Autodesk Simulation. Переделка конструкторской модели в расчетную. Столбы-Опоры

Четвертая публикация из цикла о переделке конструкторской модели в расчетную.

В нашем случае речь пойдет о металлоконструкции, но по договору с авторами данной задачи, вместо конкретного наименования данной конструкции, поясняющей всю суть задачи, будет, как и в прошлые разы, использоваться некое условное обозначение. В качестве него и будут использоваться слова "Столбы" и "Опоры"*.

Читать далее...

Итак у нас есть металлоконструкция, пример приведен ниже. Это сборка с большим количеством деталей (около двух тысяч). Казалось бы, раз сборка, то идем по тому же сценарию, что и в проекте "ящик".

Т.е. нам нужно удалить все несущественные для нашей задачи (в данном случае это определение прочности и жесткости) детали. Однако в текущем варианте возникает проблема в том, что и после "упрощений" количество деталей все равно "зашкаливает" (тысяча с хвостиком). Связано это с тем, что основная часть деталей металлоконструкции является нужной ибо это несущие элементы. В текущем случае можно удалить некоторые элементы настила, лестницу и перила ограждения. Но увы, проблему большого количества объектов это не снимает (о ней мы еще поговорим).

Кроме того, в прошлой публикации (проект "ёмкость"), говорилось что для тонкостенных элементов не очень подходит объемная сетка в виду того что она либо требует запредельных расчетных мощностей, либо не дает возможность рассчитать с требуемой точностью. А в нашем случае мы имеем дело с пластинами, швеллерами, уголками и прочим прокатом, который и является тонкостенным (по сравнению с габаритами). 

При попытке создания для объемной геометрии сетки с включенной опцией "Midplane" результат увы получится не утешительным. К сожалению, автоматика заложенная в Autodesk Simulation не позволяет создать автоматическую сетку для срединных поверхностей для подобной конструкции (впрочем это характерно и для многих других CAE программ). Максимум что получится - это КЭ сетка для некоторого количества отдельных деталей, но большая часть конструкции останется без сетки.

Какие есть варианты решения для данной проблемы? 

1. Балочная постановка
2. Ручная работа вместо автомата

О чем идет речь. Если посмотреть более внимательно на геометрию, то многие увидят что конструкция состоит из знакомые по сопромату балок. Более того в наших СНиПах, ДНБ и прочих стандартах подобные конструкции и рассчитываются именно в балочной постановке. Так как мы говорим не о ручном расчете, а об автоматизированном, то в данном случае возможны варианты либо автоматизированного создания расчетной балочной схемы, например средствами инструмента для проектирования рам Autodesk Inventor**, либо вручную в том же AS. Также несмотря на то, что AS не всегда осиливает автоматическое создание срединных поверхностей, это также можно сделать вручную например в Autodesk Inventor или другом CAD (иногда и с использованием встроенного автоматизированного инструментария).

Когда может понадобиться ручное создание балочной схемы? Например если у Вас сборка сделана не в Inventor, если я все правильно помню, даже последние версии Inventor позволяют переходить от объемных "твердотельных" рамных конструкций к балочным расчетам, только если геометрия была сделана с использованием внутреннего инструментария для работы со сварными конструкциями и то не со всякими. Если у Вас присутствуют элементы с криволинейной осью (гнутые по дуге например), или у Вас переменное сечение, или... в общем вариантов много... То в таком случае для расчета необходимо будет в AS построить расчетную схему с нуля. С учетом хороших отношений между Inventor и Simulation можно существенно упростить себе эту задачу импортируя в Simulation точки из сборки Inventor'а. Точки по которым потом будут строиться балки.

Чем хороша и плоха балочная схема? Считается она быстро, при грамотном создании она позволяет в случае необходимости быстро проварьировать основные геометрические размеры, и характеристики сечений, тем самым решив основную задачу - спроектировать конструкцию. В то же время балочная схема вносит большое количество упрощений и допущений, которые увы не всегда сказываются однозначно (прочитать можно тут и тут или тут, и надеюсь скоро будут еще публикации на эту тему). Иногда напряжения в балке получаются заниженными по сравнению с полноценной трехмеркой (и жизнью), и это получается за счет осреднения результатов по сечению (в соответствии с правилами сопромата). Иногда конструкционные узлы, в которых сходится несколько "балок" получаются существенно жестче чем это происходит в жизни, и возникает существенная локальная концентрация, которой в жизни там и не будет. Происходит это в следствие того, что в "балке" сечение является не деформируемым, а в жизни - вполне даже. Как следствие там где по идее за счет податливости должно произойти перераспределение напряжений, его не происходит и вся нагрузка приходится на отдельную часть конструкции, за счет чего и возникает локальный концентратор.

Итого. Балочная схема хороша тем, что быстро считается и по сравнению с трехмеркой быстро можно внести коррективы. Однако при этом данная расчетная схема не всегда адекватно описывает поведение конструкции.

Таким образом получается что единственный выход - пластинчато-оболочечная постановка. Но, раз автомат не справляется - значит придется поработать руками. Даже если не рассматривать спец. инструментарий CAD систем, не есть проблема построить "срединную" поверхность, которая потом будет разбита AS на "поверхностную" (т.е. Sufrace) сетку, и станет аналогом тому, что мы хотели получить "автоматом" от опции Midplane. Так вот это можно вполне спокойно сделать и вручную с нуля, и на базе существующей геометрии (используя ее как привязку) и спец. инструментарием извлекающим срединную поверхность.

Как итог получится нечто изображенное ниже:

На первый взгляд все кажется хорошо. И даже более того, потому что данную геометрию вполне можно разбить на сетку. Но вот посчитать ее не получится. Все дело в том, что детали которые ранее соприкасались внешними поверхностями деталей, после построения срединных поверхностей, при сохранении исходного позиционирования стали обладать зазорами, что и показано на рисунке. Некоторые из особенностей показаны также и на рисунке ниже:

На этом рисунке даже более отчетливо виден зазор между швеллерами и их внутренними ребрами жесткости, коих, как видно из левой части рисунка, чуть больше чем ... много. Соответственно, вместо единой конструкции мы получаем около тысячи абсолютно независимых, не связанных, "висящих в воздухе" деталей. Естественно такая задача посчитаться не сможет. Причем не в смысле "правильно", а в смысле вообще.

Что нужно сделать, чтобы подобная задача таки посчиталась? Нужно внести некоторые допущения, упрощения и изменения. Так например ребра жесткости внутри швеллера можно просто дотянуть до швеллера и этого будет достаточно. В узлах где сходится несколько элементов (как показано на предыдущем рисунке) этого не всегда хватит и придется кроме прочего смещать некоторые из элементов до контакта. На самом деле подобные допущения и исправления вносят не очень большую погрешность, что будет рассмотрено позже.

Что еще хочется заметить? Кроме изложенных выше проблем, которые можно назвать недостатками, есть еще и преимущества. Одно из них - уменьшение размерности задачи и требования к ресурсам, уже озвучивалось. В качестве второго, нужно отметить, что в оболочечной модели толщина конструкции является не геометрическим, а физическим параметром, который можно очень быстро поменять. Соответственно, существенно упрощается вопрос подбора проката и толщин.

Васильев Антон для adsk.tmm-sapr.org

* Условное название для конструкции на примере которой будет вестись сегодняшнее повествование пошло из старой шутки. Звучит оно, как "Не столбы, а опоры, дуры!". Казалось бы что такого во фразе? Всегда найдутся люди, которые будут пытаться заставлять учащихся, или просто обывателей выражать свои мысли более грамотным с технической точки зрения языком. Примером тому может служить множество других фраз, например поясняющих для чего нужны "бумажки", и почему нужно говорить слово "лист"... или почему "технологическое отверстие" отличается от "дырки".
Сообщу что первую из фраз (на счет опор) употреблял преподаватель радиотехникума, в котором учились, что интересно, преимущественно девушки. Казалось бы все стало на свои места, и "дуры" это просто характеристика отношения преподавателя к умственным способностям учениц. Но дело в том, что не все так просто и прозрачно. Долгое время слова "дуры" было полным синонимом слову "опоры". Кто не верит может поискать словарь синонимов и увидеть для себя много интересного. Даже в современном мире до сих пор иногда используется характеристика в стиле "огромная дура" и отнюдь не в отношении женского пола. 

** более подробно информацию о данном инструменте можно получить с помощью вебинара  "Проектирование и расчет рамных конструкций в Inventor", либо публикации:  Динамическое моделирование. Прочностной расчёт рамных конструкций из тестдрайва Технология цифровых прототипов в действии.