Лекция № 9 «Средства инженерного анализа моделей электронных устройствах в SolidWorks»

Введение

Одним из наиболее эффективных с точки зрения функционала и эргономики является семейство модулей SolidWorks Simulation, включающее:

- модуль прочностного расчета SolidWorks Simulation (ранее COSMOS Works);

- модуль гидрогазодинамики и теплопередачи SolidWorks FlowSimulation (ранее COSMOS FloWorks);

- модуль анализа движения SolidWorks Motion (ранее известный как COSMOS Motion).

Все они базируются на современных алгоритмах численного анализа, непрерывно совершенствуются, качественно валидированы и исчерпывающе документированы.

Начальная конфигурация Simualtion, входящая в SolidWorksPremium, позволяет осуществлять полноценный анализ деталей и сборок с учетом разнообразных контактных условий, в том числе нелинейных и посадки с натягом, наличия виртуальных соединителей: штифтов, резьбовых соединений с натягом, пружин, оснований, опор с подшипниками и т.п., с применением анизотропных материалов, разнообразных нагрузок, а также позволяет строить модели на основе конечных элементов разных типов: объемных, балочных/стержневых, оболочечных и любых их комбинаций.

Конфигурации SolidWorks более высокого уровня позволяют осуществлять дополнительно другие типы анализа, в частности имитацию падения, расчет собственных частот и линейной устойчивости, имитировать нелинейное поведение материалов, рассчитывать многослойные анизотропные конструкции и, наконец, выполнять полноценный динамический анализ по линейной и нелинейной модели.

Тепловой расчет можно осуществлять как посредством Simulation в конфигурации SolidWorks Professional, так и с помощью FlowSimualtion. Радикальным отличием модуля FlowSimualtion является решение задачи гидро газодинамики и тепломассопереноса с изменяющимися свойствами среды. Поэтому, если устройство функционирует в вакууме, в том числе в присутствии теплообмена излучением или солнечного излучения, а также когда теплообмен c внешней средой предопределен, то можно ограничиться функциональностью конфигурации Simulation, входящей в SolidWorks Professional. В противном случае рекомендуется использовать FlowSimualtion, позволяющий, в частности, исключить этап поиска адекватных коэффициентов теплоотдачи (конвективной или иной природы), а также параметров (температуры, скорости, давления и т.д.) текучей среды.

Модуль анализа движения SolidWorksMotion, входящий в конфигурацию SolidWorksPremium, позволяет рассчитывать кинематику и динамику жестких и условно податливых механизмов, систем со сложной схемой кинематических связей и условий нагружения. Для расчёта динамики деформируемого тела следует использовать процедуры динамического анализа из Simulation Premium.

Вопрос № 1 Анализ прочности и устойчивости конструкции в SolidWorks Simulation

SolidWorks Simulation – это система анализа конструкций, полностью интегрированная с SolidWorks. SolidWorks Simulation обеспечивает анализ напряжения, потери устойчивости, оптимизации, а также частотный и термический анализ на одном экране. Оснащенный быстрыми решающими программами, SolidWorks Simulation дает возможность быстро решать большие задачи, используя персональный компьютер.

Преимущества анализа

После построения модели необходимо удостовериться, что она эффективно работает, проведя тестирование. При отсутствии инструментов анализа настоящая задача может быть решена только за счет выполнения дорогостоящих и затратных по времени циклов разработки изделия. Цикл разработки изделия обычно включает следующие этапы:

- построение модели;

- построение опытного образца конструкции;

- испытание опытного образца;

- оценка результатов испытаний;

- изменение конструкции на основании результатов испытаний.

Этот процесс продолжается до получения удовлетворительного решения.

С помощью анализа можно выполнить следующие задачи:

- уменьшить стоимость модели за счет проведении ее испытания на компьютере вместо дорогостоящих эксплуатационных испытаний;

- сократить время, необходимое для представления продуктов на рынок, путем уменьшения количества циклов разработки изделия.

Основные понятия анализа

Программное обеспечение использует метод конечных элементов (МКЭ). МКЭ называют FEA системами (Finite Element Analysis) – это численный метод анализа технических конструкций. МКЭ принят в качестве стандартного метода анализа благодаря его универсальности и пригодности для работы на компьютерах. Этот метод анализа используется в САПР: Autodesk Inventor, SolidWorks, PRO/Engineer, Solid Edge, CATIA и др.

Существуют и другие численные методы расчёта (моделирования): метод конечных разностей (МКР), конечных объемов (МКО), граничных элементов (МГЭ).

МГЭ - метод, использующий аналитические решения для численного решения краевых задач, когда в контрольных точках на границе удовлетворяются граничные условия. Из этих соотношений составляется система алгебраических уравнений и может быть вычислено решение в любой точке. Метод хорош для полубесконечных тел. Недостаток метода - невозможность решать нелиенйные задачи.

МКЭ - метод формирования алгебраических уравнений на основе матриц элементов. Для узловых точек, скажем в плоском случае, к точке могут примыкать три, четыре или больше элементов. Это в некоторых случаях может привести к потере аппроксимации. Метод очень эффективен для быстрого получения первого результата решения задачи.

МКР - формирование алгебраических уравнений осуществляется на шаблоне, когда топология узла и находящихся рядом с ним ячеек (элементов) строго задана. Для существенно нелинейных задач это позволяет проводить аппроксимацию в криволинейных координатах с более высоким порядком. Считается, что достоверность решений МКР существенно больше чем у МКЭ.

МКО больше используется в гидродинамике. Для ячеек с произвольным количеством граней (ребер) формулируются алгебраические соотношения, иногда существенно нелинейные и больше похожие на гидравлические формулы. В отличии от МКЭ и МКР в них отсутствуют узловые определяющие параметры среды, отдавая предпочтение параметрам на ребрах и гранях.

МКЭ делит модель на много малых частей простых форм, называемых элементами, эффективно заменяющими сложную задачу несколькими простыми, которые необходимо решить совместно.

Элементы имеют общие точки, называемые узлами. Процесс деления модели на малые части называется созданием сетки (рис. 1.1).

а) б)

Рис. 1.1 - Создание сетки

а) модель детали; б) модель, разделенная на мелкие части (элементы)

Поведение каждого элемента по всем возможным сценариям опоры и нагрузки хорошо известно. Метод конечных элементов использует элементы различных форм (рис.1.2).

Реакция в любой точке элемента интерполируется из реакции узлов элементов. Каждый узел полностью описывается рядом параметров, зависящих от типа анализа и используемого элемента.

Например, температура узла полностью описывает его реакцию в термическом анализе. Для расчетов конструкции реакция узла представляется, в целом, тремя перемещениями и тремя вращениями. Они называются степенями свободы (DOF). Анализ с использованием метода FEM называется анализом конечных элементов (FEA).

Рис.1.2 - Тетраэдральный элемент

Красные точки представляют собой узлы. Кромки элементов могут быть изогнутыми или прямыми

Программное обеспечение разрабатывает уравнение, управляющее поведением каждого элемента, учитывая его соединения с другими элементами. Эти уравнения связывают реакцию с известными свойствами материала, ограничениями и нагрузками.

Далее программа упорядочивает уравнения в большую систему совместных алгебраических уравнений и находит неизвестные.

К примеру, для расчета напряжений решающая программа находит перемещения в каждом узле, а затем вычисляет деформации и конечное напряжение.

Графически модель, нанесение сетки и результаты анализа показаны на рис.1.3.

а) б) в)

Рис. 1.3 - Проведение анализа

а) модель детали; б) модель, разделенная на элементы; в) результаты расчёта

SolidWorks Simulation предлагает следующие типы исследований (Таблица 1.1):

Таблица 1.1

Тип исследования	Значок исследования	Тип исследования	Значок исследования
Статический		Модальная временная диаграмма
Частота		Гармоническое
Потеря устойчивости		Случайное колебание
Термические		Спектр реакции
Исследование проектирования		Испытание на ударную нагрузку
Нелинейное статическое		Усталостное
Нелинейное динамическое		Конструкция сосуда, работающего под давлением

Дерево исследования Simulation

Дерево исследования Simulation (рис.1.4) организует аналитическое исследование. Его функциональные возможности схожи с деревом FeatureManager (Менеджера свойств).

Дерево исследования Simulation

Рис. 1.4 - Проведение анализа

Можно использовать систему меню или дерево исследования Simulation, чтобы управлять аналитическими исследованиями. Дерево исследования Simulation более предпочтительно, чем система меню, поскольку оно обладает интуитивным представлением и системой контекстного меню для правой кнопки мыши.

Программное обеспечение создает вкладку внизу графической области для каждого исследования. Чтобы просмотреть исследование, нажмите его вкладку исследования Simulation (Рис.1.4).

Подпапки определяют параметры исследования.

Например, каждое исследование конструкции имеет внутренние папки Крепления, Внешние нагрузки и Соединения.

Определение нагрузки появятся в папке Внешние нагрузки ,

определение ограничения появятся в папке Крепления и

определение контакта появится в папке Соединения .

Крепления, нагрузки и соединители можно группировать в папках.

Контекстные меню для правой кнопки мыши предоставляют контекстные параметры. Перетаскивание и размещение (или копирование и вставка) и дублирование помогут вам быстро определить последующие исследования.

Дерево исследования Simulation обеспечивает удобный просмотр наиболее важной информации аналитических исследований в документе.

Каждая вкладка исследования Simulation представляет одно исследование. Каждое исследование содержит папку и внутренние папки в своем дереве. Подпапки зависят от типа исследования (Таблица 1.1).

Значок Параметры отображается, если в исследовании определен параметр.

После успешного исследования, программное обеспечение создает эпюры результатов в папке Результаты , которая записывает параметры результатов или обновляет существующие эпюры результатов.

Исследования Simulation

Модель обычно подвергается воздействию различных технических сред и условий эксплуатации во время ее срока службы. Очень важно учитывать все возможные сценарии нагрузок и граничные условия и попытаться использовать материал с другими свойствами в анализе модели.

Исследование моделирования определяется следующими факторами:

- размеры модели;

- тип исследования и связанные параметры, чтобы определить назначение анализа (Таблица 1.1);

- свойства материала (Рис.1.5);

- нагрузки и граничные условия.

Рис. 1.5 - Задание свойств материалам

Чтобы создать исследование, выберите Новое исследование (Simulation CommandManager).

Определите имя исследования, тип анализа и свойства.

Свойства исследования задают параметры, связанные с конкретным типом анализа.

Исследования проектирования и исследования усталости используют сетку связанных исследований.

Исследования на ударную нагрузку используют только сетку на твердом теле.

Исследования конструкции сосуда, работающего под давлением, объединяют результаты и не требуют сетку.

Тип сетки на основе геометрии элементов

Программное обеспечение автоматически назначает необходимый тип сетки для тел на основе элементов их геометрии.

Сетка на твердом теле	Для всех твердотельных моделей создается сетка с твердотельными (тетраэдральными) элементами.
Сетка оболочки	Для поверхностей и листового металла с одинаковой толщиной создается сетка с треугольными элементами оболочки. Только для испытаний на ударную нагрузку: тела из листового металла преобразуются в твердые тела, создается сетка с твердыми элементами.
Структура балок	Для элементов конструкции и сварных деталей создается сетка с балочными элементами. Можно принимать экструзию (по умолчанию создается сетка твердотельных элементов) в качестве балки, щелкнув правой кнопкой мыши на значок твердого тела и выбрав Рассматривать как балку.
Комбинированная сетка	Когда в одной модели сочетаются разные геометрические формы, создается комбинированная сетка.

Использование исследования моделирования Simulation

Можно использовать исследования моделирования для проверки надежности существующих продуктов в рабочих условиях или конструкции новых.

Линия продуктов SolidWorks Simulation предлагает и другие типы исследований, такие как: исследования нелинейной, динамической реакции, расхода жидкости и электромагнитных характеристик.

Дополнительные инструменты SolidWorks Simulation

1. SolidWorks Simulation позволяет автоматически преобразовать крепежи Toolbox в болтовые соединители Simulation (Рис.1.6).

Рис. 1.6 - Автоматически преобразованные болт с гайкой Toolbox в соединитель Simulation

Болтовые соединители имеют те же правила наименования, что и их прототипы из Toolbox, имеющие соответствующие диаметр и длину.

2. SolidWorks Simulation позволяет отобразить контактные давления в 2D-эпюрах в виде векторов (Рис.1.7), а также в 3D-эпюрах в виде раскраски границ контакта цветом.

Для эпюр плоских расчётов результаты вытянуты по глубине сечения согласно настройкам в свойствах исследований (плоское напряженное состояние или плоская деформация) или повернуты вокруг оси симметрии (осесимметричные исследования).

Рис. 1.7 - 2D-диаграмма контактного давления в векторном представлении

3. SolidWorks Simulation имеет инструмент - эпюру визуализации контактов. Благодаря этой эпюре пользователи могут проверять все контакты, созданные в модели. Эпюра визуализации контакта резко упрощает обнаружение различных типов контактов с применением глобальных настроек или контактов, ассоциированных с компонентами, а также наборов контактов.

Области модели, в которых контакт определен, отображаются в цветах, уникальных для каждого типа контакта. Поддерживаемые типы контактов Simulation представлены в Таблице 1.2.

Таблица 1.2.

Соответствие между типом контакта и цветом визуализации

С помощью параметра Включить контакты, созданные решающей программой, пользователи могут просмотреть области модели с потенциально возможными контактами, найденными решающей программой (Рис. 1.8). При этом цвета контактов модели на эпюра визуализации могут задаваться пользователем (Рис. 1.9), либо устанавливаться по умолчанию программой (Рис.1.10).

Рис. 1.8. Эпюра визуализации контактов для рычага с роликами

Рис. 1.9 - Эпюра визуализации контакта, определённого пользователем

Рис. 1.10 - Эпюра визуализации контактов, найденных решающей программой

4. SolidWorks Simulation обладает разнообразными инструментами просмотра результатов анализа.

Имеется возможность отображать результаты анализа зеркально относительно плоскостей симметрии для моделей, которые анализируются на основе половине, четверти или одной восьмой доли исходной геометрии (Рис. 1.11). Для круговой симметрии результаты повторяются циклически относительно заданной оси вращения.

Данный функционал работоспособен применительно к эпюрам напряжений, перемещений, деформаций, запаса прочности, для всех типов исследований, которые поддерживают ограничения плоской и циклической симметрии.

Рис. 1.11 - Отображение осесимметричных результатов

Имеется возможность с помощью инструмента Сравнить результаты одновременно отобразить до четырех эпюр результатов исследований Simulation, связанных с различными конфигурациями одной и той же модели (Рис. 1.12). Режим сравнения нескольких конфигураций обеспечивает полный контроль над отображением результатов с помощью существующих функциональных возможностей.

Рис. 1.12 - Сравнение результатов выбранных конфигураций

Имеется возможность предварительного просмотра оболочек с учётом толщины и смещения. Если срединная поверхность оболочки не совпадает с базовой гранью или поверхностью, а расположена с некоторым смещением, то результат можно увидеть в режиме предварительного просмотра с учётом как назначенной толщины, так и смещения (Рис. 1.13).

Рис. 1.13 - Просмотр оболочки с учётом виртуальной толщины и смещения

В качестве примера рассмотрим последовательность расчёта на прочность.

Шаг 1. Начало нового исследования (Рис. 1.14).

Рис. 1.14 - Запуск нового исследования

Шаг 2. Задание типа исследования (Рис. 1.15).

Рис. 1.15 - Выбор статического типа исследования

После выбора типа исследования создаётся дерево исследования (Рис. 1.16).

Рис. 1.16 - Создание дерева исследования

Шаг 3. Задание свойства материала детали (Рис. 1.17).

Рис. 1.17 - Задание свойства материала детали

При выборе «Применить/редактировать материал» откроется окно выбора материалов (Рис. 1.18).

Рис. 1.18 - Окно «Материалы»

Шаг 4. Задание крепления (соединения) детали (Рис. 1.19).

Рис. 1.19 - Задание крепления материала

При выборе «Зафиксированная геометрия» откроется меню «Крепление» (Рис. 1.20).

Рис. 1.20 - Меню «Крепление»

Шаг 5. Задание внешних нагрузок (давления) (Рис. 1.21).

Рис. 1.21 - Задание внешних нагрузок

При выборе «Давление» откроется меню «Давление» (Рис. 1.22).

Рис. 1.22 - Меню «Давление»

Шаг 6. Создание сетки (Рис. 1.23).

Рис. 1.23 - Создание сетки

При выборе «Создать сетку и запустить» будет создана сетка (Рис. 1.24).

Рис. 1.24- Создание сетки

Шаг 7. Получение результатов анализа: напряжения, перемещения, деформации (Рис. 1.25).

Рис. 1.25 - Эпюра напряжения

Шаг 8. Редактирование эпюры (Рис. 1.26).

Рис. 1.26 - Редактирование эпюры

Шаг 9. Редактирование определения (Рис. 1.27).

Рис. 1.27 - Редактирование определения

Кроме рассмотренных видов статического анализа очень полезными являются и другие типы анализа:

- «Усталостный анализ». Задаются события: кол-во циклов повторений и направления действий приложенных сил. Исходные данные для данного исследования можно передать путём копирования исходных данных из статического анализа.

- Тип анализа - «Частотный анализ» для оценки собственной частоты детали. Проводится с целью исключения возникновения резонанса системы, содержащей данную деталь (сборку).

Рассмотренные типы анализа позволяют произвести оптимизацию конструкции по массе и геометрии.

За основу взят статический анализ. Можно изменять нагрузки и определить менее нагруженные области детали и их вырезать из детали. Масса тем самым уменьшится. А если задавать диапазоны изменения размеров детали и диапазоны нагрузки на деталь, то можно получить оптимальные размеры и массу для данных нагрузок и размеров.

Выводы:

В данном вопросе изложены основы инженерного анализа в SolidWorks Simulation.

Предложено сделать следующие шаги для проведения исследования:

Создайте исследование, определяя тип анализа и его параметры.

При необходимости определите параметры исследования. Параметром может быть размер модели, свойства материала, значение силы или любое другое вводимое значение.

Определите свойства материала. Этот шаг не обязателен, если свойства материала были определены в системе САПР. Исследования усталости материала и оптимизации используют справочные исследования для определения материала.

Задайте ограничения и нагрузки. Исследования усталости материала и оптимизации используют справочные исследования по ограничениям и предельным нагрузкам. Исследования на ударную нагрузку позволяют определять ограничения и предельные нагрузки только по заданным при установке параметрам.

Программа автоматически создает сетку оболочки для поверхностей и листового металла с равномерной толщиной. Для листового металла, нажмите правой кнопкой мыши значок оболочки и выберите «Рассматривать как твердое тело», чтобы создать сетку твердотельных элементов.

Для исследований листового металла на ударную нагрузку создается сетка из твердотельных элементов.

Программа автоматически создает сетку элементы конструкции с балочными элементами.

Программа автоматически создает комбинированную сетку, когда в модели присутствуют разные геометрические тела (твердые тела, оболочки, элементы конструкции и т.п.).

Определите контакт компонентов и наборы контактов.

Создайте сетку модели для ее разделения на много малых частей, называемых элементами. Исследования усталости материала и оптимизации используют сетки в справочных исследованиях.

Запустите исследование.

Просмотрите результаты.

Вы можете определять свойства материала, нагрузки, ограничения и создавать сетку в любом порядке. Однако, вам следует определить все необходимые параметры ввода перед запуском исследования.