Руководство: Создание анализа методом конечных элементов

From FreeCAD Documentation
Revision as of 10:27, 5 April 2017 by Baritone (talk | contribs) (Created page with "* Теперь мы готовы приложить силы. Начнем с указания неподвижных поверхностей, опирающихся на з...")

Метод конечных элементов (сокращённо МКЭ) это большой раздел математики, но в FreeCAD мы подразумеваем его как способ подсчитать разспространение 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 здесь мы будем углубляться в то, что используется в FreeCAD, расчёт деформаций объектов под воздействием силы и веса.

Получение такого моделирования в FreeCAD сделано в верстаке FEM. Оно включает различные шаги: 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 сделан способным использовать несколько из них. 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. Поскольку 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 File:Fem MechanicalMaterial.png 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 File:Fem ConstraintFixed.png Constraint fixed.
  • Выделим нижнюю поверхность строения и нажмём OK. Нижняя поверхность теперь показана как неподвижная:

  • We will now add a load on the top face, that could represent, for example, a massive weight being spread on the roof. For this we will use a pressure constraint. Press the File:Fem ConstraintPressure.png Constraint pressure button.
  • 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:

  • We are now ready to start the calculation. Select the CalculiX object in the tree view, and press the File:Fem ControlSolver.png Start Calculation button.
  • 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:

  • We can now look at the results. Close the task panel, and see that a new Results object has been added to our analysis.
  • Double-click the Results object
  • 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:

The results displayed by the FEM workbench are of course currently not enough to perform real-life decisions about structures dimensioning 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.

Загрузки

Читать далее

Other languages: