Slovensky
Pripomenutie z minulej časti
Ve druhom dieli sme si popisovali produkt EST, ktorý rozširuje základnú funkcionalitu modulov GPS a GAS (mechanické namáhanie), a produkt GDY, ktorý umožňuje vykonávať výpočty vlastných frekvencií a dynamického namáhania štruktúr. V tomto dieli si priblížime tri moduly určené pre pokročilé sieťovanie a ďalej moduly prr riešenie špecifických úloh - nelineárnych a teplotných výpočtov (ANL a ATH).
obr. 1: Moduly FMS a FMD doplňujú portfólio modulov pre MKP výpočty
FMS, FMD: FEM surface a FEM solid
Tieto dva moduly ponúkajú pokročilé metódy pre vytváranie sietí. V oboch prípadoch sú siete plne asociatívne s pôvodnou geometriou modelu a užívateľ má oproti modulu GPS k dispozícii omnoho sofistikovanejšie sieťovacie algoritmy s viac možnosťami ovládania.
FMS je určený pre rýchle a efektívne vytváranie sietí na zložitých drôtových a plošných geometriách s ohľadom na dodržanie požadovanej kvality siete. Zároveň ale užívateľovi umožňuje manuálne zasahovať do sieťovacieho procesu v prípade požiadaviek na úplne presné sieťovanie. Modul pri vytváraní siete rešpektuje jednotlivé spoje, vrátane bodových a čiarových zvarov, ale aj ostatné typy vzájomných spojení súčastí.
Prínosy FMS
- Pokročilé sieťovanie založené na zjednodušení geometrie. Výsledná veľkosť a kvalita siete nieje ovplyvnená malými prvkami geometrie, čím sa ušetrí čas pri ich náročných úpravách.
- Sieť je plne asociatívna s pôvodnou geometriou, ktorá procesom sieťovania nie je nijako dotknutá. Zároveň sú zachované všetky geometrické vlastnosti pôvodného tvaru.
- Užívateľ si môže vybrať medzi kompatibilným a nekompatibilným sieťovaním v závislosti na požiadavkách presnosti a rýchlosti výpočtu. Nekompatibilné sieťovanie je možné použiť pri definícii zvárových spojov, keď je umožnené prispôsobenie zvarov bez ovplyvnenia pôvodnej siete. Kompatibilné siete sa naopak využijú pri vyšších nárokoch na presnosť siete (únavové výpočty) alebo v prípade, že je vyžadovaná spojitá sieť.
- FMS ponúka metódy pre rýchle priame vytvorenie siete pomocou posunutia, rotácie, offsetu alebo vytvorenie kópie stávajúcej siete.
- Sieti je možné priradiť lokálne obmedzenie a vlastnosti a jednoducho tak vytvoriť sieť pre veľmi zložité tvarové súčasti. U veľkých zostáv pozostávajúcich z viacerých sietí je možné jednoducho kontrolovať ich vzájomné kolízie.
- Kvalitu siete je možné priebežne kontrolovať pomocou k tomu určených nástrojov. Funkcie pre analýzu siete počas úprav dynamicky zobrazujú jej oblasti, ktoré nezodpovedajú zadaným kvalitatívnym kritériám.
- K jednotlivým parametrom definujúcim sieť je možné pristupovať ako k akýmkoľvek iným štandardným knowledge parametrom. Vďaka tomu je možné vytvárať generické MKP modely s automatizovanými sieťovacími procesmi, ktoré zodpovedajú firemným štandardom.
- Nástrojom pre analýzu siete je možné vyhodnotiť (podľa zvolených kritérií) jej kvalitu a zo získaných informácií vytvoriť správu. Tú je možné ďalej využít pre zlepšenie komunikácie medzi užívateľmii, najmä pri práci na zložitých súčastiach alebo rozsiahlych zostavách.
obr. 2: Plošná sieť a jej optimalizácia na nábežnej hrane kýlovej plochy
FMD ponúka pokročilú možnosť sieťovania pre zložité objemové súčasti. Jeho súčasťou je algoritmus pre vytváranie siete metódou vyplnenia štvorsteny (tetrahedral filler), súčasne ale ponúka aj zložitejšie typy prizmatických elementov.
Prínosy FMD (voči základnej funkčnosti GPS a FMS)
- Tetrahedron filler: metóda sieťovania založená na spolupráci s modulom FMS. Najprv je vytvorená kvalitná plošná sieť na obalových plochách telesa, na jej základe je potom objem telesa vyplnený priestorovými elementami. Je možné použiť aj stávajúcu plošnú sieť.
- Prizmatické elementy: FMD umožňuje vytvárať elementy tahaním plošnej siete pozdĺž určeného smeru (príp. po priestorovej trajektórii) alebo jej rotáciou podľa osy
- Riadenie kvality siete, možnosti parametrizácie a vytváranie reportov z kvalitatívnej analýzy je zhodné ako v prípade FMS
obr. 3: Použitie pokročilého sieťovania na ráme bicykla
RBM: Rule based meshing
RBM ďalej rozširuje možnosti FMS a poskytuje užívateľovi nástroj na automatizované a vysoko kvalitné sieťovanie pre všetky moduly používajúce základné sieťovacie nástroje CATIA. Užívateľ má možnosť definovať ako sa bude sieť vytvárať na špecifických entitách, ako sú diery, zaoblenia a ohyby, a ďalej nastaviť akceptovateľné hodnoty parametrov, ako sú dĺžky hrán, pomery veľkostí hrán a skrútenia, ktoré určujú kvalitu elementov. Po určení týchto atribútov je sieť vytvorená úplne automaticky, bez zásahu užívateľa.
Príklad: Vlastnosti siete v okolí dier
Pred sieťovaním užívateľ nastaví, že diery do priemeru 5mm budú úplne ignorované, diery od 5 do 10mm budú mať okraj tvorený jednou vrstvou štvorhranných elementov a diery nad 10mm budú tieto vrstvy obsahovať dve.
Hlavným prínosom tohto modulu je vytvorenie konzistentnej siete rovnakej kvality nezávisle na tvarovej zložitosti či veľkosti modelu. Pravidlá sieťovania je možné voliľ s ohľadom na požiadavky konkrétneho výpočtu.
Kľúčové hodnoty RBM
- Plne automatické sieťovanie zložitých súčastí bez nutnosti interakcie užívateľa
- Obrovská časová úspora vďaka absencii manuálnych úprav
- Vysoko kvalitná sieť s menším počtom použitých elementov
- Nastavenie špecifických hodnôt siete pre jednotlivé geometrické tvary
- Vytvorenie takmer zhodnej siete u súčastí s minimálnou odchýlkou tvaru, čím sa minimalizuje ovplyvnenie vypočítaných hodnôt
- Vytvorenie siete „na mieru" pre konkrétny typ výpočtu
- Získanie kvalitatívne zhodných sietí pre rôzne geometrie
ATH: Thermal analysis
Modul ATH rovnako ako ostatné dnes zmieňované moduly rozširuje možnosti základného modulu GPS (GAS) a približuje konštruktérom chovanie ich návrhov pri pôsobení teplotného zaťaženia. Analýza umožňuje určiť vedenie tepla a následné tepelné rozdelenie v súčasti v ustálenom i neustálenom stave, keď prenos tepla môže prebiehať sálaním, prúdením tekutiny, alebo je definovaný špecifickou teplotou povrchu. Tepelné vlastnosti materiálu sa môžu meniť v závislosti na teplote súčasti. Pri výpočte celých zostáv je možné definovať tepelnú vodivosť aj prestup tepla medzi jej jednotlivými súčasťami.
ATH dokáže v spojení s ANL (nelineárne úlohy) spočítať veľmi zložité prípady. ANL je v tomto prípade nasadená po určení teplotného namáhania, keď vplyvom pôsobenia teploty dochádza ku kontrakcii alebo naopak dilatácii súčastí, čím sú ovplyvnené ich materiálové vlastnosti.
Možnosti výpočtov ustáleného vedenia tepla môžu byť využité pre štúdium chovania súčastí pri dlhodobom ustálenom pôsobení teploty, výpočty neustáleného vedenia nám naopak umožňujú analyzovať chovanie súčastí pri náhlych zmenách teploty (tepelný šok, nábeh systému na výkon a pod.).
Tepelné pôsobenie
Teplo (tepelné prúdenie) môže pôsobiť v bode, na ploche alebo v objeme, a simulovať efekt priameho prenosu tepla. U plôch je možné ďalej definovať tenkú vrstvu (film), ktorá predstavuje okolnú tekutinu (voda, vzduch) v styku s touto plochou. Tu je potom treba zadať teplotu tejto tekutiny a koeficient prestupu tepla medzi tekutinou a súčasťou. Teplotu častí modelu je možné zadať priamo na celom jeho objeme. Pokiaľ sa teplota v rôznych častiach modelu líši, môže užívateľ využiť možnosti mapovania dát a definovať jednotlivé oblasti s rôznou teplotou (mapovanie pomocou súboru vo formáte csv alebo txt).
Materiál
Pre ustálené stavy je treba poznať tepelnú vodivosť, pri neustálenom stave ešte hustotu a mernú tepelnú kapacitu. Tepelná vodivosť aj merná tepelná kapacita môže byť zadaná ako závislá na teplote (bežné u mnohých materiálov). Úloha je potom riešená ako nelineárna.
Analýza zostáv
Pri výpočte zostáv ATH automaticky rozpozná plochy na priľahlých súčastiach a vytvorí medzi nimi tepelný kontakt. Prenos tepla medzi týmito plochami je určen veľkosťou a vzdialenosťou plôch a ich teplotou.
Reprezentácia výsledkov
Rozloženie teplotných polí sa zobrazuje vo farebnej škále (rovnaká filozófia ako u mechanického namáhania). U neustálených stavov sa vykreslujú stavy v závislosti na čase a samozrejmosťou sú animácie (namáhanie v závislosti na čase).
obr. 4: Tepelné namáhanie brzdového kotúča
obr. 5: Tepelné namáhanie bloku motoru
ANL: Nonlinear analysis
Posledným produktom zo skupiny pre pevnostné výpočty je ANL, modul pre nelineárne výpočty. Ako všetky, v tejto časti predstavené moduly, tiež tento rozširuje základnú funkcionalitu GPS, kedy je možné počítať úlohy s veľkým posunutím a s trvalou deformáciou materiálu. Vo výpočtoch je možné zahrnút vplyv plasticity materiálu (typicky pri tvárnení kovov) a vo všeobecnosti použiť materiály s extrémnou plasticitou, ako je napr. guma.
ANL ďalej ponúka pokročilú definíciu kontaktov medzi súčasťami, zahrnujúcu trenie mdezi jednotlivými plochami a automatickú detekciu kontaktov vychádzajúcu z ich vzájomnej vzdialenosti.
Základné nelineárne výpočty
U modulov GPS a GAS sa predpokladalo lineárne chovanie, tj. že materiál je lineárne elastický, posunutie a vzájomné pohyby v kontaktoch sú veľmi malé. To bolo určité obmedzenie, ktoré modul ANL úspešne odstraňuje. Je možné nasimulovať prejavy geometrickej nelinearity, ako napr. velké posunutie, použiť materiály s nelineárnymi vlastnosťami (tvárnosť u kovov) alebo úplne elastické materiály bez medze klzu, ako je napr. guma.
Nelineárne materiály
ANL umožnuje definovať tvárnosť kovov pomocou izotropného spevnenia pre obecné výpočty alebo pomocou kinematického spevnenia zadať materiál pre únavové štúdie s malým počtom cyklov. U hyper-elastických materiálov je možné pre popis ich vlastností použiť niekoľko matematických modelov. Výber modelu závisí na požiadavke presnosti výpočtu. Vlastnosti materiálu môžu byť tiež závislé na teplote, keď sa opäť dostáva k slovu ATH.
Analýza vo viac krokoch
V tomto module je možné počítat úlohu vo viac krokoch, keď se postupne menia okrajové podmienky. Táto veľmi efektívna metóda dovoľuje užívateľovi nasimulovať komplexné záťažové sekvencie.
Príklad:
Tlaková nádoba je najprv vystavená pôsobeniu sily od predopnutia skrutiek a ďalej pôsobenie vnútorného tlaku v spojení s pôsobením teploty. Výpočet vlastných frekvencií v prvom kroku môže byť v tomto prípade použitý v ktoromkoľvek ďaľšom kroku záťažovej sekvencie. Prvotné zaťaženie je velmi dôležité, pretože vlastné frekvencie sa môžu veľmi podstatne meniť pri deformácii spôsobenej zaťažením v ďaľších krokoch, ako sa priebežne menia okrajové podmienky.
Zaťaženie
K dispozícii sú všetky myslitelné zaťaženia. Tie sa v priebehu výpočtu môžu meniť podľa ich amplitúdy, ktorá zohľadňuje pohyb súčasti pri veľkom posunutí alebo natočení.
Pokročilé kontakty
Oproti štandardnej definícii kontaktov modulu GAS ponúka ANL viac možností. Nástroj na automatické vyhľadávanie kontaktov nájde páry plôch, ktoré pri výpočte budú v kontakte, čím sa vytvorenie kontaktu veľmi urýchli. Súčasti v kontakte sa voči sebe môžu posúvať, s uvážením ich vzájomného trenia. Dokonca je možné definovať kontakt, ktorý vznikne medzi jednotlivými plochami súčasti pri jej nadmernej deformácii (súčasť sa dotkne sama seba).
Robustné a efektívne riešenie
ANL používa najmodernejší riešič s rýchlymi výpočtami pri minimálnom objeme využitej pamäti. Využitie možnosti rozšírenia pamäti u 64bitových systémov umožňuje riešiť aj veľmi rozsiahle modely. Pokiaľ je potreba, použije sa pri výpočte nesymetrické riešenie. Vlastné frekvencie sú spočítané vysoko výkonným riešičom Lanczos.
Celý výpočet je vykonávaný prostredníctvom iteračnej metódy, ktorá je veľmi robustná a vyžaduje iba minimum zásahov užívateľa. Prírastky zaťaženia a konvergencia je automatická a prizpôsobuje sa výpočtu, čím sú zaistené presné výsledky.
obr. 6: Výpočet namáhania dverí automobilu - napätie Von Mises a posunutie
Záver
Riešenie ponúkané produktom SIMULIA V5 R21 obsahuje celú škálu možností pre výpočty metódou konečných prvkov. Jej základné moduly k tomu určené spoľahlivo uspokojujú potrebu bežných konštruktérov, ktorí si potrebujú rýchlo a bez špeciálnych znalostí overiť svoje návrhy alebo výpočet použiť ako podklad pre ďaľšiu prácu. Na druhom konci sú veľmi vyspelé riešenia, ktoré ponúkajú špičkové nástroje pre skusených výpočtárov a umožňujú vyhodnocovať veľmi náročné úlohy.
Jednotné prostredie všetkých modulov vytvára z produktu SIMULIA v oblasti MKP výpočtov skutočne hodnotný a produktívny nástroj.
