3. Procedura postępowania w MES i analizy dynamiczne Inventor.

Etapy działań: Niezbędnym etapem wstępnym jest określenie TYPU ANALIZY - LINIOWA czy NIELINIOWA, STATYCZNA (brak zależności od czasu) czy DYNAMICZNA, o parametrach SKUPIONYCH czy ROZŁOŻONYCH (zmieniających się w przestrzeni). Gdy istnieje stan równowagi lub zmiany przebiegają bardzo wolno i w zakresie odkształceń liniowych, elastycznych to przyjmujemy najprostszy typ: LINIOWĄ ANALIZĘ STATYCZNĄ. Wówczas czeka nas 8 zasadniczych etapów (składających się na: pre-processing, processing i post-processing):

• PRE-PROCESSING czyli budowa modelu dla MES: MATERIAŁY - decyzja co do jednostek miar i zdefiniowanie własności użytych materiałów konstrukcyjnych (moduł Young'a, wsp. Poisson'a) GEOMETRIA - budowa modelu geometrycznego lub zaimportowanie istniejącego z programu CAD. ELEMENTY - dobór typów (liniowe czy powierzchniowe czy objętościowe) i rodzajów elementów skończonych i ich własności (ang.: properties). SIATKA (MESH) - podział modelu geometrycznego na siatkę (ang.: mesh) elementów skończonych (wybranych uprzednio typów). WIĘZY (CONSTRAINTS) - zdefiniowanie więzów kinematycznych ograniczających przemieszczenia wybranych węzłów lub elementów. OBCIĄŻENIA (LOADS) - zdefiniowanie obciążeń

• PROCESSING (SOLVING) - OBLICZENIA

- wysłanie (eksport) zbudowanego modelu do programu obliczeń macierzowych (np.: NE/Nastran lub in.)

• POST-PROCESSING czyli przeglądanie i analiza wyników obejmująca m.in.:

wczytanie (import) pliku z wynikami (uzyskanego z Nastrana lub innego solver'a), wizualizację odkształceń modelu (odpowiednio zwielokrotnionych), wizualizację warstwicowa (ang.: contour graph) naprężeń i in. Wielkości, uruchamianie animacji, wykresy momentów i in. Wielkości, odczytywanie wyników dla wskazywanych węzłow lub elementów, wydruk wyników

Analiza dynamiczna i kinematyczna (Dynamic Simulation)

Moduł Dynamic Simulation, pozwala na przeprowadzanie kinematycznej i dynamicznej analizy działania mechanizmów. W tym module można określić jakie siły, prędkości i przyspieszenia działają na poszczególne komponenty pracującego złożenia. Do określenia relacji pomiędzy współpracującymi komponentami można skorzystać z szerokiej palety dynamicznych wiązań ruchu oraz dodać elementy sprężyste i tłumiące, a także zdefiniować współczynnik tarcia w każdym wiązaniu. Do określenia warunków wymuszenia można zastosować także funkcje czasu utworzone w specjalnym edytorze.

Aby zrozumieć istotę zjawisk kinematycznych program pokazuje symulację w postaci wizualizacji 3D bezpośrednio na modelu analizowanego zespołu. Wynik analizy dynamicznej może być przedstawiony w postaci wykresu ruchu ilustrującego to jak zmienia się siła czy przyspieszenie w całym cyklu operacyjnym. Układ działających w danej chwili sił może być od razu wykorzystany do przeprowadzenia analizy naprężeń i odkształceń części w module MES, pakietu Professional uwalniając konstruktora od ponownego definiowania warunków obciążenia do prowadzenia obliczeń wytrzymałościowych.

4. Optymalizacja - jak można ją wykorzystać w programach wspomagających projektowanie.

Aby w wyniku procesu optymalizacji znaleźć najlepszą spośród kilku możliwych konfiguracji, inżynier musi mieć możliwość zmiany parametrów konstrukcyjnych. Parametry te to zmienne modelowania. Mogą to być wymiary, liczba wystąpień w szyku, właściwości materiału, obciążenia, sztywność sprężyny lub dowolny inny aspekt konstrukcyjny mogący posiadać „najlepszą” wyznaczalną wartość.

Narzędzia do optymalizacji produktów (SolidWorks Optimization):

• Analiza zamiany

Analiza zamiany to iteracyjne badania alternatywnych konfiguracji modelu. Na przykład inżynier może dodać żebro lub usunąć jedno z nich, aby stwierdzić, jak wpłynie to na pracę produktu. Analiza zamiany jest bardzo przydatna do przeprowadzania szybkiej oceny wielu opcji w celu stwierdzenia, która z wprowadzonych do elementu zmian wywiera największy wpływ. Ponieważ liczba kombinacji cech może być praktycznie nieograniczona, ważne jest, aby zapisywać poszczególne iteracje i ich wyniki, aby zapobiec duplikowaniu obliczeń lub ich utracie.

• Analiza wrażliwości

Analiza wrażliwości bada wpływ zmian parametrów produktu na jego zachowanie. Wyniki tych badań zwykle są przedstawiane na wykresach. Na osi X nanoszona jest wartość zmiennego parametru, a na osi Y odpowiedź na każdą zmianę. Małe zróżnicowanie odpowiedzi jest

dowodem niskiej wrażliwości. Tego typu analiza pomaga inżynierowi określić cechy, które wymagają przeprowadzenia dalszych badań. Ponadto analiza wrażliwości może wskazać parametry o największym znaczeniu, jak również zakres ich wartości, w którym wywierają one największy wpływ na określone kryterium.

Podstawą programu SolidWorks jest metoda optymalizacyjna DoE (planowanie eksperymentów). Aby uruchomić procedurę rozwiązania danego zadania, inżynier musi wprowadzić wartość minimalną i maksymalną dla zmiennych wymiarowych, a następnie wybrać optymalizację „Standardową” lub „Wysokiej jakości”. Metoda standardowa oparta jest na założeniu, że pomiędzy wartościami granicznymi krzywa odpowiedzi ma charakter linearny oraz że obliczana jest odpowiedź tylko dla tych wartości. Optymalizacja wysokiej jakości uwzględnia możliwość odpowiedzi drugiego rzędu pomiędzy wartościami granicznymi oraz dokonuje oceny zarówno wartości środkowej, jak i wartości granicznych.

5. Różnice między MES i MED.

MES (FEM):

-Metoda jest stosowana w wielu dziedzinach jak: mechanika ciał stałych, mechanika płynów, analiza termiczna, analiza pól magnetycznych i elektrycznych. Za pomocą metody bada się wytrzymałość konstrukcji, odkształcenia, naprężenia, przemieszczenia, przepływ ciepła, przepływ cieczy.Bada się również dynamikę, kinematykę i statykę maszyn, jak również odziaływania elektrostatyczne, magnetostatyczne i elektromagnetyczne

-Badany element traktowany jest jako ośrodek ciągły

-Najważniejszą cechą MES jest możliwość zastąpienia problemu analitycznego, zapisanego za pomocą równań różniczkowych, problemem algebraicznym

-Metoda Elementów Skończonych opiera się na przyjęciu aproksymacji pola przemieszczeń lub naprężeń czy też połączeniu tych przybliżeń w każdym elemencie.

-Analizowany obszar dzieli się na pewną skończoną liczbę geometrycznie prostych elementów, tzw. elementów skończonych.

-Zakłada się, że są one połączone ze sobą w skończonej liczbie punktów znajdujących się na obwodach. Najczęściej są to punkty narożne. Noszą one nazwę węzłów. Przemieszczenia punktów wewnątrz elementu są wyznaczane na podstawie przemieszczeń węzłów. Przemieszczenia niektórych węzłów są ograniczone przez narzucone więzy kinematyczne (utwierdzenia, przeguby i in.)

-Równania różniczkowe opisujące badane zjawisko przekształca się, przy pomocy tzw. funkcji wagowych, do równań metody elementów skończonych. Są to równania algebraiczne.

-Problemy w których dominuje nieciągłe zachowanie się elementów, nie mogą być symulowane za pomocą MES

MED (DEM) (Metoda Elementów Dyskretnych):

-MED Jest zbiorem metod numerycznych i algorytmów pozwalających na obliczanie właściwości fizycznych dużej ilości obiektów będących w stanie swobodnym.

-MED rozpatruje badany element jako nieciągłość

-W metodzie tej nacisk kładziony jest na mechanikę kontaktu i zderzeń pomiędzy odrębnymi, niezależnymi elementami

-Wykorzystywana jest w inżynierii mechaniki gruntów i materiałów sypkich

-Algorytm MED dostarcza informacji na temat prędkości, pozycji i sił działających na dane ciało lub element

-Fundamentalną jednostką MED jest pojedyncze ciało lub ziarno

-W przeciwieństwie do MES w której zakłada się często globalny funkcjonał dla całego systemu, MED traktuje indywidualną cząstkę jako podstawową jednostkę

-Oddziaływanie z sąsiadującymi elementami jest osiągane poprzez zastępowanie warunków kontaktu pomiędzy ciałami przez siły zewnętrzne

-Wszelkie oddziaływania pomiędzy ciałami następuje poprzez siły graniczne, a nie poprzez globalną macierz sztywności (jak w MES)

-MED bazuje na II prawie Newtona’a dla pojedynczych elementów i relacji „siła przemieszczenie” w momencie kontaktu elementów ze sobą