Российской Федерации Тольяттинский государственный университет Кафедра «Оборудование и технология сварочного производства и пайки»

4.3. Препроцессорная подготовка Конечно-элементный анализ состоит из трех основных этапов: начальной подготовки (препроцессорной подготовки), получения решений и обработки результатов моделирования (постпроцессор­ной обработки). Среди задач, которые инженер решает на первом этапе, можно выделить создание модели изделия, создание неточной модели, контроль качества сеточной модели и ее модификацию, определе­ние данных и ограничений и др. Типы моделей. В инженерном анализе различают три типа моделей: геометрическую, расчетную и сеточную. Геометрическая модель обычно представляет собой модель машиностроительного изделия в целом или его детали. Расчетная модель - это упрощен­ная геометрическая модель, которая используется для анализа. Нередко эта модель является составной частью самого анализа. Уп­рощение или идеализация геометрической модели достигается пу­тем удаления тех ее элементов, которые несущественно влияют на результаты анализа. Сеточная модель представляет собой совокуп­ность узлов и элементов, которая натягивается на расчетную мо­дель (рис. 1.38). Как уже отмечалось, геометрическая и расчетная модели обычно создаются на этапе конструирования средствами твердотельного и поверхностного моделирования. Построение сеточной модели. В универсальных программах существуют несколько способов генерации сетки. Например, в программе ANSYS используются методы экструзии, создания упо­рядоченной сетки, создания произвольной сетки и адаптивного построения. В программе SAMCEF кроме перечисленных мето­дов применяются методы балок, Delaunay-Voronoi, Pavior и др. Экструзия (выдавливание) - способ построения трехмерной модели сетки путем перемещения и сдвига основания в опреде­ленном направлении или путем вращения поперечного сечения вокруг заданной оси (рис. 1.39). Этот способ позволяет создать се­точную модель, не используя ассоциированную расчетную модель изделия. Рис. 1.38. Переход от геометрической модели к сеточным моделям Рис. 1.39. Генерация элементов сетки методом экструзии: а, б - перемещенное основания вдоль заданного направления; в - перемещением со сдвигом основания; г - полный поворот сечения на 360°, вокруг заданной оси; д - неполный поворот вокруг заданной оси; е - неполный поворот со сдвигом Методом экструзии можно генерировать одномерные элемен­ты, двумерные элементы (обычно четырехугольники) и трехмерные элементы (пяти- и шестигранники). Так, треугольник генери­рует пятигранник, а четырехугольник - шестигранник. Основание, на котором строится экструзия, может быть ском­поновано из узлов или одно- и двумерных элементов. В качестве основания также может использоваться ранее созданная вся сеточ­ная модель. Можно использовать результат экструзии в качестве основания следующей экструзии. Например, при помощи экстру­зии одномерного элемента будет получен двумерный элемент, ко­торый может быть использован как основание для экструзии трех­мерного элемента. При построении упорядоченной сетки необходимо предвари­тельно разбить расчетную модель на участки с простой геометри­ей, ввести ограничения и критерии качества сеточной модели, а затем запустить программу генерации сетки. Сетка может состо­ять из шести-, четырех- и треугольных элементов. Например, ме­тод Pavior предназначен для генерации сетки преимущественно в виде четырехугольников. Им можно воспользоваться для предва­рительных расчетов, так как часто сетка получается невысокого качества. Чтобы получить треугольную сетку, программа выделя­ет области расчетной модели, предназначенные для нанесения упо­рядоченной сетки, используя ранее заданные ограничения и кри­терии качества сеточной модели. Затем полученная методом Pavior или любым другим методом четырехугольная сетка перестраива­ется в сетку из треугольных элементов (рис. 1.40). В этом случае для построения треугольной сетки высокого качества можно вос­пользоваться методом Delaunay-Voronoi. На завершающем этапе отдельные участки сетки собираются в единую сеточную модель. Метод построения упорядоченной сетки является одним из наибо­лее распространенных и базируется на использовании расчетной модели. Рис. 1.40. Результаты построения сетки различными методами В различных программах анализа имеются специальные сред­ства генерации произвольной сетки, с помощью которых она мо­жет наноситься непосредственно на модель достаточно сложной геометрии. Произвольную сетку можно строить из треугольных, четырехугольных и четырехгранных элементов. Генераторы про­извольной сетки обладают широким набором функций управления качеством сетки. Например, в программе ANSYS реализован алго­ритм выбора размеров конечного элемента, позволяющий строить сетку элементов с учетом кривизны поверхности модели и наилуч­шего отображения ее реальной геометрии. Метод построения тетраэдной сетки полезен для создания трех­мерных элементов, в основе которых лежат треугольники. Исполь­зуемая базовая геометрия двумерной сетки не должна иметь свободных незамкнутых граней. На предварительном этапе прове­ряется качество сетки, а именно выявляются и предъявляются пользователю незамкнутые элементы и элементы с несогласован­ной ориентацией. Адаптивное построение сетки состоит в том, что после созда­ния расчетной модели и задания граничных условий генерируется конечно-элементная сетка, затем выполняется анализ, оценивает­ся ошибка дискретизации сетки, после чего меняется размер сет­ки. Процесс протекает до тех пор, пока значение погрешности не станет меньше заданного, или число итераций не достигнет допу­стимого значения. Универсальные программы анализа (ANSYS, SAMTECH и др.) располагают дополнительными возможностями формирования се­точных моделей, к которым относятся метод суперэлеменгов и метод подмоделей. В методе суперэлементов некоторая часть смежных элементов сводится к одному эквивалентному элементу. Суперэлемент может формироваться из конечных элементов любого типа, однако нуж­но учитывать, что в этом случае поведение суперэлемента предпо­лагается линейным даже в том случае, когда в его состав введен нелинейный элемент. Аналогичные упрощения можно выполнить и с расчетной моделью - простые участки расчетной модели изде­лия рассматриваются как домен, на котором создается один конеч­ный суперэлемент. В основе такого подхода лежит матричное уп­лотнение, с помощью которого такие параметры, как жесткость (проводимость), масса (удельная теплоемкость) и сопротивление приводятся к системе ведущих степеней свободы. Метод супермо­делей позволяет сократить время решения. На подготовительном этапе важно так сформулировать задачу анализа, чтобы, с одной стороны, получить правильное решение, а с другой - не потерять много ресурсов и времени. Поэтому инже­нер может вначале попытаться создать крупную сетку, так как в этом случае преимущество заключается в том, что потребуется от­носительно меньше времени для решения задачи. Однако работа с крупной сеткой может привести к потере значимых физических явлений. Для того чтобы повысить эффективность моделирования, мож­но воспользоваться методом подмоделей. Сущность этого метода сводится к следующему. По опыту своей работы инженер знает, на каких участках гео­метрической модели могут возникнуть повышенные напряжения, изменения плотности потока, скачки температур и т.п. В сеточной модели можно выделить эти участки и для них построить сетку с параметрами, отличными от параметров сетки остальных участ­ков. Теперь методом подмоделей можно провести анализ как для всей сетки, так и получить более подробный анализ только для выделенной области. Важной особенностью этого метода является возможность за­дания граничных условий для подмодели на основе отклика на­чальной сеточной модели. В программе ANSYS, например, исполь­зуя результаты решения для грубой модели, можно определить соответствующие ограничения степеней свободы на границах под­модели (перемещения, температуры, напряжения или потенциалы) и использовать их при проведении анализа подмодели. Повторять анализ всей модели нет необходимости. Использование метода подмоделей дает следующие преимуще­ства [5]: • исключается необходимость осуществления трудновыполни­мого перехода между областями модели с крупной и мелкой сет­кой; • исследование влияния вносимых в проект локальных измене­ний геометрии проводится без повторного анализа целиком всей модели; • уточнение подробностей в зонах особого внимания (напри­мер, в областях высоких напряжений) можно выполнить, не рас­полагая до начала анализа информацией о местоположении этих зон; • исключается необходимость описывать мелкие подробности геометрии (отверстия, галтели и др.), которые можно рассмотреть с помощью подмоделей; • пользователь может создавать твердотельные подмодели из оболочечных элементов грубой модели. Контроль качества сеточной модели и ее модификация. В универсальных программах анализа заложены широкие возмож­ности оценки качества сеточных моделей и широкий спектр мето­дов их модификаций. Качество сетки можно оценить как визуаль­но в интерактивном, так и в пакетном режиме. В процессе визуаль­ного контроля есть возможность отображать на экране монитора • любой тип модели (геометрическую, расчетную или сеточную); • нумерацию узлов и элементов; • пограничные узлы или связи; • ориентацию 2D-элементов или наружных ребер 3D-элементов; • целиком сеточную модель, ее элементы, связи и узлы. Графические элементы могут быть представлены в виде карка­са, однотонной заливки граней, путем отображения только границ участков. Для управления работой программы в пакетном режиме необ­ходимо сформировать файл, содержащий критерии качества сетки и ограничения на ее геометрию. Совокупность критериев и огра­ничений позволяет контролировать размеры всей сеточной модели или ее отдельных элементов, их форму, границы и связность групп элементов, относительное удлинение 2D- или ЗВ-элементов, угол наклона, конусность, величину угла между геометрическими объек­тами, деформированность элемента, наличие одинаковых номеров узлов, смыкание группы узлов и ориентацию элементов. Приведем несколько примеров вычисления критериев и огра­ничений. Так, относительное удлинение 2D- и ЗВ-элементов находится путем деления длин наибольшей и наименьшей связей элемента. Элементы с меньшим значением этой величины предпочтитель­нее. Отношение, равное единице, описывает равносторонние эле­менты и является идеальным. Угол наклона четырехугольных элементов проверяется следу­ющим образом. Середины противоположных сторон четырехуголь­ника соединяются отрезками и находится наименьший угол между этими отрезками. Идеальный угол наклона равен 90°, что характе­ризует прямоугольный четырехугольник. Ориентация 20-элемента по умолчанию принимается такой же, что и у исходного геометрического элемента, если он имеет место и т.д. Средства управления качеством сетки также позволяют контро­лировать такие параметры, как размер элемента, деление гранич­ной линии, размеры в окрестности заданных геометрических то­чек, коэффициенты растяжения или сжатия вдали от границ, ограничения на кривизну и возможность задания «жестких» точек (т.е. задание точного положения узла вместе с размерами сетки в такой точке). Модификация конечно-элементной сетки может вестись как в интерактивном, так и в пакетном режиме. Широкие возможности визуализации различных графических примитивов и имеющиеся средства редактирования позволяют пользователю выполнять мо­дификацию, при необходимости, вручную, хотя эффективность этого режима низкая. Основным режимом модификации сетки является пакетный ре­жим. В этом случае используются различные алгоритмы сглажива­ния сетки, изменения атрибутов узлов и элементов, измельчения и улучшения формы элементов и др. Например, процедура слияния узлов позволяет модифицировать сеточную модель путем объеди­нения в один узел тех из ее узлов, расстояние между которыми меньше заданного значения. Так формируется новая сеточная мо­дель с меньшим количеством неоднородностей и более согласо­ванной длиной связей (рис. 1.41). Программы могут выполнять контроль соответствия элементов расчетной и сеточной моделей, вводить, удалять и изменять поло­жение конечных элементов, обеспечивая тем самым формирова­ние сетки высокого качества. Рис. 1.41. Редактирование элементов сетки Определение данных и ограничений. Исходные данные ана­лиза, введенные на этапе предварительной подготовки, становятся частью базы данных пакета. Содержанием базы данных являются множества типов элементов, свойств материала, параметров узлов, нагрузок и др., которые соответствующим образом группируются и этим группам присваиваются идентификаторы (число или имя). Выбор необходимых данных осуществляется либо путем указания графических примитивов расчетной модели на экране монитора, либо используя идентификаторы групп конечных элементов, видов материалов, узлов и элементов и др. Например, граничные ус­ловия можно вызвать из базы данных и отредактировать, исполь­зуя геометрию модели, а не номера отдельных узлов или элементов. Для описания свойств материала изделия используются параметры, необходимые для выполнения требуемого вида анализа. Так, в прочностном анализе учитываются модуль упругости (модуль Юнга), коэффициент теплового расширения при заданной темперaтype, коэффициент Пуассона, плотность, коэффициент трения, модуль сдвига, коэффициент внутреннего трения. Для проведения теплового анализа следует задать удельную теплоемкость, энталь- пию, коэффициент теплопроводности, коэффициент конвективной теплоотдачи поверхности, степень черноты и т.д. Необходимые параметры материалов содержатся в соответствующих библиотеках. Свойства могут быть постоянными, нелинейными или зави­сеть от температуры. Списки существующих материалов в базе данных могут быть дополнены новыми материалами. Управление работой решателя. Прежде чем конкретный ва­риант задачи будет передан на расчет, выполняются проверка и Подтверждение входных данных анализа на соответствие их выбранному методу решения задачи и настройкам опций решателя. Для этих целей используются, как правило, многочисленные контекст­но-зависимые меню. Например, меню среды анализа отражает об­щую информацию о решаемой задаче и содержит описание вида анализа, типа выбранного решателя, размерности модели, метода решения и др. Группы назначаемых нагрузок формируются на этапе подготов­ки данных. Каждая группа имеет свое имя. В процессе проверки можно дополнить необходимые нагрузки в группу, используя со­ответствующее меню. Затем можно перейти к следующим действиям: • выбор рабочей директории, т.е. директории, в которой реша­тель будет формировать файл результатов и временные файлы; • выбор имени задачи. Это имя будет использоваться как пре­фикс всех имен файлов, создаваемых в процессе решения; • выбор шага анализа. Шаг всегда может быть модифицирован; • выбор группы нагрузок. В следующем окне диалога можно модифицировать значения переменных параметров, используемых при вычислениях: • память - выделяемый для решателя объем памяти (Мб); • удаленный узел - имя компьютера, используемого для вычис­лений. Если этот параметр не указан, то используется локальная вычислительная машина; • удаленная память - место для запоминания файлов; • исполняемая директория - путь к выбранному решателю. Можно изменить условия вычислений, если предположения не оправдываются. Эти опции включают: • переназначение имени ведущего вычисления компьютера; • назначение диска или директории, где решатель будет сохра­нять свои результаты, так как вычисления требуют значительного дискового пространства; • назначение объема памяти на диске: минимальный объем па­мяти определяется размером сетки, большой объем памяти значи­тельно ускоряет вычисления. После завершения проверки данных анализа запускается про­цесс вычисления, который требует больших затрат компьютерного времени. В значительной степени потери времени зависят от выб­ранного решателя. Многочисленные решатели разных фирм-раз­работчиков используют различные алгоритмы решения систем уравнений. Решатели явного типа, к которым относится фронтальный ре­шатель, определяют точное решение для совместной системы ли­нейных уравнений. Например, фронтальный решатель программы ANSYS использует так называемый Rank-n алгоритм, обеспечива­ющий параллельную обработку системы уравнений. Решатель яв­ного типа ANSYS/LS-DYNA фирмы Livermore Software Technology (США) дает возможность эффективно проводить анализ динами­ческих процессов. Кроме фронтальных решателей разработаны итеративные ре­шатели, которые сокращают время решения и ресурсы компьюте­ра при анализе больших моделей. При расчетах систем совмест­ных линейных уравнений итеративные решатели дают сходящее­ся, от итерации к итерации приближенное решение. Например, в программе ANSYS используются три итеративных алгоритма: ал­горитм PowerSolver на основе метода обусловленных сопряжен­ных градиентов (PCG), алгоритм на основе метода сопряженных градиентов Якоби и алгоритм метода частично сопряженных гра­диентов Чолески и др. Протекание процесса в реальном режиме времени отражается в окне текущего контроля решателя. В этом окне указывается общее время, необходимое для решения задачи, а также некоторая допол­нительная информация: свободное пространство на диске, требуе­мое пространство на диске, площадь поверхности модели, ее объем, масса, предупреждающие сообщения или сообщения об ошибках и др. Пользователь имеет возможность выполнить решение задачи в интерактивном или групповом режиме. Когда назначен интерак­тивный режим, обновление данных осуществляется решателем автоматически. В случае группового режима пользователь может произвольно запрашивать информацию о протекании процесса. По завершении вычислений: • полученные результаты будут визуализированы в окне дан­ных; • предельные значения результата будут показаны в области выходных данных протокола анализа; • решатель сформирует текстовый файл выходных данных, ко­торый может открываться любым текстовым редактором.

Похожие:

	"Приемы достижения репрезентативности перевода рекламного текста" Министерство образования и науки российской федерации тольяттинский государственный университет		Российской Федерации Уральский государственный технический университет... Особенности создания систем накопления для многомерной мессбауэровской спектрометрии
	Российской Федерации Новосибирский государственный архитектурно-строительный... «Строительство» и специальности 270105 – «Городское строительство и хозяйство» всех форм обучения		«Ставропольский государственный медицинский университет» Министерства... Тема №22 «Проблемы орз в патологии детей раннего возраста. Профилактика, лечение и организационные принципы оздоровления чбд»
	Российской Федерации Тверской государственный технический университет... Составлены в соответствии с программой дисциплин «Тракторы и автомобили» и «Транспортные и базовые машины» Тверского государственного...		Услуги технического перевода с английского на русский язык в сфере... Тольяттинский государственный университет; направление: Перевод и переводоведение. Степень бакалавра
	Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение... «Совершенствование операционных систем организации на основе методологии бережливого производства»		Документация открытого аукциона на право заключить государственный... Управление по организации конкурсов и аукционов Нижегородской области (далее уполномоченный орган). Местонахождение и почтовый адрес:...
	Российской Федерации Волгоградский государственный медицинский университет... В представленных разделах рассматривается полный фармацевтический анализ сульфаниламидных препаратов. Учебно-методическое пособие...		Астраханский государственный медицинский университет министерства... «Фармацевтические науки: от теории к практике», состоявшейся 25 ноября 2016 г в Федеральном государственном бюджетном образовательном...
	Образования Российской Федерации томский государственный университет... Алгоритм построения совокупной модели пересечения трехмерных объектов, 3ds формат, dll, плагин для 3ds max		Программа «Учебной практики» Направления подготовки 261400. 62 «Технология... Министерство образования и науки российской федерации федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального...
	Тольяттинский государственный университет инструкция по охране труда при работе на высоте ...		Г45 государственный стандарт российской федерации оборудование сваебойное... ...
	Рабочая учебная программа дисциплины Технология и оборудование производства изделий твердотельной электроники и наноэлектроники		Н. Е. Данилина Тольяттинский государственный университет, Тольятти, Россия Энергообъекты, на которых образуются токсические отходы, должны обеспечивать их своевременную утилизацию и захоронение на специальных...