Переходный анализ методом конечных элементов

From FreeCAD Documentation
Jump to navigation Jump to search
This page is a translated version of the page Transient FEM analysis and the translation is 96% complete.
Other languages:
Deutsch • ‎English • ‎français • ‎italiano • ‎русский

This documentation is not finished. Please help and contribute documentation.

Gui Command explains how tools should be documented. See Draft ShapeString for an example of a well documented tool. Browse Category:UnfinishedDocu to see incomplete pages like this one. See Category:Command Reference for all commands.

See WikiPages to learn about editing the wiki pages, and go to Help FreeCAD to learn about other ways in which you can contribute.

Base ExampleCommandModel.png Руководство

Тема
Transient FEM analysis
уровень
Время для завершения
автор
FreeCAD версия
Пример файла (ов)


Background

Создание модели

  1. Начав с пустого проекта FreeCAD, мы построим нашу биметаллическую полосу в Workbench Part.svg верстаке Part
  2. Нарисуйте Part Box.svg кубическое твердое тело и переименуйте его в aluminium.
  3. Дайте ему размеры 100 x 10 x 2 мм (длина x ширина x высота).
  4. Создайте второе кубическое твердое 'стальное' тело с такими же размерами
  5. Сместите эту деталь на 2 мм по оси Z (через Placement → Position → z).
  6. Выберите оба твердых тела (с помощью клавиши Shift + щелчок мышью) и создайте из них Part BooleanFragments.svg Boolean Fragments
  7. Переименуйте эти логические фрагменты в биметаллическую полосу
  8. В Редакторе свойств мы меняем режим с ViewStandard на ViewCompSolid. (Это также должно работать с использованием команды Part Compound вместо Part BooleanFragments.svg Boolean Fragments, однако с более сложными пересекающимися формами позже могут возникнуть проблемы с анализом МКЭ. Так что лучше сначала привыкнуть к использованию Boolean Fragments.) Результат должен выглядеть следующим образом:

Transient FEM Bimetal (1).JPG

Подготовка и выполнение расчёта по МКЭ

Назначение материалов

В верстаке FEM мы создаем новый FEM Analysis.svg анализ и добавляем новый FEM MaterialSolid.svg материал в анализ. В появившемся окне задач выбираем один из предустановленных алюминиевых сплавов. В 'geometry reference selector' мы назначаем нижней полосе нашей модели материал, устанавливая режим выбора 'solid', щелкая 'add' и выбирая грань или край нижней полосы. В представлении списка должно появиться 'BooleanFragments:Solid1'.

Transient FEM Bimetal (2).JPG

Мы закрываем окно задачи и повторяем шаги для создания второго материала 'Steel' (карта материала «CalculiX-Steel») и назначаем его верхней полосе ('BooleanFragments:Solid2').

Создание сетки

Поскольку конечно-элементному анализу, очевидно, нужны элементы для работы, мы должны разделить нашу модель на так называемую сетку. Верстак FEM предлагает два инструмента построения сетки: Netgen и GMSH. Здесь мы перейдем к Netgen: с выбранным объектом Boolean Fragments биметаллической полосы мы щелкаем по значку FEM MeshNetgenFromShape.svg Netgen в верстаке FEM. В появившемся окне задач нам надо сделать различные выделения, начиная сверху:

  • Max. size - это максимальный размер (в миллиметрах) элемента. Чем меньше максимальный размер элемента, тем больше элементов мы получаем - обычно результат будет более точным, но с резким увеличением времени вычислений. Мы устанавливаем его на 10.
  • Second order означает, что в каждом элементе будут созданы дополнительные узлы. Это увеличивает время вычислений, но обычно это хороший выбор, если речь идет о сгибании, как в нашем анализе. Мы оставляем это отмеченным.
  • Fineness: Выберите, насколько точно модель должна быть разрезана на элементы. Для более сложных моделей с кривизной и пересечениями мы можем увеличить количество элементов в этих областях, чтобы получить лучшие результаты (конечно, за счет большего количества вычислительного времени). Опытные пользователи также могут установить для него значение User-defined и установить следующие параметры. Для нашей простой прямоугольной модели выбор тонкости не имеет большого значения, мы оставляем его на умеренном уровне.
  • Optimize: некоторая постобработка после построения сетки. Мы оставляем это отмеченным.

Щелчок по 'Apply' запускает создание сетки, и - время зависит от вашего компьютера - на нашей модели появляется каркас. Генератор сетки должен был создать около 4000 узлов.

Transient FEM Bimetal (3).JPG

Задание граничных условий

Анализ МКЭ сейчас ни к чему не приведет, потому что с нашей моделью еще ничего не происходит. Итак, давайте добавим немного температуры: используйте FEM ConstraintInitialTemperature.svg начальную температуру из верстака FEM и установите температуру на 300 K. Здесь нельзя выбрать никакие части модели, так как этот параметр применяется ко всей модели.

Затем мы используем FEM ConstraintTemperature.svg температуру, действующую на грань. Мы выделяем две грани на одном конце полосы (Ctrl + левая клавиша мыши) и нажимаем 'Add' в окне задачи. В списке должны появиться две грани объекта Boolean Fragments и маленькие значки температуры на модели. Выставляем температуру 400 К и закрываем окно задач. В начале анализа выбранные грани получат мгновенное повышение температуры от 300 до 400 К. Тепло будет проводиться по металлическим полосам и вызывать изгиб полосы.

Transient FEM Bimetal (4).JPG

Прежде чем мы сможем запустить анализ, необходимо установить дополнительное граничное условие: анализ может выполняться только в том случае, если наша модель зафиксирована где-то в пространстве. С помощью FEM ConstraintFixed.svg мы выбираем те же две грани, что и для 400 K выше, и добавляем их в список. На модели появятся красные полосы, визуализирующие, что эти грани зафиксированы в пространстве и не могут перемещаться во время анализа.

Transient FEM Bimetal (5).JPG

Запуск анализа

Анализ должен уже содержать объект решателя 'CalculiXccx Tools'. Если нет, мы добавляем его, используя значок решателя FEM SolverCalculixCxxtools.svg на панели инструментов. (Имеются два идентичных значка, экспериментальный решатель также должен работать.) У объекта решателя есть список свойств ниже в левой части окна. Здесь мы выбираем следующие варианты (те, которые не упоминались, оставляем без изменений):

  • Analysis Type:: мы хотим провести термомеханический анализ. Другие варианты могут быть только статическими (без температурных эффектов), частотными (колебания) или только для проверки правильности модели.
  • Thermo Mech Steady State: Устойчивое состояние означает, что решающая программа вернет один единственный результат, когда физика достигнет равновесия. Мы НЕ хотим этого делать, мы хотели бы получить множественные результаты с временным разрешением (переходный анализ). Так что установите значение false.
  • Time end: мы хотели бы, чтобы наш анализ остановился через 60 секунд (то есть время моделирования, а не реальное время).

Transient FEM Bimetal (6).JPG

После двойного щелчка мышью на объекте решателя, мы проверяем, что выбрано 'Thermo mechanical', и запускаем 'Write .inp file'. Обычно это занимает несколько секунд (или намного больше для более крупных моделей) и возвращает сообщение 'Write completed' в поле ниже. Теперь мы запускаем расчет с помощью 'Run CalculiX'. Через некоторое время должны появиться два последних сообщения 'CalculiX done without error!' и 'Loading result sets...'. Когда таймер внизу остановился, мы закрываем окно задачи. (На более крупных моделях и/или более медленных компьютерах FreeCAD может зависнуть, и мы не увидим работающего таймера. Но будьте терпеливы, в большинстве случаев CalculiX по-прежнему работает в фоновом режиме и в конечном итоге даст результаты.)

Теперь у нас должно быть несколько FEM ResultShow.svg объектов результатов расчёта по МКЭ в списке. Двойным щелчком мы можем открыть любую из них и визуализировать рассчитанные температуры, смещения и напряжения. Мы можем визуализировать изгиб, отметив «Показать» в разделе «Смещение». Поскольку абсолютные смещения невелики, мы используем «Множитель», чтобы преувеличить значения.

Transient FEM Bimetal (7).JPG

В FreeCAD мы можем использовать FEM PostPipelineFromResult.svg pipelines для последующей обработки результатов. Как вариант, мы можем экспортировать результаты в формат VTK и импортировать их в специальные постпроцессоры, такие как ParaView. Доступен макрос для экспорта нескольких результатов (как в этом анализе).

Загрузки

Другие примеры

from femexamples.thermomech_bimetall import setup
setup()