), значительно меньше применяется в США, делит рынок с QForm и DEFORM в Германии и с QForm в Италии. Самая дорогая по цене. В России не продается и не имеет представительства.

SuperForge/SuperForm – проект со сложной судьбой. Первоначально основы подхода (так называемый метод конечных объемов)  и собственно программа SuperForge были разработаны в Японии. Затем были куплены гигантом на рынке инженерных программ американской корпорацией MSC. Тогда же MSC купила программу MARC AutoForm (основанная на методе конечных элементов) вместе с самой компанией MARC Inc. и  переименовала ее в SuperForm. Обе программы были объединены под общим интерфейсом, что сделало продукт довольно громоздким. Проект оказался коммерчески несостоятельным, и в марте 2007 года MSC объявила, что прекращает его разработку и передала права на поддержку и распространение этой программы компании FEMUTEC в Германии. Дальнейшие перспективы пока неясны.

Наконец, QForm. К нашей гордости (и, с другой стороны, к глубокому сожалению, поскольку «за державу обидно»), QForm, наверное, единственный российский продукт для инженерного анализа, который получил широкое распространение во всех индустриально развитых и быстро развивающихся странах. Этого успеха удалось достичь за счет высокого научного уровня разработки, использования самых современных технологий программирования, международной кооперации и стратегически правильного выбора пути развития в соответствии с основными потребностями пользователей на наиболее перспективных рынках и видах производств.

Критичным был выбор вектора первоначальной экспансии продукта в момент его создания в начале 90-х. Поскольку отечественная промышленность в то время не проявляла платежеспособных признаков заинтересованности в такого рода программах, то ее использование под названием в то время FORM2D началось 1993 году сначала на заводах в Швеции, а затем в других странах Европы. Работа с требовательными пользователями в условиях жесткой конкуренции со стороны уже бывших на европейском рынке в ту пору DEFORM, FORGE, MarcAutoForge много дала нам для правильного понимания потребностей  современного производства с точки зрения применения моделирования, потребных возможностей программы и оптимального интерфейса пользователя.

Были предприняты энергичные маркетинговые шаги. FORM2D, а затем QForm представлялся на всех значимых конференциях, выставках, участвовал во всех международных тестах начиная с 1994 года. Была создана сеть представителей и дистрибьюторов во всех промышленных странах. Сейчас QForm имеет интерфейс и работает на русском, английском, немецком, китайском, испанском, португальском, польском и итальянском языках. Имеет более 150 лицензий по всему миру, как на заводах, так и в университетах.

В результате слаженной и энергичной работы разработчиков и менеджеров программа приобрела современные вид и возможности и имеет заслуженный авторитет.

QForm в вузах России

Истоки нашей программы лежат в пионерских работах, которые велись в МИСИС и МГТУ им. Н.Э. Баумана еще в 80-х годах. Коллектив разработчиков тесно связан с московскими вузами. Мы хорошо понимаем потребности и возможности российского высшего образования. Поэтому QForm является безусловным лидером в применении в учебном процессе и исследованиях в России. За последние годы число пользователей среди вузов России превысило некоторую «критическую массу», что позволило создать сообщество пользователей QForm среди студентов и исследователей[1].

При этом российские пользователи получают огромные преимущества от того, что QForm – отечественный продукт. Конечно, это более низкая цена, чем у импортных продуктов или чем мы сами запрашиваем в Европе и Америке. Но главное – это возможность непосредственного контакта с разработчиками программы. Это позволяет получить уровень поддержки несопоставимый с тем, что предоставляют различные и часто не самые компетентные посредники для импортных продуктов. Более того, КванторФорм заинтересован в таких контактах как с целью получения обратной связи для совершенствования программы, так и с целью привлечения талантливой молодежи для работы над новыми проектами.

Мы регулярно проводим семинары в Москве (следующий, на момент написания статьи - 10 октября 2007 г.) и в регионах (ближайший - 23 октября 2007 г. в Екатеринбурге). Большой интерес представляет ежегодная межвузовская студенческая конференция «Студенческая Весна: технологии обработки металлов давлением» (www.stud-vesna.narod.ru), проводимая совместно с МГТУ им. Н.Э.Баумана, где большая часть представленных работ – это результаты исследований при помощи QForm.

Но самое интересное это живое общение. Ежегодно десятки студентов из разных вузов проходят практику в КванторФорм. Многие из них выполняют свои дипломные работы с использованием программы у себя в ВУЗе или же непосредственно в КванторФорм. В основу нескольких диссертаций легли работы, выполненные при помощи нашей программы.

На конференции «Студенческая Весна 2007: технологии ОМД» был специальный семинар «Методика преподавания технологии ОМД с применением программы QForm», на котором преподаватели ведущих ВУЗов делились опытом обучения студентов с использованием этой программы. Подготовлены и опубликованы учебные пособия по применению QForm в учебном процессе.

Такое внимание преподавателей объясняется тем, что QForm идеально подходит для условий ВУЗов. Программа крайне проста в использовании, за сравнительно небольшие деньги можно установить много рабочих мест, считает быстро. Одинаково хорошо подходит как для объяснения сути технологических процессов на лекциях и практических занятиях, так и для самостоятельной работы студентов (курсовые, дипломы). Например, в МГТУ им. Н.Э.Баумана QForm установлен в зале ВЦ кафедры, и до позднего вечера там бурлит жизнь. Старшие студенты что-то объясняют младшим, обсуждают результаты – настоящий студенческий клуб.

QForm идеальное средство для преподавания дисциплин, связанных с обработкой металлов давлением. Например, из доклада доц. О.А. Белокурова в МГТУ им. Н.Э. Баумана, QForm применятся с самого начала обучения до выпуска студентов в следующих курсах: «Введение в специальность»,  «Основы автоматизированного проектирования», «Нагрев и нагревательные устройства», «Технология и автоматизация ковки», «Технология горячей объемной штамповки», «Моделирование технологических процессов обработки давлением»,  «Кузнечно-штамповочное оборудование», «Управление процессами и оборудованием обработки давлением» «Диагностика и управление оборудованием ОМД», в курсовом проекте «Технологии ГОШ» и дипломном проектировании. QForm также хорошо сочетается с другими предметами, например с курсом по основам САПР (рис. 2, 3). Как сказал заведующий кафедрой каф. МиТОМД ДонГТУ, профессор Б.С. Мороз: «Без QForm мы сейчас в учебном процессе обойтись не можем».

                                                                                         а                                                б                                                    в

Рис. 2. Создание модели штампов в SolidWorks (а); автоматическое преобразование в конечно-элементное представление в QForm (б и в)

 а                                               б                                                   в

Рис. 3. Моделирование горячей штамповки в штампах, показанных на рисунке 2. Соответственно первый (а), второй (б) и третий (в) переходы

Дипломные работы, выполнение с использованием QForm отличаются глубиной исследования,  хорошим пониманием технологии и наглядным представлением материала (рис. 4). Здесь же показана последовательность работы с программой.

Рис 4. Лист из дипломной работы выпускника  МГТУ им. Н.Э. Баумана В.В. Мастеркова

Пять причин использовать QForm в российских вузах

1. Качество решения

По этому критерию QForm безусловный лидер. Наш автоматический генератор сеток, квадратичная аппроксимация геометрии обеспечивают безупречную работу программы для самых сложных конфигураций деформируемых тел. Это преимущество наглядно проявляется, например, при образовании складок. QForm продолжает работать без остановки, а пользователям DEFORM  приходится вмешиваться и модифицировать сетки вручную.

2. Интерфейс

Во-первых, интерфейс на русском языке (хотя можно включить и любой другой), но главное – он чрезвычайно прост. Для подготовки расчета надо сделать всего несколько простых шагов в Мастере Подготовки Данных – и расчет пошел. Подготовка занимает не более нескольких минут. Студенты осваивают программу за половину занятия, а затем уже используют ее как учебное пособие и инструмент исследования.

3. Непосредственный контакт с разработчиками

С вопросами любой сложности можно обратиться непосредственно к нам и получить ответ быстро и на родном языке. В России создалось сообщество пользователей QForm. Люди обмениваются опытом и идеями как о промышленном применении программы, так и о ее использовании в учебных целях.

4. Пользователь получает программу в полной комплектации

В отличие от DEFORM, имеющем много модулей, мы придерживаемся концепции «все в одном». QForm2D/3D это единая программа для двумерного и трехмерного моделирования. Туда же включен и модуль работы с геометрией QShape. Никаких ограничений по функциональным возможностям. Можно рассчитывать все многообразие процессов ОМД: ковку, штамповку, прокатку, прессование и др. Это очень важно для обучения.

5. Более низкие цены и гибкие условия лицензирования

Нами разработаны специальные условия лицензирования для университетов. Можно обратить внимание на следующие детали. Во-первых, на незначительное увеличение цены при расширении количества рабочих мест. Во-вторых, в комплект поставки входит программа QFormPlayer для подготовки данных и просмотра результатов. Ее использование неограниченно. Студенты могут готовить исходные данные и конвертировать геометрию, даже не находясь в классе. Затем запускать расчет на QForm в университете, а по его завершении с помощью QFormPlayer изучать результаты и готовить отчеты дома. Это дает значительный резерв для повышения эффективности учебного процесса.

Перспективы развития

QForm – очень динамично развивающаяся программа. Каждые полгода выходят новые версии с возможностями моделирования новых процессов и использующие преимущества новых аппаратных средств. В нынешней версии QForm применяется параллельность вычислений, что значительно повышает производительность на компьютерах с двумя и четырьмя процессорами под правлением операционной системы Vista. На выходе 64 разрядная версия QForm.

Разрабатываются новые специальные модули по моделированию экструзии фасонных профилей, раскатке колец и термообработке. Успех впечатляющих планов развития зависит в немалой степени и от налаженного взаимодействия с исследователями в университетах. Именно поэтому компания КванторФорм особенно заинтересована в успешной совместной работе с российской системой образования.

Заключение

Программа QForm хорошо зарекомендовала себя в промышленности в мире и в России и обладает свойствами, позволяющими применять ее в обучении студентов и в исследованиях (простая, доступная, надежная).

Разработка программы ведется в России отечественными учеными и программистами, что дает уникальную возможность взаимодействия пользователей с разработчиками и обеспечивает преемственность отечественной науки и образования.

Пример ведущих вузов России показал, что наибольший эффект достигается при массовом использовании программы на наибольшем количестве учебных мест в компьютерных классах и практически во всех курсах, связанных со специальностью ОМД.

Программа хорошо подходит для самостоятельной работы студентов (курсовые и дипломные работы).

Компьютерное моделирование позволяет во многом заменить натурные эксперименты при проведении лабораторных работ.