Materiały wykładowe

Transkrypt

Materiały wykładowe

Wydział Nauk Technicznych UWM Olsztyn
Katedra Mechaniki i Podstaw Konstrukcji Maszyn
przedmiot: Komputerowe Systemy Analizy Inżynierskiej
Materiały wykładowe, © Jerzy Domański
Materiały wykładowe do przedmiotu:
Komputerowe Systemy Analizy Inżynierskiej
Rok III MiBM
Blok dyplomujący "Inżynierskie techniki obliczeniowe i projektowe"
Rok akademicki 2016-2017
SPIS TREŚCI
1 SOLIDWORKS SIMULATION ................................................................................................................ 2
1.1 Typy analizy w SolidWorks Simulation ....................................................................................... 2
1.2 Wprowadzenie do obliczeń w SolidWorks Simulation ............................................................... 4
1.2.1 Liniowa analiza statyczna .............................................................................................. 4
1.2.2 Rozwiązanie dużego przemieszczenia ........................................................................... 5
1.3 Wybrane zagadnienia modelu obliczeniowego.......................................................................... 6
1.3.1 Typy siatki ...................................................................................................................... 6
1.3.2 Opcje siatki .................................................................................................................... 6
1.3.3 Wybór solvera rozwiązującego zadanie ........................................................................ 8
2 SOLIDWORSKS MOTION..................................................................................................................... 9
2.1 Rodzaje symulacji ruchu w SolidWorks ...................................................................................... 9
2.2 Decydowanie którego typu badania użyć................................................................................... 9
2.3 Analiza ruchu ............................................................................................................................ 10
2.3.1 Stopnie swobody ......................................................................................................... 10
2.3.2 Tulejki........................................................................................................................... 11
3 SOLIDWORKS FLOW SIMULATION ................................................................................................... 12
3.1 Podstawowy podział przepływów we Flow Simulation............................................................ 12
3.2 Typy analiz i płynów.................................................................................................................. 12
3.3 Warunki brzegowe.................................................................................................................... 13
Opis wprowadzenia do obliczeń został zaczerpnięty z Materiałów SolidWorks i stanowi jedynie
zestawienie, które ma na celu ułatwienie studentom odszukanie niezbędnych informacji.
1
SOLIDWORKS SIMULATION
SolidWorks® Simulation jest systemem analizy projektów, który jest całkowicie zintegrowany z
oprogramowaniem SolidWorks®. SolidWorks Simulation pozwala na wykonywanie analiz naprężeń,
częstotliwości, wyboczenia, termicznych i nieliniowych na ekranie komputera. Wyposażona w szybkie
solvery aplikacja SolidWorks Simulation umożliwia szybkie rozwiązywanie dużych problemów przy
użyciu komputera osobistego. Oprogramowanie SolidWorks Simulation jest dostarczane w zestawie
kilku modułów dostosowanych do różnych potrzeb analitycznych.
Oprogramowanie wykorzystuje metodę elementu skończonego MES (Finite Element Method FEM).
MES jest techniką numeryczną analizowania projektów inżynieryjnych. MES jest uznana za
standardową metodę analizy ze względu na uniwersalność i odpowiedniość do obróbki
komputerowej. MES dzieli model na wiele małych fragmentów o prostych kształtach, zwanych
elementami, które zastępują skomplikowany problem wieloma prostymi problemami, które należy
rozwiązać równocześnie.
1.1 Typy analizy w SolidWorks Simulation
Program SolidWorks Simulation udostępnia kilka typów liniowych badań, w tym:
1. Statyczna analiza:
Statyczne obliczanie przemieszczeń, sił reakcji, naprężeń, przemieszczeń, współczynnik
bezpieczeństwa. Obciążenia mogą być nakładane na punkt, linię, powierzchnię. Możliwe są
również określenie przyspieszenia i warunki termiczne. Dostępne są materiały elastyczne
ortotropowe.
2. Badanie wyboczenia:
Badanie wyboczenia oblicza współczynnik obciążenia dla obciążeń osiowych służacy do
przewidzenia, kiedy osiowe obciążenie spowoduje nagłe, katastrofalne poprzeczne
przemieszczenie. Smukłe struktury podlegające osiowym obciążeniom mogą ulec zniszczeniu
ze względu na wyboczenie, nawet wówczas gdy obciążenie jest na poziomie o wiele niższym
niż w wypadku obliczeń tylko na ściskanie.
3. Test upuszczenia:
Test upuszczenia służy do oceny wpływu skutków upadku modelu na sztywną podłogę.
Oprócz kierunku grawitacji można podać odległość lub prędkości w momencie zderzenia.
Program rozwiązuje problem dynamiczny w funkcji czasu z zastosowaniem jawnych metod
integracji (explicit integration methods). Po zakończeniu analizy, można przedstawić wykresy
historii przemieszczenia, prędkości, przyspieszenia, odkształcenia i naprężenia w czasie.
4. Dynamiczna Analiza:
Ten typ badań zależnych od czasu zakłada, że materiały są liniowe. Masa i efekty
bezwładności są obliczane oraz dostępne jest tłumienie. Stosowane obciążenia są zależne od
czasu. Obciążenia mogą być deterministyczne (okresowe, nieperiodycznych) lub
niedeterministyczne (losowe), co oznacza, że nie można ich dokładnie przewidzieć, ale można
je opisać statystycznie.
5. Zmęczenie:
Badania zmęczeniowe służą do oceny zużycia obiektu na podstawie wielokrotnie
6.
7.
8.
9.
powtarzających się obciążeń. Wielokrotne obciążania osłabia materiał czasem nawet wtedy,
gdy naprężenia są względnie niskie. Liczba cykli wymaganych do awarii zależy od materiału i
zmian naprężeń. Dane te są dostarczane przez krzywą zmęczenia materiału, która
przedstawia liczbę cykli, które powodują uszkodzenia dla różnych poziomów naprężenia.
Częstotliwość:
Każda konstrukcja ma tendencję do drgań w zakresie częstotliwości rezonansowych. Dla
każdej częstotliwości drgań, konstrukcja przyjmuje pewien kształt zwany postacią drgań.
Analiza częstotliwości oblicza częstotliwości rezonansowe i związane z nimi postaci drgań.
Optymalizacja:
Badania optymalizacyjne mają za zadanie zautomatyzować proces poszukiwania projektu
optymalnego na podstawie wstępnego projektu geometrycznego i stanu analizy. Badania
optymalizacji wymaga definicji celu. Celem badania może być minimalna ilość materiału do
wykorzystania. Należy również określić zmienne projektu np. wymiary, które mogą być
zmieniane w określonym zakresie. Określone muszą być warunki, które optymalny projekt
musi spełniać. Na przykład można wymagać, aby naprężenie nie przekraczały pewnej wartość
i częstotliwość drgań była w określonym zakresie.
Projektowanie zbiorników ciśnieniowych:
Wyniki wielu badań statycznych są połączone z żądanymi współczynnikami obciążenia.
Badanie to łączy wyniki algebraicznie za pomocą kombinacji liniowej lub pierwiastka
kwadratowego z sumy kwadratów.
Termiczne:
Badań termiczne przeznaczone są do obliczeń temperatury, gradientu temperatury,
strumienia ciepła, całkowitego przepływu ciepła na podstawie wewnętrznego ciepła,
przewodzenia, konwekcji, odporność na kontakt i warunkach promieniowania.
Program SolidWorks Simulation udostępnia kilka typów badań nieliniowych, w tym:
1. Nieliniowe statyczne:
Kiedy założenia liniowej analizy statycznej nie mają zastosowania, aby rozwiązać problem
należy użyć badań nieliniowych. Głównym źródłem nieliniowości są: duże przemieszczenia,
nieliniowe właściwości materiałów i kontakt. Specjalne opcje dostępne w symulacji SW to:
pełzanie materiałów, elastoplastyczność materiałów, hiperelastyczność materiałów,
materiały z pamięcią kształtu oraz materiałów lepkosprężystych.
1.2 Wprowadzenie do obliczeń w SolidWorks Simulation
Opis wprowadzenia do obliczeń został zaczerpnięty z Pomocy SolidWorks Simulation.
1.2.1 Liniowa analiza statyczna
Gdy do obiektu zastosowane zostaną obciążenia, obiekt deformuje się, a efekty obciążeń przenoszą
się na cały obiekt. Obciążenia zewnętrzne wywołują siły wewnętrzne i reakcje pozwalające ciału na
osiągnięcie stanu równowagi.
Liniowa analiza statyczna oblicza przemieszczenia, odkształcenia, naprężenia i siły reakcji pod
wpływem zastosowanych obciążeń.
Liniowa analiza statyczna przyjmuje następujące założenia:
• Założenie statyczne. Wszystkie obciążenia są stosowane powoli i stopniowo aż do osiągnięcia
ich pełnych wielkości. Po osiągnięciu pełnej wartości, obciążenia pozostają stałe (niezmienne
w czasie). Założenie to pozwala zaniedbać siły bezwładności i tłumienia ze względu na
pomijalnie małe przyspieszenia i prędkości. Zmieniające się w czasie obciążenia, które
wywołują znaczące siły bezwładności i/lub tłumienia mogą wymagać użycia analizy
dynamicznej. Obciążenia dynamiczne zmieniają się w czasie, a w wielu przypadkach wywołują
znaczne siły bezwładności i tłumienia, których nie można zaniedbać.
• Założenie liniowości. Relacja pomiędzy obciążeniami i wywołanymi przez nie reakcjami jest
liniowa. Na przykład: jeżeli zwiększymy dwukrotnie obciążenia, to reakcja modelu
(przemieszczenia, odkształcenia i naprężenia) również ulegnie podwojeniu. Założenie
liniowości można przyjąć, jeżeli:
o wszystkie materiały w modelu spełniają prawo Hooka, czyli naprężenie jest wprost
proporcjonalne do odkształcenia;
o wynikowe przemieszczenia są na tyle małe, że można pominąć zmianę sztywności
spowodowaną obciążeniem;
o warunki brzegowe nie zmieniają się podczas stosowania obciążeń; Obciążenia muszą
mieć stałą wielkość, kierunek i rozkład. Nie powinny one ulegać zmianie podczas
deformacji modelu.
Do wykonania liniowej analizy statycznej, potrzebne są:
• Model z utworzoną siatką. Konieczne jest utworzenie siatki modelu przed uruchomieniem
analizy. Warunki kontaktu muszą być zdefiniowane przed utworzeniem siatki. Wszelkie
zmiany geometrii, warunków kontaktu lub opcji siatki wymagają ponownego utworzenia
siatki.
• Właściwości materiału. Konieczne jest zdefiniowanie modułu Younga EX (zwanego również
współczynnikiem sprężystości). Jeżeli współczynnik Poissona (NUXY) nie zostanie
zdefiniowany, jego wartość zostanie przyjęta jako 0. Dodatkowo należy zdefiniować gęstość
(DENS), jeżeli uwzględniane są efekty grawitacji i/lub obciążenia odśrodkowego, a także
współczynnika rozszerzalności cieplnej (ALPX) w przypadku uwzględnienia obciążeń
termicznych. Gdy materiał jest wybierany z domyślnej biblioteki materiałów, właściwości te
są przypisywane automatycznie. Domyślna wartość współczynnika ścinania (GXY) jest
obliczana ze wzoru: GXY = EX/2(1+NUXY).
UWAGA: Powyższy opis stosuje się do materiałów izotropowych. Dla materiałów
ortotropowych można zdefiniować różne współczynniki sprężystości, współczynniki ścinania,
współczynniki Poissona i/lub współczynniki rozszerzalności cieplnej dla różnych kierunków.
Granica plastyczności, wytrzymałość na ściskanie i na rozciąganie są wykorzystywane przez kryteria
zniszczenia przy oszacowaniu zniszczenia. Nie są one używane do obliczania naprężeń.
• Umocowania. Umocowania wystarczające do uniemożliwienia modelowi poruszania się jako
ciało sztywne. Jeżeli model nie jest wystarczająco powiązany, należy zaznaczyć opcję Użyj
miękkiej sprężyny dla stabilizacji modelu w oknie dialogowym Statyczne. Podczas
importowania obciążeń z oprogramowania SolidWorks Motion, należy upewnić się, czy opcja
Użyj obciążenia bezwładnościowego jest zaznaczona. Opcje te są dostępne dla solverów
Direct Sparse i FFEPlus.
• Obciążenia. Co najmniej jeden z następujących typów obciążeń:
Skupione siły,
Nacisk,
Zadane przemieszczenia niezerowe,
Siły obiektów (grawitacyjne i/lub odśrodkowe),
Termiczne (należy zdefiniować temperatury lub pobrać profil temperaturowy z
analizy termicznej),
Obciążenia importowane z SolidWorks Motion ,
Temperatura i nacisk importowanie z Flow Simulation ,
1.2.2 Rozwiązanie dużego przemieszczenia
Teoria liniowa zakłada małe przemieszczenia. Przyjmuje również, że normalne do obszarów
kontaktu nie zmieniają kierunku podczas obciążania. Czyli całe obciążenie jest stosowane w jednym
kroku. To podejście może prowadzić do niedokładnych wyników lub problemów zbieżności
(konwergencji) w przypadkach, gdy te założenia nie są spełnione.
Istnieje możliwość zażądania rozwiązania dużego przemieszczenia. Rozwiązanie dużego
przemieszczenia pochłania więcej czasu i zasobów niż rozwiązanie małego przemieszczenia, jednakże
daje dokładniejsze wyniki. Rozwiązanie dużego przemieszczenia jest wymagane gdy uzyskana
deformacja znacznie zmienia sztywność (zdolność struktury do stawiania oporu obciążeniom).
Rozwiązanie małego przemieszczenia zakłada, że sztywność nie zmienia się podczas obciążania.
Rozwiązanie dużego przemieszczenia zakłada, że sztywność zmienia się podczas obciążania, dlatego
stosuje obciążenie krokowo i aktualizuje sztywność dla każdego kroku rozwiązania.
Gdy opcja Duże przemieszczenie w oknie dialogowym Statyczne jest aktywna, badanie
statyczne jest rozwiązywane poprzez krokowe stosowanie obciążenia i aktualizowanie geometrii.
Gdy do badań statycznych wykorzystywane jest rozwiązanie dużego przemieszczenia,
wyniki można przeglądać dla ostatniego kroku, który odpowiada pełnemu obciążeniu. W badaniach
nieliniowych można przeglądać wyniki w każdym kroku rozwiązania.
Aby uaktywnić opcję dużego przemieszczenia, należy:
1. W drzewie badania Simulation kliknąć prawym przyciskiem myszy ikonę badania statycznego
i wybrać Właściwości. Pojawi się okno dialogowe Statyczne.
2. Na karcie Opcje zaznaczyć Duże przemieszczenie.
3. Kliknąć OK.
Opcja ta steruje sposobem działania oprogramowania w odniesieniu do problemu kontaktu. Przykład
tej funkcji znajduje się w samouczku online.
• Opcja niezaznaczona. Pełne obciążenie jest stosowane jednocześnie. Pary źródła i celu są
ustawiane w oparciu o początkową konfigurację i pozostają niezmienione podczas iteracji
kontaktu. Normalne do powierzchni kontaktu również bazują na początkowej konfiguracji i
pozostają niezmienione podczas kontaktu. To podejście może prowadzić do niedokładnych
wyników lub problemów zbieżności (konwergencji) w przypadkach, gdy te założenia nie są
spełnione, co jest prawdopodobne kiedy przemieszczenia stają się duże.
• Opcja zaznaczona. Obciążenia są stosowane stopniowo i jednorodnie w szeregu kroków, aż
do osiągnięcia pełnych wartości. Liczba kroków jest ustalana wewnętrznie przez program na
podstawie wyników deformacji. Pary źródła i celu oraz normalne do powierzchni kontaktu są
oszacowywane w każdym kroku rozwiązania.
Zalecana procedura
Do rozwiązywania problemów kontaktu zaleca się użycie poniższej procedury:
1. Rozwiązać problem bez uaktywniania opcji Duże przemieszczenie.
2. Uaktywnić opcję Duże przemieszczenie i spróbować ponownie w następujących
przypadkach:
• Jeżeli przemieszczenia lub orientacje stykających się ścian są zauważalne gdy
zdeformowany kształt zostanie wykreślony przy użyciu współczynnika skalowania
równego 1,0.
• Jeżeli najwyższe odkształcenie przekracza 4%.
• Jeżeli naprężenia zredukowane wg Misesa są bliskie ustąpieniu materiału.
1.3 Wybrane zagadnienia modelu obliczeniowego
1.3.1 Typy siatki
Podczas tworzenia siatki modelu oprogramowanie generuje mieszaninę elementów bryłowych,
skorupowych, sprężynowych i kontaktowych, zależnie od tworzonej geometrii. Program
automatycznie tworzy następujące siatki:
• Siatka bryłowa. Program tworzy siatkę bryłową z trójwymiarowych bryłowych elementów
czworościennych dla wszystkich komponentów bryłowych w folderze Części. Elementy
czworościenne są odpowiednie dla obiektów „pękatych”.
• Siatka skorupy. Program automatycznie tworzy siatkę skorupy dla arkuszy blachy o
jednorodnych grubościach (za wyjątkiem badania testu upuszczenia) oraz geometrii
powierzchniowych. Dla arkuszy blachy siatka jest automatycznie tworzona na powierzchni
środkowej. Program wyodrębnia grubość skorupy z grubości arkusza blachy.
Dla powierzchni program lokalizuje siatkę na powierzchni (płaszczyzna środkowa skorupy).
Grubość skorupy jest przypisywana w menedżerze właściwości PropertyManager Definicja
skorupy.
• Siatka belki. Program automatycznie wykorzystuje siatkę belki i identyfikuje połączenia dla
stykających się lub przenikających się członów konstrukcyjnych oraz dla niestykających się
członów konstrukcyjnych leżących w określonej odległości (tolerancja). Element belki jest
elementem liniowym definiowanym przez dwa punkty końcowe i przekrój poprzeczny.
Elementy belki mogą stawiać opór obciążeniom osiowym, zginającym, ścinającym i skrętnym.
Kratownice stawiają opór tylko obciążeniom osiowym. W przypadku użycia do konstrukcji
spawanych, oprogramowanie definiuje właściwości przekroju poprzecznego i wykrywa
połączenia.
• Siatka mieszana. Program automatycznie wykorzystuje siatkę mieszaną, gdy w modelu
występują różne geometrie.
1.3.2 Opcje siatki
Opcje siatki ustawiane są dla badań wykorzystujących siatkę bryłową, skorupową i mieszaną. Badania
belek nie wykorzystują tego menedżera właściwości PropertyManager.
Na siatkę generowaną przez oprogramowanie wpływają następujące czynniki:
• Aktywne opcje tworzenia siatki dla badania (określone w menedżerze właściwości
PropertyManager),
• Specyfikacje sterowania siatki,
• Warunki kontaktu zdefiniowane w folderze Połączenia.
Jakość siatki
Ustawia jakość siatki:
• Robocza. Każdy element bryłowy będzie miał tylko 4 węzły narożne. Każdy element skorupy
będzie miał 3 węzły narożne.
• Wysoka. Każdy element bryłowy będzie miał 10 węzłów: 4 węzły narożne i po jednym węźle
w połowie każdej krawędzi (łącznie sześć węzłów środkowobocznych). Każdy element
skorupy będzie miał 6 węzłów: 3 węzły narożne i 3 węzły środkowoboczne.
Zdecydowanie zaleca się ustawienia opcji Wysokiej jakości dla wyników ostatecznych oraz dla
modeli o zakrzywionej geometrii. Tworzenia siatki o jakości roboczej można stosować do szybkiej
oceny.
• Punkty jakobianu. Ustawia liczbę punktów całkowania do użycia podczas sprawdzania
poziomu zniekształcenia elementów czworościennych. Można wybrać 4, 16, 29 punktów,
bądź W węzłach. Oprogramowanie wybiera rozmiar Jakobianu domyślnie dla siatki o
wysokiej jakości. Zaleca się użycie opcji W węzłach podczas stosowania metody
adaptacyjnej typu p do rozwiązywania problemów statycznych.
Typ generatora siatki
Ustawia preferowaną technikę tworzenia siatki, która ma zostać użyta.
• Siatka standardowa. Uaktywnia schemat tworzenia siatki Voronoi-Delaunay dla kolejnych
operacji tworzenia siatki. Ten generator jest szybszy od generatora opartego na krzywiźnie i
należy go stosować w większości przypadków.
• Siatka oparta na krzywiźnie. Uaktywnia schemat tworzenia siatki oparty na krzywiźnie dla
kolejnych operacji tworzenia siatki. Ten generator siatki automatycznie tworzy więcej
elementów w obszarach o wyższej krzywiźnie (bez konieczności stosowania sterowania
siatki). W przypadku złożeń, generator siatki wymaga ustawienia globalnej opcji wiązania
jako niekompatybilnego. Jeżeli tworzone są operacje kontaktu komponentu, powinny one
również określać wiązanie niekompatybilne. Siatka oparta na krzywiźnie jest zawsze
kompatybilna dla stykających się lub częściowo stykających się krawędzi obiektów arkusza
blachy i obiektów powierzchniowych.
• Pokaż zaawansowane opcje dla definicji zestawu kontaktowego (tylko Bez penetracji i
Pasowanie skurczowe). Gdy opcja ta jest wybrana, opcje kontaktu są wyświetlane w
menedżerze właściwości PropertyManager Zestaw kontaktowy, w części Zaawansowane.
Jeżeli opcja ta nie jest wybrana, oprogramowanie domyślnie stosuje typ kontaktu węzeł do
powierzchni do wszystkich definicji zestawu kontaktowego.
Opcje generatora siatki: (dla standardowego generatora siatki)
Ustawia opcje siatki dla standardowego generatora siatki.
• Automatyczne przejście. Gdy opcja ta jest zaznaczona, program automatycznie stosuje
sterowanie siatki do małych operacji, otworów, zaokrągleń i innych drobnych szczegółów
modelu. Przed tworzeniem siatki dużych modeli zawierających wiele małych operacji i
szczegółów należy usunąć zaznaczenie opcji Automatyczne przejście, aby uniknąć
niepotrzebnego generowania bardzo dużej liczby elementów.
• Automatyczne próby dla bryły. Nakazuje programowi automatyczne ponawianie prób
utworzenia siatki modelu przy użyciu różnego rozmiaru elementu globalnego. Użytkownik
steruje maksymalną dozwoloną liczbą prób i czynnikami, na podstawie których następuje
skalowanie elementu globalnego i tolerancji dla każdej próby.
o Liczba prób. Ustawia maksymalną liczbę prób utworzenia siatki.
o Współczynnik globalnego rozmiaru elementów dla każdej próby. Współczynnik,
przez który mnożony jest rozmiar elementu globalnego, aby obliczyć nowy rozmiar
elementu globalnego.
o Współczynnik tolerancji dla każdej pętli. Współczynnik, przez który mnożona jest
tolerancja, aby obliczyć nową tolerancję.
•
•
Utwórz ponownie siatkę dla nieudanych części używając niekompatybilnej siatki. Jeżeli
opcja ta jest wybrana, oprogramowanie podejmuje próbę użycia niekompatybilnego
tworzenia siatki dla wiązanych obiektów, dla których nie powiodło się kompatybilne
tworzenie siatki. Używane tylko dla siatki bryłowej.
Automatyczne wyrównanie ponowne powierzchni skorupy dla skorupy niekompozytowej.
Gdy opcja ta jest wybrana, oprogramowanie automatycznie wyrównuje powierzchnie
skorupy (niekompozytowe) tak, aby wszystkie dolne/górne ściany posiadały jednorodną
orientację. Jeżeli opcja ta nie jest zaznaczona, może zachodzić konieczność ręcznego
odwracania nieprawidłowo wyrównanych powierzchni skorupy. Należy wybrać żądane
ściany, kliknąć prawym przyciskiem myszy ikonę Siatka w drzewie badania Simulation i
wybrać Odwróć elementy skorupy.
Opcje generatora siatki: (dla generatora siatki opartej na krzywiźnie)
Ustawia opcje siatki dla alternatywnego generatora siatki.
• Min liczba elementów w okręgu. Ustawia minimalną liczbę elementów w pełnym okręgu.
Maksymalny kąt dla dowolnego elementu wynosi 360 podzielone przez określoną liczbę.
Wartości graniczne to 4 i 36.
Aby ustawić domyślne opcje tworzenia siatki dla nowych badań, należy:
1. Kliknąć Simulation, Opcje, Opcje domyślne, Siatka.
2. Określić żądane ustawienia.
3. Kliknąć OK.
Aby zmodyfikować opcje tworzenia siatki dla badania, należy:
1. W drzewie badania Simulation kliknąć prawym przyciskiem myszy ikonę Siatka i wybrać
Utwórz siatkę.
2. Określić żądane ustawienia w części Parametry siatki i Zaawansowane.
3. W częśći Opcje, wybrać Zapisz ustawienia bez tworzenia siatki lub Uruchom analizę.
1.3.3 Wybór solvera rozwiązującego zadanie
W analizie metodą elementu skończonego (FEA), problem jest przedstawiany jako układ równań
algebraicznych, które muszą zostać rozwiązane równocześnie. Istnieją dwie klasy metod rozwiązania:
bezpośrednia i iteracyjna.
Metody bezpośrednie rozwiązują równania przy użyciu dokładnych technik numerycznych. Metody
iteracyjne rozwiązują równania przy użyciu technik przybliżeniowych, w których w każdej iteracji
zakładane jest rozwiązanie i obliczane są skojarzone z nim błędy. Iteracje są powtarzane do czasu,
gdy błędy osiągną wartości do przyjęcia.
Oprogramowanie oferuje następujące wybory:
• Automatyczny. Oprogramowanie wybiera solver w oparciu o typ badania, opcje analizy,
warunki kontaktu itp. Niektóre opcje i warunki stosują się tylko do jednego z solverów Direct
Sparse lub FFEPlus.
• Direct Sparse
• FFEPlus (iteracyjny)
Wybieranie solvera
Wybór automatyczny solvera jest opcją domyślną dla badań statycznych, częstotliwości, wyboczenia i
termicznych.
W przypadku problemów kontaktu wielopowierzchniowego, gdzie powierzchnia kontaktu jest
odnajdowana w drodze kilku iteracji kontaktowych, preferowany jest solver Direct Sparse.
Dla badań nieliniowych modeli, które posiadają ponad 50 000 stopni swobody, aby uzyskać
rozwiązanie w krótszym czasie efektywniejsze jest użycie solvera FFEPlus.
Obydwa solvery są efektywne dla niewielkich problemów (do 25 000 stopni swobody), jednakże w
przypadku rozwiązywania dużych problemów różnice w wydajności (prędkości i użycia pamięci) mogą
być znaczne.
Jeżeli solver wymaga większej ilości pamięci niż dostępna w komputerze, to wykorzystuje on
przestrzeń dyskową do zapisania i odzyskania danych tymczasowych. Gdy taka sytuacja wystąpi,
wyświetlany jest komunikat informujący, że rozwiązanie wykracza poza główną część systemu i
postęp prac będzie wolniejszy. Jeżeli ilość danych do zapisania na dysku jest bardzo duża, postęp
może być skrajnie powolny.
Poniższe czynniki pomogą w wyborze właściwego solvera:
• Rozmiaru problemu. Generalnie solver FFEPlus jest szybszy przy rozwiązywaniu problemów o
liczbie stopni swobody (DOF) powyżej 100 000. Jest on bardziej efektywny ze wzrostem
rozmiarów problemu.
• Zasobu komputera. Szczególnie solver Direct Sparse jest tym szybszy, im więcej pamięci jest
dostępne w komputerze.
• Właściwości materiału. Gdy współczynniki sprężystości materiałów użytych w modelu różnią
się znacznie (jak np. stal i nylon), to solvery iteracyjne są mniej dokładne od metod
bezpośrednich. W takich przypadkach zalecany jest solver bezpośredni.
2
SOLIDWORSKS MOTION
2.1 Rodzaje symulacji ruchu w SolidWorks
Badania ruchu są graficzną symulacją ruchu dla modeli złożeń modeli. W badaniu ruchu można
uwzględnić właściwości wizualne takie jak oświetlenie oraz widok z kamery. Badania ruchu nie
zmieniają modelu złożenia ani jego właściwości. Symulują one i animują ruch zalecony dla modelu
przez użytkownika. Można użyć wiązań SolidWorks, aby ograniczyć ruch komponentów w złożeniu
gdy model jest w ruchu.
W badaniu ruchu można użyć drzewa MotionManager, interfejsu opartego na osi czasu, który
zawiera następujące narzędzia badania:
• Animacja (dostępne wraz z głównym produktem SolidWorks). Można użyć Animacji, aby
animować ruch w złożeniach:
• Można dodać napędy, aby sterować ruchem jednej lub więcej części w złożeniu.
• Można ustawić pozycje komponentów złożenia w różnych punktach czasu przy użyciu
punktów kluczowych. Animacja używa interpolacji dla zdefiniowania ruchu
komponentów złożenia pomiędzy punktami kluczowymi.
• Podstawowy ruch (dostępne wraz z głównym produktem SolidWorks). Można użyć
Podstawowego ruchu dla przybliżenia efektów napędów, sprężyn, kontaktu i grawitacji na
złożenia. Podstawowy ruch bierze pod uwagę masę przy obliczaniu ruchu. Obliczanie
Podstawowego ruchu jest relatywnie szybkie, tak więc można używać jej do tworzenia
animacji do celów prezentacji.
TM
• Analiza ruchu (dostępne z dodatkiem SolidWorks Motion w SolidWorks Premium). Można
użyć Analizy ruchu, aby prawidłowo symulować i analizować efekty elementów ruchu
(włącznie z siłami, sprężynami, tłumikami i tarciem) na złożenie. Analiza ruchu używa
zaawansowanych solverów i bierze przy obliczeniach pod uwagę właściwości materiałów oraz
masę i bezwładność. Można również użyć Analizy ruchu, aby tworzyć wykresy symulacji dla
dalszej analizy.
Ponadto można użyć paska narzędzi MotionManager, aby:
• Zmienić punkt widzenia.
• Wyświetlać właściwości.
• Obliczyć rozprowadzalne, doskonałe do celów prezentacji animacje, ukazujące ruch złożenia.
2.2 Decydowanie którego typu badania użyć
Należy użyć Animacji, aby utworzyć doskonałe do celów prezentacji animacje dla ruchów, które nie
wymagają uwzględniania masy ani grawitacji.
Należy użyć Podstawowego ruchu, aby utworzyć doskonałe do celów prezentacji symulacje ruchów,
które biorą uwzględniają masę, kolizje lub grawitację.
Należy użyć Analizy ruchu, aby przeprowadzać zaawansowane symulacje uwzględniające fizykę ruchu
złożenia. Narzędzie to jest najbardziej intensywne obliczeniowo z wymienionych trzech opcji. Im
większe jest zrozumienie fizyki ruchu, tym lepsze wyniki. Można użyć Analizy ruchu, aby
przeprowadzić badania analizy uderzenia, aby zrozumieć reakcję komponentu na różne typy sił.
2.3 Analiza ruchu
Można użyć Analizy ruchu (dostępne z dodatkiem SolidWorks Motion w SolidWorks Premium), aby
prawidłowo symulować i analizować ruch złożenia jednocześnie uwzględniając efekty elementów
Badania ruchu (włącznie z siłami, sprężynami, tłumikami i tarciem). Badanie Analizy ruchu łączy
elementy badania ruchu z wiązaniami w obliczeniach ruchu. Wskutek tego powiązania ruchu,
właściwości materiału, masa oraz kontakt komponentu są uwzględnione w obliczeniach SolidWorks
Motion. Badanie Analizy ruchu oblicza obciążenia, które mogą być użyte do zdefiniowania obciążeń
dla analizy strukturalnej. Aby użyć solvera SolidWorks Motion w badaniu ruchu, należy wybrać
Analiza ruchu z listy typów badań ruchu w menedżerze ruchu MotionManager.
2.3.1 Stopnie swobody
Niepowiązane w przestrzeni ciało sztywne ma sześć stopni swobody: trzy translacyjne i trzy
obrotowe. Może się ono poruszać wzdłuż swoich osi X, Y i Z oraz obracać wokół osi X, Y i Z. Kiedy
dodamy powiązanie, takie jak wiązanie koncentryczne pomiędzy dwoma ciałami sztywnymi,
usuwamy stopnie swobody pomiędzy nimi. Dwa ciała pozostają powiązane w pozycji względem siebie
niezależnie od ruchu czy siły w mechanizmie. Można użyć wiązań, aby powiązać ruch poprzez
usunięcie różnych stopni swobody.
Na przykład wiązanie koncentryczne usuwa dwa translacyjne stopnie swobody i dwa obrotowe
stopnie swobody pomiędzy dwoma sztywnymi ciałami. Dodanie wiązania odległości lub wspólnego
do ściany, usuwa ostatni translacyjny stopień swobody. Jeżeli każde ciało sztywne ma punkt na
połączeniu na linii środkowej wiązania koncentrycznego, te dwa punkty pozostaną w takiej samej
odległości od siebie. Mogą się one obracać względem siebie względem jednej osi, linii środkowej
wiązania koncentrycznego. Ta kombinacja wiązań produkuje połączenie jednego stopnia swobody,
ponieważ pozwala na jeden obrót pomiędzy sztywnymi ciałami.
Kiedy używamy badania Analizy ruchu dla obliczania ruchu, obliczana jest liczba stopni swobody w
danym mechanizmie i usuwane zbędne wiązania podczas określania i rozwiązywania równań ruchu
dla danego złożenia.
2.3.2 Tulejki
Uwzględnienie tulejek w badaniu Analizy ruchu jest odpowiednikiem dodania elastycznego wiązania.
Tulejkę można rozpatrywać jako układ sprężyny i tłumika zawierający odrobinę oleju slopowego.
Solver SolidWorks Motion traktuje części jako nieskończenie sztywne. Wskutek tego, na części można
umieścić tylko jedno wiązanie ograniczające określony stopień swobody. W sytuacjach gdzie więcej
niż jedno powiązanie ogranicza określony stopień swobody, wszystkie dodatkowe powiązania są
zbędne.
Można użyć tulejek zamiast wiązań i ustawić sztywność na powiązanie ruchu wzdłuż kierunku
określonego stopnia swobody. Obciążenie na każdej tulejce jest funkcją wartości sztywności.
Przy użyciu tulejek celem reprezentacji sztywności części i wiązań, można uwzględnić sztywność w
badaniach Analizy ruchu. Im dokładniej znamy sztywność, tym lepsze wyniki.
3
3.1
SOLIDWORKS FLOW SIMULATION
Podstawowy podział przepływów we Flow Simulation
W obliczeniach przepływów płynów we Flow Simulation należy określić na wstępie podstawowy typ
przepływu:
Przepływ zewnętrzny (External analysis) – Zewnętrzne przepływy polegają na przepływie
przez lub wokół modelu, takich jak przepływ przez samolotów, samochodów, budynków,
itp. Przepływy zewnętrzne wymagają określenia obszaru obliczeniowego (Computational
Domain) o odległych granicach . Zaleca się, aby użyć domyślnego obszaru obliczeniowego
generowanego przez Flow Simulation. Jeśli ręcznie rozmiar obszaru obliczeniowego
zostanie zmieniony ręcznie, należy pamiętać, że ustawienie granic blisko modelu może
spowodować niezadowalające wyniki.
Przepływ wewnętrzny (Internal analysis) – Wewnętrzne przepływy mają miejsce w
ograniczonej geometrii, takie jak przepływ wewnątrz rur, zbiorników itp. W przepływach
wewnętrznych płynu wpływa do modelu na wlocie i opuszcza model poprzez wyloty.
Wyjątkiem są pewne naturalne problemy konwekcji, które nie mogą mieć otworów. W
wewnętrznej analizie, model musi być całkowicie zamknięty. Aby upewnić się czy model
jest zamknięty, należy użyć Sprawdź geometrii.
Przepływy zewnętrzne i wewnętrzne mogą być obliczane równocześnie w jednym projekcie. Jeśli
analiza obejmuje wewnętrzne i zewnętrzne przepływy należy określić typ analizy jako zewnętrzny.
3.2 Typy analiz i płynów
Pełny produkt SolidWorks Flow Simulation zawiera następujące funkcje zaawansowane:
Analiza przekazywania ciepła:
− obliczanie przepływu ciepła w przybliżeniach ścian adiabatycznych lub obiektach
bryłowych.
− określanie różnych typów źródeł ciepła.
− przypisywanie modelom szerokiego zakresu materiałów stałych, przechowywanych w
inżynieryjnej bazie danych.
− definiowanie własnych materiałów poprzez przypisanie im wartości dla takich
właściwości fizycznych jak przewodność cieplna, pojemność cieplna itp.
− obliczanie ciepła promieniowania. inżynieryjna baza danych zawiera powierzchnie
promieniujące, takie jak ściana-ciało czarne, ściana-ciało białe, ciało szare z dowolnym
albedo oraz szeroką gamę powierzchni materiałów rzeczywistych.
Typy analizowanych płynów:
− Analiza przepływu maksymalnie dziesięciu płynów różnych typów (ciecze, gazy/pary,
gazy rzeczywiste, ciecze nieniutonowskie i ciecze ściśliwe). Baza danych zawiera wiele
płynów o zdefiniowanych właściwościach.
− Analiza problemu zawierającego wiele płynów różnych typów, pod warunkiem
wzajemnego oddzielenia obszarów różnych płynów przy użyciu subdomen płynów.
− Analiza wzajemnego rozcieńczania płynów. Mieszające się płyny muszą być tego
samego typu.
− Definiowanie własnych płynów.
3.3 Warunki brzegowe
Ustawienia początkowe:
Przed rozpoczęciem obliczeń Flow Simulation pozwala wprowadzić dodatkowe ustawienia.
Ustawienie wartości warunków początkowych bardziej zbliżonych do przewidywanych parametrów
końcowych poprawia wydajność obliczeń.
Początkowe parametry płynu. Parametry te można ustawiać globalnie. W przypadku złożeń
można je ustawiać lokalnie dla podzespołów lub indywidualnych części.
Temperatura początkowa. Ustawienie temperatury początkowej ciała stałego.
Początkowe parametry siatki. Ustawianie dodatkowych parametrów, które sterują
sposobem rozwiązywania przez analizę powierzchni kontaktu ciała stałego i płyny,
zakrzywionych powierzchni, wąskich kanałów, niewielkich operacji brył itp. Ustawienia te
można stosować globalnie bądź do złożeń, podzespołów lub indywidualnych części.
Można ustawić poniższe warunki brzegowe.
Dla wlotu i wylotu:
• Objętość masy,
• Przepływ objętościowy,
• Prędkość,
• Liczba macha,
• Ciśnienie statyczne,
• Ciśnienie całkowite,
• Ciśnienie środowiska,
• Grubość ścianki.
Tylko dla wlotu:
• Profil prędkości przepływu, wir lub
wektor,
• Temperatura,
• Skład (dla złożeń),
• Parametry turbulencji.
Elementy czarnych bloków
Aby skrócić czas analizy, Flow Simulation zawiera szereg gotowych "czarnych bloków." Czarne bloki
posiadają tabelaryczne zintegrowane parametry wejścia i wyjścia i są uwzględniane w obliczeniach.
Flow Simulation nie rozwiązuje ich podczas analizy.
• Wentylator. Wyidealizowany wentylator, który jest całkowicie zdefiniowany przy użyciu
krzywej wentylatora, która oznacza tabelaryczną zależność przepływu objętościowego
względem spadku ciśnienia. Wentylator można użyć jako wlotowy, wylotowy lub
wewnętrzny. Baza danych zawiera krzywe wentylatora dla wybranych wentylatorów
przemysłowych. Krzywe wentylatora można również definiować samodzielnie.
• Radiator. Wyidealizowany wentylator połączony z radiatorem. Flow Simulation definiuje
radiator przy użyciu krzywej wentylatora i krzywej wytrzymałości cieplnej.
• Chłodnica termoelektryczna. Wyidealizowane urządzenie chłodzące Peltiera definiowane
przy użyciu maksymalnej różnicy temperatur, jaką może ono wytworzyć.

Materiały wykładowe

Transkrypt

Podobne dokumenty

DARMOWA STUDENCKA WERSJA SOLIDWORKS www

Główny Technolog - Kierownik produkcji (obróbka CNC)

OGŁOSZENIE O ZAMÓWIENIU

Prezentacja firmy PROGRESS ECO S.A. w albumie

SITODRUK

Premierowy pokaz SolidWorks 2012 w Polsce.