Прочностный анализ в компасе

педагогические науки

Легкова Ирина Анатольевна , кандидат наук, доцент
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России

ПРОЧНОСТНОЙ АНАЛИЗ
ГРАФИЧЕСКАЯ СИСТЕМА КОМПАС-3D
ПРОВЕДЕНИЕ ПРОЧНОСТНОГО РАСЧЕТА
СИСТЕМА ИНЖЕНЕРНЫХ РАСЧЕТОВ

Похожие материалы

Компьютерные технологии в настоящее время получили широкое распространение в различных областях деятельности человека. Трудно переоценить возможности современной компьютерной техники, которые позволяют решать обширный комплекс задач. Уже не раз отмечалась роль компьютерных технологий в современном процессе обучения [1, 2], в том числе для выполнения обучающимися курсовых проектов и выпускных квалификационных работ, а также проведения научных исследований.

Для проведения инженерных расчетов и их визуализации для научной работы обучающихся мы выбрали графическую систему КОМПАС-3D [3, 4]. Для эффективного решения задач проектирования конструирования в машиностроении и строительстве в КОМПАС-3D встроена система прочностного конечно-элементного анализа APM FEM [5].

В состав APM FEM входят инструменты подготовки конструкции к расчёту, задания граничных условий и нагрузок, а также встроенные генераторы конечно-элементной сетки (как с постоянным, так и с переменным шагом) и постпроцессор. Этот функциональный набор позволяет смоделировать твердотельный объект и комплексно проанализировать поведение расчётной модели при различных воздействиях с точки зрения статики, собственных частот, устойчивости и теплового нагружения [6].

Прочностной анализ модуля APM FEM позволяет решать следующие задачи:

задачи линейного статического расчета;
задачи по оценке устойчивости конструкций;
задачи стационарной теплопроводности и термоупругости;
расчета собственных частот и определения форм собственных колебаний.

В рамках работы научной работы обучающихся нами был проведен прочностной анализ балки [7]. Для проверки расчетов найденное максимальное перемещение балки в соответствии со схемой (рис. 1) сравнили с расчетным значением, полученным по классической методике. Расчетная схема балки представлена на рисунке 1, сечение балки — на рисунке 2.

Рисунок 1. Расчетная схема балки Рисунок 2. Сечение балки

Для выполнения расчета сначала в КОМПАС-3D была построена трехмерная модель балки в натуральную величину.

Затем из Менеджера библиотек запускаем прикладную библиотеку APM FEM. Для подготовки созданной модели к расчету необходимо задать закрепления конструкции и приложенные нагрузки.

Устанавливаем закрепление балки в соответствии с расчетной схемой (рис. 3).

Рисунок 3. Установка закреплений

Для описания условий функционирования исследуемых конструкций при выполнении расчетов система прочностного анализа APM FEM дает возможность задать ряд нагрузок, действие которых может быть направлено на отдельные ребра конструкции, плоскости или поверхности, а также можно задать инерционные нагрузки, действие которых направлено на всю конструкцию в целом. Прикладываем распределенную нагрузку по всей длине балки и указываем значение силы.

Далее для проведения расчета разбиваем модель на элементы с помощью команды «Генерация КЭ сетки» (рис. 4). Для создания конечно-элементного представления объекта в APM FEM предусмотрена функция генерации конечно-элементной сетки, при вызове которой происходит соответствующее разбиение объекта с заданным шагом. В случае если созданная расчетная модель имеет сложные неравномерные геометрические переходы, то может быть проведено так называемое адаптивное разбиение. Для того чтобы результат процесса был более качественным, генератор КЭ-сетки автоматически варьирует величину шага разбиения.

Рисунок 4. Генерация конечно-элементной сетки

После построения сетки выполняем команду «Расчет», выбрав в меню тип расчета «Статический расчет». На рисунке 5 приведена экранная область КОМПАС-3D с подключенной процедурой прочностных расчетов.

Рисунок 5. Использование системы Компас-3D для расчетов на прочность

Для визуализации и анализа результатов расчета выполняем команду «Карта результатов», представленной на рисунке 6. Согласно расчетам, максимальный прогиб составляет 40,685 мм.

Рисунок 6. Карта результатов перемещений

Выполним расчет прогиба данной балки по классической методике сопротивления материалов. Исходя из решения дифференциального уравнения средней линии балки, определили максимальный прогиб при данной схеме нагружения [8], он составил 40,5 м.

Таким образом, разница между двумя полученными результатами составила менее 5%. А значит, результаты данного прочностного анализа можно использовать для оценки прочности различных конструкций еще на этапе проектирования. Специалистам пожарной безопасности, используя данный прочностной анализ, можно проводить моделирование и прогнозирование аварийных ситуаций, разработать меры по их предупреждению и план ликвидации чрезвычайной ситуации применительно к конкретному объекту. Все это поможет обучающимся проводить дальнейшие научные исследования в рамках специальных дисциплин.

Точность расчетов в APM FEM можно повысить уменьшением размера элементов сетки, однако, слишком мелкая сетка приводит к значительному повышению времени расчетов. Применение прочностного анализа методом конечных элементов наиболее эффективно в случае анализа сложных конструкций и схем нагружений, решение которых классическим методом может оказаться весьма трудоемким.

Список литературы

Легкова И.А., Зарубин В.П., Киселев В.В., Иванов В.Е., Покровский А.А. Инновационные технологии при обучении графическим дисциплинам. Пожарная и аварийная безопасность: сборник материалов международной научно-практической конференции. Иваново: ИвИ ГПС МЧС России, 2014. С. 300-301.
Легкова, И.А., Никитина С.А., Зарубин В.П., Иванов В.Е. Визуализация учебного материала средствами системы КОМПАС-3D. Современные проблемы высшего образования: сборник материалов международной научно-методической конференции. Курск: ЮЗГУ, 2015. С. 34-38.
Легкова И.А., Зарубин В.П., Коновалов А.С. Трехмерное моделирование как средство визуализации учебного материала. Современные технологии обеспечения гражданской обороны и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций: сборник материалов международной научно-практической конференции. Воронеж: ВИ ГПС МЧС России. 2015. Т. 1. № 1 (6). С. 239-241.
Легкова И.А., Зарубин В.П., Иванов В.Е. Использование трехмерной графики при изучении устройства узлов механизмов. Аграрная наука в условиях модернизации и инновационного развития АПК России: сборник материалов всероссийской научно-методической конференции с международным участием. 2015. С. 140-143.
kompas.ru/kompas-3d.
http://machinery.ascon.ru.
Легкова И.А., Зарубин В.П., Сычев С.А. Возможности современной компьютерной техники для проведения инженерных расчетов. Пожарная и аварийная безопасность: сборник материалов международной научно-практической конференции. Иваново: ИПСА ГПС МЧС России, 2016. С.265-267.
Александров А.В., Потапов В.Д., Державин Б.П. Сопротивление материалов. Москва: Высшая школа. 2003. 560 с.

Электронное периодическое издание зарегистрировано в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор), свидетельство о регистрации СМИ — ЭЛ № ФС77-41429 от 23.07.2010 г.

Соучредители СМИ: Долганов А.А., Майоров Е.В.

Система прочностного анализа APM FEM для КОМПАС-3D

APM FEM – система прочностного анализа, предназначенная для работы в интерфейсе российской CAD-системы КОМПАС-3D.

Основная цель работы системы — дать возможность конструктору уже на начальных стадиях проектирования принимать правильные и обоснованные конструктивные решения, используя построенные 3D-модели. Это, несомненно, повышает качество и экономит время, затрачиваемое на разработку изделия, а значит, делает его конкурентоспособным!

Типичные объекты для расчета — небольшие по соотношению габаритных размеров и толщин стенок детали и сборки: тяги, проушины, упоры, кронштейны, уголки, рычаги, корпусные детали, опорные элементы и т.п. Для таких деталей и сборок важно БЫСТРО оценить прочность элементов с возможной оптимизацией конструкции, используя ассоциативную связь геометрической и расчетной моделей.

Основные шаги при проведении расчета:

Подготовка 3D-модели к проведению расчета прочности (упрощение геометрии);
Анализ и задание граничных условий (нагружение, закрепление);
Автоматическая генерация конечно-элементной сетки на 3D-модели;
Выбор необходимого типа расчета и настройка его параметров;
Проведение расчета;
Просмотр полученных результатов и анализ значений основных расчетных характеристик (напряжений, коэффициентов запаса, перемещений и т.д.);
Проведение модификации модели по результатам проведенных вычислений (изменение геометрии/материала);
Повторное проведение расчетного анализа для подтверждения работоспособности изделия.

Помимо базовых возможностей для продукта доступны дополнительные функциональные возможности (опции) :

Расчет поверхностных моделей (оболочек)
Опция позволяет проводить расчет поверхностных моделей, созданных в КОМПАС-3D. При этом используются сетки из пластинчатых конечных элементов

Топологическая оптимизация
Опция позволяет провести расчет конструкции с целью определения оптимального распределения материала для улучшения массово-жесткостных характеристик изделия

Введение

Создание современного оборудования на этапе проектирования не ограничивается его геометрическим моделированием. Без всестороннего инженерного анализа проектируемого объекта невозможно выпускать конкурентоспособную продукцию. Разработчики во всем мире трудятся над тем, чтобы их конструктивные решения обеспечивали статическую прочность и жесткость, достаточную долговечность, устойчивость и подходящие динамические характеристики, имея при этом минимальный вес, минимальную стоимость, минимальное энергопотребление и т.п. Иначе говоря, востребованными на рынке оказываются только те решения, у которых нет ни одного грамма лишнего металла, то есть которые можно считать равнопрочными. Все эти требования можно охарактеризовать одним емким термином — оптимизация, которая является залогом конкурентоспособности создаваемых конструкций.

Использование инструментов CAE-анализа позволит современным предприятиям создавать продукцию, не уступающую лучшим мировым образцам и даже превосходящую их.

По этой причине компания АСКОН, разработчик одной из самых популярных в России систем трехмерного моделирования КОМПАС-3D, и компания НТЦ «АПМ», российский лидер разработчиков систем конечно-элементного анализа, объединили свои усилия с целью создания программного продукта, который помимо геометрического моделирования позволяет выполнять комплексный инженерный анализ деталей машин и их сборок.

В результате их совместной работы в среде КОМПАС-3D появилась CAE-библиотека, реализующая решение инженерных задач методом конечных элементов (МКЭ) применительно к описанным выше проблемам инженерного анализа. В настоящей статье мы кратко расскажем о ее функциональных возможностях.

Отметим, что конечные элементы бывают стержневыми, оболочечными, представленными в виде гибких нитей и твердотельными. Из произвольных комбинаций этих элементов можно получить любое инженерное конструктивное решение. Однако здесь речь пойдет только о твердотельных деталях и сборочных единицах, составленных из твердотельных элементов (solid), так как рассматриваемая библиотека позволяет выполнить экспресс-анализ прочности solid-элементов на этапе подготовки проекта.

Основные подходы к расчету твердотельных моделей

До недавнего времени пользователи системы КОМПАС-3D при выполнении прочностного анализа деталей и сборок вынуждены были использовать обменные форматы STEP, SAT и другие для передачи созданной в КОМПАС-3D геометрической модели в сторонние CAE-системы. Такой подход имеет следующие основные недостатки:

возникает необходимость приобретения лицензий CAE-системы для выполнения расчета;
использование сторонних форматов снижает надежность передачи геометрической модели.

Учитывая это обстоятельство и принимая во внимание многочисленные пожелания российских предприятий, компании АСКОН и НТЦ «АПМ» пришли к выводу, что необходимость в более тесной интеграции российских CAD- и CAE-систем давно назрела. Работы в этом направлении велись несколько лет, и в результате совместной деятельности разработчиков АСКОН и НТЦ «АПМ» появился новый продукт — система прочностного конечно-элементного анализа APM FEM, интегрированная с системой трехмерного моделирования КОМПАС-3D (рис. 1). В настоящее время инструменты APM FEM являются составной частью единой среды проектирования и анализа с использованием ассоциативной геометрической модели, единой библиотеки материалов и общего с КОМПАС-3D интерфейса.

Рис. 1. Библиотека APM FEM: Прочностной анализ

Для каких деталей и сборок актуально использование библиотеки APM FEM

В состав практически любого объекта входят небольшие по размерам детали и сборки, для которых требуется оценка прочности. Приведем наиболее характерные примеры таких деталей: тяги, проушины, упоры, кронштейны, уголки, рычаги, опорные элементы и т.д. (рис. 2).

Рис. 2. Элементы конструкций, для которых прочностной экспресс-анализ наиболее востребован

Таких элементов в относительно сложной сборке может быть довольно много. Поскольку в данном случае речь не идет о значительной экономии материалов, важно быстро оценить прочность элемента конструкции без оптимизации и проведения многовариантных расчетов.

Если элемент работает только на растяжение-сжатие, то расчет по ослабленному сечению, как правило, не занимает много времени. Выполнение прочностного расчета для сложно-нагруженного состояния при отсутствии специализированного программного обеспечения становится затруднительным. Тогда конструктору зачастую приходится полагаться лишь на собственный опыт. В этом случае использование именно встроенной в КОМПАС-3D библиотеки APM FEM для прочностного экспресс-анализа является преимуществом по сравнению с более «тяжелыми» системами.

Преимущества применения библиотеки APM FEM

Единый интерфейс как для геометрической, так и для расчетной модели обеспечивает простоту и легкость работы с библиотекой. Все действия по созданию 3D-модели, подготовке ее к расчету и просмотру результатов осуществляются в едином окне (рис. 3);
система КЭ-анализа работает напрямую с геометрической моделью (ядром) КОМПАС-3D, и нет необходимости в передаче файлов через сторонние форматы, что снижает вероятность ошибок;
приемлемая цена: APM FEM — простое и недорогое решение, которое позволяет без приобретения «тяжелой» полнофункциональной CAE-системы оценивать прочность элементов конструкции.

Рис. 3. Единый интерфейс для геометрической расчетной модели

Порядок подготовки модели и выполнения расчета

Подключение библиотеки APM FEM: Прочностной анализ.
Подготовка модели к расчету — задание закреплений и приложение нагрузки.
Задание совпадающих граней (для КЭ-анализа сборки).
Генерация КЭ-сетки.
Выполнение расчета.
Просмотр результатов в виде карт напряжений, перемещений.

Основные функциональные возможности библиотеки APM FEM

Процедуры расчета построены на базе метода конечных элементов, поэтому в расчетных моделях могут быть учтены практически все особенности конструкций и условий их эксплуатации.

Условия функционирования конструкции реализуются посредством следующих различных типов нагрузок и закреплений:

равномерно распределенное давление к поверхностям трехмерной модели — давление действует по нормали к поверхности и может быть задано как в Н/мм2 (МПа), так и в виде величины силы (Н);
равномерно распределенная сила по грани или ребру, заданная в проекциях X, Y, Z силы (Н) в глобальной системе координат (рис. 4);
распределенная сила по длине задается равномерно по ребру также в проекциях X, Y, Z глобальной системы координат, но, в отличие от предыдущей нагрузки, в размерности Н/мм;
удельная сила по площади задается в Н/мм2 в проекциях X, Y, Z глобальной системы координат;
нагрузки, действующие на всю конструкцию в целом, — линейное и угловое ускорение;
нагрузки в виде равномерно распределенной температуры к ребру, поверхности и узлу;
закрепление ребер или граней 3D-модели по направлениям осей глобальной системы координат (рис. 5);
используя инструмент «закрепление», можно приложить такой специфический вид нагрузки, как смещение выбранных ребер или граней на заданную величину.

Рис. 4. Задание распределенной силы

Рис. 5. Задание закреплений

Для корректного расчета сборок предусмотрен автоматический поиск совпадающих граней. Для совпадающих граней возможно задание степеней свободы, по которым осуществляются контакты.

В качестве конечных элементов используются тетраэдры. Генерация КЭ-сетки осуществляется в автоматическом режиме с применением таких параметров, как Максимальная длина стороны элемента, Максимальный коэффициент сгущения на поверхности и Коэффициент разрежения в объеме.

Одним из наиболее важных этапов создания сетки является правильный выбор размера тетраэдра — максимальной длины стороны элемента. Практически длина стороны элемента должна быть примерно в 2-4 раза меньше толщины самой тонкой детали в сборке.

Максимальный коэффициент сгущения на поверхности — величина, характеризующая, во сколько раз при адаптивной разбивке будут уменьшены размеры конечных элементов, то есть ограничение на минимальную сторону треугольника на поверхности. Коэффициент разрежения в объеме — степень уменьшения стороны тетраэдра при уходе вглубь объема твердотельной модели. Чем он меньше, тем более одинаковыми становятся слои конечных элементов. Использование данных параметров позволяет сетке «адаптироваться» к сложной твердотельной модели в автоматическом режиме (рис. 6).

Рис. 6. Конечно-элементная модель кронштейна

Параметры КЭ-сетки в APM FEM одинаковы для всех деталей, входящих в сборку. Более расширенное задание параметров КЭ-сетки предусмотрено в модуле APM Studiо системы APM WinMachine. Передача 3D-модели в APM Studiо осуществляется через форматы STEP и SAT. К расширенным возможностям работы с КЭ-сетками в APM Studio можно отнести:

возможность работы с оболочечными моделями;
задание точек на ребрах;
указание точек, вокруг которых следует выполнить дополнительное сгущение;
задание различной сетки на гранях одной детали;
задание различного шага для разных деталей сборки.

Предусмотрена также возможность сохранения КЭ-сетки и результатов расчета в файл APM Structure3D. Необходимость в этом может быть обусловлена следующими причинами:

результаты расчета существенно «утяжеляют» модель КОМПАС-3D, поэтому удобнее сохранить результаты в отдельном файле;
подготовка КЭ-моделей, состоящих из разных типов конечных элементов, например добавление к твердотельной модели из КОМПАС-3D пластинчатых или стержневых конечных элементов и создание таким образом гибридной расчетной модели;
редактирование модели средствами APM Structure3D, например задание узловой нагрузки или закрепления;
выполнение расчета, который не предусмотрен в APM FEM, например расчет на вынужденные колебания.

Таким образом, сохраняется преемственность КЭ-модели, благодаря чему возможно выполнение расчета в системе APM Srtucture3D.

Если перед выполнением расчета сборки совпадающие грани не были заданы, то система выполнит их поиск автоматически. При этом совместными будут считаться перемещения по всем трем осям глобальной системы координат.

APM FEM позволяет выполнять следующие виды расчетов:

линейный статический расчет;
расчет на устойчивость;
расчет собственных частот (резонанса) и форм колебаний;
решение задачи стационарной теплопроводности;
решение задачи термоупругости при совместном выполнении статического и теплового расчетов.

В качестве результатов расчета доступны карты напряжений, перемещений, коэффициентов запаса по различным критериям прочности, температур, собственные частоты и формы колебаний (рис. 7). Карты напряжений позволяют наиболее точно проанализировать работу узла под действием нагрузки, выявить концентраторы напряжений, оценить жесткость конструкции.

Рис. 7. Результаты расчета — карта эквивалентных напряжений

Ассоциативная связь обеспечивается между геометрической и расчетной моделями. При внесении изменений в геометрическую модель, редактировании закреплений или нагрузок достаточно всего лишь выполнить перестроение сетки и повторить расчет.

Интеграция APM FEM с системой КОМПАС-3D V12 (SP2) реализована впервые. В дальнейшем планируется расширить функциональные возможности задания нагрузок, работы с сетками и конечно-элементного анализа, оставляя неизменными простоту и удобство работы с библиотекой прочностного анализа.

Менеджер по маркетингу машиностроительного направления, АСКОН.

Заместитель технического директора, НТЦ «АПМ».