Manual:Creating FEM analyses/ru: Difference between revisions

From FreeCAD Documentation
(Created page with "{{Manual:TOC/ru}}")
 
(Updating to match new version of source page)
 
(65 intermediate revisions by 7 users not shown)
Line 1: Line 1:
<languages/>
{{Manual:TOC/ru}}


{{Docnav/ru
FEM stands for [https://en.wikipedia.org/wiki/Finite_element_method Finite Element Method]. It is a vast mathematical subject, but in FreeCAD we can resume it as a way to calculate propagations inside a 3D object, by cutting it into small pieces, and analyzing the impact of each small piece over its neighbours. This has several uses in the engineering and electomagnetism fields, but we will look here more in depth at one use that is already well developed in FreeCAD, which is simulating deformations in objects which are submitted to forces and weights.
|[[Manual:Using spreadsheets/ru|Using spreadsheets]]
|[[Manual:Creating renderings/ru|Создание визуализаций]]
|[[Manual:Introduction/ru|Manual start]]
|IconC=Crystal Clear manual.png
}}


{{Manual:TOC}}
Obtaining such simulation is done in FreeCAD with the [[Fem_Workbench|FEM Workbench]]. It involves different steps: Preparing the geometry, setting its material, performing the meshing, division into smaller parts, like we did in the [[Manual:Preparing models for 3D printing|Preparing objects for 3D printing]] chapter, and finally calculating the simulation.


[https://ru.wikipedia.org/wiki/Метод_конечных_элементов Метод конечных элементов] (сокращённо МКЭ) это большой раздел математики, но в FreeCAD мы подразумеваем его как способ подсчитать распространение воздействий в объёмном объекте нарезанием его на малые участки, и анализируя влияние каждого элемента на своих соседей. У него есть много приложений в проектировании и электромагнитных полях, но сфокусируемся на том, что используется в FreeCAD, расчёт деформаций объектов под воздействием силы и веса.
[[Image:Exercise_fem_01.jpg]]


<div class="mw-translate-fuzzy">
=== Preparing FreeCAD ===
В FreeCAD такое моделирование сделано через [[FEM_Workbench/ru|верстак FEM]]. Существует ряд шагов: подготовка геометрии, установка материала, создание полигональной сетки, деление на малые участки, как это делалось в главе [[Manual:Preparing models for 3D printing/ru|Подготовка для объёмной печати]], и в конце калькуляция модели.
</div>


[[Image:Exercise_fem_01.jpg|600px]]
The simulation itself is done by another piece of software, that is used by FreeCAD to obtain the results. As there are several interesting open-source FEM simulation applications available, the [[Fem_Workbench|FEM Workbench]] has been made to be able to use more than one. However, currently only [http://www.calculix.de/ CalculiX] is fully implemented. Another piece of software, called [https://sourceforge.net/projects/netgen-mesher/ NetGen], which is responsible for generating the subdivision mesh, is also required. Detailed instructions to install these two components are provided [[FEM_Install|in the FreeCAD documentation]].


<span id="Preparing_FreeCAD"></span>
=== Preparing the geometry ===
=== Подготовка FreeCAD ===


<div class="mw-translate-fuzzy">
We will start with the house we modelled in the [[Manual:BIM modeling|BIM modeling]] chapter. However, some changes have to be made to make the model suitable for FEM calculations. This involves, basically, discarding the objects that we don't want to include in the calculaiton, such as the door and window, and joining all the remaining objects into one.
Моделирование производится сторонней программой, используемой FreeCAD для получения результатов. Поскольку симуляторов для моделирования по МКЭ с открытыми исходными кодами несколько, [[FEM_Workbench/ru|верстак FEM]] позволяет выбирать между ними. Тем не менее, пока полностью поддерживается только [http://www.calculix.de/ CalculiX]. Так же для генерации разделяющей сетки требуется другая программа, [https://sourceforge.net/projects/netgen-mesher/ NetGen]. Детальная инструкция для установки этих двух компонентов дана в [[FEM_Install/ru|документации FreeCAD]].
</div>


<span id="Preparing_the_geometry"></span>
* Load the [https://github.com/yorikvanhavre/FreeCAD-manual/blob/master/files/house.FCStd house model] we modeled earlier
=== Подготовка геометрии ===
* Delete or hide the page object, the section planes and the dimensions, so we stay only with our model
* Hide the window, the door and the ground slab
* Also hide the metal beams from the roof. Since they are very different objects from the rest of the house, we will simplify our calculation by not including it. Instead, we will consider that the roof slab is directly placed on top of the wall.
* Now move the roof slab down so it rests on top of the wall: Edit the '''Rectangle''' object that we used as a base of the roof slab, and change it's '''Placement->Position->X''' value from 3.18m to 3.00m
* Our model is now clean:


Начнём с дома, который мы моделировали в разделе [[Manual:BIM modeling/ru|Моделирование BIM]]. Нам потребуются некоторые изменения для приспособления модели к расчёту по МКЭ. В это входит исключение объектов, которые мы не хотим учитывать при вычислении, таких как двери и окна, и объединение всех остальных объектов в один.
[[Image:Exercise_fem_02.jpg]]


* Загрузим [https://github.com/yorikvanhavre/FreeCAD-manual/blob/master/files/house.FCStd модель дома], которую мы сделали ранее
* The FEM Workbench can currently calculate deformations on one single object only. Therefore, we need to join our two objects (the wall and the slab). Switch to the [[Part_Module|Part Workbench]], select the two objects, and press the [[Image:Part_Fuse.png|16px]] [[Part_Fuse|Fuse]]. We now have obtained one fused object:
* Удалим или скроем страницу, сечения и виды сверху с размерными линиями, оставив только саму модель
* Скроем окно, дверь и плиту пола
* Так же скроем металлические балки крыши. Они сильно отличаются от остального дома, этим исключением мы упростим наши вычисления. Вместо этого мы предположим что плита крыши напрямую положена на стены.
* Теперь положим плиту крыши вниз, чтобы она легла на верх стен: Редактируем объект '''Rectangle''', который взят как база для плиты, и изменим его параметр '''Placement->Position->X''' с 3.18m на 3.00m
* Теперь наша модель очищена:


[[Image:Exercise_fem_03.jpg]]
:[[Image:Exercise_fem_02.jpg|600px]]


<div class="mw-translate-fuzzy">
=== Creating the analysis ===
* Верстак FEM пока может вычислить деформацию лишь единого объекта. Поэтому нам надо объединить наши два объекта, стены и плиту. Переключимся на [[Part_Workbench/ru|верстак Part]], выделим оба объекта и нажмём [[Image:Part_Fuse.svg|16px]] [[Part_Fuse/ru|Union]]. Теперь мы получили объединённый объект:
</div>


:[[Image:Exercise_fem_03.jpg|600px]]
* We are now ready to start a FEM analysis. Let's switch to the [[Fem_Workbench|FEM Workbench]]
* Select the fusion object
* Press the [[Image:Fem_Analysis.png|16px]] [[Fem_Analysis|New Analysis]] button
* A new analysis will be created and a settings panels opened. Here you can define the meshing parameters to be used to produce the FEM mesh. The main setting to edit is the '''Max Size''' which defines the maximum size (in millimeters) of each piece of the mesh. For now, we can leave the default value of 1000:


<span id="Creating_the_analysis"></span>
[[Image:Exercise_fem_04.jpg]]
=== Создание анализа ===


<div class="mw-translate-fuzzy">
* After pressing OK and a few seconds of calculaiton, our FEM mesh is now ready:
* Теперь мы готовы начать анализ по МКЭ. Переключимся на [[FEM_Workbench/ru|верстак FEM]]
* Выделим объединённый объект
* Нажмём кнопку [[Image:Fem_Analysis.png|16px]] [[FEM_Analysis/ru|New Analysis]]
* Будет создан новый механический анализ и будет открыта панель установок. Здесь Вы сможете определить параметры создания полигональной сетки для МКЭ. Важнее всего для настройки отредактировать параметр '''Max Size''', который определяет в миллиметрах максимальный размер каждого элемента сетки. Сейчас мы оставим значение по умолчанию, равное 1000:
</div>


[[Image:Exercise_fem_05.jpg]]
:[[Image:Exercise_fem_04.jpg|600px]]


<div class="mw-translate-fuzzy">
* We can now define the material to be applied to our mesh. This is important because depending on the material strength, our object will react differently to forces applied to it. Select the analysis object, and press the [[Image:Fem_MechanicalMaterial.png|16px]] [[Fem_MechanicalMaterial|New Material]] button.
* После нажатия OK нескольких секунд вычислений наша сетка МКЭ готова:
* A task panel will open to allow us to choose a material. In the Material drop-down list, choose the '''Concrete-generic''' material, and press OK.
</div>


[[Image:Exercise_fem_06.jpg]]
:[[Image:Exercise_fem_05.jpg|600px]]


<div class="mw-translate-fuzzy">
* We are now ready to apply forces. Let's start by specifying which faces are fixed into the ground and can therefore not move. Press the [[Image:Fem_ConstraintFixed.png|16px]] [[Fem_ConstraintFixed|Constraint fixed]] button.
* Теперь мы можем определить материал нашей сетки. Это нужно, поскольку наш объект реагирует на приложенные силы по-разному в зависимости от прочности материала. Выберем объект анализа, и нажмём кнопку [[Image:FEM_MaterialSolid.png|16px]] [[FEM_MaterialSolid/ru|New Material]].
* Click on the bottom face of our building and press OK. The bottom face is now indicated as unmovable:
* Будет открыта панель задач, позволяющая выбрать материал. В списке материалов выберем '''Concrete-generic''' (бетон), и нажмём OK.
</div>


[[Image:Exercise_fem_07.jpg]]
:[[Image:Exercise_fem_06.jpg|600px]]


<div class="mw-translate-fuzzy">
* We will now add a load on the top face, that could represente, for example, a massive weight being spread on the roof. For this we will use a pressure constraint. Press the [[Image:Fem_ConstraintPressure.png|16px]] [[Fem_ConstraintPressure|Constraint pressure]] button.
* Теперь мы готовы приложить силы. Начнем с указания неподвижных поверхностей, опирающихся на землю. Нажмём кнопку [[Image:FEM_ConstraintFixed.png|16px]] [[FEM_ConstraintFixed/ru|Constraint fixed]].
* Click the top face of the roof, set the pressure to '''10MPa''' (the pressure is applied by square millimeter) and click the OK button. Our force is now applied:
* Выделим нижнюю поверхность строения и нажмём OK. Нижняя поверхность обозначена как неподвижная:
</div>


[[Image:Exercise_fem_08.jpg]]
:[[Image:Exercise_fem_07.jpg|600px]]


<div class="mw-translate-fuzzy">
* We are now ready to start the calculation. Select the '''CalculiX''' object in the tree view, and press the [[Image:Fem_ControlSolver.png|32px]] [[Fem_ControlSolver|Start Calculation]] button.
* Теперь мы добавим нагрузку на верхнюю поверхность, которая должна представлять, например, большой вес, расположенный крыше. Для этого мы используем ограничение давления. Нажмём кнопку [[Image:FEM_ConstraintPressure.png|16px]] [[FEM_ConstraintPressure/ru|Constraint pressure]].
* In the task panel that will open, click first the '''Write .inp file''' button to create the input file for CalculiX, then the '''Run CalculiX''' button. A few moments later, the calculation will be done:
* Нажмём верхнюю поверхность крыши, установим давление на '''10MPa''' и кликнем кнопку OK. Сила приложена:
</div>


[[Image:Exercise_fem_09.jpg]]
:[[Image:Exercise_fem_08.jpg|600px]]


<div class="mw-translate-fuzzy">
* We can now look at the results. Close the task panel, and see that a new '''Results''' object has been added to our analysis.
* Теперь мы готовы начать вычисления. Выделим объект '''CalculiX''', и нажмём кнопку [[Image:FEM_ControlSolver.png|32px]] [[FEM_SolverControl/ru|Start Calculation]].
* Double-click the Results object
* В панели задач, которая будет открыта, нажмите сначала кнопку '''Write .inp file''' для создания входного файла для CalculiX, затем кнопку '''Run CalculiX'''. Несколькими мгновениями позднее вычисления будут выполнены:
* Set the type of result that you want to see on the mesh, for example "absolute displacement", tick the '''show''' checkbox under '''Displacement''', and move the slider next to it. You will be able to see the deformation growing as you apply more force:
</div>


[[Image:Exercise_fem_10.jpg]]
:[[Image:Exercise_fem_09.jpg|600px]]


* Теперь можно посмотреть результаты. Закройте панель задач, и Вы увидите новый объект '''Results''', который добавлен к вашему анализу.
The results displayed by the FEM workbench are of course currently not enough to perform real-life decisions about structures dimensionning and materials. However, they can already give precious information about how the forces flow through a structure, and which are the weak areas that will bear the more stress.
* Дважды кликните объект Results.
* Установите тип результата, который Вы хотите увидеть на сетки, например, "abs displacement", отметтьте под заголовком '''Водоизмещение''' чекбокс '''show''', и передвигайте слайдер возле него. Вы сможете увидеть деформацию, увеличивающуюся по мере увеличения силы:


:[[Image:Exercise_fem_10.jpg|600px]]
'''Downloads'''


Показываемые верстаком FEM результаты, разумеется, пока не достаточны для принятия реальных решений о размерах и материалах, тем не менее, они уже дают точную информацию о том, как силы проходят через структуру и где находятся слабые места, которые будут ощущать наибольшее воздействие.
* The file created during this exercise: https://github.com/yorikvanhavre/FreeCAD-manual/blob/master/files/fem.FCStd


'''Read more'''
'''Загрузки'''


*Файл, созданный в процессе работы: https://github.com/yorikvanhavre/FreeCAD-manual/blob/master/files/fem.FCStd
* [[Fem_Workbench|The FEM Workbench]]
* [[FEM_Install|Installing required FEM components]]
* [http://www.calculix.de/ CalculiX]
* [https://sourceforge.net/projects/netgen-mesher/ NetGen]


'''Читать далее'''
[[Category:Tutorials]]

<languages/>
<div class="mw-translate-fuzzy">
* [[FEM_Workbench/ru|Верстак FEM (метода конечных элементов - МКЭ)]]
* [[FEM_Install/ru|Установка требуемых компонентов МКЭ]]
* [http://www.calculix.de CalculiX]
* [https://sourceforge.net/projects/netgen-mesher NetGen]
</div>


{{Docnav/ru
|[[Manual:Using spreadsheets/ru|Using spreadsheets]]
|[[Manual:Creating renderings/ru|Создание визуализаций]]
|[[Manual:Introduction/ru|Manual start]]
|IconC=Crystal Clear manual.png
}}

[[Category:Tutorials{{#translation:}}]]

Latest revision as of 19:26, 4 November 2023

Other languages:

Метод конечных элементов (сокращённо МКЭ) это большой раздел математики, но в FreeCAD мы подразумеваем его как способ подсчитать распространение воздействий в объёмном объекте нарезанием его на малые участки, и анализируя влияние каждого элемента на своих соседей. У него есть много приложений в проектировании и электромагнитных полях, но сфокусируемся на том, что используется в FreeCAD, расчёт деформаций объектов под воздействием силы и веса.

В FreeCAD такое моделирование сделано через верстак FEM. Существует ряд шагов: подготовка геометрии, установка материала, создание полигональной сетки, деление на малые участки, как это делалось в главе Подготовка для объёмной печати, и в конце калькуляция модели.

Подготовка FreeCAD

Моделирование производится сторонней программой, используемой FreeCAD для получения результатов. Поскольку симуляторов для моделирования по МКЭ с открытыми исходными кодами несколько, верстак FEM позволяет выбирать между ними. Тем не менее, пока полностью поддерживается только CalculiX. Так же для генерации разделяющей сетки требуется другая программа, NetGen. Детальная инструкция для установки этих двух компонентов дана в документации FreeCAD.

Подготовка геометрии

Начнём с дома, который мы моделировали в разделе Моделирование BIM. Нам потребуются некоторые изменения для приспособления модели к расчёту по МКЭ. В это входит исключение объектов, которые мы не хотим учитывать при вычислении, таких как двери и окна, и объединение всех остальных объектов в один.

  • Загрузим модель дома, которую мы сделали ранее
  • Удалим или скроем страницу, сечения и виды сверху с размерными линиями, оставив только саму модель
  • Скроем окно, дверь и плиту пола
  • Так же скроем металлические балки крыши. Они сильно отличаются от остального дома, этим исключением мы упростим наши вычисления. Вместо этого мы предположим что плита крыши напрямую положена на стены.
  • Теперь положим плиту крыши вниз, чтобы она легла на верх стен: Редактируем объект Rectangle, который взят как база для плиты, и изменим его параметр Placement->Position->X с 3.18m на 3.00m
  • Теперь наша модель очищена:
  • Верстак FEM пока может вычислить деформацию лишь единого объекта. Поэтому нам надо объединить наши два объекта, стены и плиту. Переключимся на верстак Part, выделим оба объекта и нажмём Union. Теперь мы получили объединённый объект:

Создание анализа

  • Теперь мы готовы начать анализ по МКЭ. Переключимся на верстак FEM
  • Выделим объединённый объект
  • Нажмём кнопку New Analysis
  • Будет создан новый механический анализ и будет открыта панель установок. Здесь Вы сможете определить параметры создания полигональной сетки для МКЭ. Важнее всего для настройки отредактировать параметр Max Size, который определяет в миллиметрах максимальный размер каждого элемента сетки. Сейчас мы оставим значение по умолчанию, равное 1000:
  • После нажатия OK нескольких секунд вычислений наша сетка МКЭ готова:
  • Теперь мы можем определить материал нашей сетки. Это нужно, поскольку наш объект реагирует на приложенные силы по-разному в зависимости от прочности материала. Выберем объект анализа, и нажмём кнопку New Material.
  • Будет открыта панель задач, позволяющая выбрать материал. В списке материалов выберем Concrete-generic (бетон), и нажмём OK.
  • Теперь мы готовы приложить силы. Начнем с указания неподвижных поверхностей, опирающихся на землю. Нажмём кнопку Constraint fixed.
  • Выделим нижнюю поверхность строения и нажмём OK. Нижняя поверхность обозначена как неподвижная:
  • Теперь мы добавим нагрузку на верхнюю поверхность, которая должна представлять, например, большой вес, расположенный крыше. Для этого мы используем ограничение давления. Нажмём кнопку Constraint pressure.
  • Нажмём верхнюю поверхность крыши, установим давление на 10MPa и кликнем кнопку OK. Сила приложена:
  • Теперь мы готовы начать вычисления. Выделим объект CalculiX, и нажмём кнопку Start Calculation.
  • В панели задач, которая будет открыта, нажмите сначала кнопку Write .inp file для создания входного файла для CalculiX, затем кнопку Run CalculiX. Несколькими мгновениями позднее вычисления будут выполнены:
  • Теперь можно посмотреть результаты. Закройте панель задач, и Вы увидите новый объект Results, который добавлен к вашему анализу.
  • Дважды кликните объект Results.
  • Установите тип результата, который Вы хотите увидеть на сетки, например, "abs displacement", отметтьте под заголовком Водоизмещение чекбокс show, и передвигайте слайдер возле него. Вы сможете увидеть деформацию, увеличивающуюся по мере увеличения силы:

Показываемые верстаком FEM результаты, разумеется, пока не достаточны для принятия реальных решений о размерах и материалах, тем не менее, они уже дают точную информацию о том, как силы проходят через структуру и где находятся слабые места, которые будут ощущать наибольшее воздействие.

Загрузки

Читать далее