Применение метода конечных элементов в системах MSC Nastran и Patran

1 Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики Е.И.Яблочников, А.Л.Комисаренко Применение метода конечных элементов в системах MSC Nastran и Patran Методические рекомендации по выполнению СРС Санкт-Петербург 2007

2 УКД Е.И.Яблочников, А.Л.Комисаренко. Применение метода конечных элементов в системах MSC Nastran и Patran. СПб: СПбГУ ИТМО, с. Данное методическое пособие служит для ознакомления студентов с современными методиками моделирования поведения конструкции в условиях её эксплуатации. Для этого предлагается в среде Nastran/Patran решить ряд задач по определению напряжено-деформированного состояния механической конструкции в линейной постановке. Предполагается, что студент ознакомлен с основными аспектами метода конечных элементов. Решение поставленных задач будет проходить с применением системы MSC Nastran и пре/постпроцессора Patran. : Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, 2007 Яблочников Е.И., Комисаренко А.Л,

3 Компьютерные технологии инженерного анализа и виртуального моделирования В настоящее время разработчики всех видов техники достигли значительных успехов в повышении производительности, скорости, грузоподъемности, безопасности, экологичности, комфортабельности при одновременном снижении материало- и энергоемкости своей продукции. Однако, созданием хорошего изделия задача, стоящая перед предприятием, не исчерпывается. Как показывает мировой опыт, острая рыночная конкуренция вынуждает проводить разработку в кратчайшие сроки, с наименьшим объемом экспериментальной доводки, не снижая при этом качества и потребительских свойств своей продукции. Ведущие производители видят выход в широком внедрении новых технологий в процесс разработки и подготовки производства сложной наукоемкой продукции. Одним из важнейших приоритетов в этом направлении является использование компьютерного моделирования при разработке изделий и технологических процессов, позволяющее значительно сократить сроки цикла «проектирование - производство», существенно снизить число опытных образцов и натурных испытаний. Практическая реализация такого подхода базируется на технологии проектирования, основанной на масштабном математическом моделировании и вычислительном эксперименте. Современный уровень компьютерного моделирования позволяет оценить, исследовать и оптимизировать каждый компонент нового изделия в компьютерной, виртуальной среде, до изготовления дорогостоящих реальных прототипов. При этом проектирование сложных современных конструкций, как правило, требует совместного использования широкого набора различных систем инженерного анализа, ответственных за тот или иной этап расчетного сопровождения проекта (анализ движений, кинематики, 3

4 моделирование систем контроля, огромный список задач от термо- и газовой динамики до анализа ударных и акустических процессов). Обширный выбор систем инженерного анализа, представленный на рынке различными компаниями, ставит пользователей в трудное положение. Трудно обеспечить взаимодействие разрозненных систем друг с другом, сложно обеспечить их согласованное совместное использование в проекте. Поэтому, наряду с повышением функциональных качеств расчетных систем, актуальной темой последнего времени является обеспечение их взаимодействия и интеграции. Такая интегрированная среда, когда пользователь может легко применить нужные ему системы совместно, комплексно, является гораздо более ценной и эффективной, чем наличие набора разрозненных, совершенно разных, плохо совместимых программ специфического назначения. Стратегия виртуальной разработки изделия (VPD Virtual Product Development) это интегрированная среда систем инженерного анализа. Системы VPD являются фактически проверенным международным стандартом для всех видов инженерного моделирования, включая многодисциплинарные приложения. Интегрированная среда систем инженерного анализа интенсивно используется ведущими предприятиями мировой индустрии, позволяя им выпускать лучшие изделия, сокращать сроки проектирования и получать максимум прибыли в жесткой конкурентной борьбе. Действительно, сегодня каждая из систем VPD, взятая в отдельности, обеспечивает достаточную функциональность в тех или иных инженерных приложениях (например, системы анализа кинематики, различные конечноэлементные системы, пре- и постпроцессоры, системы управления процессами и т.д.). Каждая компонента, каждая система может использоваться индивидуально, изолированно от других продуктов. Но только комбинированное, комплексное использование систем может раскрыть их полный потенциал. 4

5 VPD системы обеспечивают гибкое управление и эффективное распределение информации, легкий обмен данными между системами, без промежуточных стадий конвертации и адаптации данных. Геометрическая информация оптимально передается от одного процесса к другому, и результаты одного расчета органично становятся исходными данными для следующего шага инженерного моделирования. Наряду с геометрией, обеспечивается передача данных по нагрузкам, всевозможным граничным условиям и т.д. Каждая система имеет специфические, отличные от других систем инструменты и пользовательский интерфейс, однако общая среда, общность подходов, логичность, связность, легкость взаимодействия между системами, обеспечивают пользователю возможность работы с любой из них без длительного переучивания. Адаптивная, гибкая среда VPD систем позволяет легко переключаться на решение новых типов задач. Особо следует отметить удобство моделирования процессов, требующих использования не одной, а нескольких расчетных систем. Интегрированная среда VPD продуктов идеальный инструмент для решения таких сложных, многодисциплинарных проблем. Кроме того, рассматриваемые системы дают возможность компьютерного моделирования изделия в сборе с учетом всех эксплуатационных нагрузочных параметров. Этот подход позволяет достоверно исследовать функционирование каждого компонента конструкции в составе всего изделия, а это в свою очередь позволяет осуществлять интеграцию информации не только на уровне подразделений предприятия-разработчика, но и обмен информацией на уровне предприятийсмежников 5

6 MSC.Patran - интегрированная среда моделирования, анализа и проектирования MSC.Patran программный продукт компании MSC.Software, обеспечивающий интеграцию автоматизированных систем проектирования, моделирования, анализа и оценки результатов расчетов. Использование Patran в комбинации с другими программными продуктами позволяет достичь наибольшей эффективности в оценке работоспособности и оптимальности конструкции изделий при их разработке, производстве и эксплуатации еще до того, как начнутся изготовление и испытания опытных образцов. Patran располагает развитыми средствами генерации конечноэлементных сеток, что придает этому процессу гибкость и высокую степень автоматизации. Нагрузочные и граничные условия могут быть увязаны как с геометрическими, так и с конечно-элементными моделями. Развитые средства визуализации помогают ускорить и повысить качество анализа полученных результатов расчета. При использовании Patran основой создаваемой конечно-элементной модели является, как правило, геометрическая модель. Поэтому Patran предоставляет прямой доступ к результатам геометрического моделирования в наиболее популярных в мире программных пакетах автоматизированного проектирования или к универсальным форматам обмена данными при отсутствии прямых интерфейсов. Patran имеет также собственные обширные возможности создания и модифицирования геометрических моделей, контроля CAD-геометрии и преобразования ее перед построением конечноэлементной модели. Patran используется не только для работы с расчетными системами компании MSC.Software, он на высоком уровне интегрируется и с системами анализа многих других разработчиков. 6

7 MSC.Nastran - расчет и оптимизация конструкций. Главный продукт компании MSC.Software - Nastran - это одна из лучших на рынке конечно-элементных систем. В сфере, где ненадежные результаты могут обернуться миллионами долларов дополнительных расходов на разработку, Nastran вот уже более 40 лет доказывает свою точность и эффективность. Постоянно развиваясь, он аккумулирует в себе достоинства новейших методик и алгоритмов конечно-элементного анализа. MSC.Nastran обеспечивает практически полный набор расчетов, включая расчет напряженно - деформированного состояния, собственных частот и форм колебаний, анализ устойчивости, решение задач теплопередачи, исследование установившихся и неустановившихся процессов, нелинейных статических процессов, нелинейных динамических переходных процессов, расчет критических частот и вибраций роторных машин, анализ частотных характеристик при воздействии случайных нагрузок, спектральный анализ и исследование аэроупругости. Предусмотрена возможность моделирования практически всех типов материалов, включая композитные и гиперупругие. Расширенные функции включают технологию суперэлементов (подконструкций) и макроязык DMAP для создания пользовательских приложений. Наряду с расчетом конструкций Nastran может использоваться и для оптимизации проектов. Это делается путем вариации параметров формы, размеров и свойств проекта. Благодаря своей эффективности алгоритмы оптимизации обрабатывают неограниченное число проектных параметров и ограничений. Вес, напряжения, перемещения, собственные частоты и многие другие характеристики могут рассматриваться либо в качестве целевых функций проекта (в этом случае их можно минимизировать или максимизировать), либо в качестве ограничений. Алгоритмы анализа чувствительности позволяют исследовать влияние различных параметров на поведение целевой функции и управлять процессом поиска оптимального 7

8 решения. Nastran применяется также и для планирования экспериментов (определения мест расположения датчиков) и оценки полноты полученных экспериментальных данных. Задание Студентам необходимо самостоятельно создать в CAD-системе 3-D модель детали, а также задать исходные данные, необходимые для выполнения расчета: свойства материала, величина и точки приложения нагрузки, граничные условия. Для проведения инженерного расчета в MSC.Nastran и MSC.Patran необходимо выполнить следующие действия: 1. Создать новую базу данных. 2. Импортировать геометрию из CAD-системы. 3. Создание поверхности с сеткой конечных элементов. 4. Задать нагрузку и граничные условия. 5. Создать материал. 6. Задать физические свойства. 7. Задать нагрузки и граничные условия. 8. Выполнить анализ в системе MSC.Nastran. 9. Обработка результата постпроцессором. Создание базы данных Для того, чтобы начать работу в системе MSC.Patran необходимо создать базу данных. 1. В главном меню выбрать File > New. Появится панель New > Database. 2. Ввести в текстовое поле File Name имя базы данных. Нажать ОК. 8

9 3. Появится New Model Prference панель для указания общих параметров модели (рис. 1). В этой панели можно задать точность создания модели (Tolerance) или оставить значения по умолчанию (Default). 4. Необходимо убедиться, что к системе MSC.Patran подключена вычисляющая программа MSC.Nastran, которая указана в разделе Analysis Code. Если имеется лицензия можно подключить другие программы. 5. Выбрать в разделе Analysis Type > Structural и нажать Ok. База данных будет создана, но она будет пустая. Рис. 1 Панель для указания общих параметров модели Импорт геометрии из CAD-системы На данном этапе выполнения работы необходимо импортировать 3-D модель детали в систему MSC.Patran. Для этого следует в главном меню выбрать File > Import и указать импортируемый файл модели. 9

10 Создание поверхности с сеткой конечных элементов Для создания поверхности SMARTEAM сеткой конечных элементов необходимо выполнить следующие действия: 1. В главном меню указать кнопку Elements (рис. 2). Рис. 2 Панель инструментов MSC.Patran Откроется окно, в котором требуется задать свойства конечных элементов сетки (рис. 3). 2. В верхней части появившейся панели выбрать Action > Create, Object > Mesh, Type > Surface. 3. Настроить или проверить установку кнопок Element Shape (форма элемента) > Quad, Mesher (тип генератора сетки)> IsoMesh, Topology > выбрать элемент. 4. Предварительно щёлкнув в окне Surface List (список поверхностей) указать мышью на экране последовательно разбиваемые поверхности. В окне должна появиться надпись со списком выбранных поверхностей. 5. Ввести в окне Value (величина) длина ребра элемента. Снять маркер параметра Automatic Calculation (автоматическое вычисление) и нажать Apply. 6. Поскольку конечные элементы не соединены вдоль геометрических границ, то необходимо «сшить» их вместе. Для этого на верхней части панели Finite Element выбрать Action > 101

11 Equivalence, Object > All, Method > Tolerance Cube (область допусков представляется кубом с ребром 0,005 м). В пределах этой области все узлы будут объединяться в один. Нажать кнопку Apply. в строке сообщений внизу экрана будет указано сколько узлов было объединено. Рис. 3 Панель свойств элементов сетки Создание материала Для того, чтобы создать материал в MSC.Patran необходимо выполнить следующие действия: 11

12 1. В главном меню, нажать кнопку Materials (рис. 2). В появившейся панели выбрать Action > Create, Object > Isotropic, Method > Manual Input (ручной ввод параметров материала). 2. В окне Material необходимо указать название материала. 3. Нажать кнопку Input Properties (ввод свойств). 4. Появится панель Input Options и в этой панели в строку Elastic Modulus ввести значение модуля упругости в Н/м2; в строку Poisson Ratio (коэффициент Пуассона) (рис. 4). Остальные строки можно не заполнять, так как они заполняются при решении динамических задач. 5. Нажать Ok, чтобы закрыть панель и Apply на панели Materials. При этом свойства материала только выбраны, но не назначены на конечные элементы. Рис. 4 Задание свойств материала 121

13 Задание физических Свойств 1. В главном меню нажать кнопку Properties (рис. 2). 2. В появившейся панели Element Properties указать Action, Type. 3. В окно Properties Set Name (имя варианта свойств) ввести имя свойства. 4. Нажать на кнопку Input Properties. 5. На появившейся панели Input Properties, щёлкнуть мышкой в окне Material Name и выбрать материал заданный ранее в списке Material Properties Set. 6. Ввести в окно Thickness панели Input Properties величину толщины материала. Рис. 5 Окно назначения материала 131

14 7. На панели Element Properties поместить курсор в окно Select Members (Выбрать элементы) и затем курсором выбрать все поверхности на экране. 8. Нажать кнопку Add (придать свойства), в окне Application Region должна повториться запись со списком выделенных поверхностей. После этого необходимо нажать кнопку Apply. При этом заданные свойства будут назначены указанным конечным элементам. Моделирование нагрузок и граничных условий Задание распределённых нагрузок. 1. В главном меню нажать кнопку Loads/BCs. 2. В появившейся панели Loads/Boundary Conditions выбрать Action>Create, Object>Distributed Load (распределённая нагрузка), Type>Element Uniform (равномерная по элементу) (рис. 6). 3. В окно New Set Name ввести имя. 4. Нажать кнопку Input Data (ввести данные). 5. В появившейся панели Input Data в окно Edge Distributed Load (нагрузка, распределённая по ребру) ввести, например: <,, 200>, что означает нагрузка задана против положительного направления оси z. Пробелы по направлениям осей x и y означают отсутствие нагрузок. Окно Edge Distributed Moment необходимо оставить пустым, т.е. нагрузка от моментов отсутствует. Нажать Ok. 6. В панели Loads/BC нажать кнопку Select Application Region (выбрать область приложения нагрузок), в появившейся панели с этим же названием под разделом Geometry Filter (геометрический фильтр) указать Geometry. Это означает, что нагрузки будут задаваться на геометрическом образе модели, а не на конечно-элементном. Задавать нагрузки и граничные условия удобнее на геометрическом образе, т.к. конечных элементов на одном геометрическом элементе может быть очень много и задавать нагрузку на каждый элемент трудоёмко. 141

15 MSC.Patran перед расчётом автоматически перенесёт все нагрузки и граничные условия на соответствующие конечные элементы. 7. В этой же панели поместить курсор в окно Select Surface Edge (выбрать ребро поверхности). Используя указатель мыши, выбрать четыре ребра средних поверхностей, затем нажать Add. Номера выбранных рёбер поверхностей должны появиться в окне Application Region. Нажать Ok. 8. Нажать кнопку Apply на панели Loads/BC. На экране должны появиться символы, обозначающие нагрузку (стрелки) и её величину (цифры возле стрелок). В качестве граничного условия в задаче будет выступать Displacement (ограничение перемещений). Для задания граничных условий необходимо выполнить следующие действия: 1. В главном меню нажать кнопку Loads/BCs. 2. В появившейся панели выбрать Action > Create, Object > Displacement, Type > Nodal (узлы) (рис. 6). 3. В окно New Select Name ввести имя граничных условий pinned. 4. Нажать Input Data (ввести данные). 5. В появившейся панели в окно Translations (перемещения) ввести <0, 0, 0>, что означает запрет перемещений по осям x, y, z. Окно Rotations необходимо оставить пустым. Нажать Ok. 6. Нажать кнопку Selection Application Region в панели Loads/BCs, после этого появится панель с таким же именем, в которой необходимо указать Geometry в разделе Geometry Filter. 7. Поскольку в геометрической модели присутствую различные геометрические сущности (Entities): рёбра, поверхности, вершины, то необходимо точно указать какие сущности будут ограничены по перемещениям. Для этого в Select Menu (меню выбора) нажать кнопку Edge Option. 151

16 Это означает, что на экране курсором мыши будут выделяться только Edges (рёбра) геометрической модели. Рис. 6 Окна задания нагрузок и граничных условий 8. Поместить в окно Select Geometric Entities курсор, и используя указатель мыши выбрать на экране четыре ребра на внешних поверхностях пластины. При выборе необходимо удерживать нажатой клавишу Shift, 161

17 чтобы происходило суммирование выбора. Затем нажать Add и в окне Application Region должны появиться номера выбранных рёбер. Нажать Ok. 9. На панели Loads/BCs нажать Apply. С помощью кнопок просмотра изображений можно подобрать вид изображения для просмотра нагрузок и граничных условий. Граничные условия изображаются условными символами, около которых указываются номера ограниченных степеней свободы: 1, 2, 3, это означает, что ограничены перемещения по осям x, y, z. Вращательные степени 4, 5, 6 не указаны значит, ограничений нет. Создание входного файла для MSC.Nastran Для каждой расчётной программы, которые могут быть использованы вместе с MSC.Patran (их тип задаётся в Preference), создаются свои входные файлы. В данном случае рассмотрим создание файла для программы MSC.Nastran. 1. В главном меню нажать кнопку Analysis. 2. На появившейся панели выбрать Action > Analyze, Object > Entire Model, Method > Analysis Deck (метод брать с рабочего стола или панели управления) (рис. 7). 3. Нажать кнопку Solution Type (тип задачи). 4. В появившейся панели выбрать Linear Static (линейный статический расчёт), нажать Ok. 5. Нажать на кнопку Translation Parameters. В появившейся панели в разделе Data Output (вывод данных) нажать кнопку XDB and Print и в появившемся меню выбрать XDB Only (для сокращения размеров файла результата). Нажать Ok. 6. Нажать кнопку Apply, чтобы запустить MSC.Nastran. На экране появляется окно MSC.Nastran с указанием размеров оперативной и дисковой памяти, занятой под задачу, а также сообщение, что MSC.Nastran запущен, время и число. Через некоторое время, после окончания расчёта, окно 171

18 пропадает. В строке сообщений можно прочитать сообщение о том, что трансляция входного файла была завершена успешно. Рис. 7 Окно задания типа расчета Передача в среду MSC.Patran результата решения задачи для обработки постпроцессором 1. В главном меню нажать кнопку Analysis. 2. На появившейся панели выбрать Action > Attach XDB, Object > Result Entities, Method > Local (рис. 8). 181

19 3. Нажать на кнопку Select Results File. 4. Нажать Apply на панели Analysis. Рис. 8 Окно передачи результатов в среду MSC.Patran Обработка результата постпроцессором Создание Fringe-изображения и деформированного изображения (Deformation Plot) 1. В главном меню нажать кнопку Results. 2. На появившейся панели выбрать Action > Create, Object > Quick Plot (быстрое изображение). 191

20 3. В окне Select Result Cases панели Results выбрать Default, Static SubCase, в окне Select Fringe Result выбрать Displacement, Translational. 4. В окне Select Deformation Result панели Results выбрать Displacement, Translational. 5. Нажать кнопку Apply. На экране появится изображение панели с цветной шкалой уровней SMARTEAM указанием максимальных и минимальных величин перемещений (рис. 9). 6. Для того, чтобы не мешало графическое изображение геометрической модели, необходимо убрать с экрана графику, нажав кнопку с изображением метлы (Reset Graphics), после этого нажать Apply на панели Results. 7. Можно просмотреть форму деформации, воспроизведя «оживление» модели. Для этого нужно в окне Animate поставить скобку и нажать Apply. Появляется окно, в котором указаны параметры анимации (скорость анимации). Передвигая движок можно регулировать скорость анимации. Рис. 9 Окно результатов расчета 202