Využití programu AutoCAD při vytváření geometrie konstrukce v prostředí programu ANSYS Abstrakt Jan Pěnčík 1 Článek popisuje a porovnává způsoby možného vytváření geometrie konstrukce v prostředí programu ANSYS. Jsou v něm blíže představeny možnosti programu AutoCAD, který je doplněn uživatelským programem vytvořeným pomocí programu AutoLISP a DCL v editoru VisualLISP. Jsou v něm rovněž uvedeny příklady geometrie konstrukcí, které byly vytvořeny pomocí uživatelského programu. Summary The article describes and compares methods of generating models within the ANSYS program. The possibilities of the AutoCAD program are also introduced such as user defined script ANSEXP created with the help of AutoLISP and the DCL programming language using the VisualLISP editor. There are also documented examples of structures created by script ANSEXP. 1) Pěnčík Jan, Ing., Ph.D., Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav stavební mechaniky, Veveří 95, 662 37 Brno, tel.: 541 147 363, E-mail: pencik.j@fce.vutbr.cz - 1 -
1. Úvod Program ANSYS umožňuje vytvářet modely konstrukcí, resp. jejich geometrii pomocí tří základních přístupů [1]: 1. vytváření geometrie konstrukce v prostředí programu ANSYS pomocí objemového modelování (Solid Modeling), 2. přímé vytváření sítě konečných prvků a tím i geometrie konstrukce (Direct Generation) v prostředí programu ANSYS, popř. i mimo něj, 3. vytvoření geometrie konstrukce v některém z programů CAD a její následný export do programu ANSYS. Každý z uvedených přístupů vytváření geometrie konstrukce má své výhody i nevýhody. Mezi výhody prvního přístupu (Solid Modeling) vytváření geometrie konstrukce lze zařadit jeho větší využitelnost při vytváření velkých a komplexních modelů, zejména prostorových konstrukcí, umožnění základních geometrických operací (tažení, otáčení, atp.), které není možné provádět přímo s uzly a prvky, umožnění vytváření modelu konstrukcí směrem z celku na dílčí části pomocí logických operací (průnik, rozdělení, sečítání, odečítání, překrytí, rozdělení), umožnění snadné modifikace geometrie a případnou změnu dělení sítě konečných prvků. Tento přístup má ovšem i své nevýhody spočívající ve využitelnosti CPU, zejména při provádění logických operací, a v nárocích na velikost databázových souborů. Rovněž v některých případech dochází k rozpadu databází, tj. k oddělení prvků o geometrických entit (linií, ploch a objemů), se kterými byly dříve spojeny. Mezi hlavní výhody druhého přístupu (Direct Generation) lze zařadit úplnou kontrolu nad polohou uzlů, tvarem prvků a číslováním uzlů a prvků. Vlastní vytváření geometrie, resp. sítě konečných prvků je poměrně pracné a časově náročné. Z tohoto důvodu se doporučuje použít tento přístup u malých a jednoduchých modelů. Další nevýhodou tohoto přístupu je složitá případná modifikace sítě konečných prvků, v tomto přístupu nelze použít funkci zlepšování sítě konečných prvků, tak jako v prvním přístupu. Třetí možností vytváření geometrie konstrukce je použití CAD programů (tabulka 1) a její následný export do programu ANSYS. Výhodou tohoto přístupu je využití modelovacích funkcí CAD programů (uchopovací režimy, kopírování, logické operace, atp.). Je nutné však rovněž uvést, že v řadě případů je nezbytné provést opravu importované geometrie nehledě na poměrně značnou finanční náročnost na vlastní pořízení těchto CAD programů. Tabulka. 1 CAD programy podporované programem ANSYS 9.0 [2] CAD program Windows XP (64-bit) Windows XP (32-bit) Windows 2000 CATIA 4.x CATIA V5 R2-13 Parasolid 16 Pro/Engineer 2001 SAT ACIS 13 Unigrapfics NX 2.0 LS-DYNA Parallel Perf. (DDS) DXVT V případech, kdy statik nemá k dispozici některý z CAD programů uvedených v tabulce 1 je nucen vytvářet geometrii konstrukce v programu ANSYS. K vytváření geometrie konstrukce se v převážné většině případů používá objemového modelování (Solid Modeling), při kterém lze postupovat dvěma způsoby: zdola nahoru nebo shora dolů [1]. - 2 -
KP AREA Obr. 1 Vytváření geometrie konstrukce směrem zdola nahoru Obr. 2 Základní geometrické entity LINE VOLU Při použití přístupu vytváření geometrie konstrukce zdola nahoru je v první fázi modelování nutné vytvořit nejnižší geometrické entity vrcholy (Keypoints), pomocí kterých se následně vytváří složitější geometrické entity linie (Lines), plochy (Areas) a objemy (Volumes), jak je naznačeno na obrázku 1. Objemový modelář programu ANSYS, kromě výše uvedeného způsobu modelování, rovněž umožňuje přímé vytvoření základních geometrických entit, např. obdélník, trojúhelník, kruh, polygon v rovině a kvádr, válec, koule, kužel, vnitřní prstenec v prostoru (obrázek 2). Tyto entity jsou jednoznačně definovány pomocí automaticky vytvořených vrcholů, linií, ploch a objemů. Základní geometrické entity lze vzájemně kombinovat a vytvářet z jich složitější části. V tomto případě se geometrie konstrukce vytváří shora dolů. U obou způsobů vytváření geometrie se používají logické operace (průnik, rozdělení, sečítání, odečítání, překrytí, rozdělení), pomocí kterých se vytváří složitější části. V současné době projektanti často předávají statikům podklady geometrie konstrukcí elektronicky. K vytváření podkladů nejčastěji využívají některý z CAD programů, např. AutoCAD, ArchiCAD, IntelliCAD, atp. Kromě výše uvedeného způsobu vytváření geometrie pomocí objemového modelování lze využít i některý z CAD programů. Výhodou vytváření geometrie pomocí CAD programu je odstranění poměrně pracné počáteční definice vrcholů a následné vytváření linií v objemovém modeláři. CAD programy disponují řadou funkcí, které v objemovém modeláři nejsou dostupné, např. uchopovací režim. CAD programy, které nejsou uvedeny v tabulce 1, však neumožňují bez zásahu uživatele export geometrie do programu ANSYS. Možností jak exportovat geometrii z CAD programu do programu ANSYS je vytvoření uživatelských programů v programovacím jazyce příslušného CAD programu. 2. Popis uživatelského programu Obr. 3 Grafické prostředí editoru VisualLISP - 3 - V CAD programu AutoCAD byl pomocí programovacího jazyka AutoLISP [3] a DCL vytvořen v editoru VisualLISP (obrázek 3) uživatelský program ANSEXP, který lze použít pro export základních rovinných geometrických entit do programu ANSYS. Uživatelský program umožňuje exportovat v aktivním souřadnicovém systému CAD programu následující geometrické entity: body, linie, polylinie, oblouky a kružnice. Vlastní export je proveden pomocí uživatelem definovaného dávkového souboru, který se v programu
ANSYS spustí pomocí příkazu /INPUT. Grafické okno uživatelského programu v programu AutoCAD a jeho možnosti jsou zobrazeny na obrázku 4. Program umožňuje definovat jméno dávkového souboru a změnit místo jeho uložení (standardně se jedná u soubor souradnice.txt umístěný v aktivním adresáři spuštěného výkresu). Další možností programu je přidávání dalších exportovaných geometrických entit do již vytvořeného dávkového souboru nebo jeho přepsání novými daty. Vlastní export lze provádět z roviny XY programu AutoCAD do roviny XY, YZ nebo XZ programu ANSYS. Dále program umožňuje pomocí násobitelů převádět jednotky a definovat přesnost exportovaných geometrických entit. Posledními možnostmi programu je možné přidání do dávkového souboru příkazů pro sloučení shodně definovaných geometrických údajů (NUMMRG,KP) a vytvoření komponenty exportovaných entit (CM,COM_ANSEXP,LINE). Obr. 4 Dialogové okno programu ANSEXP Obr. 5 Příklad dávkového souboru 3. Příklady geometrie konstrukcí Uživatelský program ANSEXP byl použit například při exportu geometrie mostního objektu SO860 Železniční estakáda přes Masarykovo nádraží v Praze v km 3,993 (obrázek 6) a mostního objektu SO201 Zavěšeného mostu přes Odru a Antošovské jezero. Obr. 6 Příčný řez mostního objektu SO860: geometrie v programu AutoCAD, linie a prvky v programu ANSYS - 4 -
Možnosti uživatelského programu a modelování v programu AutoCAD jsou zobrazeny na obrázku 7. Doba vytváření geometrie v programu AutoCAD včetně exportu činila 4 minuty. Obr. 7 Geometrie v programu AutoCAD, linie a prvky v programu ANSYS Uživatelský program ANSEXP bude používán pro export geometrie stavebních konstrukcí a jejich částí řešených v rámci výzkumného záměru MSM 0021630511. 4. Závěr V článku byly popsány a porovnány možné způsoby vytváření geometrie konstrukce v prostředí programu ANSYS. Je v něm představen uživatelský program ANSEXP pro export geometrie vytvořené v programu AutoCAD do programu ANSYS. Použití uživatelského programu je dokumentováno na praktických příkladech. Předpokládá se, že schopnosti uživatelského programu budou dále rozvíjeny zejména o možnost přímého exportu ploch. Poděkování Práce vznikla v rámci výzkumného záměru MSM 0021630511 řešeného na FAST VUT v Brně. Literatura [1] ANSYS Modelling and Meshing Giude, ANSYS release 5.4, ANSYS Inc., Canonsburg, USA, 1997. [2] ANSYS Installation and Configuration Guide for Windows, ANSYS release 9.0, ANSYS Inc., Canonsburg, USA, 2004. [3] HLAVENKA, J., Učebnice AutoLISPu pro AutoCAD release 10, 11 a 12, CCB spol. s r.o., 2 vydání, Brno, 1993. - 5 -