Прочностной анализ в системе КОМПАС-3D V13

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. Оптимизация создаваемых конструкций является залогом их конкурентоспособности. Использование инструментов CAE-анализа позволит современным предприятиям создавать продукцию, не уступающую лучшим мировым образцам и даже их превосходящую.

Компания АСКОН, разработчик одной из самых популярных в России систем трехмерного моделирования КОМПАС-3D, и компания НТЦ АПМ, признанный эксперт в области систем конечно элементного анализа, объединили усилия для создания программного продукта, который помимо геометрического моделирования позволял бы выполнять комплексный инженерный анализ твердотельных деталей и сборочных единиц. В результате совместной работы в среде КОМПАС-3D появилась CAE-библиотека APM FEM, реализующая решения инженерных задач методом конечных элементов (МКЭ).

Раньше пользователи системы КОМПАС-3D вынуждены были использовать промежуточные форматы для передачи созданной в КОМПАС-3D геометрической модели в сторонние CAE-системы – в ущерб надежности.

Новая версия КОМПАС-3D V13 и APM FEM образуют цельную среду проектирования и анализа, обеспечивающую ассоциативную связь с геометрической моделью, единую библиотеку материалов и общий интерфейс (рис. 1).

Для каких деталей и сборок актуально использование APM FEM? В состав практически любого объекта входят тяги, проушины, упоры, кронштейны, уголки, рычаги, опорные элементы (рис. 2). Здесь важно БЫСТРО оценить прочность элементов с возможной оптимизацией конструкции, используя ассоциативную связь геометрической и расчетной моделей.

Общий как для геометрической, так и для расчетной модели интерфейс обеспечивает простоту и легкость работы с APM FEM. Все действия по созданию 3D-модели, подготовке ее к расчету и просмотру результатов осуществляются в едином окне.

CAE-система работает с геометрической моделью КОМПАС-3D V13 напрямую, что позволяет избежать передачи 3D-данных через сторонние форматы и тем самым снизить вероятность возникновения ошибок.

В состав APM FEM входят инструменты подготовки сборок к расчету, задания граничных условий и нагрузок, а также встроенные генераторы конечно-элементной сетки (как с постоянным, так и с переменным шагом), расчетные модули, постпроцессор и средства визуализации результатов расчетов в виде цветовых схем. Этот функциональный набор дает возможность смоделировать твердотельный объект и комплексно проанализировать поведение расчетной модели при различных воздействиях с точки зрения статики, собственных частот, устойчивости и теплового нагружения.

Порядок подготовки модели и выполнения расчета:

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

Процедуры расчета в FPM FEM 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 различных типов нагрузок и закреплений:

- равномерно распределенное давление к поверхностям трехмерной модели
- равномерно распределенная сила по грани или ребру (рис. 3)
- удельная сила по площади
- 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. 4)
- смещение выбранных ребер или граней на заданную величину (с помощью инструмента закрепления).

Генерация КЭ-сетки в APM FEM осуществляется в автоматическом режиме с использованием таких параметров, как Максимальная длина стороны элемента, Максимальный коэффициент сгущения на поверхности и Коэффициент разрежения в объеме. В качестве конечных элементов используются тетраэдры, и одним из наиболее важных этапов создания КЭ-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, т. е. ограничение на минимальную сторону треугольника на поверхности. Коэффициент разрежения в объеме – степень уменьшения стороны тетраэдра при уходе в глубь объема твердотельной модели. Чем меньше – тем более одинаковыми становятся слои конечных элементов. Использование данных параметров позволяет сетке «адаптироваться» к сложной твердотельной модели в автоматическом режиме (рис. 5). Параметры КЭ-сетки в APM FEM одинаковы для всех деталей, входящих в сборку.

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. Прочностной анализ в APM FEM позволяет решать линейные задачи:

- напряженно-деформированного состояния (статический расчет)
- статической прочности сборок
- устойчивости
- термоупругости
- стационарной теплопроводности.

Динамический анализ позволяет определять частоты и формы собственных колебаний, в том числе для моделей с предварительным нагружением.

Результатами расчетов являются:

- распределение эквивалентных напряжений и их составляющих, а также главных напряжений
- распределение линейных, угловых и суммарных перемещений
- распределение деформаций по элементам модели
- карты и эпюры распределения внутренних усилий
- значение коэффициента запаса устойчивости и формы потери устойчивости
- распределение коэффициентов запаса и числа циклов по критерию усталостной прочности
- распределение коэффициентов запаса по критериям текучести и прочности
- распределение температурных полей и термонапряжений · координаты центра тяжести, вес, объем, длина, площадь поверхности, моменты инерции модели, а также моменты инерции, статические моменты и площади поперечных сечений
- реакции в опорах конструкции, а также суммарные реакции, приведенные к центру тяжести модели.

Карты напряжений позволяют наиболее точно проанализировать работу узла под действием нагрузки, выявить концентраторы напряжений, оценить жесткость конструкции (рис. 6).

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

APM FEM – это простое и недорогое решение, которое позволяет проводить оценку прочности элементов конструкции без приобретения дорогостоящей полнофункциональной CAE-системы.