12. Реализация мкэ в t-Flex

В настоящее время разработаны сотни специализированных программных комплексов, предназначенных для решения с помощью МКЭ самых разнообразных задач не только из области механики деформируемого твердого тела, но и из таких областей, как гидродинамика, акустика, электротехника и т.д. В развитии современных машиностроительных САПР заметна тенденция к встраиванию в CAD системы CAE модулей, основанных на МКЭ.

Из отечественных CAD-систем CAE модуль на сегодняшний день имеет только T-FLEX CAD 3D. В T-FLEX CAD 3D версий 9.0 и выше встроен бесплатный модуль «Экспресс-Анализ». В распоряжении пользователя имеется необходимый набор типов нагрузок и закреплений. Основываясь на геометрии модели T-FLEX CAD, автоматический генератор экспресс-анализа создаёт качественную конечно-элементную сетку. После выполнения расчета в графическом виде выводятся результаты по деформациям, напряжениям, перемещениям, запасу прочности.

Таким образом, модуль экспресс-анализа позволяет проектировщику быстро определить расположение концентраторов напряжений, степень деформации, оценить элементы конструкции с избыточным материалом. Это позволяет серьезно повысить эффективность и качество проектирования.

Поскольку анализ ведётся в параметрической системе, то от пользователя не потребуются дополнительные действия в случае её повторного анализа после внесения параметрических изменений в модель. Главной отличительной особенностью модуля является её глубокая интеграция с комплексом геометрических редакторов. Модуль конечно-элементного анализа интегрирован непосредственно в систему 3D моделирования T-FLEX CAD 3D. Пользователь T-FLEX CAD 3D создает в среде моделирования объемную модель. Непосредственно в интерфейсе T-FLEX CAD 3D присутствует специальное меню, используя команды которого, пользователь может осуществить конечно-элементное моделирование поведения изделия в различных постановках физических задач. Весь процесс осуществляется непосредственно в T-FLEX CAD 3D, в привычном для пользователя интерфейсе.

Преимущества такого интегрированного решения для пользователя очевидны:

- отсутствуют затраты времени на повторный ввод информации об изделии в систему конечно-элементного анализа (CAE) с помощью редактора CAE системы;

- модель передаётся из T-FLEX CAD 3D в систему конечно-элементного анализа максимально точно, насколько это возможно, отсутствуют возможные погрешности экспорта-импорта моделей через универсальные обменные форматы или погрешности повторного ручного ввода.

- за счёт прямой программной интеграции сохраняется ассоциативная связь расчётной математической модели и электронной объемной модели изделия, т.е. пользователь может, например, изменить размеры анализируемого изделия, обновить конечно-элементную модель, и сразу же получить результаты расчёта измененной модели. При этом ему не понадобится повторно осуществлять ввод геометрии, экспорт-импорт, задание граничных условий и т.п.

В модуле «Экспресс-Анализ» реализованы возможности статический конструкционного анализа, позволяющие осуществлять расчёт напряжённого состояния конструкций под действием приложенных к системе постоянных во времени сил. На сегодняшний день это, наиболее востребованная в проектировании задача. С помощью модуля «Экспресс-Анализ» пользователь может оценить прочность разработанной им конструкции по допускаемым напряжениям, определить наиболее слабые места конструкции и внести необходимые изменения (оптимизировать) изделие. При этом между трёхмерной моделью изделия и расчётной конечно-элементной моделью поддерживается ассоциативная связь. Параметрические изменения исходной твёрдотельной модели автоматически переносятся на сеточную конечно-элементную модель.

Типичный порядок работы с модулем «Экспресс-Анализ» состоит из нескольких этапов.

На первом этапе необходимо построение трёхмерной модели изделия в T-FLEX CAD 3D. 3D модель может быть также импортирована из других САПР через различные форматы обмена, например Iges или STEP. Это может быть "рабочая" модель, содержащая проекции и оформленные рабочие чертежи, участвующая в составе сборки, или модель, используемая для расчета траекторий ЧПУ обработки. Для выполнения прочностного расчета нет необходимости специально готовить специальную расчетную модель, а можно использовать непосредственно те электронные документы, с которыми работает конструктор в CAD системах. Назначение материала моделируемой детали также обычно производится при геометрическом 3D моделировании.

На втором этапе определяется тип решаемой задачи. Специализированный CAE модуль «T-FLEX-Анализ» позволяет решать задачи типа: "Статический анализ", "Частотный анализ", "Устойчивость", "Тепловой анализ". Бесплатный модуль «Экспресс-Анализ» содержит только один тип решаемых задач: «Экспресс-расчет».

На третьем этапе необходимо осуществить генерацию сеточной конечно-элементной модели изделия с помощью Препроцессора «Экспресс-Анализ». Генерация сеточной модели предусматривает создание конечно-элементной сетки, отражающей геометрию изделия и наложения граничных условий, определяющих физическую задачу, подлежащую решению.

Модуль «Экспресс-Анализ» предназначен для решения прочностных задач в объёмной трехмерной постановке. Геометрию анализируемой детали в этом случае удобнее всего описывать тетраэдальными конечными элементами, поэтому Препроцессор «Экспресс-Анализ» ориентирован на автоматическое построение тетраэдальных конечно-элементных сеток. Тетраэдальная сетка позволяет достаточно точно аппроксимировать сколь угодно сложную произвольную геометрию изделия, и поэтому часто используется для объёмного МКЭ анализа. Препроцессор «Экспресс-Анализ» позволяет строить сетки из четырехузловых тетраэдров . Элементы этого типа обеспечивают линейную аппроксимацию искомой функции (например, перемещений или температуры) в пределах объёма КЭ. Для ориентировочных расчетов применение линейных элементов первого порядка обеспечивает достаточную точность.

Кроме построения конечно-элементной сетки, с помощью Препроцессора задаются граничные условия, необходимые для решения физической задачи. Для получения корректного и достоверного решения пользователю необходимо хорошо представлять физическую сторону анализируемого явления, чтобы задать граничные условия, соответствующие реальным условиям эксплуатации изделия. Результат решения задачи будет полностью определяться набором и параметрами граничных условий, определёнными пользователем. В случае неверного истолкования пользователем смысла задаваемой механической или тепловой нагрузки или ограничения, может быть получено решение, не отвечающее сути анализируемого физического явления. Отметим, что процесс назначения граничных условий не доступен полной автоматизации, поэтому ответственность за корректность приложенных к системе нагружений и ограничений с точки зрения физики решаемой задачи лежит на пользователе.