Základní koncepce analýzy

Software používá metodu konečných prvků (FEM). FEM je numerická metoda pro analýzu strojírenských návrhů. FEM je přijímána jako standardní metoda analýzy kvůli své obecnosti a vhodnosti počítačové implementace. FEM rozděluje model na mnoho malých částí jednoduchých tvarů nazývaných prvky a efektivně nahrazuje složitý problém mnoha malými problémy, které je nutné řešit zároveň.

Prvky sdílí společné body, které se nazývají uzly. Proces rozdělení dílu na menší části (prvky) se nazývá tvorba sítě.

Chování každého prvku je ve všech možných scénářích podpory a zatížení známé. Metoda konečných prvků používá prvky různých tvarů.

Reakce v každém bodě prvku se interpoluje z odezvy v uzlech prvku. Každý uzel je plně popsán parametry závislými na typu analýzy a použitém prvku. Například teplota uzlu plně popisuje jeho odezvu při teplotní analýze. V konstrukčních analýzách je odezva uzlu obecně popsána třemi posuny a třemi rotacemi. Ty se nazývají stupně volnosti. Analýza pomocí metody konečných prvků se nazývá také analýza konečných prvků.

Software formuluje rovnice, které řídí chování každého z prvků a bere přitom v úvahu propojení těchto prvků s jinými prvky. Tyto rovnice vytváří vztahy odezev k známým vlastnostem materiálů, vetknutím a zatížením.

Program dále uspořádá tyto rovnice do velké skupiny simultánních algebraických rovnic a vypočítá neznámé.

Například v analýze napětí vypočítá řešič posuny v každém uzlu a program pak spočítá poměrné deformace a nakonec napětí.

Software nabízí následující typy studií:

• Statické (neboli napěťové) studie. Statické studie počítají posuny, reakční síly, namáhání, napětí a rozložení koeficientu bezpečnosti. Materiál selže v místech, kde napětí překročí určitou úroveň. Výpočty koeficientu bezpečnosti jsou založeny na jednom ze čtyř kritérií selhání.

Statické studie pomáhají předejít selhání v důsledku vysokých napětí. Koeficient bezpečnosti menší než 1 značí selhání materiálu. Vysoké koeficienty bezpečnosti ve spojité oblasti značí nízká napětí, tudíž je pravděpodobné, že z dané oblasti bude možné určitý materiál odstranit.

• Studie frekvence. Těleso vychýlené ze své klidové polohy má tendenci vibrovat určitou frekvencí, která se nazývá přirozená, nebo také rezonanční frekvence. Nejnižší přirozená frekvence kmitání se nazývá základní frekvence. Pro každou přirozenou frekvenci těleso zaujme určitý tvar nazývaný tvar režimu. Při frekvenční analýze se počítají přirozené frekvence a s nimi související tvary režimu.

Teoreticky může mít jedno těleso nekonečné množství tvarů režimu. Při frekvenční analýze může být teoreticky tolik režimů, kolik je stupňů volnosti (DOF). Ve většině případů se však bere v potaz jen několik režimů.

Jestliže na tělo působí dynamické zatížení vibrující na jedné z jeho přirozených frekvencí, začne tělo reagovat nepřiměřeně. Tento jev se nazývá rezonance. Auto, které má málo nafouknutou pneumatiku, se například v důsledku rezonance při určité rychlosti začne prudce třást. Toto chvění se však při jiných rychlostech sníží nebo zcela vymizí. Jiným příkladem je situace, kdy silný zvuk (například hlas operní zpěvačky) může rozbít skleničku.

Frekvenční analýza pomáhá předejít selhání v důsledku nadměrných napětí způsobených rezonancí. Frekvenční analýza nám také poskytuje informace potřebné k řešení problémů s dynamickou odezvou.

• Dynamické studie. Dynamické studie počítají odezvu modelu vyvolanou zatíženími, která jsou použita náhle nebo se mění s časem nebo frekvencí.

Lineární dynamické studie jsou založeny na frekvenčních studiích. Software vypočítá odezvu modelu pomocí akumulace příspěvků každého režimu k zátěžovému prostředí. K této odezvě ve většině případů podstatně přispívají pouze dolní režimy. Příspěvek určitého režimu závisí na složkách zatížení: obsahu frekvencí, velikosti, směru, trvání a umístění.

Mezi cíle dynamické analýzy patří: (a) návrh stavebních a strojírenských systémů, které budou bezchybně pracovat v dynamických prostředích a (b) omezení efektů vibrace.

• Studie zborcení. Zborcení charakterizuje výskyt náhlých velkých posunů v důsledku axiálních zatížení. Tenké struktury pod axiálním zatížením mohou v důsledku zborcení selhat při nižších úrovních zatížení, než které způsobí selhání materiálu. Zborcení se může vyskytnout v různých režimech působením různých úrovní zatížení. Ve většině případů je důležité pouze nejnižší mezní zatížení.

Studie zborcení pomáhají předejít selhání v důsledku zborcení.

• Teplotní studie. Teplotní studie počítají teploty, teplotní gradienty a přenos tepla pomocí podmínek tvorby, vedení, konvekce a záření tepla. Teplotní studie pomáhají předejít nežádoucím tepelným podmínkám, jako je přehřátí nebo roztavení.

• Designové studie. Optimalizační designové studie automatizují vyhledání optimálního návrhu na základě geometrického návrhu. Software používá technologii, která dokáže rychle identifikovat trendy a navrhnout optimální řešení při co nejmenším počtu spuštění. Optimalizační designové studie vyžadují určení následujících parametrů:

• • Cíle a záměry. Stanovení účelu studie. Například co nejmenší množství použitého materiálu.

  • Proměnné návrhu. Vyberte rozměry, které chcete změnit a zadejte jejich rozsahy. Průměr díry může být například v rozmezí od 0,5 " do 1,0 " a vysunutí skici v rozmezí od 2,0 " do 3,0 ".

  • Omezení. Zadejte podmínky, které by měl splňovat optimální návrh. Například můžete chtít, aby složka napětí nepřekročila určitou hodnotu a přirozená frekvence ležela v určeném rozsahu.

POZNÁMKA: Nedefinujte cíle pro vyhodnocovací designovou studii.

• Nelineární studie. Když neplatí předpoklady lineární statické analýzy, můžete problém řešit pomocí nelineárních studií. Hlavními zdroji nelinearity jsou: velká posunutí, nelineární vlastnosti materiálu a kontakt. Nelineární studie počítají posuny, reakční síly, poměrné deformace a napětí v inkrementálních úrovních zatížení a uchycení. Pokud nelze zanedbat síly setrvačnosti a tlumení, můžete použít nelineární dynamickou analýzu.

Nelineární studie se týkají nelineárních konstrukčních studií. Pro teplotní studie software automaticky řeší lineární nebo nelineární problémy podle vlastností materiálu a tepelného namáhání a uchycení.

Řešení nelineárního problému vyžaduje mnohem více času a zdrojů než řešení podobné lineární statické studie.

V nelineárních studiích neplatí princip superpozice. Pokud například použití síly F1 způsobí v bodě napětí S1 a použití síly F2 způsobí napětí S2, společné použití sil nezbytně NEZPŮSOBÍ napětí (S1+S2) v bodě jako u lineárních studií.

Nelineární studie pomáhají určit chování návrhu mimo omezení statických studií a studií zborcení.

Statické studie nabízí nelineární řešení u problémů kontaktu, když aktivujete volbu velkého posunu.

• Studie pádových zkoušek. Studie rázových zkoušek ohodnotí účinek pádu návrhu na tvrdou podlahu. Můžete zadat vzdálenost pádu nebo rychlost v momentu nárazu a gravitaci. Program vyřeší dynamický problém jako funkci času pomocí explicitních metod integrace. Explicitní metody jsou rychlé, ale vyžadují použití malých přírůstků času. Vzhledem k velkému množství informací, které může analýza generovat, uloží program výsledky v určitých okamžicích a umístěních podle pokynů před spuštěním analýzy.

Po skončení analýzy můžete vytvořit obrázky a grafy posunů. rychlostí, zrychlení, poměrných deformací a napětí.

• Studie únavy. Opakované zatěžování za určitou dobu oslabí objekty, i když způsobená napětí jsou značně menší než povolené meze napětí. Počet cyklů, které na určitém místě způsobí selhání v důsledku únavy, závisí na materiálu a kolísání napětí. Tyto informace pro materiály jsou obsaženy v křivkách, které se nazývají křivky S-N. Křivka popisuje počet cyklů, který způsobí poruchu, pro určité úrovně napětí. Studie únavy vyhodnotí životnost objektu na základě událostí únavy a křivek S-N.