В математическите методи за якостно пресмятане на конструкции познати на всеки инженер от учебниците за техническа механика за съпротивление на материалите не се е променило много в последните двайсет години. Ограниченията на тези методи са в неприложимостта им в реалните условия на промишлеността, където в изключителни кратки срокове, много често без наличитето на служители с голяма теоритична подготовка в методите на техническата механика и съпротивлението на материалите е нужно да бъдат прогнозирани якостните характеристики на зададената конструкция. В реалните проектни условия се налага да бъдат проведени якостни изчисления на множество детайли от една машина или сложна сглобена единица или цяла инсталация на базата на тримерно представени модели със сложна форма, за които често не важат общите формулировки от механиката и съпротивлението на материалите. За да могат те да бъдат пресметнати и подобни детайли е нужен метод работещ с приближения. Методът на Крайните елементи е основан на приближения, което го прави незаменим при пресмятането на детайли с форма, която не отговаря на типизираните задачи от техническата механика и съпромата. Неговата приложимост за решаване на разнообразни. якостни и динамични задачи все още представлява фундамента на много софтуерни решения за провеждане на компютърно подпомогнати симулации и якостни изчисления.
CATIA Analysis и SIMULIA Extended Analysis са събирателни названия за всички специализирани модули в CATIA, които позволяват провеждането на якостни, термични и динамични симулации и анализи. CATIA Analysis и SIMULIA Extended се разработват от фирма Dassault Systemes, която е позната в света на програмите за виртуално проектиране най- добре с CAD програмата CATIAнай-разпространеното решение за виртуално проектиране в света.
Гарантиране на якостните характеристика на изделията преди изработване на физически прототипи. Как да гарантираме, че изисканите характеристики на продукта, неговото поведение в реални условия и неговата надежност ще бъдат изпълнени, още преди да е готов дори първия физически прототип? Как да се убедим, че компонентите на дадена сглобена единица, машина или инсталация ще издържат на зададените натоварвания и няма да доведат до повреда на цялата система? Как да снижим разходите за вложения в изделието материал чрез натрупване на материал в области на преминаване на силовите линии и отнемането му в слабо натоварени части от детайла? Как да ускорим решения касаещи формата на изделието, още в начална фаза на разработването му, когато това е възможно? Инженер- конструкторът може да получи отговор на тези въпроси лесно и бързо, ако ефективно използва възможностите за на вградените модули за симулация и анализ чрез Метода на крайните елементи (МКЕ) в използваната от него CAD програма.
Класически подход за компютърни якостни изчисления При класическия подход за провеждане на компютърно подпомогнати якостни изчисления конструкторския отдел и отдел „Изчисления“ представляват отделни, организационно разделени групи. Подходът в този случай може да се опише по следния начин: след завърщване на даден етап на изграждане на тримерния модел на изделието или на сглобката, а в случай и чак след окончателно му завършване се провеждат якостни изчисления в специализирана МКЕ програма от отдела „Изчисления“. Този подход на работа има следните отрицателни последствия:
• Загуба на време за прехвърляне на моделите от CAD програмата в МКЕ програмата, която е отделен софтуерен пакет
• Загуба на асоциативност между геометричен модел и омрежване
• Нужда от интензивна комуникация между конструктора и изчисляващия инженер. Прехвърлянето на подзадания дори в една и съща фирма е свързвана със спазването на определени формални стъпки, което коства време
• Възможни грешки в повърхнините на геометричния модел и нужно време за тяхното коригиране
Интегриран подход за компютърни якостни изчисления Типично за този подход на работа е използването на модерни програмни продукти за инженерно проектиране, които съдържат не само модули за създаване на тримерна геометрия, но и модули за провеждане на якостни изчисления. Типичен представител на подобен тип системи е CATIA с модулите от групата CATIA Analysis и SIMULIA Extended Analysis. При използването на подобен тип програмни
решения конструктора получава възможност да провежда самостоятелно първоначално прогнозиране на якостните характеристики на бъдещото изделие още във фазата на идеен проект и в първоначална работна фаза, без да се нуждае от специалист.
Интеграцията на модулите за якостни изчисления в работната среда на конструктора дава изключителни големи предимства, като например:
• Пълна асоциативност между тримерния модел и зададеното омрежване от крайни елементи и гранични условия. Промяна на геометричната форма на модела води до актуализиране на
омрежването при спазване на зададените гранични условия. • Възможност за провеждане на експерименти чрез вариации на параметър или група параматери от геометричния модел с цел подобряване на якостните характеристики.
• Възможност за сравнение на якостните характеристики на няколко алтернативни геометрични конфигурации на изделието при идентични гранични условия и характеристики на омрежването
• Резултатите от якостния анализ могат да бъдат своевременно взети впредвид в тримерния модел чрез струпването на повече материал в критични области от модела с високи напрежения и преминаване на важни силови линии и отнемане на материал от ниско натоварени области Интегрираният подход за компютърните якостни изчисления има големи предимства за ускоряване на цикъла за разработка. Основните якостни характеристики на изделието, най-подходящата му геометрична конфигурация с цел влагането на минимално количество материал и постигане на снижаване на теглото на изделието могат да бъдат анализирани и предварително симулирани от конструктора.
Едно от основните предимства на CATIA Analysis е, че с този модул могат да работят не само експерти по якостни изчисления, но и всички конструктори, които работят с CATIA поради еднаквата работна среда и логика на изграждане на отделните функции. Тъй като конструкторът не винаги разполага с експертни познания в Метода на Крайните Елементи, то за подобен тип вградени модули се изисква наличието на надежни вградени функции за проверка на точността и качеството на омрежването. По този начин се изключва възможността за неточности в резултатите например поради недостатъчно ниво на приближение на омрежването към реалната повърхност на модела.
CATIA Analysis и надграждането SIMULIA Extended Analysis- типични представители на интегрираните МКЕ модули Едни от водещите решения в света за интегрирани модули за якостни изчисления по Метода на крайните елементи са CATIA Analysis и SIMULIA Extended Analysis. SIMULIA Extended Analysis използва солвъра Abaqus и е предназначен за по-сложни задания.
CATIA Analysis позволява провеждането на симулации на якостните характерстики в типичната работна среда на CATIA. Логиката и използването на отделните функции до голяма степен отговаря на тази в стандартните модули на CATIА, което я прави лесна за използване за всеки, който работи с CATIА. Мощните алгоритми за създаване на омрежването съобразяват геометрията на детайла и адаптират гъстотота й към съответната геометрична област. По този начин омрежването е финно само в критични области на модела с цел да се намали броя на използваните елементи и по този начин да се съкрати времето за пресмятане
Якостна симулация на сглобни единици CATIA Analysis позволява провеждането на якостни
симулации в цели сглобени единици. За тази цел между отделните детайли на сглобената единица е нужно да бъдат зададени контактни условия (например пресови сглобки, заварки, крепителни съединения и др.). По този начин е възможно провеждането на якостни симулации без да се напуска работната среда на CATIA като конструкторите, които разработват паралелно сглобената единица, провежда постоянен контрол на
якостта на отделните възли и на цялата сглобена единица.
Провеждане на якостни симулации за големи
модели CATIA Analysis съдържа функции за омрежване и на големи модели, като например цялостно производствено хале или плавателен съд. Алгоритмите са оптимизирани така, че процеса на омрежване да трае само няколко минути въпреки големината на модела. Изключително подходящи са тези механизми при тънкостенни черупки (корабен корпус) или фoрми.
Оптимизация на конструкцията с Product Engineering Optimizer CATIA Analysis в комбинация с модула на CATIA Product Engineering Optimizer (PEO) дават съвършенно нови възможности на конструктора да достигне, а и да подобри зададените изисквания към конструкцията, като например намаляване на теглото, повишаване на коравината и намаляване на деформациите. Това става чрез свързване на геометричните параметри на 3D модела с резултатите от якостното изчисление в CATIA Analysis чрез оптимизационен алгоритъм. Начинът на работа при оптимизирането на конструкцията е чрез неколкократни итерации да се търси оптималното решение за чрез вариация на зададените параметри от 3D модела до достигане на максимум или минимум на зададения като целеви параметър. 
Комбинация между CATIA Analysis и
Knowledgeware Модулът на CATIA Knowledgeware дава още поголеми възможности за постигане на високи резултати при провеждането на якостни симулации. Принципно CATIA Knowledgeware служи за съхраняване на фирменото познание чрез формализиране на процеса на разработка на изделия. В комбинация с CATIA Analysis, CATIA Knowledgeware позволява използването на предварително разработени случаи на натоварване, които да бъдат използвани при изделия с близка форма. Възможно е също така да се заложат идентични условия на натоварване и да се сравняват якостните характеристики на различни варианти на дадено изделие при непроменящи си условия на натоварване и характеристики на омрежването.
SIMULIA Extended Analysis
Възможностите на CATIA Analysis покриват голяма част от задачите за решаване при проверка на якостните характеристики на изделия и сглобени единци нужни на инженер- конструктора. По-сложни задания, обединяващи в себе си различни физични явления, като например топлоотдаване, топлопренасяне, големи нелинейни деформации или сблъсък на тела под въздействие на сила също могат да бъдат симулирани и анализирани в CATIA в модула SIMULIA Extended Analysis. За решаване на тези задачи се използва солвъра Abaqus вграден в две надстройки (ATH и ANL). За потребителя смяната на надстройките става само чрез извикването на допълнителни функции в стандартната работна среда на CATIA.
SIMULIA Thermal Analysis (ATH)
SIMULIA Thermal Analysis (ATH) позволява пресмятането на температурното разпределеие в
отделен детайли и цяла сглобена единица. Могат да бъдат задавани характеристики на материалите в зависимост от температурата им, да се симулира ефекта на триене между повърхности и др.
SIMULIA Nonlinear Analysis
В модула SIMULIA Nonlinear Analysis е възможно да бъдат симурани явления на нелинейност например при материали с нелинейни характеристики, като например гума, много големи премествания, или пластифициарне, хипереластичност на изделия от гума, сложни контактни проблеми.
SIMULIA Rule Based Meshing (RBM)
Надстройката SIMULIA Rule Based Meshing (RBM) позволява още по-добър контрол на качеството на генерираната мрежа от стандартния механизъм за омрежване в CATIA Analysis, като позволява допълнително по- висока степен на автоматизация на процеса на създаване на мрежата чрез използване на предварително заложени правила. Потребителят може предварително да зададе правила, по които да бъдат омрежвани геометрични елементи като отвори, закръгления или оребрявания. Този подход е особено важен при създаването на омрежване на големи структури, като например цяла автомобилна каросерия с цел симулиране на сблъсък. При подобни изключително времеемки симулации е нужно да се работи с възможно най- малък брой на елементи на мрежата в модела. Геометрични елементи от модела с пренебрежимо малко влияние върху общите якостни характеристики на модела, могат да бъдат пренебрегнати чрез подходящо задаване на параметрите на омрежването в SIMULIA Rule Based Meshing.
Програмни приложения на фирми- партньори на
Dassault Systemes интегрирани в CATIA Analysis Програмни приложения допълващи основните модули на CATIA Analysis, които се основават на откритата архитктура за разработка на приложения в CATIA наречена CAA. Тези програмни пакети допълват модулите на CATIA Analysis и Simulia Extended Analysis със специализирани приложения за инженерни симулации. По-долу няколко примера за подобни интегрирани приложения:
