Блог

Сопоставление данных расчетов МКЭ и экспериментов

Подтверждение данных расчетов методом конечных элементов с помощью натурных экспериментов, когда это возможно, является исчерпывающим средством валидации модели. Рассмотрим в статье несколько принципов, соблюдение которых позволит эффективно выполнять процедуру сравнения данных расчетов и экспериментов.

Сложности, которые могут возникать у исследователя при валидации конечно-элементного расчета на экспериментальные данные, могут играть существенную роль при подтверждении корректности результатов расчетов на прочность. В статье приведено несколько ключевых советов, которые позволят избежать значительных трудностей при планировании валидации расчетной модели:

1. Располагайте измерительные датчики в корректных зонах

(a) Акселерометры должны располагаться в местах, где амплитуда перемещений высока, но учтите, что собственный вес и конструкция акселерометров может повлиять на массу и жесткость вибрирующего элемента конструкции. Если размещение датчика очевидно имеет влияние на массово-жесткостные характеристики установки, то следует включить датчики и в расчетную конечно-элементную модель в виде комбинации сосредоточенной массы и пружины.

(b) Датчики деформаций – тензометры – должны располагаться в местах больших напряжений, но вдалеке от зон высоких градиентов и сингулярности напряжений. Изучите картину изолиний напряжений в конечно-элементной модели перед проведением теста и выберите зону высоких напряжений значительного размера для размещения там тензометра. Если пренебречь данным советом и расположить датчик деформаций в зоне высокого градиента напряжений, то незначительное изменение позиций датчика приведет к существенным расхождениям результатов расчета и измерений.

2. Убедитесь, что тестовая нагрузка достаточно велика

При расчете МКЭ величина тестовой нагрузки играет роль только в задачах с существенной нелинейностью. Для тестов и измерений зачастую используется единичная нагрузка и линейная постановка задачи. Что касается экспериментальной установки, то величина нагрузки может существенно влиять на точность измерений. Выбирайте величину тестовой нагрузки исходя из параметров экспериментальной установки и обеспечивайте максимальную точность измерений.

3. Точно описывайте граничные условия

Одним из ключевых основных факторов, влияющих на точность совпадения решения МКЭ и экспериментальных данных, является корректность описания в конечно-элементной модели граничных условий. Например, выбор в качестве граничных условий фиксированной или скользящей заделки является допущением исследователя. В подобной ситуации рекомендуется провести анализ чувствительности решения к типу граничных условий. При необходимости можно усложнить описание граничных условий для их более точного приведения к условиям эксперимента – выбор упругого основания, линейных или нелинейных пружин.

4. Корректно извлекайте данные расчетов для сравнения с экспериментом

Наиболее часто проводится сравнение поверхностных деформаций в заданном направлении, полученных с помощью тензометра. При использовании программной системы ANSYS пользователь может использовать поверх твердотельных оболочечные элементы и с их помощью извлечь из модели значения деформаций в точно заданном направлении, что обеспечивается при помощи локальных систем координат, ориентированных так же, как и датчик. Подобные поверхностные элементы могут быть размещены в зоне расположения каждого тензометра и при этом не должны добавлять жесткость в модель.

5. Определитесь заранее с допустимой погрешностью

Допустимая погрешность при сравнении результатов расчетов методом конечных элементов и данных натурных экспериментов может сильно различаться в каждом конкретном случае. Для линейных статических задач прочности металлических конструкций с малыми перемещениями можно ожидать точность до 1%. Однако, в случае сложных нелинейных процессов и комплексных систем, расхождение в 20% может быть лучшим ожидаемым результатом.

Крайне важно применить инженерный опыт и суждение. Иногда получить качественную картину и провести анализ чувствительности решения может быть гораздо ценнее для понимания физики процесса, чем пытаться достичь высокой степени совпадения для одной конкретной постановки задачи.

Если вы ожидаете неточность каких-то условий при проведении эксперимента, то по возможности проводите серию 5-10 экспериментов и анализируйте разброс и распределение результатов.

 

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.