Navodila studentom za nastavitev racunskega modela iz predhodno izdelanega geometrijskega modela in izracun s pomocjo MKE s programskim orodjem I-DEAS

Izdelal: Tomaz Kolsek

razlaga predpon:

I: ime_ikone (1,4,2) ... ukazna ikona (slikica) na desni strani zaslona, ki se nahaja v prvi (zgornji) skupini ikon, na cetrtem zaporednem mestu (od leve proti desni), drzimo jo dlje casa, druga po vertikali

M: ime_izbora ... izbor v menuju na levi strani zaslona (se aktivira/deaktivira s CTRL + M)

MB3: ime_izbora ... izbor v dodatnem menuju, ki se aktivira v graficnem oknu s pritiskom in drzanjem desne tipke na miski

GG:ime_gumba ... preklopni gumb nad tabelo z ukaznimi ikonami

G:ime_gumba ... preklopni gumb v obrazcu (formi)

S: ime_stikala ... stikalo v obrazcu

1. Zazenemo I-DEAS, nastavimo podrocje dela z GG:Simulation, podpodrocje GG:Master Modeler. Izdelamo 3D geometrijski model nase konstrukcije (npr. model nosilca). Pri tem lahko uporabimo razlicne tehnike. Pomembno je, da je GEOMETRIJSKI model sestavljen tako, da bomo iz njega lahko sestavili RACUNSKI model (diskretizacija geometrijskega modela v koncne elemente (KE) ustreznih tipov). Ce bomo v racunskem modelu uporabili tankostenski tip elementa ("Thin Shell"), bomo diskretizirali posamezne ploskve geometrijskega modela. Ravno tako je ugodno, ce bodo vozlisca koncnih elementov nastopala na mestih, kjer bomo predpisali robne pogoje, zato moramo poskrbeti, da se na mestu podpor in zunanjih obremenitev (sil) nahajajo topoloski robovi oziroma vogali. Za nas primer bo npr. najbolj primerna tehnika "skiciranje in ekstrudiranje". Skicirajmo torej stranski obris nasega nosilca, dodajmo dimenzije ter "ekstrudirajmo" konturo za primerno razdaljo.

2. Posebej izdelamo morebitne notranje ploskve, ki sluzjo kot rebra. To storimo takole: I:Sketch in place (1,1,1) , kliknemo ploskev, ki je pravokotna na bodoce rebro, nato I:Line (1,4,2), kliknemo zacetno in koncno tocko. Po potrebi dodamo geometrijske relacije (pravokotnost, vzporednost) in dimenzije. Ce je reber vec, postopek ponovimo. Nato I:Extrude (1,13,1) , MB3: Partition, kliknemo prvo razdelilno crto, potrdimo z MB2 ali "Return", kliknemo morebitno drugo razdelilno crto, potrdimo, ..., potrdimo konec izbiranja crt, dolzina ekstrudiranja je G:Thru All, potrdimo z OK. Nastanejo nove "vmesne" povrsine. S podobno tehniko bi lahko se podrobneje oblikovali nasa rebra, npr. Oblikovali bi lahko luknje v rebrih.

4.Poimenujemo model z I:Name Parts (2,11,3) .

4. Preklopimo podrocje dela v GG:Meshing (diskretizacija-dolocanje porazdelitve vozlisc in koncnih elementov (v nadaljevanju KE) - tvorba mreze koncnih elementov).

5. En sam geometrijski model lahko sluzi kot podlaga za vec razlicnih racunskih modelov. Zato I-DEAS zahteva poimenovanje racunskih modelov z I:Create FE Model (2,11,1) . Racunski model poimenujemo npr. kar "Fem1" (privzeto ime)

6. Odlocimo se za npr. 2D tankostenske KE, povedati pa moramo, katero topologijo modela bomo izrabili za popis racunskega modela. Kliknemo I:Define Shell Mesh (1,1,1) . Ce so povrsine topolosko enostavne (4 robovi), je najbolje zahtevati urejeni tip mreze (S:mapped). Nato kliknemo G:Mapped Options, G:Define elements per side, ter definiramo stevila KE po posameznih stranicah. Obrazca zakljucimo z Dismiss. Se preden pa zapustimo obrazec za definiranje porazdelitve mreze, lahko kliknemo ikono "Preview" v obrazcu. S tem sprozimo samodejno generiranje. Ce nam je mreza vsec, potrdimo z G: Keep mesh oziroma prekinemo z G:Cancel mesh.

7. 1. Povedati moramo se, kaksne debeline so KE. To storimo z ikono I:Surface Thickness (1,17,1) , nato pa izberemo povrsine, za katere zelimo dolociti enotno debelino stene, potrdimo konec izbora, nato pa vnesemo debelino (enote so milimetri) v obrazcu "amplitude". Postopek ponovimo za vse skupine povrsin z enotnimi debelinami.

7.2 Namesto postopka 7.1. lahko definiramo debelino KE tudi takole: pri samodejnem generiranju mreze je nastala tabelica lastnosti tankostenskih KE, ki se je samodejno poimenovala "THIN SHELL1", med razlicnimi lastnostmi, ki jih vsebuje, pa nas zanima edino lastnost "THICKNESS (4V)". Samodejno je privzeta debelina 1 (ena) enota (1 mm), kar nam ne ustreza. Ker nas model sestoji iz KE, ki jih lahko zdruzimo v "debelina A", "debelina B", itd. potrebujemo vec tabelic. Popravili bomo obstojeco in naredili se kaksno novo.

Popravimo obstojeco: I:Modify (Phisical Property) (1,14,2) , Directory, "THIN SHELL1", Directory, "THICKNESS (4V)", 1^st value=5, 2^nd value=0, 3^rd value=0, 4^th value=0, Done, OK to modify Ph. Property Table= Yes.

Sedaj pa izdelajmo se novo tabelico lastnosti KE: I:Physical Properties (1,14,1) , family=Thin shell, name="debelina 10", OK to use default values=No, Directory, Thickness (4V), 1^st value=10, 2^nd value=0, 3^rd value=0, 4^th value=0, Done. Nato moramo dolociti KE, ki naj imajo nove lastnosti. To storimo takole: I:Modify (element) (1,11,2) , MB3:Area Options, Polygon, OK . Nato oznacimo podrocje okoli skupine elementov, katerim zelimo spremeniti referenco na novo "ph. property" tabelo, Done, Ph. Property Table, Directory, "debelina 10", OK to modify xxx elements=Yes.

8. Preklopimo podrocje dela v GG:Boundary Conditions. Definiramo podpore. Ker predpostavljamo simetricnost geometrije, moramo definirati ustrezne robne pogoje na simetrijskih ravninah. Nato pa se simuliramo podporo (kolo dvigala) na eni strani pomicno clenkasto: I:Displacement Restraint (1,11,1) , kliknemo ustrezna topologijo (ploskve, robove), potrdimo konec vnosa, zahtevamo, izberemo ustrezne smeri in zakljucimo obrazce. Simbolicne puscice nakazujejo smeri, v katerih NI POMIKA (dvojne puscice pomenijo, da NI ZASUKA okoli smeri, ki jo nakazuje puscica). Paziti je potrebno, da je model na nek nacin podprt v vseh smereh (tudi ce je naceloma problem ravninski).

9. Dolocimo obremenitev: Naj bo to koncentrirana sila, da pa ne bo lokalni vpliv prevelik, jo razporedimo na vsaj 2-3 sosednja vozlisca. I:Force (1,4,1) , izberemo vozlisca, nato pa dolocimo komponente v posameznih smereh (pazimo na predznak in enote (POZOR: prednastavljene enote so sila: [mN-mili Newton], dolzina [mm], tlaki [mN/mm²] ). Obremenitev s maso tovora npr. 20 ton pomeni silo 200.000 N oziroma 2.0 E8 mN.

Obremenitev je tudi lastna teza nosilca. Ce zelimo ugotoviti, koliksen je samo njen prispevek k npr. Napetostim v nosilcu, moramo poprej zahtevati novo skupino obremenitev: I:Sets (1,17,1), S: Load, vtipkamo novo ime, npr. "Lastna teza", G: Create, G: Current, zakljucimo z G:Dismiss. Sila teze je odvisna od porazdelitve mase. I-DEAS bo samodejno izracunal posamezne prispevke, potrebno je le dolociti smer gravitacijskega pospeska in njegovo velikost: I: Gravity (1,12,1), kliknemo ustrezno smer (navzdol) ter povemo velikost (9810 mm/s2)

10. Ker ponavadi v praksi na konstrukcijo deluje vec tipov obremenitev, lahko tvorimo vec razlicnih kombinacij vpetij in obremenitev. Pri nas nastopa ena mnozica vpetij in ena oziroma dve mnozici obremenitev (koristna teza tovora in lastna teza), zahtevati pa moramo tvorbo kombinacije in jo poimenovati. Kliknemo I:Boundary Condition (1,16,1) , Dolocimo ime, prizgemo stikalo S:Restraint Set 1, kliknemo obremenitveni primer "Load Set 1". Nato pritisnemo in drzimo tipko "SHIFT" ter kliknemo se obrem. primer "Lastna teza" v spodnjem okencu tako, da se oba obarvata rumeno. POZOR: Ce obremenitveni primer ni obarvan, pomeni, da ni vkljucen in se NE BOUPOSTEVAL v izracunu. Obrazec zakljucimo z OK.

11. Prenastavljena je uporaba obrazcev za obravnavo in definiranje modela "linearna statika". Iz te predpostavke izhajajo stevilne druge, ki se jih mora "MKE inzenir" zavedati in po potrebi popraviti prednastavitve.

Preklopimo podrocje dela v GG:Model Solution, kliknemo I:Solution Set (1,1,1) , G:Create, po potrebi spremenimo samodejne nastavitve in zakljucimo obrazce. Shranimo dosedanje delo s GG:File, Save (lahko tudi Ctrl + S). Izracunavanje sprozimo z I:Solve (1,4,2) . Potrpezljivo pocakamo, da ze izracun konca.

12. Ce pri izracunavanju ni prislo do napak, preklopimo podrocje dela v GG:Post Processing. Z I:Results (1,1,1) lahko izberemo tip rezulatov, ki se bodo prikazovali. Izbor je ze prednastavljen na prikazovanje napetosti po Missesu v obliki barvnih polj, hkrati pa se prikaze se deformirana geometrija. V kolikor zelimo npr. prikaz deformacij namesto napetosti, kliknemo rezultate "DISPLACEMENT..." in nato prvo puscico ter zakljucimo obrazec. Nato kliknemo I:Display template (1,4,1) , stikalo S:Probe, z gumbom G:Line/Hidden Line/Stepped Shaded/Smooth Shaded pa nastavljamo tip prikaza rezultatov ter zakljucimo obrazec. Kliknemo I:Display (1,4,1) , nato pa z I:Probe (1,6,1) testiramo posamezne tocke na modelu.

13. Ker je I-DEAS shranil rezultate posameznih obremenitvenih primerov "Load Set 1" in "lastna teza" loceno, moramo, ce zelimo ugotoviti skupen vpliv, rezultate (vektorsko oziroma tenzorsko) sesteti. To storimo takole:

13.1. Izberemo I:Create Results (1,8,1), v novem oknu (Create) izberemo ikono Combine (1),

vpisemo novo ime mnozice rezultatov, npr. "Skupna_napetost", izberemo prvo ze izracunano mnozico napetosti "3", spremenljivka, ki jo predstavlja, je "A1", nato izberemo drugo ze izracunano mnozico napetosti "4", spremenljivka, ki jo predstavlja, je "A2", nato "Return", vpisemo formulo "A1+A2", vpisemo tip rezultatov "Stress", potrdimo vse privzete "id vrstice".

13.2. Analogno storimo to se za deformacije oziroma reakcije.

13.3. Nove mnozice rezultatov je potrebno le se aktivirati za prikaz: glej tocko 12.

14. Ce se izkaze, da rezultati bistveno odstopajo od pricakovanj, je potrebno preveriti:

- ustreznost podprtja: ali je model res podprt tako, kot smo zeleli; ali je mnozica "podporic" "RESTRAINT SET 1" res sestavni del kombinacije "Boundary Condition Set 1"

- ustreznost obremenitev: polozaj sil (tlakov), smer ter njihova velikost (POZOR ENOTE); vkljucenost posameznih obremenitev v mnozico "Load Set 1" ter vkljucenost te mnozice v kombinacijo pogojev "Boundary Condition Set 1" ("Load Set 1" mora biti obarvana rumeno v obrazcu "Boundary Condition")

- Ce zelimo robne pogoje popraviti, pa (neustrezni) rezultati ze obstajajo, je neustrezne rezultate potrebno poprej izbrisati (GG:Post Processing, M:Results, M:Delete, All, Yes), nato popraviti robne pogoje in ponovno izracunati.

- ustreznost debelin posameznih skupin elementov (GG: Meshing, M:Elements, M:List, kliknemo sumljiv element, MB3: Done, opazujemo v "List oknu" informacijo o referenci na tabelico)

15. Ce je nasa naloga dimenzioniranje nosilca, tedaj lahko ugotovimo, da so na nekih mestih napetosti oziroma deformacije na modelu prevelike oziroma premajhne od nekega vnaprej izbranega kriterija. V nasem primeru smemo spreminjati le debeline plocevin. Ce zelimo dolociti nove debeline, moramo najprej rezultate pobrisati: GG: Post_Processing, I: Delete (Results)(1,8,3). Nato se vrnemo na tocko 7, spremenimo debeline ter nadaljujemo z izracunom pod tocko 11 ter si ponovno ogledamo rezultate.

16. Da bi preverili verodostojnost rezultatov, je potrebno mrezo KE zgostiti na nek konsistenten nacin, najbolje povsod za faktor 2 (ce to dopuscajo racunalniske kapacitete). To storimo z najmanj dela na naslednji nacin: I: Manage_Bins (2,11,6), dvokliknemo ime "Part1", kliknemo "Fem1", I:Copy, novo ime je npr "Fem2", nato v istem obrazcu kliknemo G:Get in G:Dismiss.

Nato V GG: Post_Processing pobrisemo rezultate z I: Delete (Results)(1,8,3), nato v GG:Meshing pobrisemo mrezo z I: Mesh (Delete)(1,7,1). Nato na novo definiramo mrezo KE, kot v tocki 6. Ce je bilo vse ostalo pravilno definirano (robni pogoji, debeline KE, obremenitve morajo biti definirane NA GEOMETRIJI, NE NA VOZLISCIH), lahko nadaljujemo kar s tocko 11 (izracunavanje).

Da bi dobili rezultat, ki je neodvisen od mreze, je praviloma potrebno uporabiti vsaj 3 razlicne gostote mrez.