Join the forum for Designers!
Your expertise is vital to the community. Join us and contribute your knowledge!
Join the Forum NowShare, learn and grow with the best professionals in the industry.
Elementy skończone w „analizie elementów skończonych” (i sposób ich tworzenia) mają fundamentalne znaczenie. Użytkownicy FEA muszą mieć możliwość łatwego tworzenia wysokiej jakości wzorów siatki, a algorytmy odpowiedzialne za zachowanie tej siatki pod obciążeniem muszą równoważyć szybkość, dokładność i możliwości, aby dopasować się do celów symulacji (niezależnie od tego, czy jest to „szybka i brudna” ocena sztywności, czy też wysoce wierna nieliniowa analiza naprężeń).
Dobre i produktywne doświadczenie dla analityka sprowadza się do możliwości narzędzia MES z siatką ES i procesem siatkowania. Przyjazne dla użytkownika, wbudowane w CAD rozwiązania MES, takie jak SOLIDWORKS Simulationsą skoncentrowane na łatwości użytkowania podczas wykonywania najczęstszych zadań MES, zapewniając wytyczne projektowe. Szybka tetrameza drugiego rzędu kilku części to często wszystko, czego Państwo potrzebują.
Co jednak w przypadku bardziej wyspecjalizowanych zastosowań, zwiększania rozmiaru zespołu i interakcji lub zastosowania MES do „wirtualnego prototypowania”? Wtedy mogą Państwo potrzebować szczegółowej kontroli siatki Abaqus, geometrii elementów ceglanych lub pryzmatycznych lub specjalistycznych elementów i formuł elementów. Niniejszy artykuł przedstawia niektóre z Abaqus może zaoferować pomoc w tworzeniu wysokiej jakości, ukierunkowanych modeli ES w celu lepszej i szybszej analizy.
Proces siatkowania: Dyskretyzacja geometrii
Abaqus zapewnia różnorodne metody siatkowania i geometrie elementów, aby dopasować je do każdego problemu. Dodatkowe techniki siatkowania, które oferuje Abaqus, mogą potencjalnie zwiększyć dokładność i skrócić czas rozwiązywania symulacji, ale czasami mają ograniczone zastosowanie, w zależności od kształtu komponentu lub czasu, jaki analityk ma na wytworzenie lepszej siatki. Abaqus/CAE może również utworzyć instancję zazębionych części w taki sam sposób, w jaki SOLIDWORKS może utworzyć instancję modelowanych części.
Bezpłatne siatkowanie
Najprostsza technika siatki jest nazywana free meshing, używanego w SOLIDWORKS Simulation. Podczas siatkowania geometrii bryłowej najpierw siatkowana jest powierzchnia, a następnie objętość jest wypełniana elementami bryłowymi. W przypadku swobodnego siatkowania można dodać kontrolę rafinacji, aby zmodyfikować ostateczny rozmiar elementów w obszarach lokalnych, określając żądany rozmiar dla części geometrii w wybranych objętościach, powierzchniach, krawędziach lub wierzchołkach.
Przekrój belki kanałowej CAD
Przekrój tetrameshed belki kanałowej (48 800 elementów)
Sweep Meshing
Abaqus jest narzędziem dla analityków strukturalnych i oferuje wiele metod tworzenia pożądanej siatki. Swobodne siatkowanie jest jedną z takich metod, ale inne oferują korzyści, takie jak większa kontrola rafinacji lub bezpośrednie generowanie określonych formuł elementów, które nie są dozwolone w przypadku swobodnego siatkowania. Jednym z przykładów jest sweep mesh która jest szczególnie przydatna w przypadku typowych elementów konstrukcyjnych produkowanych jako części wytłaczane. Dla porównania z siatką swobodną, proszę rozważyć prostą belkę prostokątną.
Swobodne siatkowanie belki skutkuje automatycznym generowaniem pełnych elementów czworościennych (tet) na całej długości, podczas gdy zamiatana siatka spowoduje równomierny rozkład elementów w oparciu o dyskretyzację 2D powierzchni początkowej. Na poniższym obrazku wygenerowano mieszankę elementów sześciościennych (hex) i klinowych/pryzmatycznych.
Przekrój belki kanałowej z siatką sześciokątną (2600 elementów)
Zaletą wynikającą z zamiatania siatki jest możliwość tworzenia wielu elementów przez grubość bardzo cienkich części bez dużej liczby oczek. Siatka tets wymaga łącznie 48 800 elementów, aby uzyskać 3 elementy w poprzek środnika, podczas gdy w przypadku siatki HEX wymagane było tylko 2600 elementów.
Nawet przy użyciu lokalnej kontroli siatki dostępnej z siatką tet czasami trudno jest wygenerować odpowiednią liczbę elementów w objętości części bez dużej liczby oczek. Dobra siatka elementów sześciościennych zwykle zapewnia rozwiązanie o równoważnej dokładności przy niższych kosztach.
Podział
W przypadku niektórych geometrii, zwłaszcza tych z nieporęcznymi elementami i niejednolitymi przekrojami (np. kołnierze zbiorników ciśnieniowych i uchwyty do podnoszenia), swobodne siatkowanie jest najlepszą metodą efektywnego tworzenia siatki. Możliwe jest jednak użycie narzędzie do partycjonowania w Abaqus, aby podzielić część na oddzielne sekcje i siatkować określone regiony za pomocą różnych typów elementów (pokazano poniżej).
Partycja Abaqus/CAE; lewa (niepartycjonowana), prawa (partycjonowana)
Geometry Seeding
Siatkowanie jest dodatkowo ulepszone w Abaqus z wysiewanie geometrii . Skuteczne wykorzystanie siewu pomaga uzyskać jednolite wzorce naprężeń, które są niezwykle ważne dla dokładności tam, gdzie powstają koncentracje naprężeń. Geometry seeding to technika, która pozwala na bezpośrednią kontrolę długości krawędzi elementu w celu uzyskania płynnych przejść między elementami geometrycznymi. Pożądaną gęstość siatki w tych obszarach uzyskuje się poprzez dodanie punktów „nasion” wzdłuż krawędzi geometrii, gdzie mają znajdować się węzły. Poniżej znajduje się przykład kontroli krawędzi z nasionami. Odstępy między tymi punktami można regulować, zapewniając pełną kontrolę nad lokalną gęstością siatki.
Wirtualne ograniczenia topologii
Aby skrócić czas tworzenia siatki i typowo skrócić czas rozwiązania, użytkownicy Abaqus mogą wykorzystać wirtualne ograniczenia topologii, funkcja, która usuwa małe cechy geometryczne nieistotne dla analizy (pokazane poniżej). Eliminując te małe elementy, proces siatkowania staje się bardziej wydajny, a wynikowa siatka jest uproszczona.
Asocjatywność siatki
Abaqus może korzystać z asocjatywności CAD za pomocą funkcji interfejsy asocjacyjne. Z interfejsem asocjacyjnym dla SOLIDWORKS, CATIAlub innych narzędzi CAD, preprocesor Abaqus/CAE może pobierać dane bezpośrednio z oryginalnego systemu CAD, a nie z wyeksportowanych brył. Jednostki analityczne pozostają powiązane z komponentami i połączeniami poprzez modyfikacje CAD, więc analityk nie musi zaczynać od zera przy każdej iteracji. Analityk może również modyfikować parametry CAD z poziomu Abaqus/CAE, aby szybko przetestować hipotetyczne zmiany w projekcie. W razie potrzeby zmiany te mogą zostać przeniesione z powrotem do oryginalnego systemu CAD.
Użytkownik uzyskuje dostęp do parametrów CAD z poziomu Abaqus/CAE
Niepowiązana „osierocona” siatka
Kolejną zaletą możliwości siatkowania Abaqus jest możliwość bezpośredniej pracy z węzłami i elementami, które nie są powiązane z żadną geometrią CAD. Te „siatki osierocone” mogły zostać utworzone w innych preprocesorach lub nawet w innych solwerach elementów skończonych. Abaqus/CAE umożliwia użytkownikom edycję siatki poprzez przesuwanie węzłów, zamiatanie, dzielenie lub łączenie elementów, definiowanie warunków brzegowych itp.
Techniki adaptacji siatki
W każdej analizie metodą elementów skończonych ważne jest znalezienie równowagi między dokładnością a wydajnością. Innymi słowy, dobra analiza przedstawia najdokładniejsze rozwiązanie przy najniższych kosztach. Większość „kosztów” jest kontrolowana przez liczbę elementów w modelu elementów skończonych, którą można zarządzać za pomocą technik adaptacji siatki.
Zgodnie z podręcznikiem użytkownika Abaqus: „Dyskretyzacja elementów skończonych, która wynika z nieoptymalnej siatki modeli, może ograniczyć Państwa zdolność do uzyskania odpowiednich wyników analizy przy rozsądnym koszcie procesora. […] Techniki adaptacyjne dostępne w Abaqus pomagają zoptymalizować siatkę, a tym samym uzyskać wysokiej jakości rozwiązania przy jednoczesnym kontrolowaniu kosztów analizy. Termin „adaptacyjność” odzwierciedla procesy adaptacyjne lub zależne od rozwiązania, które Abaqus wykorzystuje do dostosowania siatki do celów analizy. Oferowane są trzy wersje, które są zwykle wybierane na podstawie ich zastosowania do dokładności lub kontroli zniekształceń siatki; ich wpływu na definicje siatki, poprzez wygładzanie pojedynczej siatki lub generowanie wielu różnych siatek; oraz gdy [in the analysis process] występuje adaptacyjność”.
- Arbitralne adaptacyjne siatkowanie Lagrangian-Eulerian (ALE)
- Adaptacyjny remeshing o zmiennej topologii
- Mapowanie rozwiązania mesh-to-mesh
Techniki te pomagają poprawić dokładność i wydajność symulacji poprzez dynamiczne dostosowywanie rozdzielczości siatki w regionach zainteresowania.
Siatka adaptacyjna Abaqus/CAE; iteracja #1 (po lewej), iteracja #2 (w środku), iteracja #3 (po prawej)
Biblioteki elementów: Wybór typu dla zadania analizy
Oprócz różnych geometrii elementów (np. tets vs. hexes), różne typy elementów mogą reprezentować te same komponenty przy użyciu różnych technik numerycznych, wymagając potencjalnie bardzo różnych poziomów konfiguracji i obliczeń. Na przykład, elementy sześciokątne mogą reprezentować pełną objętość wytłaczanej części, podczas gdy nieskończenie cienkie czworoboczne elementy powłokowe mogą reprezentować grubość czysto numerycznie za pomocą parametru grubości, przy znacznie zmniejszonych wymaganiach obliczeniowych podczas rozwiązywania elementów skończonych. W programie Abaqus znajdą Państwo szereg opcji reprezentacji belek, łączników, ciał sztywnych, sprężyn i wielu innych elementów konstrukcyjnych.
Dostępność elementów programu CAD
Jak wspomniano wcześniej, elementy generowane w narzędziach symulacyjnych opartych na CAD, takich jak SOLIDWORKS Simulation, są generowane bezpośrednio z dostępnej geometrii poprzez swobodne siatkowanie. Programy te tworzą elementy bryłowe (ciągłe), powłokowe i belkowe odpowiednio z dostępnej geometrii bryłowej, powierzchniowej i liniowej. W ten sposób elementy są powiązane z geometrią. Jest to świetna funkcjonalność dla projektanta lub inżyniera, który tworzy szybkie symulacje sprawdzające projekt, ale może nie spełniać potrzeb niektórych aplikacji.
Poza podstawowymi elementami – Biblioteka Abaqus
Analitycy czasami pracują nad symulacjami, które wymagają więcej niż podstawowych elementów oferowanych przez programy CAD. Abaqus zaspokaja tę potrzebę dzięki bardzo pełnej bibliotece elementów, które można łączyć w dowolny sposób w celu skonstruowania wydajnego obliczeniowo modelu elementów skończonych.
Powszechnie używane rodziny elementów Abaqus
Elementy bryłowe są powszechnie stosowane do modelowania dużych części, takich jak odlewy lub odkuwki. Elementy powłokowe są bardziej wydajne do modelowania cienkich części, takich jak blachy. Elementy belkowe są wydajne w modelowaniu długich, smukłych części. Na przykład śruby są czasami przybliżane za pomocą elementów belkowych.
Jeśli chodzi o kształty elementów ciągłych i powłokowych, Abaqus wykracza poza elementy czworościenne i trójkątne występujące w SOLIDWORKS. Obejmuje on dodatkowe kształty elementów, takie jak:
Quad/square: Te elementy powłokowe zapewniają lepszą dokładność i wydajność w porównaniu do ich trójkątnych odpowiedników.
Sześciościan/cegła: Elementy te mają sześć ścian i są odpowiednie do reprezentowania objętości o bardziej regularnych kształtach, takich jak sześciany lub pryzmaty prostokątne. Elementy sześciościenne są ogólnie preferowane ze względu na ich dokładność i wydajność.
Pryzmat/krawędź: Elementy pryzmatyczne lub klinowe mają trójboczną podstawę i mogą być używane do modelowania konstrukcji o bardziej stożkowej lub pochylonej geometrii, takich jak piramidy lub elementy w kształcie klina.
Poniższy obraz przedstawia kilka przykładów różnych kształtów elementów używanych do siatkowania tej samej cylindrycznej części w Abaqus CAE. Proszę zauważyć, że elementy sześciokątne po lewej stronie są w stanie uchwycić kształt przy użyciu najmniejszej liczby węzłów.
Elementy bryłowe Abaqus/CAE; lewy (hex), środkowy (tet), prawy (klin)
Zróżnicowana biblioteka typów elementów Abaqus znajduje zastosowanie w różnych dziedzinach i branżach. Niektóre mniej znane zastosowania obejmują:
Elementy łączące: Te wszechstronne elementy służą do łączenia dwóch części w pewien sposób. Czasami połączenia są proste, takie jak dwa panele z blachy zgrzewane punktowo lub drzwi połączone z ramą za pomocą zawiasu. W innych przypadkach połączenie może nakładać bardziej skomplikowane ograniczenia kinematyczne, takie jak przeguby o stałej prędkości, które przenoszą stałą prędkość wirowania między niewspółosiowymi i poruszającymi się wałami. Oprócz nakładania ograniczeń kinematycznych, połączenia mogą obejmować (nieliniowe) zachowanie siły w stosunku do przemieszczenia (lub prędkości) w ich nieograniczonych składowych ruchu względnego, takich jak siła mięśniowa przeciwstawiająca się obrotowi stawu kolanowego w modelu pasażera poddawanego testom zderzeniowym.
Elementy łączące w Abaqus zapewniają łatwy i wydajny sposób modelowania tych i wielu innych typów mechanizmów fizycznych, których geometria jest dyskretna (tj. węzeł-węzeł), ale relacje kinematyczne i kinetyczne opisujące połączenie są złożone.
Dyskretne elementy cząsteczkowe: Metoda elementów dyskretnych jest przydatna do modelowania dyskretnych cząstek lub materiałów ziarnistych w celu symulacji ich interakcji z pojemnikami. Dzięki potężnej funkcji Abaqus General Contact, elementy te mogą wchodzić w interakcje między sobą i z dowolnymi innymi elementami w modelu. Poniżej przedstawiono przykład mieszania granulatu w mieszalniku bębnowym.
Mieszanie granulatu w mieszalniku bębnowym
Elementy specjalnego przeznaczenia: Abaqus zawiera elementy dedykowane do konkretnych zastosowań, takich jak akustyka, elementy kohezyjne do modelowania pęknięć lub rozwarstwień, elementy hydrostatyczne do symulacji zachowania płynów i wiele innych. Poniżej przedstawiono przykład wyboczenia i wzrostu rozwarstwienia w panelu kompozytowym.
Post buckling and growth of delamination in a composite panel – Zapewniając szeroki zakres typów i kształtów elementów, Abaqus oferuje użytkownikom elastyczność w dokładnym modelowaniu i analizowaniu różnorodnych struktur i zjawisk w swoich symulacjach.
Rodziny elementów: Kolejność, metoda integracji, kontrola przekroju
Podczas gdy program CAD SOLIDWORKS Simulation oferuje formuły elementów pierwszego i drugiego rzędu, Abaqus oferuje dodatkowe charakterystyki elementów, które pozwalają użytkownikom dostosować analizę do konkretnych wymagań, zapewniając dokładne i wiarygodne wyniki. Opcje te zwiększają wszechstronność oprogramowania i umożliwiają użytkownikom rozwiązywanie szerokiego zakresu problemów, od standardowej analizy strukturalnej po złożone zjawiska obejmujące duże odkształcenia, interakcje płyn-struktura lub uszkodzenia materiału. Pozwalają one również użytkownikowi na dostosowanie szybkości do dokładności tam, gdzie ma to dla niego znaczenie.
Kontrolki elementów bryłowych Abaqus/CAE
Charakterystyki te pozwalają na dalsze dostosowanie i kontrolę nad zachowaniem elementu i schematem integracji:
- Elementy 2. rzędu: Sformułowanie elementu można dostosować, aby spełnić określone wymagania modelowania lub dokładniej uchwycić zjawiska.
- Opcje formulacji: Dostępne są formuły Lagrangian i Eulerian. Sformułowanie Lagrangian jest powszechnie stosowane w większości analiz bryłowych i strukturalnych, podczas gdy sformułowanie Eulerian jest odpowiednie dla problemów obejmujących duże odkształcenia, interakcje płyn-struktura lub separację materiałów. Dodatkowo, Abaqus zapewnia formułę powłoki ciągłej zaprojektowaną specjalnie dla cienkich struktur.
- Opcje integracji: Użytkownicy mogą wybierać pomiędzy schematami pełnego i zredukowanego całkowania elementów. Pełne całkowanie oferuje dokładniejsze wyniki poprzez całkowanie właściwości materiału i równań rządzących w całej objętości elementu. Z drugiej strony, zredukowane całkowanie zapewnia wydajność obliczeniową poprzez całkowanie w zmniejszonej liczbie punktów całkowania, poświęcając pewną dokładność na rzecz szybszych obliczeń.
- Kontrola sekcji: W niektórych typach elementów dostępne są różne opcje. Obejmują one zapobieganie trybom klepsydry, ograniczanie zniekształceń elementu i uwzględnianie uszkodzeń materiału lub awarii podczas analizy. Kontrole te zwiększają stabilność i dokładność analizy poprzez łagodzenie kwestii związanych z zachowaniem elementu.
Poza symulacjami strukturalnymi
Abaqus FEA jest koniem pociągowym, jeśli chodzi o symulacje strukturalne, ale jego siatka i funkcjonalność elementów wykraczają poza strukturalne, oferując elementy do obsługi innych fizyk, takich jak elementy Eulerian z zachowaniem podobnym do płynów. Ta elastyczność pozwala użytkownikom modelować i symulować dynamikę płynów, zjawiska wielofizyczne i inne scenariusze niestrukturalne za pomocą oprogramowania Abaqus.
Symulacja kucia na gorąco: Symulacja naprężeń termicznych CEL z interakcjami kontaktowymi
Ponadto Abaqus zapewnia narzędzia do rozwiązywania typowych trudności z siatką napotykanych w złożonych geometriach. Narzędzia te pomagają w naprawie geometrii, zapewniając, że siatka dokładnie odzwierciedla zamierzony projekt. Podejmując te wyzwania, użytkownicy mogą uzyskać wiarygodne wyniki analizy i dokładne odwzorowanie geometrii.
Wnioski
Programy symulacyjne oparte na CAD, takie jak SOLIDWORKS są dobrze przystosowane do podstawowej analizy strukturalnej i termicznej i zazwyczaj mają przyjazny dla użytkownika interfejs, który zapewnia niezrównaną wydajność dzięki określonemu wyborowi popularnych procesów MES. Kiedy jednak napotkają Państwo ograniczenia lub będą potrzebowali wyjść poza schemat, Abaqus oferuje szeroką gamę rozszerzonych możliwości w zakresie modelu elementów skończonych. Jego szerszy zakres technik siatkowania i algorytmów umożliwia złożone symulacje, bardziej złożone interakcje zespołów i szybsze obliczanie dokładnego zachowania modelu.
Join the forum for Designers!
Your expertise is vital to the community. Join us and contribute your knowledge!
Join the Forum NowShare, learn and grow with the best professionals in the industry.