Блог

10 рекомендаций по выполнению расчетов МКЭ

Данная статья содержит 10 рекомендаций по выполнению практичных и осмысленных расчетов методом конечных элементов (МКЭ), для получения адекватных результатов в условиях несовершенства входных данных.

В идеальном мире инженера-расчетчика у него под рукой всегда оказывались бы все данные, необходимые для выполнения расчета методом конечных элементов. Коллеги-конструкторы предоставляли бы трехмерные CAD-модели без изъянов, подготовленные к расчету МКЭ: с повышенной детализацией в зоне предполагаемых высоких градиентов напряжений и упрощенные в остальных местах. Нелинейные свойства материалов, зависящие от температуры, имелись бы в наличии для всего диапазона рабочих температур, в форме аккуратных и полных таблиц, которые достаточно было бы скопировать в программу расчета МКЭ. Нагрузки были бы заданы во всех подробностях по значениям, длительности и месту приложения. Однако, подобная роскошь редко когда бывает доступна, и инженер-расчетчик в большинстве случаев вынужден самостоятельно искать и собирать все необходимые исходные данные из различных источников, в разрозненных формах скриншотов, веб-ссылок и неполных таблиц, требующих интерполяции, экстраполяции и перевода между системами единиц.

В идеальном мире конечно-элементные расчеты можно было бы проверить на физическом прототипе и верифицировать применяемые модели и коэффициенты трения, ползучести, усталости. К сожалению, в реальных проектах в силу ограничений бюджета, ресурсов и времени подобные проверки чаще всего невозможны. И в этих проектах, на основе ограниченных входных данных, используя накопленный опыт предыдущих проектов, опытный расчетчик может получать точные и ценные результаты, удовлетворяя ограничениям бюджета и времени, используя нижеследующие советы и рекомендации.

  1. При поиске свойств материалов обратитесь к доступным проверенным источникам. Например, к отечественному марочнику сталей и сплавов, справочнику Физические величины (Григорьев И.С., Мейлихов Е.З., 1991.) или зарубежным онлайн базам MATWEB  или Mil Handbook (MIL-HDBK-5H). Иногда получить достоверные данные можно на веб-сайте зарубежного производителя материалов или направив ему запрос.
  2. Если какой-то из входных параметров, например, коэффициент трения, не определен, то проведите параметрический анализ, задав минимальное и максимальное значение данного коэффициента и проанализировав чувствительность решения. В дальнейшем при расчете используйте значение, дающее наиболее консервативное решение (например, максимальные напряжения).
  3. Использование консервативных оценок является в целом хорошей практикой, когда недостаточно времени и ресурсов для проведения статистического анализа. Деталь обычно проектируется не на средний уровень нагрузок, а для того чтобы выдержать максимально допустимые.
  4. Инженерный опыт позволяет сделать разумные допущения, какие элементы геометрии могут быть упрощены, какой плотности построить расчетную сетку и т.д. Например, для анализа концентрации напряжений в закруглении, чаще всего достаточно построить сетку с угловым размером элемента от 10 до 20 градусов на самом закруглении. С приобретением опыта в каждом расчете и для каждой зоны уже не требуется выполнять анализ сходимости решения.
  5. Всегда следует извлекать максимум преимуществ из симметрии конструкции и граничных условий. Если геометрия на 90% осесимметричная, нагрузки и материалы также обладают осевой симметрией, то однозначно нужно выполнять расчет в осесимметричной постановке. Если заказчик сомневается, то сравните 3D и осесимметричную постановки на линейно-упругом расчете, а измельчение сетки, нелинейные контактные взаимодействия и сложные модели материалов примените только в осесимметричной постановке, и в ней же проводите параметрические исследования.
  6. Начинайте с линейного статического расчета во всех задачах, даже если нагрузки являются функцией от времени. Обычно, если частота возбуждения составляет менее 1/5 от низшей собственной частоты конструкции, статического анализа должно быть достаточно. Иногда допустимо выполнить статический расчет и применить коэффициент динамичности для первичной оценки поведения системы.
  7. Связи между элементами конструкции могут быть промоделированы различными способами. Контактные элементы – один из выгодных способов передачи нагрузок между частями конструкции, даже если они приварены, и этот способ позволяет не заботиться о совпадающих сетках на границе сопряжения деталей. Всегда начинайте с линейной модели контактного взаимодействия – bonded или no separation, перед тем как вводить в модель возможность скольжения с трением.
  8. При выполнении динамического расчета, например, гармонического анализа, значение демпфирования зачастую является наиболее недоступным входным параметром. Для оценки влияния демпфирования на поведение системы проведите анализ чувствительности. Для моделирования основания систем рекомендуется применять упрощенный подход – замените основание на одномерный элемент пружина+демпфер.
  9. Иногда использование эмпирического коэффициента запаса является наиболее эффективным способом получить решение в условиях неопределенности входных данных.
  10. Хотя с учетом современных средств моделирования и вычислительных мощностей возникает желание смоделировать систему «как она есть», наиболее ценные сведения зачастую можно получить о системе путем решения набора задач в упрощенных постановках с различными предположениями и варьируя параметрами.

 Удачного моделирования!

 

Связанные новости
19 апреля 2022 года состоялось заседание секции №6 «Прочность и надежность строительных конструкций зданий и сооружений» Экспертного совета по аттестации программ для ЭВМ при Научно-техническом центре по ядерной и радиационной безопасности (ФБУ «НТЦ ЯРБ») Ростехнадзора.
АО «ЦИФРА» приняла участие в треке «Математическое моделирование» в рамках образовательного форума "Phygital universe", который проходил в Санкт-Петербургском политехническом университете Петра Великого. 27 апреля руководитель инженерной группы АО «ЦИФРА» Юрий Лавров, а также инженеры Рубцов Иван и Васильева Дарья выступили в Высшей школе теоретической механики с презентацией проектов из инженерной практики. 29 апреля Юрий и Дарья оценивали навыки математического моделирования и инженерного мышления участников форума при решении практического кейса от АО «ЦИФРА». По результатам защиты кейсов выбрано 5 победителей, которые получат дополнительные 10 баллов при поступлении в магистратуру в СПбПУ.
Связанные публикации в блоге
Бронеодеждой или БО согласно ГОСТ 34286-2017 называют средства индивидуальной броневой защиты, выполненные в виде пальто, накидок, плащей, костюмов, курток, брюк, комбинезонов, жилетов и т.п., предназначенные для периодического ношения с целью защиты туловища и (или) конечностей человека (за исключением стоп ног и кистей рук) от воздействия холодного оружия и огнестрельного стрелкового оружия, а также поражения осколками (далее - средства поражения). БО применяется тогда, когда может потребоваться защита жизни и здоровья человека. Она классифицируется и для нее проводятся испытания согласно назначенным классам.
Основной эксплуатационной характеристикой судна, определяющей возможности работы судна в ледовых условиях, является его ледовый класс. В прошлом каждое классификационное общество имело свою уникальную систему классификации судов ледового плавания, и, как следствие – свои нормативные требования к таким судам, однако в начале 2000-х годов Международной ассоциацией классификационных обществ (МАКО) была проведена работа по унификации этих требований, результатом которой стало введение двух систем классификации судов ледового плавания: системы балтийских ледовых классов (для плавания в Балтийском море и схожих по ледовым условиям морях) и системы полярных классов (для плавания в полярных водах), при этом требования каждого классификационного общества-члена МАКО остались в силе. Со вступлением в силу в 2017 году Международного кодекса для судов, эксплуатирующихся в полярных водах (Полярного кодекса) особенно актуальным стал вопрос присвоения судну полярного класса. Несмотря на то, что МАКО была определена приблизительная эквивалентность ледовых классов различных систем классификации (см. рис. 1), на практике для получения полярного класса необходимо подтверждение соответствия судна требованиям IACS UR I – requirements concerning Polar Class. Эти требования разделяются на корпус и механические установки. Рассмотрим пример выполнения анализа соответствия механических установок судна полярному классу.
Связанные вебинары
В рамках Договора о научно-техническом сотрудничестве между АО «ЦНИИМФ» и АО «ЦИФРА» на данном вебинаре заведующий отделом конструктивной надежности и защиты судов от коррозии АО «ЦНИИМФ» Алексей Петров расскажет об имеющемся опыте и перспективах использования компьютерного моделирования для решения различных задач, связанных с ремонтом или модернизацией судов в эксплуатации.
АО "ЦИФРА" объявляет о проведении серии лекций-вебинаров от ведущих приглашенных экспертов в области численного моделирования. В ходе первого вебинара данной серии будут рассмотрены вопросы прочностного анализа «легких» (lightweight) композитных конструкций при динамическом нагружении с использованием явных решателей (сеточного и бессеточного) ПО LS-DYNA.

Закажите расчет

Команде профессионалов
Изменить файл
Поля, отмеченные звездочкой (*) обязательны для заполнения.