SolidWorks Simulation – назначение и основные особенности

SolidWorks Simulation – приложение к SolidWorks, предназначенное для решения задач механики деформируемого твердого тела методом конечных элементов. Это программное обеспечение для решения задач расчета на статическую прочность и устойчивость в линейной и нелинейной постановке, выделения собственных частот, оптимизации формы деталей и сборок в линейной постановке, анализа усталости и поведения конструкции при падении.

Программа использует геометрическую модель детали или сборки SolidWorksдля формирования расчетной модели. Интеграция с SolidWorksдает возможность минимизировать операции, связанные со специфическими особенностями конечно-элементной аппроксимации. Назначение граничных условий производится в привязке к геометрической модели, такими же особенностями обладают и процедуры представления результатов.

SolidWorks Simulationпостроен на базе метода конечных элементов. Отметим рад особенностей его реализации в данной программе.

1. В SolidWorks Simulationиспользуются три базовых типа конечных элементов: объемные изопараметрические тетраэдры, треугольные элементы оболочек и элементы балок. Два первых типа конечных элементов могут иметь линейное или параболическое поле перемещений (постоянную деформацию или линейное поле деформаций). Тетраэдры содержат, соответственно, 4 или 10 узлов, оболочки 3 или 6 а балки/стержни – 2.

2. Программа допускает сосуществование в одной модели твердотельных и оболочечных конечных элементов, причем гибридные сетки работоспособны как в линейных, так и в нелинейных расчетных моделях. Однако, элементы балок/стержней не сочетаются с какими-либо другими типами конечных элементов.

3. Контактные конечные элементы, по крайней мере, в явном виде, в про­грамме отсутствуют. На основе косвенных наблюдений можно утвер­ждать, что учет соответствующих граничных условий осуществляется из­менением глобальной матрицы жесткости системы. Виртуальные объекты типа болтов, стержней/шпилек, пружин реализованы, как следует из мате­риалов фирмы-разработчика, на базе элементов балок/стержней.

4. Некоторые другие типы кинематических граничных условий реализуются непосредственным изменением матрицы жесткости системы (в ранних версиях программы для этого использовались штрафные функции ‒ фак­тически «очень» жесткие вспомогательные элементы, что приводило к ошибкам программы).

5. В пределах одной сборки допускается сосуществование произвольных комбинаций контактных граничных условий типа входа в контакт и выхо­да из контакта.

6. Для расчета сборок/многотельных деталей в программе реализованы гра­ничные условия, объединенные в группу «Соединения» (Connectors). Реали­зация этих условий (или некоторых их разновидностей) предполагает та­кие изменения матрицы жесткости системы (для некоторых из них нам неизвестно, осуществляются они через непосредственную ее модифика­цию или же посредством ввода вспомогательных «жестких» конечных элементов), которые фактически приводят к появлению в модели абсо­лютно жесткого виртуального объекта. Как следствие, в месте, где этот объект взаимодействует с «реальными» деталями сборки (фактически, в зоне приложения описанных граничных условий), возможно появление теоретически бесконечных деформаций (напряжений). На практике это выражается в отсутствии сходимости решения при уплотнении сетки и, скорее всего, некорректным результатам.

7. В SolidWorks Simulation присутствует р-адаптивный метод построения сетки конечных элементов. Это значит, что в зонах с высоким градиентом энер­гии деформации программа увеличивает порядок полинома, аппроксими­рующего поле перемещений в конечном элементе. При некорректной постановке кинематических граничных условий возможно появление осо­бенностей (теоретически бесконечных деформаций и напряжений). При­менение данной опции для таких расчетных моделей приводит к абсурд­ным результатам.

8. В SolidWorks Simulation присутствует h-адаптивный метод построения сетки конечных элементов. Он заключается в уплотнении сетки в зонах, где ве­личина плотности энергии деформации относительно велика по сравне­нию со средним ее значением.

9. В рамках упругого анализа возможно использование ортотропных мате­риалов. Доступны ортогонально-ортотропные и, как частный их случай (он не выделяется отдельно), трансверсально-изотропные материалы. Возможно назначение цилиндрической ортотропии. Криволинейная ортотропия отсутствует. Эти свойства можно назначать как для твердых тел, так и для оболочек.

10. При оценке прочности сборок посредством функции SolidWorks Simulation «Проверка прочности (Design Check Wizard) для всех материалов используется один и тот же тип критерия прочности. Таким образом, применение этой функции для анализа сборок, содержащих детали из хрупких и вязких материалов, проблематично, если требуется отобразить результаты сразу для всех деталей.

SolidWorks Simulation позволяет выполнять следующие виды моделирования:

– статический анализ в упругой постановке с расчетом отдельных деталей по пространственной или оболочечной модели, а также сборок в трехмер­ной постановке с учетом взаимодействия деталей;

– расчет собственных частот и соответствующих им форм для деталей твердотельном или оболочечном представлении, а также сборок с непод­вижными деталями;

– расчет величин критических нагрузок потери устойчивости и соответст­вующих им форм для деталей в твердотельном или оболочечном пред­ставлении, а также сборок с неподвижными деталями;

– тепловой расчет с учетом явлений теплопроводности, конвекции, излуче­ния, но без учета движения сред;

– термоупругий анализ на базе результатов теплового расчета;

– параметрическая оптимизация по критерию минимизации/максимизации массы, объема, собственных частот и критической силы;

– имитация деформирования конструкции с учетом физической и геометри­ческой нелинейности, а также ввиду изменения нагрузок и температуры во времени;

– моделирование эффекта падения конструкции на жесткую или упругую поверхность;

– усталостный расчет с учетом кривых усталости, формы кривой нагрузки, а также линейной гипотезы суммирования повреждений.

Все эти типы анализа могут быть связаны с одним и тем же объектом SolidWorks.

SolidWorks Simulation требует соблюдения базовой канвы алгоритма метода конеч­ных элементов, предоставляя внутри каждого этапа определенную свободу в последовательности шагов подготовки модели и рассмотрения результатов. Для расчета в упругой постановке для моделей в твердотельном представле­нии предполагаемая цепочка событий описана ниже.

1.  Создание анализа определенного типа и определение его настроек. По­следние могут быть изменены в любой момент перед выполнением рас­чета.

2.  Заполнение, если необходимо, таблицы параметров, определяющей набор величин, которые могут изменяться (конкретно — для которых могут на­значаться списки значений) в ходе расчета.

3. Подготовка исходных данных внутри заданного анализа:

– назначение материала детали или деталям;

– назначение кинематических граничных условий;

– назначение статических граничных условий;

– назначение контактных граничных условий, если рассчитывается сбор­ка или деталь из нескольких тел;

– создание сетки.

4. Связывание, в случае необходимости, параметров из таблицы параметров с соответствующими анализами.

5. Выполнение расчета.

6. Обработка результатов:

– создание необходимых диаграмм;

– анализ диаграмм;

– экспорт результатов.

Процедура оптимизации базируется на результатах расчетов в линейной по­становке (статического анализа, расчета на собственные частоты и на устой­чивость). Усталостный анализ требует также выполнения как минимум одно­го статического расчета.