Nastran: 50 lat doświadczenia

Nastran – rys historyczny

Nastran został pierwotnie opracowany dla NASA pod koniec lat 60 XX wieku. Przypomnijmy, że w latach 1957-1975 trwał wyścig kosmiczny pomiędzy Stanami zjednoczonymi a ZSRR w eksploracji kosmosu. NASA w 1964 sporządziła coroczny raport, w którym wykazała, że ośrodki badawcze indywidualnie opracowywały oprogramowanie do analiz strukturalnych, dopasowane do ich potrzeb. W raporcie natomiast zalecano, aby używać jednego oprogramowania. W odpowiedzi na raport rząd Stanów Zjednoczonych zlecił opracowanie wspólnego ogólnego programu dla przemysłu lotniczego i kosmicznego, który inżynierowie mogliby używać do modelowania i analizowania różnych struktur lotniczych, w tym statków kosmicznych i samolotów. Kontrakt na opracowanie oprogramowania został przyznany firmie Computer Sciences Corporation (CSC).

Pierwszą nazwą użytą dla programu podczas jego rozwoju w latach 60 był GPSA, skrót od General Purpose Structural Analysis. Ostateczna formalna nazwa zatwierdzona przez NASA dla programu, NASTRAN, jest skrótem utworzonym ze słów NASA Structure Analysis . System NASTRAN został udostępniony NASA w 1968 roku. Pod koniec lat 60-tych firma MacNeal-Schwendler Corporation (MSC) zaczęła wprowadzać na rynek i wspierać własną wersję NASTRAN, zwaną MSC/NASTRAN (która ostatecznie przekształciła się w MSC.Nastran). Oryginalna architektura oprogramowania została opracowana przez Joe Mule (NASA) i Geralda Sandlera (NASA) oraz Stephena Burnsa (University of Rochester).

Wycinek z raportu o symulacjach i analizach panelu separacyjnego modułu serwisowego APOLLO 13

Komercyjne zastosowanie solwera Nastran

Komercyjne zastosowanie rozpoczęło się w 1971 roku, a pierwszym klientem w Niemczech był Daimler-Benz w 1972 roku. Nastran był szeroko stosowany na początku w przemyśle lotniczym i motoryzacyjnym. Ze względu na spadek cen sprzętu oprogramowanie było coraz częściej wykorzystywane w innych obszarach przemysłowych oraz na uczelniach. Dziś Nastran jest jednym z najczęściej używanych solwerów MES. Komercyjne wykorzystanie NASTRAN pomogło w analizie zachowania struktur elastycznych o dowolnym rozmiarze, kształcie i przeznaczeniu. Na przykład przemysł motoryzacyjny wykorzystuje program do projektowania układów przedniego zawieszenia i drążków kierowniczych. Wykorzystywany jest również przy projektowaniu torów i samochodów, mostów, elektrowni, drapaczy chmur i samolotów. Szacuje się, że sam program przyniósł 701 milionów dolarów oszczędności w latach 1971-1984. NASTRAN został wprowadzony do Galerii Sław Technologii Kosmicznych Amerykańskiej Fundacji Kosmicznej w 1988 roku.

Wycinek z raportu komisji APOLLO 13

Fragment artykułu NASA

W latach 80. i 90. oprócz MSC Nastran na rynku reprezentowane były również inne pochodne (UAI-Nastran, CSAR-Nastran). W związku z przejęciem tych konkurentów firma MSC Software stworzyła monopol. W związku z tym w 2002 roku MSC została zobowiązana przez amerykańską FTC (Federalna Komisja Handlu (ang. Federal Trade Commission, FTC) ) do udostępnienia Nastran konkurentom. Kod źródłowy, dokumentacja oraz prawa do stałego, wolnego od licencji użytkowania zostały przejęte przez ówczesny UGS i w 2003 roku powstała pierwsza wersja NX NASTRAN 1.0. UGS był wcześniej oddziałem Unigraphics firmy EDS tworząc pakiet zarządzania cyklem życia produktów EDS/UGS PLM Solutions. Ta linia produktów została przejęta przez firmę SIEMENS w 2007 roku i stała się oprogramowaniem SIEMENS PLM. W roku 2020 solwer NX Nastran zmienił nazwę na Simcenter Nastran zgodnie z rozwojem produktów do analiz inżynierskich w grupie Simcenter.

NX Nastran – pakiet (box) użytkownika

Nastran – moduły

NASTRAN od początku projektowany był z kilku modułów. Moduł jest zbiorem podprogramów FORTRAN zaprojektowanych do wykonania określonego zadania – przetwarzania geometrii modelu, składania macierzy, stosowania warunków brzegowych, rozwiązywania problemów macierzy, obliczania wartości końcowych, konwersacji z bazą danych, drukowania wyników i tak dalej. Moduły są kontrolowane przez wewnętrzny język zwany Direct Matrix Abstraction Program (DMAP).

Poniżej lista wybranych modułów do analiz:

•  101 – Linear Static
•  103 – Modal
•  105 – Buckling
•  106 – Non-Linear Static
•  107 – Direct Complex Eigenvalue
•  108 – Direct Frequency Response
•  109 – Direct Transient Response
•  110 – Modal Complex Eigenvalue
•  111 – Modal Frequency Response
•  112 – Modal Transient Response
•  129 – Nonlinear Transient
•  144 – Static Aeroelastic Analysis
•  145 – Flutter / Aeroservoelastic analysis
•  146 – Dynamic Aeroelastic Analysis
•  153 – Non-Linear static coupled with heat transfer
•  159 – Nonlinear Transient coupled with Heat transfer
•  187 – Dynamic Design Analysis Method
•  200 – Design Optimization and Sensitivity analysis
•  401 – Non-Linear Static, Dynamic, arc length, modal, etc.
•  402 – Non-Linear Static and Dynamic (implicit)

Simcenter Nastran – różne zagadnienia jeden solwer

Simcenter Nastran już w podstawowej wersji obejmuje solidny zestaw statyki liniowej, trybów normalnych, analizy wyboczenia, wymiany ciepła i podstawowych funkcji nieliniowych. Simcenter Nastran może odegrać kluczową rolę w procesie rozwoju produktu wirtualnego, dostarczając najczęściej używane rozwiązania CAE do cyfrowego prototypowania i symulacji wydajności funkcjonalnej produktu. Simcenter Nastran zapewnia dostęp do szerokiej biblioteki typów elementów skończonych i modeli materiałów, niezawodnej manipulacji przypadkami obciążeń, a także kilku wydajnych sekwencji rozwiązań dla statyki liniowej, analizy wyboczenia i trybów normalnych na modelach o nieograniczonej wielkości. Zdolność przenoszenia ciepła zapewnia rozwiązania dla analizy termicznej stanu ustalonego i nieustalonego oraz problemów projektowych.

Simcenter Nastran od wersji podstawowej umożliwia użytkownikom uwzględnianie w swoich analizach dużych odkształceń i materiałów nieliniowych. Simcenter Nastran zapewnia pełną gamę modeli materiałowych: izotropowe, ortotropowe, anizotropowe i zależne od temperatury. Pozwala również na łatwe łączenie (lub dodawanie) przypadków obciążeń na elementach jako obciążenia punktowe, liniowe i powierzchniowe; obciążenia przyłożone bezpośrednio do geometrii; obciążenia termiczne; wymuszona deformacja; kombinacje powyższych wymienionych typów.

Solwer Nastran jest stale rozwijany i udostępniany w większości produktów Simensa. Simcenter Nastran można spotkać m.in. w:

Simcenter Femap – niezależny od systemu CAD i bazujący na Windows, pre- i postprocesor do zaawansowanych obliczeń metodą elementów skończonych (MES). Umożliwia rozwiązywanie nawet najbardziej skomplikowanych zadań z łatwością i dużą dokładnością. Simcenter Femap to program, który umożliwia korzystanie z praktycznych funkcji w znacznym stopniu usprawniających pracę nad obliczeniami, modelami czy projektowaniem. Szeroką funkcjonalność użytkownicy programu zawdzięczają dostępowi do danych bazujących na geometrii oraz danych analitycznych. Oprogramowanie umożliwia dzięki temu efektywną pracę nad testowaniem komponentów i złożonych systemów. Szeroka gama dodatkowych modułów Simcenter Nastran pozwala stworzyć bardzo silny software, który można dostosować dla firm posiadających różne wymagania pod względem analizy. Funkcjonalne narzędzia wraz z niezawodnością oprogramowania Femap podnoszą efektywność pracy inżynierów, jednocześnie upraszczając wykonywanie skomplikowanych analiz i złożonych obliczeń.

Simcenter Femap

Simcenter 3D (dawniej NX CAE) to produkt bazujący na platformie NX, zapewniający szeroki wybór rozwiązań do wielozadaniowej symulacji opartej na metodzie elementów skończonych oraz zapewniający wszechstronne funkcje do przygotowywania modeli, rozwiązywania oraz przetwarzania końcowego. Środowisko Simcenter 3D jest w pełni zintegrowane ze środowiskiem NX CAD. Simcenter 3D to nowoczesne środowisko integrujące ze sobą różne dziedziny obliczeniowe, przeznaczone dla analityków, konstruktorów i projektantów, którzy muszą szybko dostarczać wysokiej jakości dane wspierające podejmowanie decyzji dotyczących tworzenia produktów. Simcenter 3D jako pierwszy na świecie program MES pozwala na korzystanie z modułów Simcenter Nastran w ramach tokenów, czyli nowego systemu licencjonowania zwanego Value Based Licensing, które umożliwiania w pełni wykorzystać wielozadaniowe środowisko symulacji.

Simcenter 3D (dawniej NX CAE)

Simcenter Nastran – dostępny jako samodzielny solwer korporacyjny. Simcenter Nastran pomaga producentom i dostawcom inżynieryjnym w lotnictwie, motoryzacji, elektronice, maszynach ciężkich, urządzeniach medycznych i innych branżach w zakresie ich krytycznych potrzeb obliczeniowych, dzięki czemu mogą produkować bezpieczne, niezawodne i zoptymalizowane projekty w coraz krótszych cyklach projektowania.

Simcenter Nastran

Nastran – czyli solver stworzony na potrzeby NASA 50 lat temu (1971 pierwsza wersja komercyjna). Od półwieku urządzenia są weryfikowane przez ten wspaniały i doceniony na świecie solver. Nie daj się wyprzedzić innym, zaufaj doświadczeniu i jeżeli potrzebujesz sprawdzonego rozwiązania to skontaktuj się z nami.

Na zakończenia: firma GM System powstała 2001 roku, czyli też obchodzi w tym roku jubileusz.

Źródła:

https://ntrs.nasa.gov/citations/20020087022

https://www.nasa.gov/

https://www.plm.automation.siemens.com/global/en/

https://en.wikipedia.org/wiki/Nastran

http://me100.caltech.edu/history/nastran.htm

https://www.ithistory.org/db/software/siemens-plm-software/nx-nastran

Opracował: Michał Sroka

Artykuł Nastran: NASA Structural Analysis pochodzi z serwisu GMSystem.

Rys. 1. Jedna właściwość elementów płytowych

Można wyświetlić je w formie graficznej i też widzimy na ekranie, że grubości są różne, ale nie wynoszą one 0 mm. Co możemy w takim razie zrobić?

Rys. 2. Wyświetlenie przekrojów grubości wraz z kolorami

Spróbujmy zdefiniować właściwości według grubości elementu.

Najpierw musimy sprawdzić, jakie są grubości w modelu i ile ich jest. Da się ? No pewnie, możemy to zrobić wyświetlając np. kontury wg grubości przyporządkowane właśnie wg grubości w elemencie skończonym.

Użyjemy do tego narzędzia Discrete Value Plots.

Po ustawieniu odpowiednich opcji na modelu widzimy już poszczególne grubości oraz kolor do nich przypisany. Widać też na modelu, gdzie poszczególne grubości występują, właśnie dzięki tym kolorom.

Rys. 3. Wyświetlenie kolorów wg grubości elementów.png

Co prawda, nie ma automatu, aby na podstawie wyświetlanych kolorów stworzyły się „propertiesy”, ale możemy je stworzyć sami. Owszem, jeżeli będziemy mieli ich 1000, ta metoda się nie sprawdzi, ale z doświadczenia mojego oraz naszych klientów wiem, że w dużych modelach poszczególnych grubości nie jest aż tak dużo – od kilku do kilkunastu, w skrajnych przypadkach trochę więcej. Więc jeśli ręcznie stworzymy właściwości, to możemy do nich przypisać odpowiednie elementy, a raczej przypisać Properties do elementów.

Rys. 4. Nowe właściwości wg grubości w elementach.JPG

W celu łatwiejszej pracy proponuję stworzyć grupy wg Properties naszych nowo stworzonych właściwości. Klikamy prawym klawiszem myszy na nowo stworzonych Properties i wybieramy Group.

Rys. 5. Tworzenie grup wg nowych propertiesów

Aby dodać elementy do wybranej grupy, po podświetleniu danej grupy w drzewie, w oknie Entity Editor w wierszu Element klikamy ikonkę Add. W oknie Entity select wybieramy <Pick> i By Model Data Value. Po wpisaniu odpowiedniej grubości elementu mamy pierwszą grupę. Oczywiście możliwości wyboru jest więcej, od określonej wartości do poszczególnych zakresów. Wybór danych wg danych modelu generalnie odnosi się do parametrów opartych na siatce i związanych z nimi informacjami.

Rys. 6. Wybór elementów wg grubości

W ten oto sposób uzyskujemy grupy elementów z przypisanymi elementami o określonych grubościach. Teraz chcemy, aby te elementy miały przypisany określony Properties z drzewa modelu. Umożliwi to indywidualną edycję tych elementów poprzez modyfikacje właściwości. W tym celu wybieramy polecenie Modify > Update Element > Property ID. W oknie Entity select wystarczy wybrać daną grupę elementów a następnie wskazać odpowiedni Properties.

Rys. 7. przypisanie nowej właściwości do grupy elementów

Rys. 8. Przypisane elementy do nowych właściwości

W ten sposób uzyskujemy model, gdzie elementy ponownie są sterowane za pomocą właściwości na drzewie modelu. Ułatwi to modyfikację czy edycję w momencie, gdy musimy dokonać zmian.

Artykuł Właściwości według grubości elementów w Simcenter Femap pochodzi z serwisu GMSystem.

„Program do analiz CFD jest zbyt trudny do wykorzystania w procesie projektowania”

Ten argument ma podłoże historyczne. Kody CFD z początku obecnego wieku były trudne w użyciu. Dzisiaj środowisko pracy w wysoko zaawansowanych programach takich jak Simcenter Star CCM+  jest zdecydowanie łatwiejsze, lecz wybór rozwiązań numerycznych, modelowanie turbulencji, osiągnięcie i ocena zbieżności rozwiązania i poprawna interpretacja wyników, są nadal czynnościami eksperckimi. Jednak obecnie mamy możliwość dopasowania zaawansowania oprogramowania do celu obliczeniowego i  umiejętności użytkownika. Program FloEFD jest odpowiednim narzędziem którego potrzebuje inżynier mechanik, aby obsługiwać oprogramowanie CFD. Do uzyskania wiarygodnego wyniku wystarczy  jedynie znajomość systemu CAD i fizyki związanej z projektowanym produktem. Dzieje się tak, ponieważ program FloEFD został wbudowany w program CAD, co umożliwiło automatyzacje procesu tworzenia modelu powodując wzrost ogólnej użyteczność narzędzi, pozwalając na płynny przebieg prowadzonych prac badawczo – konstrukcyjnych.

Rys.1. Moduł FloEFD wbudowany w program Solid Edge

„Analiza CFD jest zbyt długa, aby używać jej w trakcie procesu projektowania”

Największą utratą czasu dla CFD był zawsze proces tworzenia siatki. Wiązał się on z  wyeliminowaniem szczelin, zmniejszeniem skośności elementów skończonych, utrzymaniem współczynnika kształtu, kontrolowaniem objętości poszczególnych komórek (stosunek wielkości komórek do sąsiednich komórek, rozmiar najmniejszej komórki i rozkład siatki). Ponieważ projektowanie nieodłącznie wiąże się ze zmianą geometrii, ten pół-ręczny proces musiał być powtarzany dla każdej iteracji projektu. Wszystkie te kroki, z wykorzystaniem FloEFD, można teraz w pełni zautomatyzować, korzystając bezpośrednio z natywnych danych CAD 3D i wykorzystać bezpośrednio do przeprowadzenia symulacji przepływu płynu. Nowe części i funkcje wynikające z projektu zmiany mogą być zmieniane w ciągu kilku minut, co znacznie skraca czas potrzebny na analizę.

Rys. 2. Efektywna symulacja CFD – tworzenie siatki bezpośrednio na geometrii CAD

„CFD jest zbyt kosztowny, aby mógł być używany przez inżynierów mechaników”

Najnowsza generacja kodu CFD zaimplementowana we FloEFD przeznaczona jest do użytku podczas głównego procesu. Koszt posiadania takiego narzędzia jest mniejszy niż produktów przeznaczonych dla analiz wykonywanych na poziomie eksperckim, ponieważ ma być wykorzystany przez inżyniera mechanika z minimalnym nakładem pracy szkoleniowej. Nowatorskie techniki, takie jak: zanurzone metody brzegowe dla tarcia powierzchni płyn – ciało stałe i wymiany ciepła, pozwalają na znaczne zmniejszenie liczby elementów siatki niezbędnej do uzyskania dokładnych wyników. Umożliwiają prowadzenie wielordzeniowej pracy obliczeniowej, ułatwiając wykorzystanie w pełni komputera, jeszcze bardziej skracając czas analizy.

Rys.3. Efektywna kosztowo analiza przepływu CFD turbosprężarki

„Nie można bezpośrednio wykorzystać modelu CAD w celu analizy CFD”

W przeszłości konieczne było skopiowanie lub translacja modelu CAD do innego programu, a następnie zmodyfikowanie go do stworzenia modelu CFD. Obecnie natywne dane CAD 3D mogą być wykorzystywane bezpośrednio do symulacji przepływu bez potrzeby translacji lub kopiowania geometrii obiektu, lub tworzenia jego przestrzeni przepływu. Przeświadczenie, że geometria CAD nie może być używana bezpośrednio do analizy utrzymuje się do dzisiaj. Jednak proces automatyzacji jaki został zastosowany we FloEFD w przygotowaniu modelu, pozwolił na bezpośrednie wykonywanie analizy CFD na geometrii CAD.

Rys.4. Bezpośrednia analiza CFD z wykorzystaniem geometrii CAD

„Większość produktów nie potrzebuje analizy CFD”

To zastrzeżenie jest już całkowicie nieaktualne. Obecny poziom konkurencji rynkowej wymusza stały rozwój produktu i zdobywanie przewagi nad innymi producentami wyrobu danego typu. W związku z tym oczywiste jest, że obecnie CFD może służyć do poprawy produktów tak różnorodnych jak: baseny, toalety, suszarki do rąk, zraszacze do trawników, gazomierze, napędy dysków, filtry oleju itp., a prowadzenie analiz w interakcji z programem CAD na poziomie inżyniera konstruktora, pozwala skrócić czas i zmniejszyć koszty powstania nowego produktu.

Rys. 5. Analizy CFD dla różnych produktów

Uwagi końcowe

Formułując naszych 5 punktów mamy nadzieję, że nasz pogląd pozwoli na chwilę refleksji. Jeśli nie rozważyłeś jeszcze użycia CFD, aby pomóc w projektowaniu produktów, zapraszamy do wypróbowania programu FloEFD będącego częścią oprogramowania Solid Edge lub NX. Dla tych, którzy mają doświadczenie z tradycyjnym CFD proponujemy przeprowadzenie prób i porównanie czasu oraz dokładności uzyskanych wyników.

Sprawdź: CAE CFD

Opracował: Wojciech Plutecki

Artykuł FloEFD: pięć prawd o CFD pochodzi z serwisu GMSystem.

Kolejne etapy pracy

Rys. 1: Model silnika spalinowego

W omawianym modelu łapa silnika występuje w zespole mocowania silnika jako podłożenie oraz komponenty bezpośrednio przykręcone do korpusu koła zamachowego. W pierwszej kolejności sprawdzane są poszczególne komponenty i podzespoły. W tym celu łapa silnika została odpowiednio zmeszowana.

Rys. 2: Analizowane komponenty zespołu silnika spalinowego

Po przejściu do pliku symulacji nadano połączenia pomiędzy komponentami oraz obciążenia i podpory. W celu sprawdzenia konstrukcji w pliku symulacji stworzono dwa rodzaje analiz: statyczną i modalną. Po przeprowadzeniu wszystkich obliczeń można przejść do analizy wyników.

Rys. 3: Model łapy silnika

Rys. 4: Wyniki analizy łapy silnika

Po sprawdzeniu wytrzymałości łapy można przejść do analizy zespołu mocowania silnika. Składa się on z łapy silnika oraz belki wsporczej. Do stworzenia modelu dyskretnego użyto złożenia siatek AFM. Dzięki temu będzie można wykorzystać już wcześniej policzony model FEM łapy silnika. Na drzewie w oknie Symulator nawigacji widać brakujące modele łap silnika. W tym celu można stworzyć nowe siatki czy złożenia siatek lub przypisać istniejące pliki FEM.

Rys. 5: Przypisywanie istniejących siatek do wskazanych obiektów

Po wskazaniu pliku siatek model jest gotowy do analizy. Po przejściu do pliku symulacji, nadaniu warunków brzegowych i definicji solvera przeprowadzono obliczenia. Po wykonaniu analiz mamy sprawdzoną konstrukcję zespołu mocowania silnika.

Rys. 6: Wyniki naprężeń zespołu mocowania silnika

Rys. 7: Wyniki analizy modalnej zespołu mocowania silnika

Tworząc model obliczeniowy całego silnika możemy przypisać istniejące siatki za pomocą automatycznego mapowania na powiązane modele. Modele FEM które zostały wcześniej stworzone automatycznie zostaną przypisane i wyświetlone w pliku złożeń siatek.

Rys. 8: Automatyczne przypisanie istniejących siatek

Tworzenie siatki FEM

Do pozostałych komponentów można stworzyć siatki FEM lub kolejne złożenia siatek AFM. Jeżeli którekolwiek elementy są powtarzalne, to siatki zostaną powielone automatycznie. Dzięki temu przyśpieszamy czas na przygotowanie geometrii do obliczeń. W pliku AFM można stworzyć dodatkowe elementy łączące poszczególne siatki np. elementy sztywne RBE2, RBE3, elementy masowe itd. Kontakty pomiędzy elementami zostaną utworzone na poziomie pliku obliczeniowego. A co z numeracją węzłów, jeżeli stosujemy ten sam obiekt zarówno bezpośrednio w pliku FEM jak i w złożeniach AFM? Simcenter nad wszystkim panuje i możemy dokonać przenumerowania węzłów i elementów za pomocą Menadżera etykiet złożenia.

Rys. 9: Numeracja węzłów i elementów z złożeniach siatek AFM

Po przejściu do pliku symulacji i zadania warunków brzegowych, kontaktów, zdefiniowania parametrów solvera można przejść do obliczeń. Wyniki analizy można przeprowadzić w efektowny sposób korzystając z narzędzi do wizualizacji i pokazać wyniki analizy wraz z geometrią CAD.

Rys. 10: Wizualizacja wyników elementów mocowań silnika spalinowego

Rys. 11: Wizualizacja wyników elementów mocowań silnika spalinowego

Simcenter pozwala na szybkie przygotowanie modeli do obliczeń. Dzięki złożeniom siatek AFM można sprawnie przygotować nawet duże konstrukcje. Ważne jest też to, że istniejące siatki analizowanych modeli mogą być wykorzystywane pomiędzy różnymi typami analiz. Simcenter 3D umożliwiający analizy multiphysic jeszcze bardziej zwiększając wydajność naszej pracy i podnosząc jakość obliczeń.

Opracował: Michał Sroka

Artykuł Simcenter 3D: wykorzystanie istniejących modeli obliczeniowych w różnych projektach pochodzi z serwisu GMSystem.

Oprogramowanie NX CAD posiada najlepsze rozwiązania do parametrycznego projektowania CAD. Analityk musi sobie z taką geometrią odpowiednio poradzić, tj. przygotować odpowiednio model do analizy. Często zdarza się tak, że analityk modyfikuje i przerabia geometrię specjalnie pod obliczenia, co powoduje zmiany konstrukcyjne i technologicznie, które muszą zostać uwzględnione w procesie produkcji. W tradycyjnych środowiskach MES najczęściej robi kopię modelu, aby nie ingerować w model produkcyjny i nie zepsuć pracy konstruktora wprowadzając modyfikację na jego geometrii. Simcenter 3D umożliwia stworzenie geometrii idealizowanej na bazie oryginalnej parametrycznej geometrii NX CAD zachowując pełną parametryczność, czyli widoczne są zmiany dokonane przez konstruktora, ale analityk nie zmienia kształtu pierwotnego.

Etapy pracy w środowisku Simcenter

Otwierając model w NX CAD lub Simcenter 3D, można przejść do tworzenia analizy dla wybranego detalu.

Rys. 1. Model skrzydła samolotu

Rys. 2. Model do analizy

Podczas tworzenia struktury plików obliczeniowych w oknie Nowe FEM i symulacje należy zaznaczyć opcję Utwórz część wyidealizowaną. Dzięki temu oryginalny model będzie niezależny od modelu, w którym można dokonywać zmian na rzecz geometrii do obliczeń.

Rys. 3. Tworzenie struktury plików obliczeniowych

Po przejściu do części idealizowanej, można dokonać niezbędnych operacji w celu odpowiedniego przygotowania konstrukcji do analizy. Można skorzystać z bardzo szerokiej gamy narzędzi do przygotowania geometrii pod obliczenia tj. Idealizuj geometrię, technologia synchroniczna, dzielenie, wydłużanie czy usuwanie cech geometrycznych. Bardzo ważne jest to, że w każdej chwili możemy część idealizowaną przełączyć do modelingu, gdzie są dostępne wszystkie polecenia NX CAD.

Rys. 4. Idealizowanie geometrii

Po odpowiednim przygotowaniu geometrii można przejść do dyskretyzacji modelu. W trakcie tworzenia siatki FEM, Simcenter 3D rozpoznaje przypisane materiały do poszczególnych części, co przyśpiesza pracę analityka. Oczywiście może zmienić materiał na inny lub zmodyfikować istniejący.

Rys. 5. Dyskretyzacja modelu

Kolejnym krokiem jest przejście do pliku symulacji, nadanie warunków brzegowych i analiza modelu. W trakcie nadawania warunków brzegowych Simcenter, w zależności od zastosowanego typu np. utwierdzenia, odpowiednio stworzy dodatkowe cechy potrzebne do analizy tj. układy współrzędnych.

Rys. 6. Model gotowy do obliczeń

Po analizie można przejść do wyników i przeanalizować efekty naszej pracy. Po sprawdzeniu policzonej konstrukcji postanowiono wprowadzić w niej kilka zmian.

Rys. 7. Wyniki analizy modelu przed zmianami.

Nanoszenie zmian w modelu

Poproszono więc konstruktora o wprowadzenie tychże zmian. Korzystając z parametryczności modelu, za pomocą zmiennych wprowadzono zmiany odległości mocowania siłowników.

Rys. 8. Modyfikacje wprowadzone przez konstruktora

Analityk przechodząc do części idealizowanej widzi wszystkie wprowadzone zmiany. Geometria aktualizuje się automatycznie. Wszystkie operacje idealizacji, jakie były dokonane wcześniej, dopasowały się do nowej konstrukcji. Pod kątem obliczeń postanowiono dodatkowo zmodyfikować zaokrąglenia i dokonano tego bezpośrednio w pliku idealizowanym.

Rys. 9. Zmiana promienia zaokrąglenia i części idealizowanej.

Po przejściu do części FEM widać w zarysie nową geometrię, ale siatka jest jeszcze wyświetlona do geometrii przed zmianami. Pozwala to na ocenę tego, co się zmieniło. Wystarczy kliknąć przycisk Aktualizuj, aby uzyskać siatkę dla nowej geometrii dla zmian wprowadzonych przez konstruktora w części CAD, jak i analityka w części idealizowanej.

Rys. 10. Aktualizacja siatki FEM do nowej geometrii

W pliku symulacji wystarczy kliknąć Rozwiąż, aby przejść do obliczeń. Tutaj jednak skopiowano całą analizę i dopiero włączono obliczenia. Wyniki analizy zmodyfikowanej geometrii pokazują, że udało się zredukować naprężenie o około 20 MPa czyli otrzymano blisko 25% większą wytrzymałość niż w pierwotnej konstrukcji.

Rys. 11. Wyniki zmodyfikowanej geometrii

Rys. 12. Porównanie wyników obu modeli

W tym miejscu warto przypomnieć, że jako jedyny w Polsce partner firmy Siemens otrzymaliśmy status Smart Expert, między innymi dla programu Simcenter 3D. Dlatego każda firma, u której przeprowadzamy wdrożenie oprogramowania CAx, ma gwarancję, że współpracuje z wybitnymi specjalistami w tej dziedzinie.

Opracował: Michał Sroka

Jeśli jesteś zainteresowany programem Simcenter 3D lub NX, zapraszamy do kontaktu.

Artykuł Integracja środowiska CAD z CAE na przykładzie Simcenter 3D i NX CAD pochodzi z serwisu GMSystem.

Geometria modelu

Przygotowanie geometrii do obliczeń, w przeciwieństwie do wysoko zaawansowanych programów CFD, nie wymaga jakiś specjalnych zabiegów. FloEFD pracując w środowisku Solid Edge bezpośrednio wykorzystuje geometrię konstrukcyjną. Geometrię modelu wykorzystaną do obliczeń, składającą się ze zbiornika oraz z wirnika mieszadła, pokazano na rys.1.

Rys. 1 Geometria mieszadła

Do zadań analityka należy jednak określenie, za pomocą kreatora ustawień analizy,  wielkości objętości podlegającej analizie. Dodatkowo do układu obliczeniowego wprowadza się dodatkowe objętości: związaną z łopatkami wirnika, dla której zadano żądaną prędkość obrotową oraz poziomu cieczy w zbiorniku o większej gęstości (rys.2). Są one wykorzystane jedynie do ustawienia warunków brzegowych, natomiast nie biorą bezpośredniego udziału w przepływie cieczy. Jako czynniki podlegające procesowi mieszania ustawiono wodę i amoniak.

Rys. 2: Dodatkowe objętości w układzie obliczeniowym: a) objętości obrotowe b) objętość wody.

Dyskretyzacja modelu

Kolejnym krokiem do przeprowadzenia obliczeń jest dyskretyzacja modelu za pomocą siatki elementów skończonych. We FloEFD mamy do dyspozycji siatkę typu Trimmed bazującą na elementach sześciościennych. Program, na podstawie zaznaczonego wcześniej obszaru obliczeń, wyznacza objętość przepływu i dzieli ją na poszczególne objętości skończone. Analityk, na podstawie własnego doświadczenia, ma wpływ na wielkość elementów oraz na jej zagęszczenie w miejscach mających wpływ na charakter przepływu i dokładność otrzymanego wyniku. Siatkę modelu z widocznymi wyraźnymi zagęszczeniami wokół łopatek wirnika i wału pokazano na rys. 3.

Rys. 3: Widok siatki obliczeniowej typu trimmed

Wyniki obliczeń CFD

We FloEFD obliczenia możemy prowadzić w sposób ustalony lub nieustalony, uwzględniający wpływ czasu na proces przepływu. Obliczenia niniejszego przykładu, z uwagi na to, że proces mieszania następuje w funkcji czasu, zastosowano obliczenia w stanie nieustalonym. W ich wyniku możliwe jest, przy założonej prędkości obrotowej wirnika, wyznaczenie przebiegu momentu obrotowego, co pozwala na określenie zapotrzebowania mocy przez układ oraz czasu potrzebnego na zmieszanie  użytych w modelu cieczy.

Oprócz uzyskania wskazanych wartości, program umożliwia wizualizację obliczonego przepływu. Możemy wyświetlić, na zadanych płaszczyznach, rozkłady ciśnień, rozkłady prędkości w postaci pól lub wektorów. Przykład możliwości wizualizacji pokazano na rys.4 zmiany gęstości mieszających się czynników dla wybranych momentów symulacji.

Rys. 4: Wyniki obliczeń: Rozkład gęstości płynu po czasie mieszania :
a – 0 [s], b – 1 [s], c – 2 [s], d – 5 [s]

Przepływ, a zatem proces mieszania możemy zwizualizować za pomocą linii prądów ukazujących w sposób plastyczny trajektorie i charakter przepływu. Dodatkowo pokolorowanie ich za pomocą wielkości prędkości pozwala określić obszary większej i mniejszej intensywności procesu mieszania. Przykład takiej wizualizacji przedstawiono na rys. 5.

Rys. 5. Linie przepływu w zbiorniku dla czasu mieszania 5 [s]

Narzędzia i możliwości obliczeniowe zaimplementowane we FloEFD pozwalają na efektywne przeprowadzenie analizy CFD. Program pozwala na stosunkowo łatwe prowadzenie obliczeń nawet dość złożonych zagadnień fizycznych. Bezpośrednie zintegrowanie programu ze środowiskiem Solid Edge może być traktowane jako podręczne narzędzie inżyniera konstruktora w wielu gałęziach przemysłu maszynowego.Opracował: Wojciech Plutecki

Jeśli interesuje Cię program Solid Edge Flow Simulation, skontaktuj się z nami.

Artykuł Model numeryczny mieszadła w Solid Edge Flow Simulation (FloEFD) pochodzi z serwisu GMSystem.

Geometria modelu

Przygotowana geometria do obliczeń numerycznych układu przepływowego wirnika osiowego składa się z trzech objętości cieczy: nieruchomej objętości wlotowej i wylotowej oraz objętości wirnika, dla której będzie zadana prędkość obrotowa. Na wlocie do układu zadano warunek typu Mass Flow, natomiast jako warunek wylotowy zastosowano Pressure Outlet – pozwalający na przepływ dwukierunkowy z i do układu. Pomiędzy poszczególnymi objętościami wymiana danych następowała za pomocą  warunku Internal Interface. Jako ciecz roboczą ustawiono wodę, której turbulentny przepływ opisano za pomocą modelu k-e. Geometrią modeli przedstawiono na rys.1.

Rys. 1. Geometria numeru numerycznego w Star CCM+

Dyskretyzacja modelu

Kolejnym krokiem do przeprowadzenia obliczeń jest dyskretyzacja modelu za pomocą siatki elementów skończonych. W Star CCM+ mamy do dyspozycji trzy rodzaje siatek: Tetrahedra – siatka czworościenna, Polyhedral – siatka wielościenna, Trimmed – siatka sześciościenna. Program dopuszcza użycia wielu rodzajów siatek dla jednego modelu. I z tej właściwości skorzystano w przykładowym modelu. W objętości wlotu i wylotu, jako geometrii o mało złożonym kształcie, zastosowano siatkę typu Trimmed, dodatkowo zagęszczoną w miejscach mających wpływ na charakter przepływu. Siatkę modelu pokazano na rys.2.

Rys. 2. Dyskretyzacja modeli: wlot, wylot, siatka typu trimmed; wirnik siatka polyhedralna w Star CCM+

Z uwagi na złożoność kształtu wirnika, do dyskretyzacji jego objętości zastosowano siatkę polyhedralną, powstającą na bazie siatki Tetrahedra, wykorzystując wszystkie jej zalety w umiejętności szybkiego odwzorowywania kształtu złożonej geometrii. Jednak Polyhedral stanowiąc siatkę wyższego rzędu powoduje, że przy mniejszej liczbie elementów uzyskujemy dokładniejszy wynik. Dodatkowo, w celu zwiększenia dokładności wpływu warstwy przyściennej na profil przepływu,  zagęszczono siatkę wokół powierzchni łopatek elementami pryzmatycznymi. Uzyskany efekt dyskretyzacji pokazano na rys.3.

Rys. 3. Siatka wirnika z zagęszczonymi elementami wokół łopatek w Star CCM+

Wyniki obliczeń CFD

W Star CCM+ obliczenia możemy prowadzić w sposób ustalony lub nieustalony, uwzględniający wpływ czasu na proces przepływu. Obliczenia niniejszego przykładu, z uwagi na relatywnie mało złożony charakter przepływu i krótki czas obliczeń, przeprowadzono w sposób ustalony. W ich wyniku możliwe jest, przy założonym przepływie masowym i wartości ciśnienia na wlocie do układu, wyliczenie ciśnienia na wylocie z układu i momentu obrotowego wirnika koniecznego do jego uzyskania. Pozwala to po zastosowaniu odpowiednich zależności na wyznaczenie sprawności wirnika. Wielokrotne powtórzenie obliczeń numerycznych na tym samym modelu, dla zadanych wartości przepływu masowego, umożliwia uzyskanie charakterystyki ciśnienia i sprawności w funkcji przepływu.

Oprócz uzyskania wskazanych wartości skalarnych, program umożliwia wizualizację obliczonego przepływu. Możemy wyświetlić, na zadanych płaszczyznach, rozkłady ciśnień, rozkłady prędkości w postaci pół lub wektorów oraz linie prądów wizualizujących w sposób plastyczny trajektorie i charakter przepływu. Przykład możliwości wizualizacji pokazano na rys.4.

Rys. 4. Wyniki obliczeń: linie przepływu, rozkład prędkości oraz ciśnień statycznych w Star CCM+

Narzędzia i możliwości obliczeniowe zaimplementowane w Star CCM+ pozwalają efektywne przeprowadzenie analizy CFD dla maszyn wirnikowych. Program pozwala na obliczenia nawet bardzo złożonych zagadnień, nie tylko urządzeń wirnikowych tj. śruby okrętowe, mieszalniki, wentylatory, pompy, ale jest szeroko stosowany w innych branżach z przemysłu maszynowego, samochodowego czy lotniczego.

Opracowanie: Wojciech Plutecki

Masz pytania dotyczące Star CCM+? Skontaktuj się z nami

Artykuł Model numeryczny wirnika osiowego w Star CCM+ pochodzi z serwisu GMSystem.

FloEFD jest łatwy w użytkowaniu i oferuje intuicyjną obsługę użytkownikom systemów MCAD. Idea, jaka przyświecała twórcom oprogramowania było stworzenie programu do analiz CFD, który będzie mógł być wykorzystywany przez inżynierów konstruktorów już w czasie opracowywania koncepcji projektu. W FloEFD stosowane są terminy inżynierskie zamiast żargonu technicznego, dzięki czemu można skupić się na rozwiązywaniu problemów związanych z przepływem, zamiast rozszyfrowywać sposób korzystania z oprogramowania. Zaawansowany kreator analiz prowadzi użytkownika przez proces definiowania problemu, analizy i wizualizacji wyników.

Fizyka przepływu płynów jest prawdopodobnie jedną z najbardziej skomplikowanych dyscyplin w tej dziedzinie, dlatego oprogramowania CFD są nieraz bardzo trudne w użyciu. Programy takie wymagają dogłębnej znajomości modeli turbulencji i możliwości ich stosowania w określonych sytuacjach. W tradycyjnych programach użytkownik musi ręcznie modyfikować siatki w celu uzyskania najdokładniejszych wyników analizy — niektórym specjalistom pochłania to nawet 60% czasu poświęconego na cały projekt. Z tego powodu znaczna większość programów CFD nie nadaje się do stosowania przez inżynierów projektantów, którzy potrzebują dostępu do oprogramowania symulacyjnego opartego na fizyce na wczesnym etapie projektu chcąc sprawdzić założenia projektowe.

Oprogramowanie FloEFD jest oparte na równaniach Naviera-Stokesa. Dodatkowo oferuje ono inteligentną automatyzację i zaawansowane technologie skonfigurowane  w taki sposób, aby analiza była łatwiejsza, szybsza i dokładniejsza. Unikatowa technologia SmartCells umożliwia stosowanie zgrubnej siatki bez utraty dokładności. Technologia tworzenia siatki jest ponadto niezawodna i może być stosowana do dowolnej, złożonej geometrii. W rezultacie proces tworzenia siatki może być całkowicie zautomatyzowany i nie wymaga ręcznego wprowadzania danych przez użytkownika.

Fakt, że oprogramowanie FloEFD jest łatwe w użyciu, nie oznacza, że ​​nie jest ono dokładne. W rzeczywistości dokładność wyników uzyskiwanych za pomocą oprogramowania FloEFD została zweryfikowana i potwierdzona przez tysiące firm, które wykorzystują to oprogramowanie do rozwiązywania złożonych problemów projektowych. Rdzeniem oprogramowania FloEFD jest inteligentna technologia, która sprawia, że jest ono co najmniej tak samo dokładne, jak inne programy CFD, a przy tym jego użytkowanie jest mniej uciążliwe niż w przypadku innych systemów.

Solid Edge Flow Simulation (FloEFD) jest w pełni zintegrowany z Solid Edge, wykorzystuje rodzimą geometrię Solid Edge z zachowaniem parametryzacji i wszystkich cech geometrycznych. Dlatego nie traci się czasu na przenoszenie i przygotowywanie geometrii do obliczeń w celu budowy modelu do obliczeń. Można natychmiast przygotować analizę — w rzeczywistości właściwości materiału i warunki brzegowe pozostają w projekcie, więc gdy modyfikuje się model do kolejnego wariantu, nie ma potrzeby powtarzania tych czynności. Ponadto można szybko tworzyć siatkę nawet w przypadku bardzo złożonych modeli. Ponieważ proces projektowania ma ze swojej natury charakter iteracyjny, można po prostu tworzyć różne warianty i szybko je analizować. Podsumowując, można szybko analizować problemy cieplno-przepływowe w ramach czasu przydzielonego na prace inżynierskie.

opracował Michał Sroka
Interesuje Cię ten program? Skontaktuj się z nami: www.gmsystem.pl/kontakt

Artykuł FloEFD – Solid Edge Flow Simulation system do badania dynamiki przepływów pochodzi z serwisu GMSystem.

• zużycia energii, przy zachowaniu najlepszych parametrów pracy konstrukcji,
• inteligentnego sterowania zaworami i innymi komponentami systemów hydraulicznych,
• redukcji niepożądanych drgań i stabilnych warunków pracy w całym zamierzonym zakresie.

Coraz większa złożoność produktów zmusza działy firmy do pełnej współpracy nad danymi projektami. Co więcej, wymagana jest ciągła walidacja założeń projektowych i dostosowywania ich do specyficznych potrzeb klientów. Dodatkowo, aby utrzymać atrakcyjną cenę naszych wyrobów oraz wprowadzać je na rynek jak najszybciej, musimy ograniczać do minimum ilość rzeczywistych prototypów oraz ilość wykonanych testów.

Simcenter 1D Simulation, znany również pod nazwą LMS Imagine.Lab AMESim to oprogramowanie symulacyjne do projektowania oraz analizy systemów mechatronicznych, w tym szeroko pojętych systemów hydraulicznych. Idea modelowania obiektowego umożliwia stworzenie modelu matematycznego bez konieczności posiadania modelu CAD projektowanej lub optymalizowanej konstrukcji. W rezultacie użytkownik poznaje zachowania rzeczywistego systemu na etapie bardzo wczesnej fazy koncepcyjnej. 
Simcenter 1D Simulation zawiera ponad 4500 gotowych komponentów (ikon / bloczków) z różnych dziedzin inżynierskich, pod którymi kryją się równania matematyczne opisujące procesy fizyczne zachodzące w rzeczywistych obiektach. Komponenty poukładane są w tematyczne biblioteki, których duża część dedykowana jest do analiz hydraulicznych, hydrauliczno-mechanicznych, hydrauliczno-termicznych i hydrauliczno-elektrycznych.

Wyzwania stawiane silnikom i pompom hydraulicznym to przede wszystkim kompromis pomiędzy wydajnością a małymi tolerancjami oraz optymalizacja geometrii w celu ograniczenia oscylacji przepływu, a co za tym idzie zmniejszenie hałasu oraz wibracji podczas ich pracy. Dodatkowo ważne jest również opracowanie strategii kontroli stabilności przemieszczenia się ruchomych elementów wewnątrz projektowanej konstrukcji. Simcenter 1D Simulation umożliwia elastyczne podejście do modelowania różnego rodzaju silników i pomp hydraulicznych (tłoczkowych, łopatkowych, zębatych). Zawiera zaawansowane modele medium hydraulicznego wraz z obszerną bazą danych, które mogą uwzględniać aspekty termiczne. Dzięki temu użytkownik na etapie wirtualnego prototypu może przeprowadzić szybką analizę kluczowych parametrów i wybrać te, które umożliwią niezawodną pracę finalnej konstrukcji oraz realizację wytyczonych jej zadań. Dodatkowo jeszcze w fazie koncepcyjnej istnieje możliwość oceny wydajności nowego modelu oraz porównania różnych jego wariantów.

Projektując zawory hydrauliczne czy elektro-hydrauliczne, inżynierowie często zastanawiają się nad ich stabilną pracą, kompensacją sił wymuszonych przepływem, histerezą oraz czy będą sterować naszym systemem w założony sposób bez najmniejszych opóźnień lub przesterowań. Simcenter 1D Simulation pozwala użytkownikowi na analizę wielu dziedzin jednocześnie (hydraulika, elektryka, mechanika, magnetyzm, termika) umożliwiając optymalizację ich wzajemnej współpracy oraz dobór najlepszych parametrów na bazie wirtualnego prototypu. Przekłada się to miedzy innymi na dokładne prognozowanie przepływu przez konkretne elementy zaworów oraz czasu reakcji tych zaworów, a także ustalenie „złotego środka” pomiędzy stabilnością i wydajnością.

W przypadku złożonych systemów zasilanych hydraulicznie, konstruktorzy często zadają sobie pytanie jak zaprojektować sterowanie hydrauliczne, aby cały system (np. ramię koparki czy spychacza) pracowało wydajnie, a dodatkowo było energooszczędne. W dobie coraz bardziej zaawansowanych technologii, inżynierowie muszą brać pod uwagę szereg parametrów (nie tylko hydraulicznych i mechanicznych, ale także związanych z elektryką czy magnetyzmem) i opracowywać coraz to bardziej skomplikowane sterowanie. Simcenter 1D Simulation jest platformą symulacyjną tzw. „skalowalną” umożliwiającą projektowanie i kompleksową analizę działania poszczególnych komponentów hydraulicznych (takich jak np. siłowniki czy rozdzielacze), jak również całych systemów hydraulicznych (takich jak np. dźwigi hydrauliczne, wysięgniki koparek, czy nowoczesne pługi do ciągników), dając inżynierom wiedzę na temat kluczowych parametrów projektowanego systemu (takich jak np. przebieg potrzebnego ciśnienia w siłownikach dla stabilnej pracy wysięgnika czy wymagana wydajność pompy w każdej fazie cyklu pracy przy różnych obciążeniach). Te i wiele innych parametrów technicznych można ustalić już w fazie koncepcyjnej na bazie wirtualnego prototypu.

Poniżej znajdziecie Państwo przykładową analizę zaworu zwrotnego przeprowadzoną w oprogramowaniu Simcenter 1D Simulation, której celem było między innymi poznanie wpływu zmiany średnicy kulki na częstotliwości jej drgań podczas otwierania się zaworu. Proces modelowania i analizy przebiegał następująco:

1. Zbudowanie modelu obiektowego zaworu zwrotnego (Rys.6) przy użyciu komponentów (ikon/bloczków) znajdujących się w 3 różnych bibliotekach (każdy komponent zawiera model matematyczny rzeczywistego obiektu).
   
2. Kompilacja modelu do układu równań opisujących rzeczywiste działanie („zachowania się”) zaworu.
3. Wprowadzenie do każdego z komponentów parametrów początkowych/brzegowych (Rys.7), takich jak:

   • opis właściwości medium hydraulicznego,

   • ustalenie początkowej wartości średnicy kulki oraz jej masy,

   • ustalenie maksymalnego przemieszczenia kulki,

   • wprowadzenie parametrów sprężyny,

   • ustalenie przebiegu ciśnienia, które będzie podawane na wejściu zaworu.
     

4. Analiza numeryczna
5. Wyświetlenie interesujących przebiegów czasowych (Rys.8), takich jak:

   • ciśnienie na wejściu zaworu,

   • przepływ medium hydraulicznego przez zawór,

   • przemieszczenie (ugięcie) sprężyny,

   • siła wytworzona przez sprężynę.

Zauważono, że podczas stanu nieustalonego w trakcie otwierania zaworu, przebieg przemieszczenia kulki nie jest liniowy (Rys.9), jak to ma miejsce w trakcie pełnego zamknięcia i otwarcia zaworu. Postanowiono sprawdzić przebieg czasowy przyspieszenia kulki w trakcie otwierania zaworu (Rys.10). Gdy okazało się, że wartość przyspieszenia oscyluje dość regularnie, postanowiono wykonać szybką transformatę Fouriera (FFT) dla tego przebiegu (oprogramowanie Simcenter 1D Simulation umożliwia taką analizę w dwóch kliknięciach).

Podstawowy wniosek, który nam się nasuwa to projektowanie geometrii obudowy zaworu tak, aby uniknąć częstotliwości drgań własnych dokładnie w przedziale wyświetlonym powyżej (analizę drgań własnych projektowanej obudowy możemy wykonać np. w oprogramowaniu Simcenter 3D). Zapobiegnie to ewentualnym, niepożądanym rezonansom i nie wpłynie na zwiększenie hałasu podczas otwierania zaworu.

Postanowiono wykonać dwie dodatkowe analizy oraz sprawdzić przebiegi czasowe i częstotliwościowe przyspieszenia kulki – dla kulki o średnicy 8 i 12 mm. Wyniki tych analiz oraz porównanie ich z pierwszą analizą (średnica kulki równa 10 mm) przedstawione zostały na wykresie poniżej (rys.11).

Niniejsza analiza jest tylko jedną z szeregu analiz, jakie możemy wykonać dla omawianego modelu zaworu zwrotnego. Nasz model możemy przetestować pod różnym kątem (można powiedzieć, że ogranicza nas tutaj tylko nasza wyobraźnia i czas, który możemy poświęcić na optymalizację konstrukcji tego zaworu i dostosowanie go do naszych potrzeb). Warto podkreślić, że przetestowanie 3 wariantów wirtualnego prototypu zajęło nam kilka minut. Warto również zadać sobie pytanie, ile czasu potrzebowalibyśmy na wyprodukowanie tych 3 wariantów zaworów oraz ich rzeczywiste testy i jaki byłby to koszt?

W razie jakichkolwiek pytań związanych z prezentowaną tematyką, uprzejmie proszę o kontakt pod adresem e-mailowym: lukasz.piasecki@gmsystem.pl

Opracował
Łukasz Piasecki
lukasz.piasecki@gmsystem.pl

Artykuł Projektowanie komponentów i systemów hydraulicznych w Simcenter 1D Simulation pochodzi z serwisu GMSystem.

Obliczenia wytrzymałościowe konstrukcji związane z dokręceniem śrub – przypadek montażowy, przeprowadzono na przykładzie połączenia śrubowego pomiędzy kołnierzem a obudową pompy. Dla celu analizy model został uproszczony, ujmując to kolokwialnie, do pewnego wycinku „tortu” (rys.1) .

Z poziomu pliku obliczeniowego w  pliku części idealizowanej,  przygotowano odpowiednio uproszczoną geometrię analizowanego modelu. W skład przygotowanej  geometrii wchodził podział śruby na cztery segmenty (rys. 2). Zabieg ten umożliwia w późniejszej fazie przyłożenie siły wynikającej z dokręcenia śruby oraz nałożenie siatki sześciościennej (Hexa). Operację tę powtórzono analogicznie dla wszystkich pozostałych śrub. Dodatkowo wykonano rzut dwóch krawędzi należących do kołnierza w celu wykorzystania ich do podzielenia ścianki obudowy pompy. Analogiczny proces powtórzono dla krawędzi zewnętrznych nakrętek, które zrzutowano i podzielono ścianki należącej do kołnierza (rys. 3). Proces ten wykonano w celu nadania prawidłowego działania kontaktu pomiędzy konkretnymi powierzchniami.

Z poziomu pliku …fem w strukturze plików obliczeniowych przygotowano odpowiednią siatkę obliczeniową. Tak jak wspominano wcześniej, na śruby oraz nakrętki nałożono elementy sześciościenne (Hexa), rys. 4.

W celu zasymulowania warunków brzegowych dla symetrii cyklicznej na powierzchniach zewnętrznych pompy i kołnierza nałożono zależną siatkę 2D, z opcji symetrycznego jej nakładania (rys.5).

Dla lokalnego zagęszczenia siatki na wybranych krawędziach zastosowano narzędzie sterowania siatką, typ -> rozmiar na krawędzi (rys. 6).

Na kołnierz oraz obudowę pompę nałożono siatkę objętościową składającą się z elementów czworościennych (tetra), rys. 7.

Z poziomu pliku … sim w strukturze plików obliczeniowych przygotowano rozwiązanie strukturalne przy użyciu solwera Simcetner Multiphyscis (rys. 8).

W pliku sim odebrano wybranym powierzchniom odpowiednie stopnie swobody (rys. 9).

W celu zasymulowania rzeczywistej pracy konstrukcji i analizy na wycinka „tortu” należy uwzględnić warunek symetrii cyklicznej dla obudowy pompy oraz kołnierza. Przykład zastosowania symetrii cyklicznej dla pompy przedstawia rys. 10. Całkowicie przyłożoną symetrię cykliczną dla dwóch obiektów przedstawia rys. 11.

Wykorzystano połączenie przy użyciu kontaktu klejonego (połączenie na sztywno) powierzchni śruby (miejsce występowania gwintu) z pompą oraz śruby z nakrętką (rys. 12).  Analogiczną czynność powtórzono dla kolejnych śrub.

Dla odwzorowania przemieszczania się obiektów po sobie od docisku śruby zasymulowano kontakt z współczynnikiem tarcia wynoszącym 0.2 mm, pomiędzy powierzchnią pompy a kołnierzem oraz powierzchnią podkładki (3x) i kołnierzem (rys. 13).

W śrubie zasymulowano wstępne odkształcenie śruby wynoszące 0.001 mm. Docelowo można zadawać również przemieszczenie oraz siłę docisku wynikającą z momentu dokręcenia (rys. 14).

Utworzono 3 kroki obliczeniowe (sekwencję), w których każda po sobie następuje w określonym czasie, co będzie symulowało efekt odkształcenia śruby kolejno po sobie (rys. 15).

Dodatkowo zdefiniowano parametry kontaktu nieliniowego w solwerze rozwiązania (rys. 16 a-b).

Dla tak ustawionych parametrów przeprowadzono obliczenia. Efektem końcowym było uzyskanie w odpowiednich krokach naprężeń montażowych oraz przekazywanie do kolejnego kroku stanu, który pozostał z poprzedniego kroku obliczeń. Rozkład naprężeń dla kolejno zaistniałych kroków przedstawiono na rys. 17.

opracował
Marek Rudy
marek.rudy@gmsystem.pl

Artykuł Naprężenia montażowe w środowisku Simcenter Multiphysics pochodzi z serwisu GMSystem.