Solid Edge: Расчет методов конечных элементов

В случае же более сложных задач, особенно связанных с многокритериальным поиском минимума-максимума в рамках соблюдения какой-либо лимитирующей величины, можно подключить всю мощь продукта Microsoft Excel. Любая переменная в Solid Edge может быть управляема из таблицы Excel, а значит, итерационный поиск можно выполнять в этой программе, а результаты транслировать в Solid Edge с помощью ассоциативной связи ячеек с переменными параметрической модели Solid Edge.

Кроме простых расчётов, связанных с подбором параметров, Solid Edge позволяет проводить и гораздо более сложные, с привлечением серьёзного математического аппарата — Метода Конечных Элементов (МКЭ). Причём в Solid Edge существует 2 отдельных приложения для выполнения подобных расчётов. Самое простое из них, Solid Edge Simulation Express, входит в наиболее распространённый пакет Solid Edge Classic и представляет собой мастер-процесс для проведения прочностного и модального анализа простых деталей в среде Solid Edge. Он позволяет ответить на вопрос: «сломается ли деталь в процессе работы?» и не предназначен для детального анализа. Тем не менее, некоторым конструкторам и этого может быть достаточно на начальном этапе проработки ответственных деталей.

Современная САПР среднего уровня должна содержать хотя бы базовый набор средств для проведения инженерных расчётов. В Solid Edge такие инструменты можно разделить на несколько категорий:

•    Встроенные инструменты подбора параметров 2D/3D;

•    Расчёты с применением аппарата МКЭ;

•    Проектно-проверочные расчёты механических элементов и передач.

Инструменты подбора параметров в 2D/3D представляют собой итерационный поиск заданного значения какой-либо целевой переменной путём перебора значений изменяемой переменной. Данная возможность работает с параметрическими моделями и доступна как в среде 2D, так и в 3D. Причём в 3D среде доступны, кроме геометрических параметров, также и массо-центровочные характеристики (масса, объём, площадь поверхности, координаты ЦМ, моменты инерции и т.д.). Поэтому в Solid Edge можно очень быстро решить задачу подбора оптимальной массы, положения центра масс, подобрать объём сосуда сложной формы и т.д. Как правило, для этих задач инженер обычно использует калькулятор или ручные вычисления. Вместе с Solid Edge такая задача может быть решена гораздо быстрее: не зря инструменты подбора параметров называют Инженерным калькулятором.

В случае же более сложных задач, особенно связанных с многокритериальным поиском минимума-максимума в рамках соблюдения какой-либо лимитирующей величины, можно подключить всю мощь продукта Microsoft Excel. Любая переменная в Solid Edge может быть управляема из таблицы Excel, а значит, итерационный поиск можно выполнять в этой программе, а результаты транслировать в Solid Edge с помощью ассоциативной связи ячеек с переменными параметрической модели Solid Edge.

‍Solid Edge Simulation - гораздо более функциональное приложение по сравнению с Solid Edge Simulation Express. Оно входит в пакет Solid Edge Premium или может быть приобретено дополнительно к Foundation или Classic. Simulation -это полноценное приложение для проведения    расчётов непосредственно в среде Solid Edge, обладающее рядом преимуществ перед аналогичными продуктами сторонних производителей.

Неоспоримое    преимущество расчетов в Solid Edge Simulation - единая среда создания модели и ее анализа. Синхронная технология помогает очень быстро проводить изменения в геометрии расчетной модели, не покидая привычную среду Solid Edge. При этом все граничные условия перестраиваются автоматически, в том числе и конечно-элементная сетка. Конструктору достаточно лишь повторно нажать кнопку запуска решателя для получения нового результата. Таким образом, используя Solid Edge Simulation, конструктор сможет перебирать большее количество вариантов конструкции за меньшее время, тем самым повышая эффективность использования продукта и снижая издержки.

Оба приложения Simulation работают с решателем NX NASTRAN - одним из мировых лидеров среди высокопроизводительных решателей. А Solid Edge Simulation использует алгоритмы создания сеточных моделей, заимствованные из FEMAP - другим известным продуктом для конечноэлементного анализа, разрабатываемым компанией Siemens PLM Software.

Рассмотрим немного более подробно возможности Solid Edge Simulation. Это приложение встроено в Solid Edge и позволяет считать как детали, так и сборки.

Благодаря этому, любой конструктор-расчётчик, знакомый с методикой применения МКЭ и интерфейсом Solid Edge, может сразу же приступить к работе. Интерфейс приложения отражает логику и последовательность проведения расчёта: задание геометрии расчётного случая, выбор материала, задание нагрузок и ограничений, создание конечноэлементной сетки, запуск расчёта, анализ результатов.

Solid Edge Simulation позволяет проводить наиболее востребованные типы расчётов: статическая прочность, анализ собственных форм и частот вынужденных колебаний, анализ формы потери устойчивости при продольном нагружении, стационарный тепловой анализ, термоупругость.

Поддержка работы со сборками позволяет задавать условия контактного взаимодействия между деталями или телами в многотельной детали, моделировать нагрузки болтовых соединений. Simulation обладает необходимым набором команд для заданий различных условий нагружения и закрепления модели, в том числе и учёт геометрической симметрии для снижения ресурсоёмкости расчётов.

Инструменты создания КЭ сетки позволяют конструктору-расчетчику тонко настраивать параметры сеток, задавая, при необходимости, количество либо размер конечных элементов применительно к выбранной геометрии детали. Solid Edge Simulation поддерживает как 2D, так и 3D-сетки с тетраэдральными элементами. 2D-сетки применяются для анализа тонкостенных деталей, для чего Solid Edge имеет возможность создания срединной поверхности. Для расчёта сборок можно задавать смешанный тип сеток, т.е. для разных деталей применять наиболее подходящий тип сетки (2D или 3D). В этом случае актуально применение специальных инструментов связывания узлов сетки, также доступных в Solid Edge Simulation. Для расчёта металлоконструкций доступно использование 1D балочных элементов.

Отдельно стоит отметить возможность Solid Edge Simulation проводить параметрическую оптимизацию конструкции с использованием результатов конечноэлементного анализа: эквивалентных напряжений и перемещений, коэффициента запаса и т.д., а также массоцентровочных характеристик модели. Конструктор может задавать несколько проектных переменных (параметров), управляющих изменением модели. Результаты каждой итерации для наглядности записываются в таблицу Excel, что позволяет оценить значения проектного критерия в соответствии с изменениями проектных параметров в каждой итерации и выбрать оптимальный вариант.

Инструменты анализа полученных результатов расчета также достаточно обширны и функциональны. К услугам конструктора-расчетчика — множество команд и настроек, которые доступны в отдельной среде.

•    Контурное отображение исследуемой величины (3 различных стиля);

•    Наложение деформированного/недеформированного вида модели в контурном представлении;

•    Поузловое извлечение значений исследуемой величины и сведение их в таблицу (Проба);

•    Отображение коэффициента запаса по пределу прочности/текучести;

•    Анимация с выводом во внешний AVI файл;

•    Min и max значения отображаемых величин;

•    Изоповерхности и изолинии исследуемой величины;

•    Вывод отчетов об анализе в HTML, DOC или PDF

Перечисленные возможности позволяют качественно провести расчёт модели и получить достоверные результаты. Как уже было отмечено, Solid Edge Simulation использует ресурсы пре- и постпроцессора FEMAP вместе с решателем NX NASTRAN, который является промышленным стандартом в среде высокопроизводительных расчетов. Несмотря на то, что FEMAP ориентирован на тех специалистов-расчетчиков, которые занимаются исключительно конечно-элементным анализом и имеют глубокие знания в этой области, Solid Edge Simulation обеспечивает базовый интегрированный анализ для обычных пользователей Solid Edge. Solid Edge Simulation заменяет достаточно сложный интерфейс пользователя FEMAP на упрощенный и интегрированный с Solid Edge. В том случае, если возможностей Solid Edge Simulation не хватает, предусмотрена возможность сохранить результаты расчета в формат FEMAP и продолжить решение задачи в более мощной и функциональной системе. Кроме этого, решатель NX NASTRAN в полной мере поддерживает архитектуру многоядерных процессоров, что позволяет добиться хорошей производительности при расчётах в Solid Edge Simulation.

Для конструкторов-машиностроителей Solid Edge имеет в своем арсенале специальное приложение — Инженерный справочник, с помощью которого конструктор может выполнять проектный и проверочный расчет всевозможных механических передач и конструктивных элементов и, что самое главное, автоматически получать 3D модели рассчитанных элементов и добавлять их в сборку своего изделия. Причём, где это необходимо, будут автоматически добавлены и необходимые сборочные связи. Приложение доступно в пакетах Solid Edge Classic и Premium.

Расчёт ведётся по стандартным методикам, изложенным в дисциплине «Детали машин». Доступны методики для следующих типов элементов:

•    Зубчатые передачи (цилиндрические, конические, червячные,    шестерня-рейка);

•    Ременные и цепные передачи;

•    Кулачковые механизмы;

•    Конструктивные элементы (балки, колонны,    валы, пружины    растяжения-сжатия)