SOLIDWORKS Simulation: Statyczne ABC – konstruktorze, ułatw sobie pracę!

Ewolucja stosu kartek

Obliczenia ręczne były intensywnie przeprowadzane w procesach projektowania na przełomie ostatnich stuleci. Były one narzędziem absolutnie koniecznym, pozwalającym na pogodzenie bezpieczeństwa, ergonomii użytkowania i estetyki. Niestety, były wtenczas również jedynym dostępnym rozwiązaniem, warto dodać, nieraz niesamowicie czasochłonnym.

Obecnie mamy alternatywy pozwalające zamienić liczne strony zapisków i długie godziny spędzone na szukaniu prawideł analitycznych na precyzyjne, szybkie i łatwo przyswajalne rozwiązania numeryczne. Jedną z nich jest podejście oparte na sprawdzonej metodzie elementów skończonych. Mając na uwadze potrzeby polskiego przemysłu, w znakomitej większości zachodzi potrzeba jedynie statycznej walidacji wytrzymałościowej, tj. takiej w której zakładamy względnie niewielkie przemieszczenia, obciążenia są przykładane powoli lub analizie podlega stan ustalony. Nie ma więc większego sensu inwestycja w drogie oprogramowanie inżynierskie będące „skrojone” pod analityków zajmujących się, na przykład, nieliniowymi badaniami zjawisk dynamicznych. Naturalnym jest zadań sobie pytanie, czy zatem istnieje na rynku produkt będący przeznaczonym pod brać konstruktorską, gdzie obliczenia stanowią jedynie niewielki kawałek spośród szerokiego zakresu obowiązków? Okazuje się, że tak!

Pracujesz w SOLIDWORKS? Świetnie się składa!

SOLIDWORKS Simulation jest narzędziem pozwalającym na pewne obliczenia statyczne w obrębie dobrze znanego interfejsu SOLIDWORKS. Wyróżnikiem software’u jest pełna asocjatywność z częścią CADowską – tym samym jakakolwiek zmiana wprowadzona w narzędziu do projektowania rozpropaguje do naszego badania symulacyjnego. Od strony korzyści operacyjno-biznesowych należy w tym miejscu wspomnieć o znacznym skróceniu czasu potrzebnego na wprowadzenie gotowego produktu na rynek oraz o oszczędnościach związanych z redukcją prototypów fizycznych. Co więcej, proces projektowania sekwencyjnego ma to do sobie, że każda zmiana wprowadza dodatkowe koszty. Im dalej w projekt, tym oczywiście wspomniane koszty są większe. Projektowanie symulacyjne pozwala na wstępne, a dalej na coraz bardziej szczegółowe obliczenia już na etapie projektu wstępnego.

Zobacz naocznie jakie to proste!

Rozważmy konstrukcję będącą stanowiskiem do testowania siłowników, które następnie będą wykorzystywane do napędu klap w samolotach. Jest to przykład bazujący na faktycznym projekcie jednego z klientów. Na podzłożenie łącznika składają się dwa siłowniki oraz cztery bloczki, które pozwalają na swobodne przesuwanie. Inżynierowi odpowiedzialnemu za opisywany projekt zależało przede wszystkim na wyznaczeniu naprężeń w tym konkretnym podłożeniu oraz na siłach reakcyjnych na bloczkach (zbyt duże siły spowodowałyby „zatarcie” się bloczków na szynach).

Rys. 1 Stanowisko do testowania klap samolotów (zamodelowane w SOLIDWORKS)

Rys. 2 Podzłożenie łącznika

Rys. 3 Część poddawana walidacji złożeniowej

Warto podkreślić, że weryfikacja konkretnego komponentu nie wymaga tworzenia zupełnie nowego pliku z rozważaną geometrią CADowską. W ramach SOLIDWORKS użytkownik ma możliwość utworzenia osobnej konfiguracji, w której mogą znajdywać się jedynie elementy poddawane weryfikacji. Alternatywą dla powyższego może być również wygaszanie poszczególnych, nieistotnych części bezpośrednio w symulacji, co nie ma wpływu na integralność złożenia w interfejsie CADowskim.

Badanie rozpoczniemy od uruchomienia dodatku SOLIDWORKS Simulation z menu dodatków. W wyniku odznaczenia odpowiedniego okienka na górnym pasku narzędzi pojawi nam się nowa zakładka „Simulation”. Pierwszym krokiem w celu utworzenia nowej analizy jest wybranie typu badania. Spośród szerokiej gamy wybierzemy tym razem analizę statyczną. Ponieważ rozwiązanie jest w pełni skalowalne (Standard, Professional, Premium) użytkownik może wybrać, do których rodzajów analiz chciałby mieć dostęp.

Rys. 4 Okno wyboru typu badania w SOLIDWORKS Simulation

Symulacyjne drzewko operacji jest zbudowane tak, ażeby bezbłędnie przeprowadzić przez proces tworzenia symulacji każdego użytkownika – nawet tego, który po raz pierwszy spotyka się z analizami metodą elementów skończonych. Przechodząc przez kolejne zakładki drzewa od góry do dołu mamy pewność, że na ekran komputera zostanie przeniesiona rzeczywista praca konstrukcji.

Pierwsza zakładka poświęcona jest obiektom znajdującym się w danej konfiguracji. Jeżeli z jakichś powodów nie chcemy uwzględniać części z nich, to właśnie w tym miejscu użytkownik ma możliwość ich wygaszenia. Również tutaj mamy możliwość wyboru materiału, z którego mają być wykonane odpowiednie części. SOLIDWORKS Simulation dysponuje bogatą biblioteką materiałową, która opcjonalnie może być dodatkowo poszerzona o biblioteki zewnętrzne, lub definicje materiałowe wprowadzone przez użytkownika. Po trzecie, również i w tej zakładce możemy wybrać w jaki sposób nasz komponent zostanie zdyskretyzowany. Do wyboru mamy domyślą siatkę bryłową (tetraedryczną), siatkę elementów płytowo-powłokowych (pozwalającą na znacznie skrócenie czasu obliczeń na obiektach względnie cienkich, jak arkusze blach) oraz siatkę elementów jednowymiarowych (ramowych lub kratownicowych). W przypadku naszej analizy wszystkie komponenty są stosunkowo grube – tym samym podjęto decyzję o zastosowaniu elementów bryłowych. Materiałami przypisanymi odpowiednim elementom są stal stopowa oraz stal węglowa.

Rys. 5 Wiersz pozwalający na zdefiniowanie materiału

Rys. 6 Okno definicji właściwości materiałowych

Rys. 7 Fragment drzewka symulacyjnego – zielone symbole po lewej oznaczają poprawne zdefiniowanie materiału

Poniżej zakładki poświęconej częściom odnajdziemy dwie odpowiedzialne dla połączenia oraz umocowania. Pierwsza z nich pozwala na intuicyjną definicję spoin, śrub, połączeń cięgłowych, kołków i wielu innych. Dodatkowo mamy możliwość zdefiniowania typu interakcji pomiędzy odpowiednimi częściami – poszczególne obiekty mogą zachowywać się jak jeden monolit (kontakt wiązany), być ze sobą w kontakcie (tarcie) lub się przenikać. Wiersz umocowań pozwala z kolei na odebranie poszczególnych stopni swobody. Mając na uwadze naszą konstrukcję chcielibyśmy odebrać możliwość przesuwania się cylindrycznych ścian w kierunku promieniowym. Spośród wielu dostępnych narzędzi wykorzystamy zakładkę „zaawansowanych umocowań”, która pozwala (między innymi) na taką operację jak wyżej.

Rys. 8 Panel umocowań w SOLIDWORKS Simulation

Rys. 9 Odebranie radialnych stopni swobody na ścianach cylindrycznych czterech bloczków

Rys. 10 Odebranie radialnych stopni swobody na dwóch cylindrycznych ściankach poniżej

Pora na przyłożenie obciążeń wywołanych działaniem siłowników. SOLIDWORKS Simulation pozwala użytkownikowi na symulację wytężenia w oparciu o definicję siły, momentu obrotowego, ciśnienia, grawitacji, siły odśrodkowej, temperatury i innych. W tym przypadku posłużymy się siłą o wartości 1500 lbf przyłożoną w konkretnym kierunku. Ażeby zdefiniować porządny kierunek możemy posłużyć się dowolną płaszczyzną lub krawędzią. Niżej do definicji wybrano jako odniesienie jedną ze ścian modelu.

Rys. 11 Panel obciążeń SOLIDWORKS Simulation

Rys. 12 Przyłożona siła wynosi 750 lbf na jeden wybrany element. Kierunek zdefiniowano jako normalny do wybranej na różowo ściany modelu.

Krok następny – siatka dyskretyzacyjna. Tworzenie tzw. „meshu” jest w dodatku wyjątkowo proste. Wystarczy wybrać typ tworzonej siatki (czy ma to być siatka jednorodna, czy może w sposób automatyczny powinna być zaokrąglana w miejscach gdzie występują karby) oraz rozmiar elementu. W przypadku gdy jest potrzeba szczególnej kontroli konkretnego regionu, operator systemu ma możliwość lokalnego dostosowania siatki. Jest to szczególnie przydatne w kontekście modelowania koncentracji naprężeń lub uzyskiwania dokładnych wyników w miejscach kontaktu poszczególnych geometrii. Po utworzeniu siatki zyskujemy dostęp do narzędzi pozwalających na weryfikację jej jakości.

Rys. 13 Okno poświęcone siatce dyskretyzacyjnej w SOLDIWORKS Simulation

Rys. 14 Ustawienia siatki globalnej

Pisząc o siatce dyskretyzacyjnej trudno nie wspomnieć o aparacie matematycznym stojącym za wyznaczaniem wartości w węzłach. Użytkownik SOLIDWORKS Simulation ma dostęp, w ramach ustawień danego badania, do narzędzi pozwalających m.in. na kontrolowanie matematyki pozwalającej na proces obliczeniowy.

Rys. 15 Okno ręcznego wyboru procesora

Przeszedłszy przez opisaną powyżej ścieżkę tworzenia setupu wystarczy uruchomić symulację. Możemy zrobić to bezpośrednio z górnego paska klikając w przycisk „Uruchom to badanie”.

Rys. 16 Fragment CommandManagera dodatku Simulation

W momencie, kiedy obliczenia zostaną przeprowadzone możemy przejść do analizy wyników. Domyślnie SOLIDWORKS Simulation utworzy nam trzy wykresy będące odpowiednio mapami naprężenia, przemieszczenia i odkształcenia. Te jednak mogą być dowolnie modyfikowane, jak i mogą zostać utworzone nowe wykresy. Moduł postprocessingu pozwala uzyskać dokładny wgląd w szeroką gamę charakterystyk wytężenia, jak i dostosować sposób wyświetlania. Weryfikację otrzymanych wyników rozpoczniemy od zapoznania się z mapą naprężeń.

Rys. 17 Mapa naprężeń w rozważanych komponentach

Wykorzystawszy możliwości tworzenia przecięć oraz izopowierzchni użytkownik uzyskuje dostęp do informacji nt. pracy konstrukcji w miejscach niewidocznych „gołym okiem”.

Rys. 18 Przekrój płaszczyzną przez wyświetlaną mapę naprężeń

Rys. 19 Wyświetlenie obszarów o wartości naprężeń większych niż 12 MPa

Jak wygląda definicja nowego wykresu? Zadanie sprowadza do wybrania odpowiedniego wiersza, a następnie poinstruowaniu programu co do konkretnej składowej.

Rys. 20 Panel postprocessingu w SOLIDWORKS Simulation

Rys. 21 Dostęp do wyświetlania poszczególnych składowych naprężenia

Nałóżmy siatkę na wyświetlany model, a następnie wykorzystajmy narzędzie sondy by zweryfikować pożądane wartości w konkretnych miejscach modelu. Pobrane wartości mogą zostać przedstawione funkcyjnie na wykresie, lub też wyeksportowane do dalszej „obróbki”.

Rys. 22 Mapa naprężeń z nałożoną siatką dyskretyzacyjną

Rys. 23 Okno narzędzia „Sonda”

Zbliżając się do końca omawianego przykładu wyświetlmy siły reakcyjne na ściankach cylindrycznych poruszających się bloczków. Możemy je zweryfikować posługując się menu „Siła wynikowa”. Prócz weryfikacji sił na złączach, sił kontaktowych/tarcia, sił reakcji czy sił swobodnego obiektu, SOLIDWORKS Simulation pozwala na weryfikację wytrzymałościową uprzednio zdefiniowanych śrub, kołków, połączeń cięgłowych czy spawów!

Rys. 24 Wyznaczanie sił reakcji w cylindrycznych otworach

Animacja 1 Mapa naprężeń w skali umożliwiającej uświadczenie pracy konstrukcji

Animacja 2 Mapa przemieszczeń w wyświetlaniu rzeczywistym. Ruch komponentu jest niemal niewidoczny

Post: SOLIDWORKS Simulation: Statyczne ABC – konstruktorze, ułatw sobie pracę!