Wytrzymałość materiałów – #2 – Symulacja w CAD

Wytrzymałość materiałów – #2 – Symulacja w CAD

W analizie wytrzymałościowej wykorzystuje się komputerowe techniki obliczeniowe. Cały dzień można wyliczać zalety tego rozwiązania, a jedyną wadą tej metody jest cena oprogramowania...

Jednak większość z nas (jako studenci) posiada dostęp do darmowych wersji edukacyjnych.

« Poprzedni artykuł z serii

Oprogramowanie CAD w przeprowadzaniu analizy wytrzymałościowej wykorzystuje Metodę Elementów Skończonych (MES, ang. FEM, finite-element method). W skrócie polega ona na podzieleniu bryły na pewną ilość takich samych elementów, ich "dane" wpisane są do macierzy i na tych właśnie macierzach dokonywane są obliczenia.

Równania nie są skomplikowane jednak nawet przy prostych obiektach poddawanych analizie powstają ogromne macierze (na studiach liczyłem takie 8x8 i zajmowało to dobre pół godziny, gdzie 8 to liczba węzłów, a nasz model będzie miał ich około 17 tysięcy).

Niniejszy artykuł oparty będzie o oprogramowanie SolidWorks 2012. Większość programów CAD jest bardzo do siebie podobnych, więc nie powinniście mieć problemu ze stosowaniem tych metod w innym sofcie.

Model

Na początek potrzebny nam jest model obiektu, który chcemy poddać analizie. Przykładowym elementem będzie prosty wspornik wycięty z blachy 5 mm.

Model, na którym przeprowadzimy ćwiczenia.

Model, na którym przeprowadzimy ćwiczenia.

Jak wspomniałem we wstępie im mniej mamy elementów w siatce tym szybciej otrzymamy wyniki, dlatego warto jest poszukać w obiekcie osi symetrii i wykonać model połowy, ćwiartki, a nawet 1/8 czy 1/16 obiektu. W naszym przykładzie wykonamy model połowy obiektu.

Wygląd modułu w 3D.

Wygląd modułu w 3D.

Tak powinien wyglądać model. Na rysunku tego nie widać, ale ma on grubość 2,5 mm, czyli połowa tej, o której wspominałem wcześniej. Zapiszmy go pod nazwą "wspornik".

Przygotowywanie badania

Gdy mamy gotowy model możemy przejść do środowiska symulacji. Aby to zrobić należy otworzyć zakładkę Simulation z górnego paska.

Zakładka Simulations w Solid Works.

Zakładka Simulations w Solid Works.

Jeśli nie masz tej zakładki to znaczy, że masz wyłączony ten dodatek. Aby go włączyć kliknij strzałeczkę obok ikony Opcje na górnym pasku, następnie wybierz Dodatki.

SolidWorks - wybór dodatków.

SolidWorks - wybór dodatków.

W okienku, które się pojawi zaznacz opcję przy SolidWorks Simulation i kliknij OK.

Wybór odpowiedniej opcji.

Wybór odpowiedniej opcji.

W zakładce symulacji klikamy na strzałeczkę pod Doradca badania i wybieramy Nowe badanie. W okienku Badanie, które się pojawiło nic nie musimy zmieniać, klikamy OK. Teraz na dolnym pasku obok zakładek Model, Badanie ruchu 1 powinna pojawić się trzecia zakładka Badanie 1.

Nowe badanie.

Nowe badanie.

Po lewej stronie pod drzewkiem modelu mamy drzewko badania.

Drzewko badania.

Drzewko badania.

Do przeprowadzenia badania musimy:

  1. Przypisać materiał naszemu obiektowi
  2. Zamocować go w przestrzeni
  3. Zadać obciążenie
  4. Zdefiniować siatkę

Przypisywanie materiału obiektowi

Materiał przypisujemy poprzez kliknięcie PPM (Prawy Przycisk Myszy) na nasz wspornik w drzewku badania i wybrać Zastosuj/edytuj materiał... W okienku, które się pojawi, po lewej stronie mamy bibliotekę dostępnych materiałów. Wybierzmy pierwszą z góry stal:

1023 Arkusz stali węglowej (SS)

W tabelce od razu pojawiają się jej właściwości. Aby potwierdzić nasz wybór klikamy Zastosuj, a następnie Zamknij.

Wybór materiału.

Wybór materiału.

Zamocowanie modelu w przestrzeni

Aby zamocować wspornik w przestrzeni klikamy PPM na Umocowania -> Nieruchoma geometria... Następnie zaznaczamy tylną ściankę o długości 50mm i klikamy OK.

Wybór krawędzi.

Wybór krawędzi.

W tym miejscu "pokażemy" programowi, że model stanowi tylko połowę obiektu. Wykorzystuje się do tego umocowanie typu Przesuwanie.  PPM na Umocowania -> Przesuwanie i Zaznaczamy duża trapezową ściankę (najlepiej tą która pokrywa się ze szkicem), następnie klikamy OK.

Wskazanie jedynie połowy modelu.

Wskazanie jedynie połowy modelu.

W drzewku po rozwinięciu grupy Umocowania, powinny znajdować się dwie pozycje: Stały-1 i Przesuwanie-1, a na modelu powinny być zielone strzałeczki reprezentujące dane wiązania.

Zadanie obciążenia

Obciążenie zadajemy podobnie do tego jak nadawaliśmy umocowania. PPM na Obciążenia zewnętrzne -> Siła. Dalej Zaznaczamy przednią ściankę o długości 30mm i zmieniamy siłę z Normalna na Wybrany kierunek.

Później klikamy na dowolną pionową krawędź (strzałki symbolizujące siłę powinny ustawić się w tym kierunku), jeśli strzałki skierowane są do góry zaznaczamy opcję Odwróć kierunek -> Wartość siły, wpisujemy: 500 N, czyli ok. 50 kg.

Obciążenie modelu.

Obciążenie modelu.

Definiowanie siatki

Siatkę tworzymy analogicznie, PPM na Siatka -> Utwórz siatkę -> OK. Na tym etapie nasz model powinien wyglądać zgodnie z poniższym zrzutem:

Aktualny wygląd modelu w SolidWorks.

Aktualny wygląd modelu w SolidWorks.

Jeśli nie widać siatki to kliknij PPM na Siatka -> Pokaż siatkę. Jak na dłoni widać elementy, o których mówiłem we wstępie.

Uruchomienie badania i analiza wyniku

Klikamy Uruchom na górnym pasku, a naszym oczom powinien ukazać się widok, jak poniższy. Dodatkowo w drzewku pojawią się wyniki badań (domyślnie pokazane są naprężenia von Misesa):

Wynik badania w Solid Works.

Wynik badania w Solid Works.

Mylący może być kształt naszego wspornika. Czy aby na pewno wygnie się tak mocno? Otóż nie. W lewym górnym rogu mamy kilka informacji, a pośród nich Skala deformacji bliska 92, czyli rzeczywiste deformacje zostały powiększone 92 razy, aby było je widać. Zazwyczaj jest, to przydatna opcja.

Wartość tą można zmienić klikając PPM na danym wyniku (tutaj Naprężenie1) -> Edytuj definicję. Następnie w dziale Zdeformowany kształt mamy do wyboru 3 opcje: Automatyczny, Rzeczywista skala i Zdef. przez użytkownika.

W tym miejscu możemy również wybrać jakie naprężenia chcemy oglądać: normalne w jednej z osi X, Y, Z, ścinające itp. Polecam również w tym miejscu zmienić jednostkę na MPa, dużo przyjemniejsza w operowaniu.

Z legendy po prawej stronie możemy odczytać zakres naprężeń występujących we wsporniku, dopasowując kolory z modelu jesteśmy w stanie rozeznać się gdzie jakie naprężenia panują. W naszym przypadku największe naprężenia występują na obu "grzbietach" wspornika. Na dole legendy widnieje również strzałka z opisem Granica plastyczności: 282.7. Jest to wartość dotycząca zastosowanego materiału.

W przypadku gdyby naprężenia występujące w modelu były większe niż granica plastyczności strzałka pojawiłaby się również na odpowiedniej wysokości kolorowego paska legendy ułatwiając rozeznanie się w tym ile te naprężenia ją przekraczają.

Dodatkowo wybierając PPM na wyniku -> Opcje wykresu możemy zaznaczyć Pokaż min/max adnotację, dzięki czemu dokładnie wiemy, w którym miejscu naprężenia są największe, a w którym najmniejsze i jaką mają wartość.

Bardzo ważnym narzędziem w analizie wyników jest Sonda. Na górnym pasku wybieramy:

Narzędzia wykresów -> Sonduj.

Domyślnie wybrana jest opcja W lokalizacji, która jest mało przydatna, ponieważ pokazuje tylko wartość naprężenia w konkretnym wskazanym punkcie. Zmieniając ją na Na wybranych elementach możemy wybrać krawędź wzdłuż której chcemy analizować naprężenia. Wybierzmy jedną z krawędzi górnego grzbietu wspornika. Klikamy aktualizuj, a następnie w części Opcje raportu klikamy ikonkę Wykres.

Uzyskany wykres.

Uzyskany wykres.

Niedopracowaniem ze strony twórców oprogramowania jest kiepski opis osi poziomej, wartości na tej osi zawierają się w przedziale od 0 do 1 i musimy sami wywnioskować, po której stronie badanej krawędzi jest zero czy jeden.

W analogiczny sposób analizujemy przemieszczenie. Aby je wyświetlić wystarczy dwukrotnie kliknąć na wynik badania Przemieszczenie1. Od razu widzimy, że maksymalne przemieszczenie wynosi niecałe 0.2 mm. Do analizy przemieszczeń również można zastosować wszystkie operacje opisywanie przy okazji naprężeń, jak sonda, zmiana rodzaju wyświetlanych przemieszczeń, jednostka, czy adnotacje min/max.

Wnioski

Analizując nasze wyniki stwierdziliśmy, że dopuszczamy występujące we wsporniku naprężenia. Jednak nie martwiąc się technologicznością i trudnością wykonania, zobaczmy jak możemy poprawić nasz wspornik. W obecnej postaci waży on ok. 230 g i w sporej części jego objętości występują bardzo małe naprężenia. Optymalnym zjawiskiem jest gdy obiekt obciążony jest równomiernie w całej objętości.

Odchudzając model jak na ilustracji poniżej, zredukowaliśmy masę prawie o połowę:

Nowa wersja modelu.

Nowa wersja modelu.

Skutkiem tych zmian oprócz redukcji masy jest również niewielki (w porównaniu do zmian w masie) wzrost naprężeń oraz bardziej równomierne rozłożenie naprężeń. Przemieszczenie zwiększyło się w sposób nieznaczny.

Analiza nowej wersji modelu.

Analiza nowej wersji modelu.

Na wykresie (wygenerowany identycznie jak ostatnio) widzimy wpływ otworów na rozkład naprężeń wzdłuż krawędzi grzbietu.

Wykres dla nowej wersji modelu.

Wykres dla nowej wersji modelu.

Podsumowanie

Na tym przykładzie mogliśmy zobaczyć z czym wiąże się analiza wytrzymałościowa w CAD. Systemy te są bardzo zaawansowane i rozbudowane, ponieważ powstają praktycznie od tak dawna jak powstaje CAD. Jak mogliście zauważyć posiadają mnóstwo opcji, typów badań, obciążeń itd.

Opanowanie wykorzystywania (przede wszystkim poprawnego) wszystkich możliwości tego oprogramowania zajmie całe lata. To nie tylko umiejętność wyklikania pewnych rzeczy, lecz także umiejętność odpowiedniego skonfigurowania badań tak, aby wyniki były zbliżone do rzeczywistości. Trzeba wiedzieć gdzie należy nadać jakie umocowania, w jaki sposób przyłożyć siłę czy ciśnienie albo w jaki sposób nadać połączenia jeśli chcemy badać całe złożenia.

« Poprzedni artykuł z serii

 Artykuł był już wcześniej publikowany na forum.

CAD, materiały, mes, solidworks, symulacja, wytrzymałość

Trwa ładowanie komentarzy...