Fidesys: Расчет напряженного-деформированного состояния пневматического актуатора в CAE Fidesys

05/2022

Необходимость в мягких захватных устройствах растет день ото дня в медицинской робототехнике, особенно когда необходимы безопасные, мягкие движения и мягкое прикосновение. В связи с чем создаются различные модели гибких приводов (soft actuators). Асимметричный гибкий пневматический привод был предложен в качестве инновационного метода изготовления искусственной человеческой руки.

Fidesys: Расчет напряженного-деформированного состояния пневматического актуатора в CAE Fidesys

В изготовлении данного актуатора применяются асимметричные полимерные трубки с некоторыми дополнениями, изготовленные из достаточно твердого материала, что обеспечивает прочность привода. В то же время такой актуатор достаточно эластичен, что позволяет ему изгибаться и скручиваться. Расчетная схема актуатора (soft actuators)

Fidesys: Расчет напряженного-деформированного состояния пневматического актуатора в CAE Fidesys

Построение геометрической модели актуатора

Создайте цилиндр с высотой 30 мм и радиусом 2 мм. Для этого на панели команд выберите Режим - Геометрия, Объект - Объем, Действие - Создать. Из списка геометрических примитивов выберите Цилиндр и задайте требуемые параметры. Нажмите Применить.

Fidesys: Расчет напряженного-деформированного состояния пневматического актуатора в CAE Fidesys

Для удобства просмотра геометрической модели актуатора поверните её по оси y на 90°. На панели команд выберите Режим - Геометрия, Объект - Объем, Действие - Преобразовать. Из выпадающего списка выберите Повернуть. Задайте необходимые параметры. Нажмите Применить

Fidesys: Расчет напряженного-деформированного состояния пневматического актуатора в CAE Fidesys

Затем сместите геометрическую модель по оси x на -15 мм. Из выпадающего списка выберите Переместить. Нажмите Применить.

Fidesys: Расчет напряженного-деформированного состояния пневматического актуатора в CAE Fidesys

Для наглядности перемещения включите шкалу.

Создайте сферу радиуса 2 мм. Из списка геометрических примитивов выберите Сфера и задайте требуемые параметры. Нажмите Применить.

Fidesys: Расчет напряженного-деформированного состояния пневматического актуатора в CAE Fidesys

Объедините две геометрические модели, на панели команд выберите Режим - Геометрия, Объект - Объем, Действие - Логические операции. Из списка геометрических примитивов выберите Объединить. Задайте нужные объемы. Нажмите Применить.

Fidesys: Расчет напряженного-деформированного состояния пневматического актуатора в CAE Fidesys

Затем отпечатайте и срастите цилиндр со сферой. Для этого на панели команд выберите Режим - Геометрия, Объект - Объем, Действие - Отпечатать/срастить, из выпадающего списка выберите Точное отпечатывание. Нажмите Применить.

Fidesys: Расчет напряженного-деформированного состояния пневматического актуатора в CAE Fidesys

Переместите геометрическую модель по оси x на 30 мм и опустите на -1 мм по оси y.

Fidesys: Расчет напряженного-деформированного состояния пневматического актуатора в CAE Fidesys

Создайте параллелепипед с шириной 1 мм, высотой 2 мм и глубиной 4 мм. Это делается для того, чтобы у цилиндра сделать необходимые вырезы. На панели команд выберите Режим - Геометрия, Объект - Объем, Действие - Создать. Из выпадающего списка выберите Параллелепипед и задайте требуемые параметры. Нажмите Применить.

Fidesys: Расчет напряженного-деформированного состояния пневматического актуатора в CAE Fidesys

Для реализации выреза необходимо переместить параллелепипед по оси x на 29 мм.

Fidesys: Расчет напряженного-деформированного состояния пневматического актуатора в CAE Fidesys

Затем из цилиндра вычесть параллелепипед. На панели команд выберите Режим - Геометрия, Объект - Объем, Действие - Логические операции. Из выпадающего списка выберите Вычесть. Нажмите Применить.

Fidesys: Расчет напряженного-деформированного состояния пневматического актуатора в CAE Fidesys

Создайте параллелепипед с шириной 1 мм, высотой 2 мм и глубиной 4 мм. Переместите параллелепипед на 26 мм по оси x. Затем из цилиндра вычесть параллелепипед.

Fidesys: Расчет напряженного-деформированного состояния пневматического актуатора в CAE Fidesys

Создайте параллелепипед с шириной 1 мм, высотой 2 мм и глубиной 4 мм. Переместите параллелепипед на 23 мм по оси x. Затем из цилиндра вычесть параллелепипед.

Fidesys: Расчет напряженного-деформированного состояния пневматического актуатора в CAE Fidesys

Создайте параллелепипед с шириной 1 мм, высотой 2 мм и глубиной 4 мм. Переместите параллелепипед на 20 мм по оси x. Затем из цилиндра вычесть параллелепипед.

Fidesys: Расчет напряженного-деформированного состояния пневматического актуатора в CAE Fidesys

Создайте параллелепипед с шириной 1 мм, высотой 2 мм и глубиной 4 мм. Переместите параллелепипед на 17 мм по оси x. Затем из цилиндра вычесть параллелепипед.

Fidesys: Расчет напряженного-деформированного состояния пневматического актуатора в CAE Fidesys

Создайте параллелепипед с шириной 1 мм, высотой 2 мм и глубиной 4 мм. Переместите параллелепипед на 14 мм по оси x. Затем из цилиндра вычесть параллелепипед.

Fidesys: Расчет напряженного-деформированного состояния пневматического актуатора в CAE Fidesys

Создайте параллелепипед с шириной 1 мм, высотой 2 мм и глубиной 4 мм. Переместите параллелепипед на 11 мм по оси x. Затем из цилиндра вычесть параллелепипед. В результате получим картинку

Fidesys: Расчет напряженного-деформированного состояния пневматического актуатора в CAE Fidesys

Далее создайте второй цилиндр высотой 30 мм и радиусом 0.5 мм, для того, чтобы в большом цилиндре сделать отверстие, в которое будет подаваться давление. Нажмите Применить.

Fidesys: Расчет напряженного-деформированного состояния пневматического актуатора в CAE Fidesys

Поверните созданный цилиндр по оси y на 90° и затем переместите его на 15 мм по оси x, не забывая при этом нажимать Применить.

Fidesys: Расчет напряженного-деформированного состояния пневматического актуатора в CAE Fidesys

Вычтите из большого цилиндра малый. На панели команд выберите Режим - Геометрия, Объект - Объем, Действие - Логические операции. Из выпадающего списка выберите Вычесть. Задайте параметры. Нажмите Применить.

Fidesys: Расчет напряженного-деформированного состояния пневматического актуатора в CAE Fidesys

Переместите геометрическую модель пневматического актуатора на 0.8 мм по оси y.

Fidesys: Расчет напряженного-деформированного состояния пневматического актуатора в CAE Fidesys

Для создания плоского основания на геометрической модели, создайте параллелепипед с шириной 35 мм, высотой 0.5 и глубиной 3 мм.

Fidesys: Расчет напряженного-деформированного состояния пневматического актуатора в CAE Fidesys

Переместите созданный параллелепипед на 15 мм по оси x. Нажмите Применить.

Fidesys: Расчет напряженного-деформированного состояния пневматического актуатора в CAE Fidesys

Вычтите из геометрической модели параллелепипед.

Fidesys: Расчет напряженного-деформированного состояния пневматического актуатора в CAE Fidesys

Построение сетки

Постройте конечно-элементную сетку для модели актуатора. Для этого на панели команд выберите Режим - Сетка, Объект - Поверхностная, Действие - Интервалы. Из списка геометрических примитивов выберите Автоматический размер. Задайте необходимые параметры. Нажмите Задать размер, Построить сетку.

Fidesys: Расчет напряженного-деформированного состояния пневматического актуатора в CAE Fidesys

Задание материала и свойств блока

Создайте материал, на панели команд выберите модуль задания свойств материала Режим - Материал, Объект - Управление материалами. Перетащите импортированный материал Резина во вторую колонку. Нажмите Применить и закройте окно Управление материалами .

Fidesys: Расчет напряженного-деформированного состояния пневматического актуатора в CAE Fidesys

Создайте блок одного типа материала. На панели команд выберите Режим - Блоки, Объект - Блок, Действие - Добавить сущность в блок и задайте параметры. Нажмите Применить.

Fidesys: Расчет напряженного-деформированного состояния пневматического актуатора в CAE Fidesys

Задайте параметры блока. На панели команд выберите Режим — Блоки, Объект — Блок, Действие — Свойства/параметры блока. Задайте необходимые значения. Нажмите Применить.

Fidesys: Расчет напряженного-деформированного состояния пневматического актуатора в CAE Fidesys

Задание граничных условий

Закрепите поверхность 89 по всем направлениям. На панели команд выберите Режим — Граничные условия, Объект — Перемещение, Действие — Создать. Задайте значения.

Fidesys: Расчет напряженного-деформированного состояния пневматического актуатора в CAE Fidesys

На поверхность 79 приложите давление, значение которого равно 3000 Па. На панели команд выберите Режим — Граничные условия, Объект — Давление, Действие — Создать. Задайте требуемые параметры и нажмите Применить.

Fidesys: Расчет напряженного-деформированного состояния пневматического актуатора в CAE Fidesys

Запуск расчета

Для запуска на расчет в CAE Fidesys выберите на панели команд Режим — Настройки расчета, Объект — Статический, Действие — Общие. Задайте требуемые параметры и нажмите Применить, Начать расчет.

Fidesys: Расчет напряженного-деформированного состояния пневматического актуатора в CAE Fidesys

В открывшемся окне Сохранить файл результатов выберите место для сохранения результатов и введите имя файла. Затем нажмите Сохранить.

Анализ результатов

Откройте файл с результатами. Это можно сделать тремя способами:

  • Нажмите Ctrl+E.
  • В главном меню выберите Расчёт — Результаты. Нажмите Открыть последний результат.
  • На панели команд выберите Результаты (Режим — Результаты, Результаты — Открыть Результаты).

Появится окно Fidesys Viewer, в котором вы сможете ознакомиться с результатами расчёта.

Отобразите деформированный 3D вид модели. Установите фокус в дереве объектов на Ваш файл в Дереве и отобразите для него Фильтры – Алфавитный указатель – Деформировать по вектору. Во вкладке Свойства установите значение 400 в поле Множитель масштаба. Нажмите Применить.

Ниже на рисунках показаны распределение перемещений, деформаций и напряжений в актуаторе (soft actuaturs).

Fidesys: Расчет напряженного-деформированного состояния пневматического актуатора в CAE Fidesys

Использование консольного интерфейсa

Построение геометрии, генерацию сетки, задание граничных условий и материалов можно выполнить с использованием консольного интерфейса. Ниже приведён код программы, позволяющий выполнить шаги описанного выше руководства, необходимо только самостоятельно указать полный путь и название сохраняемого файла.

reset

create Cylinder height 30 radius 2

rotate Volume 1 angle 90 about Y include_merged

move Volume 1 x -15 include_merged

create sphere radius 2

unite volume 2 1

imprint tolerant volume 2 merge

move Volume 2 x 30 include_merged

move Volume 2 y -1 include_merged

brick x 1 y 2 z 4

move Volume 3 x 29 include_merged

subtract volume 3 from volume 2

brick x 1 y 2 z 4

move Volume 4 x 26 include_merged

subtract volume 4 from volume 2

brick x 1 y 2 z 4

move Volume 5 x 23 include_merged

subtract volume 5 from volume 2

brick x 1 y 2 z 4

move Volume 6 x 20 include_merged

subtract volume 6 from volume 2

brick x 1 y 2 z 4

move Volume 7 x 17 include_merged

subtract volume 7 from volume 2

brick x 1 y 2 z 4

move Volume 8 x 14 include_merged

subtract volume 8 from volume 2 brick x 1 y 2 z 4

move Volume 9 x 11 include_merged

subtract volume 9 from volume 2

move Volume 2 y 2 include_merged

create Cylinder height 30 radius 0.5

rotate Volume 10 angle 90 about Y include_merged

move Volume 10 x 15 include_merged subtract volume 10 from volume 2

move Volume 2 y 0.8 include_merged

brick x 35 y 0.5 z 3

move Volume 11 x 15 include_merged

subtract volume 11 from volume 2

volume 2  scheme tetmesh

mesh volume 2

create material 1 from 'Резина'

block 1 add volume 2

block 1 name 'Block_1' # создаем блокblock 'Block_1' material 1 cs 1 element solid order 1

create displacement on surface 89 dof all fix 0

create pressure on surface 79 magnitude 3000

analysis type static elasticity findefs dim3

calculation start path 'C:/Documents/CAE-Fidesys-4.0/example.pvd'