ИНЖЕНЕРНЫЙ АНАЛИЗ ИЗДЕЛИЙ В САПР Ст. пр. Осипович

ИНЖЕНЕРНЫЙ АНАЛИЗ ИЗДЕЛИЙ В САПР Ст. пр. Осипович Дарья Андреевна daria. osipovich. pnrpu@gmail. com

Инженерный анализ изделий «Будет ли проектируемая конструкция работоспособной в тех условиях, для которых она предназначена? »

Виртуальный эксперимент • Целью является установление соответствия изделий предъявляемым требованиям и возможность их эксплуатации в суровых условиях. • В ряде случаев конструкция должна быть безупречной изначально, с первого образца. Например, если изделие запускается в космос, его невозможно вернуть обратно для устранения неполадок. • Тестирование изделий и проектных решений, которые в дальнейшем будут эксплуатироваться в условиях, отличных от обычных, затруднено.

Методы решения инженерных задач Аналитические: • Простейшие виды расчетов; • Упрощенное представление изделия; • Высокие требования к квалификации исполнителя. Численные: • Конструкции любой сложности; • Различная степень детализации; • На каждом этапе вносится погрешность; • Ресурсоемкость.

Модули САПР CAD — автоматизированное конструирование САМ — автоматизированное производство САЕ — инженерные расчеты

СAE • Анализ напряженно-деформированного состояния тел и динамики потока газа/жидкости; • Базируется на конечно-элементных сетках;

История развития САЕ систем • 1950 г. – Разработка метода конечных элементов. • В 1963 г. был предложен способ применения метода конечных элементов для анализа прочности конструкции путем минимизации потенциальной энергии. • К 1970 г. был создан и введен в эксплуатацию пакет NASTRAN (NAsa STRuctural ANalysis).

История развития САЕ систем 70 е – подтверждение принципиальной возможности проектирования сложных решений с использованием компьютера 80 е – появление массовых расчетных систем 90 е до н. в. – распространение производственных систем и совершенствовани е их функциональности

Системы САЕ • Pro/Mechanica как компонент Pro/Engineer от PTC; • расчетный модуль Catia и Solidworks Simulation (бывший COSMOSWorks) от Dassault Systems; • ANSYS • T-Flex Анализ от Топ-Систем • NX Nastran от Siemens PLM Software • Open. FOAM для UNIX

Преимущества интегрированных САЕ модулей • Общий графический интерфейс со средой проектирования; • Наличие ассоциативных связей между конструкторскими и расчетными моделями; • Не требуется специальных знаний в области механики напряженно-деформированного состояния.

Эффект от использования САЕ • Повышение производительности инженерного анализа на 70 % Обеспечивает быстрый выпуск изделия на рынок. Позволяет проверить большее количество проектных альтернатив на ранних этапах разработки. • Повышение качества изделий Мультидисциплинарное моделирование реальных условий функционирования изделий позволяет лучшее понимание его поведения и характеристик. • Сокращение расходов на разработку изделий Быстрое выполнение инженерных расчетов позволяет раньше вносить в проект изменения на основе полученных результатов и исключить необходимость внесения дорогостоящих проектных изменений на поздних этапах проектирования.

Метод конечных элементов • дискретизация объекта с целью решения уравнений механики сплошной среды, в предположении, что эти соотношения выполняются в каждой элементарной области

Конечный элемент (КЭ) • КЭ – малая область тела, аппроксимирующая его геометрию • КЭ может соответствовать реальной части пространства или быть математической абстракцией.

Основные типы анализа • статический анализ • анализ собственных частот и форм свободных колебаний • анализ отклика на воздействия, зависящие от времени или частоты; • анализ потери устойчивости конструкций, • базовый нелинейный анализ, • анализ переходных процессов, • анализ теплопереноса, • нелинейный анализ на базе явных схем интегрирования, • нелинейный динамический анализ на базе явных схем интегрирования, • оптимизационный анализ, • Тепловой анализ, • Анализ потока.

Системы САЕ • Pro/Mechanica как компонент Pro/Engineer от PTC; • расчетный модуль Catia и Solidworks Simulation (бывший COSMOSWorks) от Dassault Systems; • ANSYS • T-Flex Анализ от Топ-Систем • NX Nastran от Siemens PLM Software • Open. FOAM для UNIX

NX Advanced Simulation. Н авигаторы сим ул яц ии и постпроцессора Панель инструментов базового модуля Панели инструментов модуля «Расширенная симуляция» Структурное представление файлов в сессии

Порядок действий при решении задачи анализа в CAE • Создание идеализированной математической модели объекта; • Создание дискретной конечно-элементной сетки; • Задание граничных условий, описывающих условия эксплуатации или испытания объекта. • Решение системы уравнений, соответствующих выбранному типу анализа.

Этапы проведения анализа Форматы файлов *. prt *. fem *. sim *. op

Схема типичной расчетной модели

Создание КЭ модели ( FEM Part). • В данном файле также задаются и хранятся физические свойства частей модели, такие как свойства материалов или параметры оболочечных и стержневых элементов. • Геометрия в созданном файле FEM является полигональной , то есть состоит из фасетов, вершин и ребер. • Файл FEM ассоциативно связан с идеализированной геометрией, то есть может быть обновлен автоматически в случае внесения изменений в исходную или идеализированную геометрию.

Назначение свойств материала • Для выполнения любого типа анализа необходимо на этапе создания КЭ модели задать физико-механические свойства материалов; • Для этого можно использовать материал, выбранный для геометрических тел на этапе создания мастер-модели идеализированной геометрии, или задать материал в коллекторе.

Библиотеки материалов • При назначении материала можно использовать библиотеку материалов или создать новый материал, который будет храниться только в данной КЭ модели. • В зависимости от типа анализа могут использоваться следующие типы материалов: изотропный, ортотропный, анизотропный, типа жидкость/газ, а также несколько моделей нелинейных материалов. • Порядок действий при задании материала: выбор тела/группы тел – выбор библиотеки материалов/локальных материалов – выбор необходимого материала из списка.

Виды используемых сеток • 0 D – скалярные элементы в выбранных точках; • 1 D – одномерные элементы на ребрах, линиях; • 2 D – двумерные элементы на гранях и поверхностях; • 3 D – пространственные твердотельные элементы в объемах.

Создание 3 D сеток • 3 D – пространственные твердотельные элементы в объемах. • Пространственные твердотельные конечные элементы используются для моделирования толстых пластин и объемных тел. • Для задач механики деформируемого твердого тела каждый узел 3 D элемента имеет три поступательные степени свободы.

Основные типы анализа • Статический анализ • Анализ собственных частот и форм свободных колебаний • Анализ отклика на воздействия, зависящие от времени или частоты; • Анализ потери устойчивости конструкций , • Базовый нелинейный анализ, • Анализ переходных процессов, • Анализ теплопереноса , • Нелинейный анализ на базе явных схем интегрирования, • Нелинейный динамический анализ на базе явных схем интегрирования, • Оптимизационный анализ , • Тепловой анализ , • Анализ потока.

Анализ напряженно-деформированного состояния (НДС) деталей и конструкций • Цель расчета на прочность – определение момента исчерпания несущей способности конструкции. • Линейные и сдвиговые деформации приводят к разрушению по различным схемам. • Энергия деформирования: 222222 2 1 6 1 yzxzxyyzzxyxф. GЕ u

Статический анализ • Все расчеты проводятся в области предела пропорциональн ости • Процессы разрушения и пластического деформирования не рассматриваютс я • Перемещение тела как жесткого целого не допускается

Дерево расчетной модели • Имеет известную структуру. • Может содержать несколько решений с различными наборами ограничений.

Менеджер подслучаев • Позволяет создавать различные расчетные задачи из одного набора граничных условий.

Граничные условия • Нагрузки • Ограничения степеней свободы • Объекты симуляции

Состояние элементов нагрузок и ограничений

Системы координат Определение системы координат требуется для полноценного задания компонентов нагрузок и ограничений. Типы систем координат: • Глобальная – абсолютная, создается вместе с моделью; • Рабочая – связывается с геометрией модели; • Локальная – определяется пользователем, возможно изменение вида; • Узловая – локальная, назначенная узлу КЭ модели; Может быть системой координат перемещений или ссылочной.

Вызов команды приложения нагрузок или ограничений • Через панель инструментов «Расширенная симуляция» • Через нажатие ПКМ на соответствующий контейнер в Навигаторе симуляции

Структура диалогового окна • Тип условия • Объект приложения • Система координат • Задание величины, поля или компонент нагрузки с указанием единиц измерения

Создание решения • В одной расчетной модели может быть несколько решений с разными комбинациями граничных условий и типами анализов.

Мониторинг анализа и решения Позволяет в реальном времени оценивать процесс решения: • Стадию расчета; • Сходимость нелинейных задач; • Изменение начальных значений величин. Позволяет обнаруживать ошибки в процессе решения.

Постпроцесс Результаты завершенного анализа отображаются на панели «Навигатор постпроцесса» в виде: • Контурных диаграмм • Численных значений • Графического представления эпюр. Файл результатов *. ор2 Векторная величина Тензорная величина Скалярный результат, например, температура

Оптимизация в NX Advanced Simulation

Параметры оптимизации • Целевая функция – параметр, характеризующий основную цель оптимизации, например, сокращение массы. • Проектные переменные – набор параметров конструкции, варьируемых в определенных пределах для достижения цели оптимизации. • Проектные ограничения – предельные значения физических величин результатов.

Геометрическая оптимизация • Оптимизация формы модели; • Оптимальный поиск производится по градиентному методу; • Модуль запускается через «навигатор симуляции» или меню «Вставить» .

Диалоговое окно «Оптимизация» : задание цели

Задание проектных переменных • параметры сечений для 1 D стержневых элементов; • толщины 2 D оболочечных элементов; • геометрические параметры CAD-модели; • размеры эскизов, на основе которых создается КЭ модель

Задание ограничений • Определяются верхние/нижние пределы различных физических величин в зависимости от типа базового анализа.

Диалоговое окно «Оптимизация геометрии» Определяет условия окончания расчета: • по количеству итераций или • по минимальному улучшению Позволяет сохранять все промежуточные представления модели.

Анализ результатов Оптимизации

Оптимизация геометрии • В 2011 году появилось решение NX Topology Optimization, в основу которого заложены алгоритмы Tosca, разработанные компанией FE Design.

Устойчивость • Устойчивость – способность конструкции сохранять исходную форму равновесия после снятия внешних воздействий • Потеря устойчивости – переход в состояние, отличное от первоначального • Нагрузки потери устойчивости называются критическими.

Формы потери устойчивости При переходе в закритическое состояние возможно 4 состояния: — Новые формы равновесия, смежные с исходной. — Новые форм равновесия, не смежные с исходной. — Отсутствие статических форм равновесия (состояние движения). — Потеря несущей способности – равновесное состояние невозможно. 1. 2. 3.

Динамический анализ конструкций • Анализ отклика конструкции на внешнее переменное по времени воздействие. • Свойства движения системы : масса, диссипация энергии, жесткость системы и внешние нагрузки.

Основные цели динамического анализа: • Оценка вибропрочности , устойчивости и выносливости конструкций; • Использование истории нагружения для проведения анализа усталостной прочности конструкции при циклических воздействиях; • Конструктивные усовершенствования и/или оценка возможности использования дополнительных элементов конструкции для уменьшения уровня вибрации и исключения возникновения резонанса на рабочих режимах; • Разработка мероприятий виброзащиты , необходимых для снижения неблагоприятного воздействия вибраций на технический персонал.

Определение собственных частот и форм колебаний • Часто используется на предварительном этапе решения динамических задач. • Решатели: SEDCEIG 107 – (прямой) и SEMCEIG 110 (модальный), SEMODES 103 (расчет действительных собственных частот).

Цели анализа собственных частот: • Анализ взаимодействия между агрегатом , работа которого подразумевает колебательное движение, и какой-либо системой, выступающей в роли опоры. • Определение необходимых мероприятий по внесению конструктивных изменений либо оценка их эффективности на основании полученных частот. • Определение оптимального расположения вибродатчиков и возбудителей колебаний при планировании натурного эксперимента. • Как предварительный этап перед различными типами динамического анализа.

Анализ потока • CFD – computational flow dynamic – системы моделирования течения. • Течение может быть внутри канала или обтекать объект. • Выполняется с учетом теплообмена