Использование Freebody в Femap with NX Nastran

Инструменты Freebody позволяют визуализировать узловые силы и моменты, которые являются результатом воздействия со стороны окружающих конечных элементов.

Содержание

  • Что такое Freebody?
  • Вывод узловых сил (Grid Point Force) в NASTRAN
  • Просмотр GPFORCE через файл F06
  • Freebody в FEMAP
  • FEMAP Meshing Toolbox
  • Настройки Freebody в FEMAP

Инструменты Freebody позволяют визуализировать узловые силы и моменты, которые являются результатом воздействия со стороны окружающих конечных элементов.

В FEMAP, Freebody можно использовать для:

  • Проверки заданных нагрузок и закреплений (вывод реакций)
  • Визуализации контактных узловых сил (контакт типа Glued или Contact)
  • Вывода сил и моментов в узлах конечных элементов, в том числе и RBE

Последнее полезно, если сетка не позволяет точно анализировать напряжения в конструкции. Вы можете вывести суммарные силы и моменты, например, в опасном сечении для расчета напряжений по формулам сопротивления материалов. Также используется при переходе от глобальной модели к локальной. В данном случае локальная модель будет самоуравновешена с помощью Freebody.

Наибольшее практическое применение Freebody получили в аэрокосмической отрасли, но также активно используются при решении различного рода задач.

Вывод узловых сил (Grid Point Force) в NASTRAN

Для вывода узловых сил и моментов (GPFORCE) необходимо включить опцию Force Balance в настройках NASTRAN Output Requests.

Команда Analysis Manager, Master Requests and Conditions, Output Requests, Force Balance:

Параметры вывода NASTRAN Output Requests femap
Параметры вывода NASTRAN Output Requests

По умолчанию, эта опция выключена, так как GPFORCE может содержать большое количество данных и заметно увеличить размер файла результатов.

Для вывода сил и моментов в узлах RBE необходимо активировать опцию Equation Force, так как данные типы элементов только формально являются элементами – по своей сути, это уравнения связей.

Просмотр GPFORCE через файл F06

Если в настройках вывода результатов NASTRAN Output Requests в разделе Result Destination установлена опция Print Only или Print and PostProcess, тогда данные по узловым силам и моментам можно просмотреть в файле F06.

Найдите таблицу с названием «GRID POINT FORCE BALANCE»

GRID POINT FORCE BALANCE femap nastran
GRID POINT FORCE BALANCE

Результаты GPFORCE перечислены в таблице и включают в себя узловые силы Fxyz (T1, T2, T3) и моменты Mxyz (R1, R2, R3).

Результаты разделены на четыре категории, плюс суммирование:

  • Элементные (силы/моменты в узле со стороны каждого конечного элемента).
  • Приложенные нагрузки (общие силы/моменты, приложенные к узлу; единственное значение на узел).
  • F-of-SPC (силы/моменты в закреплениях; единственное значение на узел).
  • F-of-MPC (силы/моменты в уравнениях связи и RBE; единственное значение на узел).
  • *TOTALS* (суммирование всех вкладов; одно значение на узел). Для большинства случаев это значение должно быть близко к нулю, учитывая равновесие в узле.

Выходные значение Freebody могут сильно зависеть от выбранных наборов узлов и элементов. Определение того, какие узлы и элементы должны использоваться, зависит от того, как модель была идеализирована.

Freebody в FEMAP

  • Наборы узлов и элементов Freebody сохраняются в модели FEMAP.
    Это ускоряет процесс анализа ошибок при пересчете.
  • Одновременно может отображаться любое количество Freebody.
  • Существует множество инструментов для автоматизации задач, связанных Freebody, таких как создание нагрузок и фрагментация конструкций.

В FEMAP существует три отдельных режима отображения Freebody:

Режим Freebody femap nastran
Режим Freebody

1. Freebody - пользователь выбирает элементы, FEMAP автоматически выбирает связанные узлы. Предназначен для отображения сбалансированного набора нагрузок на локальную часть модели.

Режим Interface Load femap nastran
Режим Interface Load

2. Interface Load - пользователь выбирает и узлы, и элементы и FEMAP вычисляет сумму сил и моментов по всему набору и отображает Freebody в виде одного суммарного вектора.

Режим Section Cut femap freebody
Режим Section Cut

3. Section Cut – подобен режиму Interface Load, суммарные узловые силы и моменты в наборе посчитаны и показаны в графическом окне, тем не менее выбор узлов и элементов автоматизирован FEMAP с помощью определения секущей плоскости, положение которой можно динамически изменять.

В FEMAP каждый набор Freebody может включать в себя шесть различных категорий силовых факторов, в зависимости от их происхождения.

Диалоговое окно New Freebody для создания нового набора Freebody в Femap
Диалоговое окно New Freebody для создания нового набора Freebody в Femap
  • Applied – приложенные нагрузки
  • Reaction – реакции в закреплениях (силы/моменты в SPC)
  • MultiPoint Reaction – силы/моменты в RBE и уравнениях связей (MPC)
  • Peripheral Elements – силовое воздействие на выбранные элементы со стороны окружающих конечных элементов
  • Freebody Elements – силовое воздействие выбранных элементов на окружающие конечные элементы (тоже самое, что и Peripheral Elements, только со знаком минус)
  • Nodal Summation – значения суммированных сил/моментов в узлах берется из решателя, а не с помощью вычислений FEMAP

По умолчанию в новый набор Freebody включены вклады от Applied, Reaction, MultiPoint Reaction и Peripheral Elements.

FEMAP Meshing Toolbox

Панель инструментов создания и настроек Freebody находится в диалоговом окне PostProcessing Toolbox на вкладке Freebody. Доступна только при наличии результатов анализа модели.

PostProcessing Toolbox femap nastran
Панель инструментов PostProcessing Toolbox

Глобальные параметры – эти элементы управления влияют на все созданные Freebody в модели: управление глобальным отображением Freebody, выбор выходного набора результатов и включение суммирования узловых данных.

Настройки – эти элементы управления относятся к отдельным созданным Freebody. В этом диалоговом окне можно создать новые Freebody, включить/выключить отображение Freebody, выбрать систему координат, режим отображения, силовые вклады (Freebody Contribution From) и узлы с элементами.

Параметры просмотра – это глобальные настройки, которые влияют на визуализацию Freebody (размеры символов, вектор масштабирования и т. д.). То же, что и в опциях вида View Options (F6).

В панели инструментов PostProcessing Toolbox, на вкладке PostProcessing, в диалоговом окне Freebody, новые Freebody создаются с помощью диалогового окна Freebody Manager.

Создание нового Freebody в Femap (шаг 1)
Создание нового Freebody в Femap (шаг 1)
Создание нового Freebody в Femap (шаг 2)
Создание нового Freebody в Femap (шаг 2)
Создание нового Freebody в Femap (шаг 3)
Создание нового Freebody в Femap (шаг 3)

Диалоговое окно New Freebody позволяет настроить основные параметры, такие как режим отображения Freebody (Display Mode), отображение векторов (Vector Display) и выбор силовых вкладов (Freebody Contributions). Любые настройки, примененные в диалоговом окне New Freebody, могут быть изменены в любое время через панель инструментов.

Настройки видимости Visibility (CTRL+Q) femap nastran
Настройки видимости Visibility (CTRL+Q)

Несколько Freebody могут быть отображены в модели одновременно, однако, только одно Freebody может быть активным на панели инструментов Freebody Properties.

Переключение между активными Freebody в панели PostProcessing Toolbox femap nastran
Переключение между активными Freebody в панели PostProcessing Toolbox

Используйте раскрывающееся меню, чтобы изменить настройки активного Freebody.

Типы векторов

В зависимости от режима Freebody, вы можете отобразить узловые вектора, либо один вектор суммирования.

  • Узловые вектора
    Отображают силы и моменты на каждом узле на основе выбранных вкладов Freebody. Доступны во всех трех режимах отображения Freebody.
  • Вектор суммирования
    Отображает один вектор суммы всех узловых векторов, входящих в Freebody. Доступен в режимах Interface Load и Section Cut.
  • Оба вектора – силы и моменты, всегда доступны для переключения.
  • Все вектора могут раскладываться по компонентам, либо отображаться в виде результирующего вектора. Отдельные компоненты векторов можно включать или выключать.

Кнопки быстрого переключения видимости векторов

Кнопки быстрого переключения видимости векторов в PostProcessing Toolbox
Кнопки быстрого переключения видимости векторов в PostProcessing Toolbox
  • Включить/выключить отображение сил и моментов.
  • Включить/выключить отображение сил.
  • Включить/выключить отображение моментов.
  • Переключиться между отображением векторов по компонентам на результирующие вектора и наоборот.
  • Выбрать местоположение вектора суммирования (только для режимов Interface Load и Section Cut). Важный пункт при анализе суммарного момента сил.

Дополнительные подробные параметры визуализации можно найти, развернув меню Total Summation Vector и Nodal Vector(s).

Выбор компонентов сил Fx, Fy, Fz и моментов Mx, My, Mz для отображения:

Дополнительные параметры визуализации в PostProcessing Toolbox
Дополнительные параметры визуализации в PostProcessing Toolbox

Выбор системы координат для Freebody

Выбранная система координат активируется как для узловых векторов, так и для вектора суммирования (если применимо) для выбранного Freebody.

Выбор системы координат для Freebody через Postprocessing Toolbox

По умолчанию используется базовая прямоугольная система координат.

Режим Freebody

В режиме Freebody пользователь выбирает элементы, и FEMAP автоматически выбирает связанные узлы.

Режим Freebody femap nastran
Режим Freebody

Этот режим предназначен для отображения cбалансированного набора нагрузок на выбранный набор элементов.

Выбор и подсветка элементов из набора Freebody
Выбор и подсветка элементов из набора Freebody

Элементы могут быть выбраны вручную (по умолчанию) или c помощью групп.

Режим Interface Load

Отображает узловые векторы для выбранных узлов, а также общий вектор суммирования в выбранном местоположении.

Режим Interface Load femap nastran
Режим Interface Load
  • В отличие от режима Freebody, нагрузки в режиме Interface Load могут быть не равновесными.
  • В дополнение к выбору элементов, узлы должны быть выбраны вручную – FEMAP не выбирает их на основе выбранных элементов.
  • При выборе объектов из группы в группе должны существовать как узлы, так и представляющие интерес элементы.

Режим Interface Load – выбор узлов

Режим Interface Load – выбор узлов femap nastran
Режим Interface Load – выбор узлов

При выборе элементов могут быть выбраны любые элементы, однако будут использоваться только те, которые связаны с выбранными узлами.

Дополнительные опции выбора узлов в режиме Interface Load
Дополнительные опции выбора узлов в режиме Interface Load

Режим Interface Load – выбор компонентов для суммирования

Режим Interface Load – выбор компонентов для суммирования femap nastran
Режим Interface Load – выбор компонентов для суммирования
  • Компоненты сил и моментов, включенные в расчет вектора суммирования, можно включать и выключать.
  • По умолчанию в расчет вектора суммирования включаются все компоненты сил и моментов.
  • Внесенные изменения повлияют на расчет вектора суммирования.
  • Включение и выключение некоторых компонентов зависит от того, как модель была идеализирована; такой аналитический подход необходим, чтобы понять, как конечно-элементная модель коррелирует с реальной конструкцией.

Режим Section Cut

По своей сути является расширением функциональных возможностей режима Interface Load. Пользователь определяет секущую плоскость в модели, а соответствующие узлы и элементы Freebody определяются автоматически.

Режим Section Cut femap nastran
Режим Section Cut

Местоположение вектора суммирования определяется:

  • В месте пересечения секущей плоскости и траектории, по которой она перемещается
  • В центре узлов
  • В статическом положении.

При активации опции Align Sums to Path, узловые вектора и вектор суммирования будут дополнительно выровнены по касательной к траектории без необходимости создания дополнительных систем координат.

Режим Section Cut – определение секущей плоскости

Режим Section Cut – определение секущей плоскости femap nastran
Режим Section Cut – определение секущей плоскости

Plane/Normal: плоскость сечения определяется через базовую точку и вектор нормали. Траектория смещения определяется нормальным вектором; плоскость сечения всегда будет перпендикулярна траектории.

Plane/Vector: аналогично Plane/Normal, однако для траектории смещения определен дополнительный вектор. Секущая плоскость всегда останется компланарной к исходной плоскости и не обязана быть нормальной к траектории.

Vector: секущая плоскость перпендикулярна заданному вектору. Траекторией смещения будет заданный вектор; плоскость сечения всегда перпендикулярна траектории.

Curve: секущая плоскость перпендикулярна касательному вектору в точках вдоль выбранной кривой. Секущая плоскость всегда будет перпендикулярна касательному вектору.

Режим Section Cut – дополнительные настройки

Инструмент ползунок (Location Slider) можно использовать для перемещения секущей плоскости по длине траектории в интерактивном режиме в пределах доступных объектов. Объекты в плоскости сечения могут быть ограничены определенной группой или выбраны из всей модели (Limited Entities to Group), и могут быть ограничены расстоянием поиска от базовой точки плоскости сечения (Search Radius).

Режим Section Cut – дополнительные настройки femap nastran
Режим Section Cut – дополнительные настройки

Плоскость сечения может быть дополнительно задана допуском по толщине (Cutting Plane Tolerance), который позволит точно выбирать объекты, которые находятся вне плоскости.

Режим Section Cut

Начальное положение секущей плоскости в режиме Section Cut femap nastran
Начальное положение секущей плоскости в режиме Section Cut
Новое положение секущей плоскости в режиме Section Cut femap nastran
Новое положение секущей плоскости в режиме Section Cut

Дополнительные инструменты Freebody (Freebody Tools)

Дополнительные инструменты Freebody (Freebody Tools) femap
Дополнительные инструменты Freebody (Freebody Tools)
Дополнительные инструменты Freebody (Freebody Tools)
Дополнительные инструменты Freebody (Freebody Tools)

1 – Вывести баланс сил при активном режиме Freebody с помощью диалогового окна List Force Balance

2 – Вывести баланс сил при активном режиме Interface Load

3 – Инструмент проверки Freebody; предупреждает пользователя, когда результаты Freebody потенциально отсутствуют в модели

4 – Подсветить в графическом окне элементы и узлы из активного набора Freebody

Попробуйте Siemens Femap и познакомьтесь с самыми современными возможностями моделирования в пре-/постпроцессоре Femap вместе с вычислительными возможностями ведущего в отрасли решателя Simcenter Nastran.

Посмотрите, как эти комплексные приложения для моделирования и анализа могут помочь Вам сэкономить деньги и сократить время выхода изделия на рынок благодаря оптимизированным проектам, уменьшению числа прототипов и натурных испытаний.

По этой ссылке Вы получите доступ к полной версии Siemens Femap: Base Module с дополнительным модулем Dynamic Response. Нет ограничений по количеству сохранений, размерам моделей или другим факторам, которые ограничивают Вашу способность моделировать и анализировать готовые проекты изделий.
По вопросам приобретения, бесплатного тестирования и любым другим вопросам, пожалуйста, обращайтесь:
📨  info@cad-is.ru 📞 7 (495) 175-571-4 или через форму обратной связи: https://www.cad-is.ru/forms/price

Дополнительные статьи по теме