Prosta analiza statyczna w PrePoMax/CalculiX, model powłokowy + obciążenie zdalne

Ta instrukcja zakłada, że zapoznałeś się wcześniej z bardziej szczegółową instrukcja  dla modelu 3D, więc pozbawiona jest zbędnych szczegółów. Dodatkowo do tej instrukcji można zobaczyć zdalne umocowanie/obciążenie na tym filmie na YT .

1 Wprowadzenie. Dlaczego używamy obciążenia zdalnego w tym modelu

Zdalne obciążenie i/lub umocowanie jest bardzo popularną formą uproszczenia modelu w wielu programach MES. Zwykle odpowiedni element sztywny modeluje albo doskonale sztywne obciążenie/umocowanie (np. element RBE2 w Nastranie), albo maksymalnie miękkie (element RBE3).

Obecnie przez interfejs PrePoMax można zdefiniować tylko sztywną wersję obciążenia zdalnego. Definicja bardziej "łagodnego" obciążenia wymaga lekkiej ręcznej edycji INP-pliku.

Sama procedura definicji zdalnego obciążenia jest bardzo prosta i szczegółowo opisana niżej. Trzeba tylko pamiętać o jednej istotnej rzeczy. De facto definiujemy sztywne ciało-"pająk", które składa się ze środkowego sterującego węzła oraz całkowicie zależnych od niego i zachowujących stałą odległość do niego węzłów na krawędzi środkowej płaszczyzny powłoki. Wszystkie te węzły są pokazane wyżej kolorem żółtym.

Ponieważ przemieszczenia każdego z "żółtych" węzłów powłoki w 100% wyznaczane są przemieszczeniem węzła sterującego, to na żaden z tych zależnych węzłów nie może być nałożone jakiekolwiek dodatkowe ograniczenie, np. wynikające z umocowania lub warunku symetrii. W naszym przypadku musimy zdefiniować warunek symetrii dla wszystkich węzłów na górnej i dolnej krawędziach połowy powłoki (pokazane są kolorem czerwonym). Jeśli zrobić to za pomocą zaznaczenia całych tych krawędzi, to pojawi się problem, ponieważ w węzłach narożnikowych będziemy mieć dwa warunki jednocześnie: "żółty" i "czerwony". To spowodowałoby komunikat o błędzie i zatrzymanie programu CalculiX. Rozwiązaniem jest odznaczenie tych narożnikowych węzłów przy definicji warunku symetrii. W ten sposób one zostaną tylko częścią "żółtego pająka".

Oczywiście taką metodę zaznaczania/odznaczania węzłów trzeba stosować tylko w przypadku konfliktu definicji warunków umocowania lub symetrii i definicji sztywnego ciała.

2 Definiowanie modelu

2.1 Odczytanie modelu CAD i generacja siatki

1. Odczytaj i rozpakuj istniejący model CAD  w formacie STEP.


2. Uruchom PrePoMax, załóż nowy projekt przez File / New, wybierz typ zagadnienia (3D) oraz zestaw jednostek, OK. Dalej odczytaj model CAD poprzez File / Import


3. Zmień domyślną nazwę modelu: PPM na Shell_part-1 wpisz nową nazwę w pozycji Name.


4. W zakładce Geometry PPM na nazwę modelu (lub na samo ciało w oknie graficznym), wybierz Meshing parameters. Zmniejsz maksymalny krok siatki do 5 mm, zmień dwie zaznaczone opcję w grupie Mesh type, OK.


5. Wygeneruj siatkę, w której dominować będą czworokąty: PPM na nazwę powłoki (lub na samo ciało w oknie graficznym), Create mesh. Nie wszędzie siatka jest najlepsza, dodatkowy podział tej powierzchni na mniejsze części, który można było zrobić w SW, istotnie poprawiłby jakość tej siatki. Ale dla pierwszej wstępnej analizy siatka jest całkiem dobra.

2.2 Definicja materiału i typu modelu

• W zakładce FE Model PPM na Materials na drzewku, wybierz Material library. Zaznacz materiał stal 235 (S235), kliknij na →, OK.


• PPM na Sections, wybierz Create.
  1. W oknie Create Section zaznacz Shell section (czyli model powłokowy).
  2. Opcjonalnie można zmienić nazwę bieżącej części modelu z Solid _section-1 na inną.
  3. W pozycji Thickness podajemy wartość grubości powłoki 6 mm.
  4. Parametry powłoki (materiał i grubość) można przypisać do dowolnej zaznaczonej powierzchni (jednej lub kilku), jeżeli w pozycji Region type wybrane jest Selection. W ten sposób możemy pracować z kilkoma materiałami i różnymi grubościami powłok. W naszym przypadku materiał i grubość są jednakowe dla całego modelu, więc prościej wybrać opcję Part name i nazwę części Shell_part-1.

2.3 Definicja punktu przyłożenia obciążenia i sztywnego elementu

• Najpierw zdefiniujemy punkt, w którym zostanie przyłożona połowa obciążenia: PPM na Reference Point, wybierz Create.
  1. Podaj nazwę punktu, np. Punkt_obciazenia
  2. Wprowadź go współrzędne w układzie globalnym
  3. Tu można zmienić domyślny kolor punktu oraz "odnóży pająka", który w przyszłości będzie łączyć ten punkt z krawędzią, na którą przekażemy obciążenie.

Uwaga praktyczna. Poza nie zawsze wygodnym bezpośrednim wprowadzeniem współrzędnych punktu, istnieje jeszcze 4 inne metody jego definicji: Between two points — zaznaczamy po kolei dwa węzły, punkt będzie utworzony pomiędzy nimi. Metoda ta najbardziej pasuje do naszego przypadku. Circle center by three points — zaznaczamy trzy punkty na dowolnym łuku, punkt będzie utworzony w jego środku. Center of gravity — wybieramy zdefiniowany wcześniej zbiór węzłów (np. znajdujących się na jednej powierzchni), punkt zostanie utworzony w środku mas tego zbioru. Bounding box center — to samo, ale punkt zostanie utworzony w środku sześcianu, który obejmuje wybrany zbiór węzłów.



• Dodajemy węzły zależne od sterującego na krawędzi: PPM na Constraints, wybierz Create
  
  1. Wybierz Rigid body na liście Type.
  2. Ewentualnie zmień nazwę definiowanej strefy
  3. Sprawdź, czy nazwa węzła sterującego jest poprawna.
  4. Wybierz opcję Edge angle i zaznacz krawędź, do której przyłożone będzie obciążenie, OK.

2.4 Definicja zbioru węzłów do warunku symetrii

1. PPM na Node sets, wybierz Create.

2. Zmień nazwę zbioru na Symetria.
3. Zaznacz opcję Edge i z naciśniętym klawiszem Shift zaznacz 4 linii, z których składa się strefa, w której musimy zdefiniować warunek symetrii.


4. W oknie set Selection zaznacz opcję "Surfaces, edges and vertices", powiększ odpowiednia strefę, naciśnij Ctrl i odznacz dwa węzła w narożnikach powierzchni powłoki (zaznaczone niebieskimi strzałkami), OK.

2.5 Definicja kroku analizy, jej typu, umocowania i warunku symetrii, obciążenia i oczekiwanych wyników

• PPM na Steps, wybierz Create, dalej zaznacz Static step, OK.
• Warunek symetrii i jego modyfikacja: PPM na BCs, Create. W oknie Create Boundary Condition:
  
  1. Zaznacz Displacement/Rotation
  2. Zmień nazwę tego warunku
  3. Wybierz Node set name jako nazwę zbioru danych określającego strefę, w której zdefiniowany jest warunek symetrii. Nazwa zbioru (Symetria) pojawi się w następnym wierszu automatycznie, bo to jest jedyny zbiór węzłów w naszym modelu.
  4. Wyzeruj przemieszczenia w kierunku Z oraz obroty wokół osi X i Y. To są właśnie warunki symetrii względem płaszczyzny XY dla modelu powłokowego, OK.


• Umocowanie: ponownie PPM na BCs, Create. W oknie Create Boundary Condition zaznacz Fixed, zmień nazwę warunku i zaznacz umocowaną krawędź.
• Obciążenie: PPM na Loads, Create. W oknie Create Load:
  
  1. Zaznacz Concentrated force
  2. Ewentualnie zmień nazwę tego obciążenia
  3. Wybierz Reference point name na liście Name. Sprawdź poprawność nazwy punktu przyłożenia obciążenia
  4. Podaj wartości składowych obciążenia, sprawdź wartość siły wypadkowej w pozycji Magnitude, OK.
• Oczekiwane wyniki. Domyślne wyniki węzłowe (przemieszczenia i rekcje) można zostawić bez zmian, w wynikach elementowych (Field Outputs / EF-Output-1) zamiast odkształceń E warto wybrać wskaźnik błędu ERR.

Ostateczny wygład modelu i drzewka pokazany jest wyżej.

Koniecznie zapisz opracowany model, szczególnie jeżeli nie robiłeś tego wcześniej.

3 Obliczenia i ich wynik

1. PPM na nazwę zadania Analysis-1, wybierz Edit W oknie Edit analysis zmień nazwę analizy na np. powłoka.
2. Uruchom obliczenia: PPM na powłoka, Run

3. Maksymalny poziom naprężeń zredukowanych pokazany jest wyżej (w zależności od używanego solvera wynik może róznić się nieznacznie). Można obliczyć dokładniejszą wartość naprężeń po zagęszczeniu siatki tak, jak w innej instrukcji .


4. Można wyświetlić dowolne wyniki dla całego modelu. Opis procedury jest w instrukcji  dotyczącej modeli 3D.

© I.Rokach, 2021-22, v.1.4.1, 07.10.2022, dla PrePoMax 1.3.5, Calculix 2.20