Základy tvorby výpočtového modelu

Transkript

1 Základy tvorby výpočtového modelu Zpracoval: Jaroslav Beran Pracoviště: Technická univerzita v Liberci katedra textilních a jednoúčelových strojů Tento materiál vznikl jako součást projektu In-TECH 2, který je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR.

2 In-TECH 2, označuje společný projekt Technické univerzity v Liberci a jejích partnerů - Škoda Auto a.s. a Denso Manufacturing Czech s.r.o. Cílem projektu, který je v rámci Operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost (OP VK) financován prostřednictvím MŠMT z Evropského sociálního fondu (ESF) a ze státního rozpočtu ČR, je inovace studijního programu ve smyslu progresivních metod řízení inovačního procesu se zaměřením na rozvoj tvůrčího potenciálu studentů. Tento projekt je nutné realizovat zejména proto, že na trhu dochází ke zrychlování inovačního cyklu a zkvalitnění jeho výstupů. ČR nemůže na tyto změny reagovat bez osvojení nejnovějších inženýrských metod v oblasti inovativního a kreativního konstrukčního řešení strojírenských výrobků. Majoritní cílovou skupinou jsou studenti oborů Inovační inženýrství a Konstrukce strojů a zařízení. Cíle budou dosaženy inovací VŠ přednášek a seminářů, vytvořením nových učebních pomůcek a realizací studentských projektů podporovaných experty z partnerských průmyslových podniků. Délka projektu:

3 Obsah přednášky Charakteristika výpočtového modelu Softwarové prostředky pro tvorbu výpočtového modelu Využití CAD pro vytvoření modelu Zásady tvorby výpočtového modelu Efektivní výpočtový model Generování sítě konečných prvků (přímá, automatická generace) Definování vlastností výpočtového modelu (okrajové podmínky, materiálové parametry, počáteční podmínky, atd.)

4 Charakteristika výpočtového modelu Soubor základních vlastností modelu a síť konečných prvků Typ a vlastnosti prvku Počet prvků Stupeň aproximačního polynomu pro popis geometrie prvku a pro popis fyzikálního chování Materiálové vlastnosti Zatížení modelu Okrajové podmínky Počáteční podmínky

5 Softwarové prostředky pro tvorbu výpočtového modelu CAE - Computer Aided Engineering Komplexní nástroje pro vývoj produktů pokrývají oblasti analýz a simulací různých fyzikálních dějů, oblasti modelování mechanických soustav, oblasti testování fyzikálních modelů apod. Typickým nástrojem jsou sw založené na metodě konečných prvků (Finite Element Method)

6 Využití CAD pro vytvoření modelu Vlastnosti moderních CAD systémů: Parametrické 3D modelování Tvorba výkresů z objemových modelů. Obousměrná parametrická asociativita modifikace parametrů se kaskádovitě promítá do všech navazujících parametrů, geometrie, hmotností, modelů a výkresů a naopak změna geometrie se promítá do parametrů a vlastností těles Vytváření sestav z vytvořených dílů a podsestav Automatizované generování standardních komponent knihovny normálií a materiálů Validace a ověřování konstrukce oproti standardům a pravidlům Import a export pro výměnu dat s jinými CAD systémy Simulace chování konstrukce na virtuálních prototypech a modelech bez vytváření fyzických prototypů interference, FEA, multi-body systémy, optimalizace geometrie apod. Přímá příprava výstupních dat na stroje a výrobní zařízení např. přímý výstup dat pro stroje Rapid Prototyping k rychlému vytváření prototypů, výstup dat pro NC stroje

7 Využití CAD pro vytvoření modelu přenos drátového modelu (format dxf, ) přenos ploch (objemů), (formáty igs, step, ) přenos vygenerované sítě konečných prvků přímé napojení CAD systémů na FEA systémy integrace FEA do prostředí CAD

8 Využití CAD pro získání geometrického modelu

9 Zásady tvorby výpočtového modelu Postup výpočtu Stanovení efektivního modelu lineární x nelineární problém (kontakt, velké deformace, ) materiálový model výběr dimenze modelu (1D, 2D, 3D) využití symetrie modelu zjednodušení modelu

10 Zásady tvorby výpočtového modelu Využití rovinné symetrie modelu

11 Zásady tvorby výpočtového modelu Využití osové symetrie modelu

12 Zásady tvorby výpočtového modelu Redukce dimenze modelu

13 Zásady tvorby výpočtového modelu Redukce dimenze modelu 1D FEM model

14 Zásady tvorby výpočtového modelu Redukce dimenze modelu 2D Skořepinový model

15 Efektivní výpočtový model Hledání kompromisu mezi náklady na získání výsledků a složitostí modelu EM zahrnuje: Modelování fyzikálních jevů probíhajících v konstrukci Výběr dimenze výpočtového modelu Volba druhu konečných prvků včetně stupně polynomu a hustoty dělení Vyjádření okrajových podmínek (zatížení, uložení) Interakce se sousedícími objekty a rámem Nemá smysl volit náročnější model pokud nejsou dodána patřičná fyzikální vstupní data (může být nákladná záležitost)

16 Postup výpočtu Vytvoření výpočtového modelu a zadání parametrů pro výpočet. Geometrický model Typ prvku Generování sítě konečných prvků Přiřazení materiálových vlastností Zatížení a okrajové podmínky

17 Metody Přímé generování sítě Automatické generování sítě Generování sítě konečných prvků Přímé generování sítě Není nutný geometrický model Velký vliv řešitele Kvalita prvků Časová náročnost

18 Generování sítě konečných prvků Přímé generování sítě prvek po prvku využití automatických funkcí vytažení profilu nebo řezu rotační vytažení profilu nebo řezu 4 body 3 body

19 Generování sítě konečných prvků Přímé generování sítě využití automatických funkcí 2 objekty 4 objekty

20 Generování sítě konečných prvků Přímé generování sítě využití automatických funkcí 8 bodů

21 Generování sítě konečných prvků Přímé generování sítě vytažení profilu nebo řezu

22 Generování sítě konečných prvků Přímé generování sítě rotační vytažení profilu nebo řezu

23 Generování sítě konečných prvků Automatické generování sítě nutný geometrický model horší kvalita prvků možnost ovlivnit kvalitu prvků pomocí parametrů menší časová náročnost složité geometrické tvary Automatické generátory: podle dimenze 1D, 2D(rovina), 2D(plocha), 3D podle tvaru prvku

24 Generování sítě konečných prvků Automatické generování sítě rovinné modely

25 Generování sítě konečných prvků Automatické generování sítě 3D modely

26 Definování vlastností výpočtového modelu okrajové podmínky dvojího typu: geometrické silové V daném místě a směru lze vždy předepsat pouze jednu z uvedených podmínek Geometrické okrajové podmínky - zadané posuvy na části povrchu tělesa. Tyto posuvy jsou předem známy z charakteru uložení tělesa, z posuvů sousedních těles Homogenní okrajové podmínky nulové posuvy

27 Definování vlastností výpočtového modelu okrajové podmínky geometrické

28 Definování vlastností výpočtového modelu Silové okrajové podmínky Vyjadřují rovnováhu mezi vnitřními a vnějšími silami konečného prvku ležícího na hranici řešené oblasti

29 Definování vlastností výpočtového modelu Volba typu elementu a jeho vlastností