ABAQUS: Światło dla branży budowlanej – skuteczna weryfikacja żelbetu i konstrukcji zespolonych

Klient z branży budowlanej to wymagający klient!

Analizy cyfrowe wykorzystywane są we wszystkich gałęziach przemysłu. Część z tych gałęzi jednak, przez wzgląd na stosowane materiały oraz rygorystyczne wymagania bezpieczeństwa, wymaga nieco bardziej zindywidualizowanego podejścia do symulacji. Rozważając chociażby branżę budowlaną, kluczowa w kontekście dobieranych rozwiązań informatycznych staje się intuicyjna praca z wielkogabarytowymi konstrukcjami, precyzyjna możliwość opisu modelu materiałowego cementu, zbrojenia, proste osadzanie zbrojenia w osnowie i wiele innych.
Platforma chmurowa 3DEXPERIENCE rzuca nowe światło na zarówno prostsze jak i zaawansowane obliczenia wytrzymałościowe – znany do lat 70’, najlepszy w swojej klasie solver Abaqus zintegrowany w narzędziu będącym w silnej symbiozie z SOLIDWORKSem (lub innym CADem jeśli potrzeba) wraz ze zmianami od 1 lipca 2023 roku staje się tak łatwo dostępny, jak nigdy przedtem! W ramach tego przykładu chciałbym pokazać w jaki sposób obliczeniowiec mający u boku platformę 3DX może wykonać cyfrową analizę pękania żelbetu w próbie trójpunktowego zginania.

Preprocessing – model dyskretny

Prerekwizytem do tej konkretnej analizy będzie stworzenie geometrii CADowskiej. Choć narzędzia analityczne na platformie 3DEXPERIENCE, podobnie jak desktopowy Abaqus, pozwalają na pracę z siatkami osieroconymi (ang. orphan), tak tutaj wykorzystamy silną współpracę rozwiązania chmurowego z narzędziem do projektowania jakim jest SOLIDWORKS. Na model będzie składać się cementowy blok oraz seria szkiców, które posłużą nam do definicji i ulokowania zbrojenia. Prócz tego zamodelowane zostały podpory oraz element przesuwny zginający rozważany ustrój. Przesłanie gotowego modelu CAD na platformę nie wymaga czasochłonnych importów oraz eksportów – wszystko odbywa się bezpośrednio przez konektor widoczny po prawej stronie interfejsu SOLIDWORKS.

Zdj. 1 Model geometrii z widocznymi szkicami. Po prawej znajduje się okno konektora łączącego SOLIDWORKS z platformą chmurową 3DEXPERIENCE

Zdj. 2 Geometria z widoku platformy 3DEXPERIENCE

Preprocessing rozpoczniemy od dyskretyzacji komponentów bryłowych. W odróżnieniu od innych rozwiązań dostępnych na rynku, tutaj mamy dostęp do szerokiej biblioteki elementów skończonych pozwalających na obranie różnych technik siatkowania. W przypadku tego problemu, ze względu na bardzo przyjemną geometrię, posłużę się siatką HEX utworzoną poprzez wyciągnięcie. Definicja odpowiednich składowych modelu dyskretnego odbywa się poprzez okna definicyjne. Pozwalają one na wprowadzenie odpowiednich parametrów bez konieczności „skakania po interfejsie” – w przypadku siatki utworzonej poprzez wyciągnięcie wystarczy jedynie (w najprostszym podejściu) wskazać rozmiar elementu skończonego oraz ilość warstw jaka ma być utworzona po trzecim wymiarze (tj. po wymiarze w którym następuje wyciągnięcie).

Zdj. 3 Okno definicji siatki bryłowej HEX przez wyciągnięcie

Zdj. 4 Widok siatki bryłowej

Przechodząc do geometrii jednowymiarowej (szkicu) należy mieć na uwadze, że każda z linii stanowi osobny obiekt. Tym samym „standardowa” dyskretyzacja, choć bardzo dokładna, mogłaby wydłużyć czas pracy analityka mimo dostępnych, intuicyjnych narzędzi do dostosowywania węzłów oraz ich przechwytywania. Alternatywnym podejściem, które w tym przypadku obrałem, jest utworzenie tzw. kształtu abstrakcyjnego w ramach którego geometrie znajdujące się w naszym pliku CAD możemy dostosowywać, naprawiać, upraszczać czy chociażby łączyć. Te ostatnie w kontekście naszego zagadnienia jest kluczowe – połączono odpowiednie linie, co pozwoliło zredukować ilość korków spędzonych na nakładaniu siatki.
Dysponując już modelem dyskretnym możemy przejść do przypisywania własności, czyli do tak zwanych „przekrojów” (nomenklatura Abaqusowa – ang. „Sections”). W ramach przekrojów stowarzyszonych z daną grupą elementów skończonych (elementy bryłowe, płaskie, jednowymiarowe) możemy m.in. przypisywać materiały, grubość oraz odsunięcie, przekrój profilu i wiele innych. Poniżej przedstawiono okno definicyjne przekroju właściwościowego dla bloczka cementu. Podobne definicje prowadzono dla reszty składowych – dla zbrojenia dodatkowo zadeklarowano przekrój kołowy o konkretnym promieniu.

Zdj. 5 Definicja materiału dla zginanego bloczka (jeszcze bez osadzenia zbrojenia – sam cement)

Zdj. 6 Pogląd zbrojenia wraz z wyświetlaniem grubości profilu pochodzącego z przekroju właściwościowego

Bardzo ciekawym momentem, który najpewniej zdawało się przez chwilę że pominąłem, jest definicja zachowania konstytutywnego materiału. Do definicji materiałowej na platformie chmurowej 3DEXPERIENCE posługuje użytkownikom aplikacja „Material Definition”, która ma wiele wspólnego z oknem definicji materiałowej po stronie Abaqusa Standalone. Zbrojeniu przypisano arbitralną stal w modelu liniowym sprężystym, z kolei cement został opisany przy uwzględnieniu nieliniowej charakterystyki „kruchej” pracy na ścinanie oraz rozciąganie. Dodatkowo, dopisałem arbitralny model zniszczenia.

Zdj. 7 Okno definicyjne zachowania materiałowego cementu

Praca z zaawansowanymi modelami materiałowymi może wydawać się trudna (co więcej, bardzo często taka może być), jednak dokumentacja dostępna dla operatora narzędzi analitycznych 3DEXPERIENCE wychodzi poza obsługę programu prezentując również teoretyczne zaplecze za poszczególnymi funkcjonalnościami uświadczalnymi w interfejsie. Flagowy przykład zawarłem poniżej.

Zdj. 8 Fragment dokumentacji traktujący o teorii za modelem materiałowym cementu

Kontynuując budowę modelu dyskretnego warto zatrzymać się niekiedy na pasku abstrakcji, które pozwalają poczynić pewne założenia lub odzwierciedlić oddziaływanie komponentów, które w rzeczywistości w modelu nie występują (sztywne ciała lub powierzchnie, dodatkowa inercja, wirtualne interfejsy przez które może zachodzić wymiana medium, składowe związane z absorpcją dźwięku etc.). Tutaj potraktowano obie podpory jak i element przesuwny jako doskonale sztywne. Względem Abaqusa Standalone platforma 3DEXPERIENCE wprowadza też wiele, z początku niepozornych, ułatwień – tutaj objawia się jeden z nich. Tak jak w Abaqusie desktopowym wymagane jest określenie punktu referencyjnego dla ruchu obiektu sztywnego, tak tutaj 3DEXPERIENCE jest w stanie „automatycznie” utworzyć wspomniany punkt referencyjny i umieścić go w środku ciężkości. W przypadku większych złożeń te i podobne udogodnienia pozwalają znacznie zmniejszyć ilość zbędnych, pomocniczych geometrii.

Zdj. 9 Okno definicyjne obiektu doskonale sztywnego

Ostatnim krokiem na tym etapie jest osadzenie elementów jednowymiarowych stowarzyszonych ze zbrojeniem w osnowie, jaką jest cement. Do tego posłuży nam narzędzie umieszczone w zakładce połączeń o nazwie „Embedded Constraint”. Ażeby związać części konstrukcji zespolonej wystarczy wybrać składową która ma zostać osadzona, oraz region hostujący (osnowę).

Zdj. 10 Czerwonym kolorem zaznaczono narzędzie pozwalające utworzyć żelbet

Zdj. 11 Okno definicyjney zespolone pozwalające na osadzenie zbrojenia w osnowie

Prepocessing – scenariusz

Ukończywszy budowę modelu dyskretnego możemy przejść do tworzenia scenariusza, a więc definiowania typu analizy, warunków początkowych, interakcji, warunków brzegowych, obciążeń itp. W kontekście naszej próby quasi-trójpunktowego zginania rozpoczniemy od zdefiniowania kontaktu. Wyróżnikiem pracy na platformie z wbudowaną Abaqusową matematyką jest łatwość definicji interakcji między poszczególnymi komponentami. Oczywiście operator systemu mógłby wybierać kolejne pary powierzchni określając charakter przebiegu kontaktu „one-by-one”, jednak istnieje alternatywne podejście. Kontakt ogólny pozwala na uwzględnienie kontaktu pomiędzy zewnętrznymi powierzchniami (domyślnie) w całej domenie obliczeniowej. Na wspomnianą domenę obliczeniową mogą składać się wszystkie obiekty znajdujące się w symulacji lub tylko jakiś ich podzbiór. Tutaj, definicję kontaktu ogólnego uzupełniono dodatkową właściwością kontaktową przypisującą wartość współczynnika tarcia na arbitralnej wartości 0.2.

Zdj. 12 Okno definicyjne obiektu kontaktu ogólnego

Podporom traktowanym jako ciała doskonale sztywne odebrano wszystkie stopnie swobody w węzłach referencyjnych. Podobnie odebrano wszystkie stopnie swobody prócz translacyjnego na kierunku zginania w węźle referencyjnym bloczka ruchomego. Ponieważ chciałbym uniknąć gwałtownych przyspieszeń, do opisu przemieszczenia węzła referencyjnego bloczka środkowego posłużyłem się funkcją gładką (czyli funkcją zapewniającą zerową pierwszą oraz drugą pochodną na początku oraz na końcu).

Zdj. 13 Przypisywanie warunku przemieszczeniowego na węźle referencyjnym bloczka środkowego

Prócz powyższych kroków w badaniu zdefiniowano dodatkowo oddziaływanie grawitacyjne oraz skalowanie masowe (typ analizy to quasi-statyczna explicit). Na tym etapie wspomniane składowe preprocessingu nie będą szczegółowiej omawiane. Oczywiście poszczególne wiązania/warunki przypisane na etapie budowy modelu dyskretnego oraz scenariusza mają swoją reprezentację graficzną w interfejsie platformy.
Co warto podkreślić – w przeciwieństwie do SOLIDWORKS Simulation platforma pozwala znacznie ograniczyć objętość plików wyjściowych poprzez pozostawienie użytkownikowi możliwości ręcznego zdefiniowania żądań wydruku. W przypadku znacznej części analiz pewne wartości są zaznaczone domyślnie, jednak ustawienia te są w pełni edytowalne.

Zdj. 14 Okno żądań wydruku (dane pola)

Postprocessing – scenariusz

Narzędzia analityczne na 3DEXPERIENCE można zaliczyć do klasy pre-post. Oznacza to, że zarówno cały postprocessing jak i weryfikacja wyników odbywa się w ramach tej samej roli obliczeniowej, w jednym interfejsie. Rozbudowane, lecz niezmiernie proste w obsłudze narzędzia jakie ma do dyspozycji inżynier konstruktor/analityk pozwalają między innymi na tworzenie nowych map konturowych, obwiedni, wykresów płaskich, definicji sensorów, linearyzacji naprężeń, sprawdzania połączeń, tworzenia animacji, zarządzanie widokiem, tworzenie animacji, automatyczne generowanie raportów oraz wiele więcej! Przekonaj się, jak przyjemna do pracy jest platforma chmurowa 3DEXPERIENCE!

Zdj. 15 Widok ustroju w zwiększonej przezroczystości – odkształcenie plastyczna (deformacja 10)

Zdj. 16 Widok konstrukcji w rzeczywistej deformacji – składowa 33 tensora naprężeń

Zdj. 17 Maksymalne odkształcenie główne (żadanie wydruku PE) – zaznaczono jedynie obszary z wartością większą od 0.0001

http://www.dpstoday.pl/wp-content/uploads/2023/09/Video-1.mp4

Post: ABAQUS: Światło dla branży budowlanej – skuteczna weryfikacja żelbetu i konstrukcji zespolonych