Глава 3
СТАТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ
СТЕРЖНЕВОЙ МОДЕЛИ КОНСТРУКЦИИ
И АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ
Для того чтобы иметь возможность проанализировать напряженно-деформированное состояние конструкции, необходимо провести расчет созданной расчетной модели и просмотреть полученные результаты.
3.1. Параметры расчета и запуск модели на расчет
В предыдущей главе подробно рассмотрен процесс создания расчетной модели стержневой конструкции.
Прежде чем отправить модель на расчет, обратимся к опции «Параметры расчета...» в меню «Расчет». Выбор этой опции приводит к открытию диалогового окна «Установки» (рис. 3.1), с помощью которого можно изменить тс параметры, которые заданы по умолчанию. Это диалоговое окно имеет несколько вкладок, которые соответствуют определенным видам расчета. В предыдущей главе подробно рассказано о подготовке модели к статическому расчету, поэтому здесь рассмотрим те параметры, которые открываются на вкладке «Статический расчет». Параметры для других видов расчета будут рассмотрены в соответствующих разделах.
Первый параметр — это количество сечений для расчета напряжений в стержневых элементах. По умолчанию здесь стоит число 20. Это означает, что каждый из стержневых элементов модели будет разбит по длине на 20 частей, и можно посмотреть распределение напряжений по длине любого из стержневых элементов с шагом 1/20 его длины. Если такая точность покажется пользователю недостаточной, он может увеличить число разбиений. Однако следует иметь в виду, что время расчета увеличится во столько раз, во сколько новое количество сечений будет больше 20.
Следующие параметры расчета - это характеристики разбиения сечения. В процессе расчета геометрических параметров сечения в него «вписываются» плоские конечные элементы треугольной формы. По умолчанию используется равномерная сетка разбиения, а количество конечных элементов равно 3203. Эти параметры годятся для большинства поперечных сечений,
Рис. 3.1. Диалоговое окно «Установки»
отдельные элементы которых имеют размеры значительно большие, чем поперечный размер вписываемого конечного элемента.
Необходимость изменять параметры разбиения может возникнуть, например, если поперечное сечение стержня имеет участки, размеры которых соизмеримы с размерами самого конечного элемента. В этом случае использование равномерной сетки разбиения приведет к заметным ошибкам, поэтому предпочтительно использовать неравномерную сетку, обеспечивающую более точное вписывание конечных элементов в сложное поперечное сечение.
Однако в абсолютном большинстве случаев параметры разбиения, заданные по умолчанию, соответствуют решаемой задаче и не требуют корректировки.
Стоящий по умолчанию флажок напротив опции «Проверять конструкцию на связанность перед расчетом обеспечивает проведение проверки модели на связанность перед началом расчета. Такая проверка позволяет убедиться в цельности созданной модели и исключить наличие несвязанных друг с другом частей. Если при проверке выяснится, что модель состоит из отдельных частей, то расчет производиться не будет, и пользователю выдается соответствующее сообщение.
Замечание. Выполнение проверки на связанность, особенно если в модель входит большое число элементов, требует значительных временных затрат. Поэтому при наличии уверенности в связанности модели флажок этой опции можно отключить, что ускорит выполнение расчета.
На результаты статического расчета влияет, кроме рассмотренных выше параметров, еще и значение ускорения свободного падения, которое используется при учете веса и по умолчанию равно 9,81 м/с2. Пользователь может корректировать это значение в зависимости от местности, в которой предполагается эксплуатировать рассматриваемую конструкцию. Если предполагается, что на конструкцию будут действовать различные перегрузки, то при подготовке модели это можно учесть, задавая множитель собственного веса в соответствующем загружении (см. п. 2.4.4.1).
Пользователь может выбрать и метод решения системы уравнений, указав его в выпадающем списке «Метод решения системы уравнений». Оба метода из этого списка, LDL и Frontal, принципиально могут работать с комбинацией различных конечных элементов. Кроме того, они позволяют решать системы уравнений с несколькими правыми частями (несколькими загруженными). Вместе с тем каждый из них имеет особенности.
По умолчанию предлагается использовать метод LDL. Этот метод характеризуется тем, что вся задача (вся матрица жесткости) находится в оперативной памяти компьютера, а если ее недостаточно, то операционная система создает временные файлы на жестком диске. Метод имеет ограничение по размерности задачи — примерно 300 тысяч степеней свободы, однако это число может варьироваться в зависимости от ширины ленточной матрицы жесткости конкретной модели.
Замечание. Для того чтобы оценить размерность задачи, необходимо определить количество узлов модели, а затем умножить их на число степеней свободы узла. Так, если при построении модели использовались стержневые и пластинчатые элементы, каждый узел которых имеет по 6 степеней свободы, то метод LDL может использоваться, если эта модель имеет не более 50000 узлов (300000/6=50000).
В том случае, если в модели присутствуют объемные элементы (твердотельные, или солид-элементы), каждый узел которых имеет три степени свободы (шаровой шарнир), то максимальное количество узлов может составлять примерно 100000. Но это потребует примерно 20 Гбайт свободного места на жестком диске.
Метод LDL характеризуется сравнительно низкой скоростью расчета и может эффективно использоваться только для решения задач с малым количеством степеней свободы (до 50000). Целесообразно использовать его также при решении задач на компьютерах, имеющих сравнительно большой объем оперативной памяти.
При расчетах методом Frontal в оперативной памяти компьютера размещается только часть матрицы жесткости, а остальные элементы матрицы хранятся на жестком диске во временных файлах. С помощью этого метода может быть решена сравнительно сложная задача с размерностью до 1 млн. степеней свободы, причем решение будет происходить с большей скоростью, чем методом LDL. Этот метод целесообразно применять для задач с большой размерностью (более 50000 степеней свободы) и на компьютерах со сравнительно малым объемом оперативной памяти, но при наличии значительного свободного места на жестком диске.
Следующие два параметра, размер оперативной памяти для работы алгоритма и размер файла для хранения матрицы (размер сегмента), позволяют задавать объем оперативной памяти и размер сегмента матрицы на жестком диске при использовании фронтального метода расчета.
Большинство остальных параметров диалогового окна «Установки» на других вкладках касаются других видов расчета и будут подробно рассмотрены в главе 9
Указав необходимые параметры, можно переходить непосредственно к расчету. Для того чтобы запустить этот процесс, необходимо выбрать в меню «Расчет» опцию «Расчет...».
Рис. 3.2. Диалоговое окно «Расчет»
Это вызовет появление окна выбора типов расчета (рис. 3.2). Пользователь флажком отмечает те типы расчета, которые необходимо провести. Нужно только иметь в виду, что с помощью АРМ Structure3D одновременно могут быть выполнены:
статический расчет;
расчет на устойчивость;
расчет собственных частот и соответствующих им собственных форм (с предварительным нагружением или без такового);
расчет вынужденных колебаний;
тепловой расчет.
Нелинейный и деформационный расчеты не могут выполняться одновременно со статическим и расчетом на устойчивость, поскольку все эти типы расчетов используют одни и те же инструменты для визуализации результатов. Это обстоятельство отражено следующим образом: при выборе опции «Нелинейный расчет» или «Деформационный расчет» невозможно одновременно поставить флажок на опции «Устойчивость», поскольку последняя в этом случае становится неактивной. Тем не менее, при просмотре результатов деформационного расчета становятся доступными и результаты анализа устойчивости конструкции, полученные с учетом деформированной схемы модели.
Для нашего примера ограничимся сначала проведением статического расчета. Особенности остальных типов расчетов будет рассмотрены в соответствующих разделах главы 9.
Включенная опция «Рассчитать видимую часть конструкции» позволяет рассчитать только те части модели, которые находятся в «видимых» слоях; при этом расчет остальных частей, расположенных в «погашенных» слоях, не проводится (более подробно о работе со слоями рассказано в п. 5.11).
Нажатием кнопки «ОК» в окне «Расчет» (рис. 3.2) производится запуск модели конструкции на расчет. Продолжительность расчета зависит от многих факторов, среди которых:
количество элементов в расчетной модели;
тактовая частота процессора;
Рис. 3.3. Окно «Идет расчет»
заданные параметры расчета и т. п.
Процесс вычислений контролируется в специальном окне «Идет расчет» (см. рис. 3.3).