FEM Shear of a Composite Block/pl: Difference between revisions

From FreeCAD Documentation
(Updating to match new version of source page)
(Updating to match new version of source page)
Line 1: Line 1:
<languages/>
<languages/>

{{TutorialInfo/pl
{{TutorialInfo/pl
|Topic= Analiza metodą elementów skończonych
|Topic= Analiza metodą elementów skończonych
Line 8: Line 9:
}}
}}


<span id="Introduction"></span>
== Introduction ==

<div class="mw-translate-fuzzy">
<div class="mw-translate-fuzzy">
== Wprowadzenie ==
== Wprowadzenie ==
Line 14: Line 16:
</div>
</div>


== Geometry ==
In this tutorial we analyse the shear deformation of a composite block consisting of a stiff core embedded in a soft matrix. It demonstrates the use of BooleanFragments and CompoundFilter to create solids for the block and the matrix from two concentric cubes. This workflow ensures that separate MeshRegions, Materials and Boundary Conditions can be defined for the block and the surrounding matrix. To select internal regions we can make use of the [https://github.com/drhooves/SelectionTools macro by Markus Hovorka] or choose an alternative approach. The CalculiX results clearly show the effect of the stiff core on the response of the composite block.


<span id="Geometry"></span>
<div class="mw-translate-fuzzy">
<div class="mw-translate-fuzzy">
== Geometria ==
== Geometria ==
Najpierw utworzymy dwie współśrodkowe kostki, jedną o rozmiarze 10mm a drugą o rozmiarze 5mm. Robimy to w środowisku pracy "Część". Domyślnie sześcian jest umieszczony w środku układu współrzędnych [0,0,0]. więc mniejszy sześcian należy przeskalować i przesunąć poprzez zmianę ustawień w zakładce Dane panelu właściwości. Aby uczynić rdzeń widocznym, przezroczystość zewnętrznego bloku jest ustawiana na 50 w zakładce Widok panelu właściwości. Wynik jest pokazany poniżej.
Najpierw utworzymy dwie współśrodkowe kostki, jedną o rozmiarze 10mm a drugą o rozmiarze 5mm. Robimy to w środowisku pracy "Część". Domyślnie sześcian jest umieszczony w środku układu współrzędnych [0,0,0]. więc mniejszy sześcian należy przeskalować i przesunąć poprzez zmianę ustawień w zakładce Dane panelu właściwości. Aby uczynić rdzeń widocznym, przezroczystość zewnętrznego bloku jest ustawiana na 50 w zakładce Widok panelu właściwości. Wynik jest pokazany poniżej.
</div>
</div>

First we create two concentric cubes, one size 10mm and the other size 5mm. This is done in the [[Part_Module|workbench Part]]. By default the cube is placed at the origin [0, 0, 0], so the smaller cube needs to be scaled down and shifted by changing the settings in the Data tab of the property panel. To make the core visible, the Transparency of the outer block is set to 50 in the View tab of the property panel. The result is shown below.


[[Image:Pic1.png|700px]]
[[Image:Pic1.png|700px]]
Line 32: Line 31:
[[Image:Pic2.png|700px]]
[[Image:Pic2.png|700px]]


== Mesh and Mesh Regions ==
<span id="Mesh_and_Mesh_Regions"></span>

<div class="mw-translate-fuzzy">
<div class="mw-translate-fuzzy">
== Siatka i obszary siatki ==
== Siatka i obszary siatki ==
W środowisku pracy MES tworzymy kontener Analiza. Będzie on zawierał wszystkie definicje wymagane do analizy w solverze CalculiX i jej wyniki. Zauważ, że ten kontener Analiza musi być aktywowany (kliknij prawym przyciskiem myszy i wybierz "Aktywuj analizę") przy każdym ponownym wczytaniu pliku lub po przełączeniu się z innej analizy. Aby rozpocząć proces generowania siatki, zaznacz obiekt CompoundFilter w drzewie modelu i aktywuj okno dialogowe "Siatka → Siatka MES z kształtu przy pomocy generatora Gmsh". Opuść okno dialogowe klikając OK.
W środowisku pracy MES tworzymy kontener Analiza. Będzie on zawierał wszystkie definicje wymagane do analizy w solverze CalculiX i jej wyniki. Zauważ, że ten kontener Analiza musi być aktywowany (kliknij prawym przyciskiem myszy i wybierz "Aktywuj analizę") przy każdym ponownym wczytaniu pliku lub po przełączeniu się z innej analizy. Aby rozpocząć proces generowania siatki, zaznacz obiekt CompoundFilter w drzewie modelu i aktywuj okno dialogowe "Siatka → Siatka MES z kształtu przy pomocy generatora Gmsh". Opuść okno dialogowe klikając OK.
</div>
</div>

From workbench FEM we create an Analysis container. This will contain all definitions required for the CalculiX analysis and its results. Note that this Analysis container needs to be activated (right-click and select "Activate analysis") whenever re-loading the file or after switching back from other analyses. To start the meshing process, highlight the CompoundFilter in the Object Tree and activate the meshing dialog '''Mesh → FEM mesh from shape by Gmsh'''. Leave the dialog by clicking OK.


<div class="mw-translate-fuzzy">
<div class="mw-translate-fuzzy">
Line 87: Line 85:
[[Image:Pic7.png|700px]]
[[Image:Pic7.png|700px]]


== Shear Forces ==
<span id="Shear_Forces"></span>

<div class="mw-translate-fuzzy">
<div class="mw-translate-fuzzy">
== Siły styczne ==
== Siły styczne ==
Ostatni etap definicji analizy to zadanie obciążeń. Aby utworzyć stan prostego ścinania, przykładany jest zestaw sił stycznych, jak pokazano poniżej. Każde obciążenie ma wartość 1000 N i biorąc pod uwagę kierunki przyłożenia, równowaga sił i momentów jest osiągnięta dla wszystkich translacyjnych i obrotowych stopni swobody. W programie FreeCAD wymaga to dodania czterech obiektów FemConstraintForce (Model → Warunki brzegowe i obciążenia mechaniczne → Obciążenie siłą) - jeden dla każdej ściany. W otwartym oknie dialogowym najpierw wciśnij przycisk Dodaj odniesienie a następnie wskaż ścianę, do której ma być przyłożony warunek brzegowy (Uwaga: to inna sekwencja niż dla FemConstraintDisplacement). Domyślnie, tworzy to zestaw sił prostopadłych do ściany (siły normalne). Aby zmienić je na styczne, wciśnij przycisk kierunku i wybierz krawędź sześcianu, która przebiega w odpowiednim kierunku. Jeśli uzyskany zwrot siły jest nieodpowiedni, można go zmienić zaznaczając opcję "Odwróć kierunek".
Ostatni etap definicji analizy to zadanie obciążeń. Aby utworzyć stan prostego ścinania, przykładany jest zestaw sił stycznych, jak pokazano poniżej. Każde obciążenie ma wartość 1000 N i biorąc pod uwagę kierunki przyłożenia, równowaga sił i momentów jest osiągnięta dla wszystkich translacyjnych i obrotowych stopni swobody. W programie FreeCAD wymaga to dodania czterech obiektów FemConstraintForce (Model → Warunki brzegowe i obciążenia mechaniczne → Obciążenie siłą) - jeden dla każdej ściany. W otwartym oknie dialogowym najpierw wciśnij przycisk Dodaj odniesienie a następnie wskaż ścianę, do której ma być przyłożony warunek brzegowy (Uwaga: to inna sekwencja niż dla FemConstraintDisplacement). Domyślnie, tworzy to zestaw sił prostopadłych do ściany (siły normalne). Aby zmienić je na styczne, wciśnij przycisk kierunku i wybierz krawędź sześcianu, która przebiega w odpowiednim kierunku. Jeśli uzyskany zwrot siły jest nieodpowiedni, można go zmienić zaznaczając opcję "Odwróć kierunek".
</div>
</div>

The final step in the Analysis definition is the application of loads. To create a Simple Shear condition, a set of shear loads is applied as shown below. Each load is chosen as 1000 N and considering the directions of application, force and moment equilibrium is achieved for all translation and rotational degrees of freedom. In FC this requires addition of four FemConstraintForce objects ('''Model → Mechanical boundary conditions and loads → Force load''') - one for each face. With the dialog box open first press the Add Reference button and then select the face to which the boundary condition is to be applied (Note: this is a different sequence than with FemConstraintDisplacement). By default, this creates a set of forces perpendicular to the face (i.e. a normal force). To change this to a shear force, press the direction button and select a cube edge that runs in the desired direction. If the resulting force points in opposite direction of what is required, then select the radio button for "Reverse direction".


[[Image:Pic8.png|700px]]
[[Image:Pic8.png|700px]]

Revision as of 10:47, 10 December 2023

Ćwiczenie
Temat
Analiza metodą elementów skończonych
Poziom trudności
Początkujący/średnio zaawansowany
Czas wykonania
30 minut
Autorzy
HarryvL
Wersja FreeCAD
0.17.12960 lub nowszy
Pliki z przykładami
Nie dołączono
Zobacz również
-

Introduction

Wprowadzenie

W tym przykładzie przeanalizujemy deformację postaciową kompozytowego bloku składającego się ze sztywnego rdzenia osadzonego w miękkiej matrycy. Zademonstrowane będzie użycie narzędzi BooleanFragments i CompoundFilter do utworzenia brył dla bloku i matrycy z dwóch współśrodkowych sześcianów. To podejście zapewnia możliwość przypisania obszarów siatki, materiałów i warunków brzegowych osobno dla bloku i otaczającej go matrycy. Do wybrania wewnętrznych obszarów wykorzystamy makro autorstwa Markusa Hovorki (https://github.com/drhooves/SelectionTools). Wyniki z solvera CalculiX wyraźnie pokazują wpływ sztywnego rdzenia na odpowiedź bloku kompozytowego.

Geometry

Geometria

Najpierw utworzymy dwie współśrodkowe kostki, jedną o rozmiarze 10mm a drugą o rozmiarze 5mm. Robimy to w środowisku pracy "Część". Domyślnie sześcian jest umieszczony w środku układu współrzędnych [0,0,0]. więc mniejszy sześcian należy przeskalować i przesunąć poprzez zmianę ustawień w zakładce Dane panelu właściwości. Aby uczynić rdzeń widocznym, przezroczystość zewnętrznego bloku jest ustawiana na 50 w zakładce Widok panelu właściwości. Wynik jest pokazany poniżej.

Następnie zaznaczmy dwa bloki w drzewie i utwórzmy obiekt BooleanFragments (Część → Rozdziel → Fragmentacja funkcją logiczną). W zakładce Dane panuelu właściwości zmień tryb na BryłaZłożona (CompSolid). Teraz zaznacz obiekt BooleanFragments w drzewie modelu i utwórz Filtr złożeń (Część → Złożenie → Filtr złożeń).

Mesh and Mesh Regions

Siatka i obszary siatki

W środowisku pracy MES tworzymy kontener Analiza. Będzie on zawierał wszystkie definicje wymagane do analizy w solverze CalculiX i jej wyniki. Zauważ, że ten kontener Analiza musi być aktywowany (kliknij prawym przyciskiem myszy i wybierz "Aktywuj analizę") przy każdym ponownym wczytaniu pliku lub po przełączeniu się z innej analizy. Aby rozpocząć proces generowania siatki, zaznacz obiekt CompoundFilter w drzewie modelu i aktywuj okno dialogowe "Siatka → Siatka MES z kształtu przy pomocy generatora Gmsh". Opuść okno dialogowe klikając OK.

Obiekt siatki jest tworzony w drzewie modelu. Zaznacz go i utwórz Obszar siatki poprzez "Siatka → Obszar siatki MES". Otwórz okno dialogowe dla tego obszaru siatki klikając na nim dwukrotnie i zaznacz przycisk dla Solid. Następnie wciśnij przycisk "Dodaj odniesienie" i wybierz obiekt CompoundFilter w oknie graficznym. Powinno to dodać odniesienie do "CompoundFilter:Solid1" na liście obiektów obszaru siatki. Wreszcie, podaj maksymalny rozmiar elementów dla tego obszaru (tutaj 5mm). Opuść okno dialogowe klikając OK.

Następnie utwórz nowy obiekt siatki jak powyżej i użyj makra do wskazywania (skrót S, E) aby wybrać obiekt Cube_Core w oknie graficznym. Tym razem lista odniesień powinna pokazać "CompoundFilter:Solid2", jak poniżej. Wybieramy maksymalny rozmiar elementów 1mm.

Uwaga1: Wybór obiektu "CompoundFilter:Solid2" wymaga wskazania jednej z jego ścian.

Uwaga2: Jeśli masz problem z wyborem obiektu "CompoundFilter:Solid2", może to wynikać z pominięcia ustawienia trybu BryłaZłożona (CompSolid) w obiekcie BooleanFragments.

Przypisanie materiału

Materiał jest przypisywany do obszaru siatki poprzez obiekt SolidMaterial. W tym przykładzie przypisujemy dwa materiały, jeden dla matrycy i jeden dla rdzenia.

Zacznij od zaznaczenia obiektu CompoundFilter w drzewie modelu. Następnie utwórz obiekt SolidMaterial poprzez opcję "Model → Materiał MES dla bryły". Otwórz okno dialogowe i zaznacz przycisk dla Solid, wciśnij "Dodaj odniesienie" i wybierz obiekt CompoundFilter z okna graficznego. Lista odniesień powinna teraz pokazywać "CompoundFilter:Solid1", jak poprzednio. Przypisujemy materiał ABS do matrycy, z modułem Younga około 1% wartości dla stali.

Potwórz powyższą procedurę dla rdzenia ("CompoundFilter:Solid2") z pomocą makra do zaznaczania. Tym razem przypisujemy materiał CalculiX-Steel, który jest znacznie sztywniejszy od materiału ABS matrycy.

Podpora przesuwna

Aby uzyskać stan prostego ścinania dla bloku kompozytowego, należy pozostawić nie zablokowane deformacje na brzegach. Żeby to uzyskać, blok jest umieszczany na podporze przesuwnej. Pozostawia to trzy stopnie swobody w płaszczyźnie podpory (2 translacje i 1 obrót) i te stopnie swobody będą związane później. (Uwaga: ponieważ płaszczyzna zapobiega deplanacji ściany, nadal wprowadza ona drobne wiązanie, który można by wyeliminować poprzez inny wybór warunków brzegowych). Aby utworzyć podporę przesuwną, dodaj obiekt FemConstraintDisplacement (Model → Warunki brzegowe i obciążenia mechaniczne → Warunek brzegowy przemieszczenia). W otwartym oknie dialogowym najpierw wskaż ścianę, do której warunek będzie przyłożony a następnie kliknij przycisk Dodaj. Ponieważ blok będzie mógł się przesuwać po płaszczyźnie x-y, wybierany jest tylko przycisk "Nieruchomy" dla "Przemieszczenie z" a pozostałe przyciski są pozostawione jako wolne.

Utwierdzone węzły

Aby zapobiec ruchowi sztywnemu w płaszczyźnie przesuwu, trzy niezależne stopnie swobody muszą zostać wyeliminowane. Żeby to osiągnąć, jeden wierzchołek w płaszczyźnie przesuwu jest blokowany w kierunkach x i y (eliminacja 2 stopni swobody) a inny jest blokowany w kierunku x (eliminacja ostatniego stopnia swobody). Do tego celu tworzone są dwa dodatkowe obiekty FemConstraintDisplacement a efekt jest pokazany poniżej.

Shear Forces

Siły styczne

Ostatni etap definicji analizy to zadanie obciążeń. Aby utworzyć stan prostego ścinania, przykładany jest zestaw sił stycznych, jak pokazano poniżej. Każde obciążenie ma wartość 1000 N i biorąc pod uwagę kierunki przyłożenia, równowaga sił i momentów jest osiągnięta dla wszystkich translacyjnych i obrotowych stopni swobody. W programie FreeCAD wymaga to dodania czterech obiektów FemConstraintForce (Model → Warunki brzegowe i obciążenia mechaniczne → Obciążenie siłą) - jeden dla każdej ściany. W otwartym oknie dialogowym najpierw wciśnij przycisk Dodaj odniesienie a następnie wskaż ścianę, do której ma być przyłożony warunek brzegowy (Uwaga: to inna sekwencja niż dla FemConstraintDisplacement). Domyślnie, tworzy to zestaw sił prostopadłych do ściany (siły normalne). Aby zmienić je na styczne, wciśnij przycisk kierunku i wybierz krawędź sześcianu, która przebiega w odpowiednim kierunku. Jeśli uzyskany zwrot siły jest nieodpowiedni, można go zmienić zaznaczając opcję "Odwróć kierunek".

Analiza w CalculiX

Teraz wszystkie obszary siatki, materiały i warunki brzegowe są zdefiniowane i jesteśmy gotowi do przeanalizowania deformacji bloku przy pomocy solvera CalculiX. Aktywuj kontener Analiza klikając "Aktywuj analizę", otwórz okno dialogowe CalciliX klikając dwukrotnie na obiekcie CalculiXccxTools i wybierz lokalizację dla plików tymczasowych tworzonych przez FreeCAD i CalculiX. Zapisz plik wejściowy CalculiX'a i sprawdź czy występują ostrzeżenia lub błędy.

Po tym można uruchomić analizę wciskając przycisk Uruchom analizę. Jeśli wszystko pójdzie prawidłowo, okno CalculiX'a powinno pokazać następujące wiadomości.

Wyniki CalculiX

Po ukończeniu analizy kliknij dwukrotnie na obiekcie "CalculiX_static_results" i wybierz opcję "Przemieszczenie bezwzględne". Maksymalna wartość przemieszczenia ~ 0.08mm zostanie wyświetlona w odpowiednim polu. Ponieważ maksymalne przemieszczenia jest stosunkowo małe w porównaniu z wymiarami bloku (<1% rozmiaru bloku), przemieszczenia należy przeskalować. Można to zrobić pod napisem "Przemieszczenie", zaznaczając przycisk "Pokaż" i skalując przemieszczenie np. współczynnikiem 20. Maksymalne przemieszczenie będzie teraz przesadzone do ok. 20% rozmiaru bloku. Po zamknięciu okna dialogowego, zdeformowana siatka może być ponownie wyświetlona poprzez zaznaczenie obiektu Result_mesh i wciśnięcie klawisza Spacja.

Aby sprawdzić deformację rdzenia, musimy przeciąć blok. Można tego dokonać tworząc filtr przycinania. Aby aktywować tą funkcjonalność, najpierw musimy utworzyć "obiekt prezentacji graficznej wyników" poprzez zaznaczenie obiektu "CalculiX_static_results" i wybranie opcji "Wyniki → Prezentacja graficzna wyników" z menu. Następnie, z zaznaczonym obiektem prezentacji graficznej wyników, utwórz filtr wizualizacji deformacji (Wyniki → Filtr wizualizacji deformacji), ustaw Wektor=Displacement i Wartość=20 aby przeskalować przemieszczenie oraz Tryb = "Surface with Edges", Pole = "Displacement", Wektor = "Magnitude" aby pokazać kontury przemieszczenia. Wcisnij Zastosuj i OK. Jako ostatni krok, dodaj Filtr przycięcia obszaru (Wyniki → Filtr przycięcie obszaru) i utwórz płaszczyznę z początkiem [5.0,2.5,5.0] i kierunkiem normalnym [0,1,0], tj. na ścianie rdzenia z kierunkiem normalnym w osi y. Zaznacz przycisk "Wytnij komórki" aby uzyskać gładką powierzchnię. Jak poprzednio, ustaw Tryb = "Surface with Edges", Pole = "Displacement", Wektor = "Magnitude" aby pokazać kontury przemieszczenia. Wciśnij Zastosuj i OK. Wreszcie, wyłącz widoczność Filtra przycięcia obszaru aby pokazać tylko blok przecięcia.

Na podstawie wyników można łatwo wywnioskować, że rdzeń pozostaje w większości niezdeformowany i pomaga oprzeć się deformacji miękkiej matrycy (porównaj kąt ścięcia niebieskiej części z kątem ścięcia zielonej części). Widać też jednak, że w warunkach prostego ścinania, ściany kompozytowego bloku ulegają wypaczeniu, co sugeruje, że podpora przesuwna na podstawie sześcianu to nieodpowiedni warunek brzegowy.

Dalsza praca

Następujące wyzwania mogą być ciekawe jako dalsze ćwiczenia:

1) Poprawa warunku brzegowego z podpory przesuwnej

2) Spróbuj utworzyć warunki kontaktu między rdzeniem i matrycą aby zobaczyć czy występuje separacja

Plik programu FreeCAD dla tego przykładu jest załączony poniżej jako punkt wyjścia.

https://forum.freecadweb.org/viewtopic.php?f=18&t=26517&start=20

Baw się dobrze !