Основные понятия анализа

Программное обеспечение использует метод конечных элементов (МКЭ). МКЭ – это численный метод анализа технических конструкций. МКЭ принят в качестве стандартного метода анализа благодаря его универсальности и пригодности для работы на компьютерах. МКЭ делит модель на много малых частей простых форм, называемых элементами, эффективно заменяющими сложную задачу несколькими простыми, которые необходимо решить совместно.

Элементы имеют общие точки, называемые узлами. Процесс деления модели на малые части называется созданием сетки.

Поведение каждого элемента по всем возможным сценариям опоры и нагрузки хорошо известно. Метод конечных элементов использует элементы различных форм.

Реакция в любой точке элемента интерполируется из реакции узлов элементов. Каждый узел полностью описывается рядом параметров, зависящих от типа анализа и используемого элемента. Например, температура узла полностью описывает его реакцию в термическом анализе. Для расчетов конструкции реакция узла представляется, в целом, тремя перемещениями и тремя вращениями. Они называются степенями свободы (DOF). Анализ с использованием метода FEM называется анализом конечных элементов (FEA).

Программное обеспечение разрабатывает уравнение, управляющее поведением каждого элемента, учитывая его соединения с другими элементами. Эти уравнения связывают реакцию с известными свойствами материала, ограничениями и нагрузками.

Далее программа упорядочивает уравнения в большую систему совместных алгебраических уравнений и находит неизвестные.

К примеру, для расчета напряжений решающая программа находит перемещения в каждом узле, а затем вычисляет деформации и конечное напряжение.

Программное обеспечение предлагает следующие типы исследований:

• Статические исследования (или исследования напряжения). Статические исследования вычисляют перемещения, силы реакции, нагрузки, напряжения и распределение запаса прочности. Материал разрушается там, где нагрузки превысили определенный уровень. Вычисление коэффициента запаса прочности базируется на одном из четырех критериев прочности.

Статические исследования позволяют избежать разрушения, вызванного высоким напряжением. Коэффициент запаса прочности меньше единицы означает разрушение материала. Большой коэффициент запаса прочности в смежной области свидетельствуют о низком напряжении и о том, что, очевидно, можно убрать некоторое количество материала из этой области.

• Частотные исследования. Тело, выведенное из состояния покоя, начинает колебаться на определенных частотах, так называемых собственных или резонансных частотах. Самая низкая собственная частота называется основной частотой. При каждой собственной частоте тело принимает определенную форму, которая называется формой колебаний. При частотном анализе рассчитываются собственные частоты и ассоциированные формы колебаний.

Теоретически, у тела существует неопределенное количество форм (мод). При анализе конечного элемента (АКЭ) теоретически существует столько форм (мод), сколько степеней свободы (DOF). В большинстве случаев учитывается только несколько мод.

Избыточные реакции возникают тогда, когда на тело воздействует динамическая нагрузка, и оно вибрирует на одной из собственных частот. Это явление называется резонансом. Например, машина с несбалансированными колесами сильно дрожит на определенной скорости из-за резонанса. Тряска уменьшается или исчезает на других скоростях. Можно привести другой пример, когда от сильного звука, например голоса оперного певца, возникает трещина в стекле.

Частотный анализ может помочь избежать разрушения, вызванного чрезмерными напряжениями, обусловленными резонансом. Он также предоставляет данные для решения задач по динамическим реакциям.

• Динамические исследования. Динамические исследования вычисляют реакцию модели, вызванную нагрузками, приложенными внезапно, или изменяющимися со временем или по частоте.

Линейные динамические исследования базируются на частотных исследованиях. Программное обеспечение рассчитывает реакцию модели посредством сложения влияний каждой моды на среду нагрузки. В большинстве случаев, только нижние моды вносят значительный вклад в реакцию. Влияние моды зависит от частотного спектра нагрузки, величины, направления, продолжительности и местоположения.

Цели динамического анализа включают: (а) разработку конструктивной и механической системы для работы без разрушения в динамической среде и (б) сокращения влияния вибрации.

• Исследования потери устойчивости. Потеря устойчивости связана с мгновенными большими перемещениями, вызванными осевыми нагрузками. Тонкие конструкции, подверженные воздействию осевых нагрузок, могут выйти из строя в результате потери устойчивости на уровнях нагрузки меньших, чем требуемые для возникновения разрушения материала. Потеря устойчивости может появиться при разных режимах под воздействием различных уровней нагрузки. Во многих случаях, только самая низкая критическая продольная нагрузка представляет собой интерес.

Исследования потери устойчивости может помочь предотвратить разрушение вследствие потери устойчивости.

• Термические исследования. Термические исследования подсчитывают температуры, градиент температуры и тепловой поток на основе тепловыделения, теплопроводности, конвекции и условий излучения. Термические исследования могут помочь избежать нежелательных термических условий: например, перегрева и плавления.

• Исследования проектирования. Оптимизационные исследования проектирования автоматизируют поиск оптимальной конструкции, основанной на геометрических разработках. Программа оснащена технологией для быстрого обнаружения трендов и определения оптимального решения с использованием минимального количества прогонов. Оптимизационные исследования проектирования требуют определения следующего:

• • Цели. Определите цель исследования. Например, минимальное количество используемого материала.

  • Расчетные параметры. Выберите размеры, которые могут изменяться и задайте их диапазоны. Например, диаметр отверстия может варьироваться от 0,5" до 1,0", тогда как вытяжка эскиза может варьироваться от 2,0" до 3,0".

  • Ограничения. Задайте условия, которым должна отвечать оптимальная конструкция. Например, вы можете потребовать, чтобы составляющие напряжения не превышали определенного значения и частота собственных колебаний была в рамках установленного диапазона.

ПРИМЕЧАНИЕ: В исследованиях проектирования без оптимизации не определяйте цели.

• Нелинейные исследования. Когда допущения линейного статического анализа нельзя применить, можно использовать нелинейные исследования для решения задачи. Основными источниками нелинейности являются: большие перемещения, нелинейные свойства материала и контакт. Нелинейные исследования подсчитывают коэффициент смещения, силы реакции, нагрузки и напряжение при изменении уровня нагрузок по нарастающей, а также ограничения. В случае, если инерцией и силой демпфирования нельзя пренебречь, можно использовать нелинейный динамический анализ.

Нелинейные исследования относятся к нелинейным исследованиям конструкций. Для термических исследований программное обеспечение автоматически решает линейную или нелинейную задачи на основании свойств материала и термических ограничений и нагрузок.

Решение нелинейной задачи требует намного больше времени и ресурсов, чем решение подобного линейного статического исследования.

Принцип независимости действия сил не применим для нелинейных исследований. Например, если приложение силы F1 вызывает напряжение S1, а приложение силы F2 вызывает напряжение S2 в точке, то приложение обеих сил не обязательно вызовет напряжение (S1+S2) в данной точке, как в случае для линейных исследований.

Нелинейные исследования могут помочь определить поведение конструкции за пределами статических ограничений и исследований потери устойчивости.

Статические исследования предлагают нелинейное решение контактной проблемы, возникающей, когда вы активизируете параметр большого перемещения.

• Исследования на ударную нагрузку. С помощью упражнений испытаний на ударную нагрузку можно оценить эффект падения конструкции на твердый пол. Кроме силы тяжести, указывается высота сбрасывания или скорость во время удара. Программа решает динамическую задачу в виде временной зависимости, используя эксплицитные методы интегрирования. Эксплицитные методы - быстрые, но требуют использования малых временных инкрементов. Благодаря большому количеству информации параметры анализа можно генерировать, программа сохраняет результаты в определенное время и в определенном месте в соответствии с инструкцией, заданной перед запуском анализа.

После завершения анализа, можно построить эпюры и графики перемещений, скоростей, ускорения, нагрузок и напряжения.

• Исследования усталости(материалов). Повторяющиеся операции применения нагрузки и ее ослабления со временем приводят к ослаблению объектов, даже если индуцированные напряжения намного меньше, чем допустимые ограничение нагрузки. Количество циклов, требуемое для усталостного разрушения в местоположении зависит от материала и колебаний напряжения. Настоящая информация, для определенного материала, обеспечивается кривой, называемой S-N кривая. Кривая показывает количество циклов, которое вызывает разрушение на различных уровнях напряжения. Исследования усталости вычисляют срок службы объекта, основанный на событиях усталости материалов и кривых S-N.