Analiza zmęczeniowa (Fatigue)

Określa wytrzymałość długookresową konstrukcji poddanej obciążeniom zmiennym w czasie, w sposób cykliczny lub stochastyczny (losowy).

Stany naprężeń wyznaczane w blachach, odlewach, spoinach, a niekiedy również obiektach nie-metalowych, w tym kompozytach, stanowią punkt wyjścia do obliczeń trwałości nisko- lub wysoko-cyklowej (LCF/HCF). Pod uwagę mogą być wzięte liczne uwarunkowania, takie jak stopień wieloosiowości naprężeń, chropowatość powierzchni, występowanie średnich naprężeń ściskających lub rozciągających itp.

Obliczenia zmęczeniowe zazwyczaj wskazują czas do inicjacji pęknięcia, natomiast mogą być uzupełnione o przewidywanie kierunku i prędkości propagacji pęknięcia.

Analizy zderzeniowe (Crash)

Analiza przewiduje wytrzymałość kontrukcji, urządzenia lub przedmiotu w sytuacji wypadku transportowego, katastrofy przemysłowej, upadku z wysokości itp.

Pozwala na zwiększenie bezpieczeństwa m.in. poprzez świadome wprowadzanie stref zgniotu i uwidoczenienie kierunków propagacji oddziaływań mechanicznych.

 

 

Analizy drgań (NVH)

Ang. NVH – noise vibration & harshness.

Ocena emisji drgań i hałasu oraz identyfikacja źródeł i ścieżek rozchodzenia się energii wibroakustycznej. Celem zastosowania jest optymalizacja parametrów wibroakustycznych, dobór materiałów, poprawienie komfortu użytkowania konstrukcji.

Badania najczęściej dedykowane i rozwijane w branży motoryzacyjnej.

 

 

Meshing

Proces dyskretyzacji modelu geometrycznego w preprocesorze, polegający na dzieleniu geometrii (linii, powierzchni oraz objętości) na mniejsze elementy (odcinki dla 1D, trójkąty lub czworokąty dla 2D oraz elementy heksagonalne lub tetraedryczne dla 3D), przybliżające wyjściową geometrię.

Proces tworzenia siatki (meshing) jest niezbędny do przeprowadzenia analiz MES, a jakość utworzonej siatki elementów skończonych ma kluczowy wpływ na jakość i szybkość uzyskiwanych wyników.

Program służący do meshingu może działać w trybie automatycznym (bez udziału użytkownika), półautomatycznym (interaktywnym) (użytkownik ma wpływ na zmianę kształtu, ilości i rodzaju elementów na bieżąco, w formie interaktywnej) lub manualnym (siatka tworzona jest od początku, element po elemencie, przez użytkownika):

  • tryb automatyczny daje niewielką kontrolę na powstającą siatką elementów skończonych, często wymaga metody prób i błędów w celu osiągnięcia satysfakcjonującej jakości siatki.
  • tryb interaktywny pozwala na szybkie tworzenie siatki elementów skończonych z dostateczną kontrolą nad jej jakością.
  • tryb manualny jest bardzo czasochłonny i często wykorzystywany jedynie przy niewielkich fragmentach modelu, gdzie dokładne odwzorowanie geometrii jest kluczowe lub proces automatyczny i interaktywny nie pozwala na osiągnięcie dostatecznej jakości siatki. Od ilości elementów bezpośrednio zależy długość analizy, jednak wpływa również na dokładność uzyskiwanych wyników, podobnie jak w przypadku jakości elementów skończonych.cProgram i użytkownik dążą do uzyskania optymalnego kształtu elementów, jak najbliższego podstawowym kształtom geometrycznym, jak kwadrat, sześcian lub trójkąt równoboczny.

 

Morphing

Specjalistyczne narzędzie, dostępne w niektórych preprocesorach MES (np. HyperMesh), służące do zmiany wymiarów i kształtu modelu MES bez konieczności jego ponownej dyskretyzacji (sieciowania).

Poprzez podział modelu na regiony, tzw. domeny, morphing pozwala na dopasowanie siatki elementów skończonych zarówno 2D (shell) jak i 3D (solid) do nowego kształtu, narzuconego przez wymiary lub elementy geometryczne (powierzchnie, objętości), przy zachowaniu podziału i jakości elementów skończonych.

W niektórych sytuacjach pozwala również na parametryzację kształtu modelu MES i wykorzystanie go do procesu optymalizacji konstrukcji w celu np. zwiększenia jej sztywności.

 

 

Powierzchnie środkowe

Ang. Midsurface. Powierzchnia utworzona pośrodku, w równych odległościach między powierzchniami ograniczającymi konstrukcję cienkościenną (np. blachę), tworzoną za pomocą oprogramowania CAD lub bezpośrednio w preprocesorze MES w celu uproszczenia modelu i utworzenia siatki elementów powłokowych (ang. Shell elements), których grubość określona jest w modelu MES we własności komponentu (tzw. property).

Płaska siatka elementów typu shell utworzona dokładnie w miejscu powierzchni środkowej blachy pozwala na ograniczenie wielkości modelu MES przy dokładnym zachowaniu momentów bezwładności.

 

 

 

Postprocesor

Program komputerowy służący do obróbki wyników analiz MES, przeprowadzonych przez solver.

Rozwiązane przez solver zagadnienie zostaje przekształcone na plik wynikowy, którego interpretacją zajmuje się postprocesor.

Pozwala on na graficzne lub tekstowe wyświetlanie różnych typów wyników, tych ustalonych na poziomie tworzenia modelu w preprocesorze, w formie animacji, map konturowych, wyników wektorowych czy tensorowych, wartości tekstowych czy też wykresów, dla wszystkich elementów skończonych analizowanego modelu.

Zazwyczaj postprocesor pozwala również na dalszą obróbkę wyników, eksportowanie ich w formie tekstowej, graficznej czy analitycznej do kolejnych programów, a także tworzenie gotowych raportów z przeprowadzonych analiz.

 

 

Solver

Oprogramowanie komputerowe, w formie niezależnego programu lub bibliotek, które rozwiązuje określony problem matematyczny.

Do swojego działania, solver wymaga pełnego zdefiniowania wartości wejściowych, tj. modelu dyskretnego (mesh), warunków brzegowych (Boundary Conditions) oraz parametrów analizy. Wartości wejściowe do solvera są tworzone w preprocesorze.

W analizach metodą MES, ze względu na typ problemu matematycznego możemy wyróżnić solvery liniowe i nieliniowe jedno- lub wielorównaniowe, solvery układów wielomianowych czy solvery optymalizujące.

Każdy rodzaj analizy MES zazwyczaj wymaga użycia innego, osobnego solvera, adekwatnego do danego problemu. Możemy wyróżnić tu m.in. solvery „mechaniczne”, zarówno liniowe, jak i nieliniowe, służące do rozwiązywania zagadnień wytrzymałości doraźnej, zmęczeniowej, zagadnień zderzeniowych (crash, impact), zagadnień drgań (modal, FRA, PSD) czy optymalizacji; solvery CFD – służące do obliczeń przepływu płynów (cieczy i gazów), solvery termiczne – służące do obliczeń transportu ciepła, często łączone z solverami mechanicznymi i CFD, czy solvery MBD (Multi-body) – służące do analizy kinematyki konstrukcji.

Coraz częściej solvery komercyjne zawierają odpowiednie moduły, pozwalające na wykonywanie wielu z w/w typów analiz w ramach jednego pakietu oraz na wymianę wyników między modułami, w celu prowadzenia tzw. analiz sprzężonych (coupled simulation).

 

 

Preprocesor

Program komputerowy służący w analizach MES/FEM do przygotowania modelu geometrycznego (CAD) do obliczeń metodą elementów skończonych.

Jego zadaniem jest wspomaganie inżyniera w dyskretyzacji (sieciowaniu, ang. Meshing) modelu geometrycznego, poprzez modyfikację i uproszczenie modelu CAD, np. tworzenie powierzchni środkowych (ang. Midsurface) blach i elementów cienkościennych, a następnie tworzeniu modelu dyskretnego poprzez podział powierzchni i objętości geometrycznych na elementy skończone.

Poza budową modelu MES, preprocesor pozwala na założenie własności (ang. Property) komponentów, takich jak np. grubość blachy, przekrój poprzeczny belki, itp., przypisanie własności materiałowych, podział konstrukcji na określone obszary i elementy (ang. Components, Assembly), założenie warunków brzegowych (ang. Boundary conditions), czyli utwierdzeń, sił, ciśnień, prędkości, przemieszczeń, przyspieszeń, temperatur, strumieni ciepła, symetrii itp., oraz określenie parametrów analizy MES, a także typów wartości wynikowych, których ocenie ma poddać inżynier po procesie obliczeniowym.

Metoda Elementów Skończonych (MES)

Ang. Finite element method, FEM. Metoda numeryczna rozwiązywania problemów inżynierskich i matematycznych. Bazuje na rozwiązywaniu układów równań na modelach dyskretnych, podzielonych na elementy skończone i przeprowadzaniu obliczeń dla węzłów tej siatki.

Za pomocą metody elementów skończonych bada się wytrzymałość mechaniczną konstrukcji (w tym doraźną czy zmęczeniową), symuluje przemieszczenia, odkształcenia oraz naprężenia, przepływ ciepła, przepływ płynów (cieczy, gazów), własności elektromagnetyczne, elektrostatyczne i magnetostatyczne.

MES służy również do badania dynamiki, statyki i kinematyki maszyn.

Metoda MES/FEM pozwala na badanie bardzo złożonych konstrukcji, dla których niemożliwe jest przeprowadzenie obliczeń analitycznych.

Przyspiesza proces projektowania konstrukcji, pozwalając na zbadanie ich zachowania bez konieczności budowy kosztownych prototypów. Ponadto umożliwia optymalizację konstrukcji pod kątem wymagań projektowych, bez konieczności przeprowadzania testów metodą prób i błędów.