Copyright © CAD/CAM/CAE Observer # 1 (19)/2005

Статические прочностные расчеты конструкций в среде T-FLEX Анализ

Александр Сущих, Павел Ануфриков (ЗАО “Топ Системы”, Москва)

В одном из прошлых номеров журнала (Observer #4/2004) мы рассказали о новой разработке компании "Топ Системы" – приложении для конечно-элементных расчетов T-FLEX Анализ. В данной статье мы продолжим рассказ об этой разработке, уделив особое внимание, пожалуй, наиболее востребованному расчетному модулю – "Статический анализ".


Рис. 1. Общий алгоритм статического прочностного анализа в системе T-FLEX Анализ

Статические расчеты конструкций на прочность занимают особое место в машиностроительном проектировании. Обычно, при проверочном расчете изделия на прочность, расчетчика интересуют два вопроса:

Рассмотрим подробнее общий алгоритм прочностного анализа при воздействии статических нагрузок в T-FLEX Анализ (рис. 1).

Шаг 1. Создание объемной твердотельной модели изделия

Модель может быть построена пользователем в среде трехмерного моделирования T-FLEX CAD 3D или импортирована в нее из других САПР через различные форматы обмена. Это может быть "рабочая" модель, содержащая проекции и оформленные рабочие чертежи, участвующая в составе сборки, или модель, используемая для расчета траекторий ЧПУ обработки. Другими словами, для выполнения прочностного расчета нет необходимости специально готовить какую-то расчетную модель, а можно использовать непосредственно те электронные документы, с которыми работает конструктор.

В качестве примера рассмотрим последовательность действий по статическому расчету детали "лемех" – тяжело нагруженного элемента забойного шахтного конвейера. Не вдаваясь в специфические подробности эксплуатации горно-шахтного оборудования, покажем расчетную схему нагружения данной детали (рис. 2).


Рис. 2. Схема нагружения детали “лемех”. Красным цветом отображается приложенная к поверхности суммарная нагрузка 20 000 Н, желтым цветом – условно закрепленная опорная поверхность детали

Шаг 2. Создание "Задачи"

Любой расчет в системе T-FLEX Анализ начинается с создания "Задачи" с помощью команды "Новая задача". При создании задачи пользователь определяет её тип ("Статический анализ", "Частотный анализ", "Устойчивость", "Тепловой анализ").

T-FLEX Анализ обеспечивает мультизадачный режим конечно-элементного моделирования. Это означает, что для одной и той же трехмерной модели пользователь может одновременно проводить несколько расчетов. Для того чтобы выполнить какие-либо расчеты твердотельной модели детали, необходимо указать материал, из которого она изготовлена. В T-FLEX Анализ есть две возможности задать материал для выполнения анализа. По умолчанию, при расчете используются характеристики материала "С операции". В стандартной версии T-FLEX CAD 3D есть возможность присваивать телам, участвующим в создании трехмерной модели изделия, материал из внутренней базы T-FLEХ CAD – например, "сталь" или "алюминий". Пользователь может пополнять эту стандартную базу своими материалами. Кроме того, в составе системы T-FLEX Анализ есть собственная независимая база материалов, которую также можно использовать для задания физико-механических свойств анализируемого изделия.

Шаг 3. Генерация сетки конечных элементов

Как отмечалось в предыдущей статье о T-FLEX Анализ, для осуществления конечно-элементного моделирования необходимо построение расчетной сетки из тетраэдральных конечных элементов (КЭ). При создании сетки пользователь указывает ориентировочный размер КЭ (тетраэдров), с помощью которых будет описана математическая модель моделируемого изделия, а также ряд других параметров.

Построим сетку КЭ для нашей детали "лемех" (рис. 3).


Рис. 3. Процесс генерации конечно-элементной сетки и готовая сеточная модель

Шаг 4. Наложение граничных условий и задание закреплений

Помимо создания сетки КЭ, для успешного решения физической задачи в конечно-элементной постановке необходимо корректно определить так называемые граничные условия. В статике их роль выполняют закрепления и приложенные к системе внешние нагрузки. Для задания закреплений в T-FLEX Анализ предусмотрены две команды: "Полное закрепление" и "Частичное закрепление".

Для задания нагрузок предусмотрен целый набор специализированных команд. Кратко рассмотрим их:

Отметим еще одну функциональную возможность статических расчетов в T-FLEX Анализ. Пользователь может задать расчет напряженного состояния конструкции, возникающий под действием не только различных силовых, но и температурных нагрузок – задача "термоупругости". Например, можно оценить деформации, возникающие в оптическом элементе под действием разности температур.

Теперь зададим условия нагружения для нашей детали (рис. 4). Учитывая значительный вес детали, дополнительно введем в качестве нагрузки гравитацию.


Рис. 4. Подготовленная для расчета конечно-элементная модель детали “лемех”

Шаг 5. Выполнение расчета

После создания сетки КЭ и наложения граничных условий можно инициализировать команду "Расчет" и запустить процесс формирования систем линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) и их решения. Большинство режимов для формирования СЛАУ и их решения выбираются автоматически процессором T-FLEX Анализ.

Шаг 6. Анализ результатов расчета

Важнейшим элементом любой системы конечно-элементного моделирования является т.н. постпроцессор – инструментарий, позволяющий проанализировать полученные результаты расчетов и сделать обоснованные выводы о напряженном поведении конструкции и её прочности. T-FLEX Анализ предоставляет качественные и удобные средства для этих целей.

Результаты расчета отражаются в дереве задач, что обеспечивает удобный и быстрый доступ к ним. Визуализация результатов осуществляется непосредственно в интерфейсе T-FLEX CAD. Одновременно могут быть открыты несколько результатов одной или разных задач (рис. 5).


Рис. 5. Одновременный просмотр результатов расчета перемещений и напряжений квадратичным (верхний ряд) и линейным элементами

Чтобы облегчить анализ, есть различные средства:

Таким образом, система конечно-элементного моделирования T-FLEX Анализ дает пользователям популярной российской системы T-FLEX CAD 3D возможность успешно осуществлять статические прочностные расчеты конструкций.

Copyright © CAD/CAM/CAE Observer # 1 (19)/2005