FEMAP with NX Nastran: Урок №11. Анализ модели сварной трубы

Обучение по Femap NX Nastran:

  • Урок №1: Линейный анализ потери устойчивости кронштейна в Femap
  • Урок №2: Создание геометрии и сетки в FEMAP
  • Урок №3: Группы и слои в FEMAP. Отличия и рекомендации
  • Урок №4: Режимы отображения и настройки вида View Options
  • Урок №5: Использование постпроцессора Femap with NX Nastran
  • Урок №6: Подготовка геометрии к разбиению на сетку КЭ в FEMAP with NX Nastran
  • Урок №7: Восстановление испорченной геометрии для создания сетки КЭ
  • Урок №8: Восстановление дефектов сетки в ручном режиме
  • Урок №9: Расчет балочной модели фермерной конструкции
  • Урок №10: Анализ осесимметричной модели сосуда под давлением
  • Урок №11: Анализ модели сварной трубы
  • Урок №12: Анализ пластинчатой модели корпуса
  • Урок №13: Динамический анализ переходных процессов Direct Transient в FEMAP
  • Урок №14: Гармонический анализ в FEMAP с использованием рестарта

Урок №11

В этом примере Вы смоделируете сварную трубу, чтобы определить распределение сил вдоль линии сварки между двумя трубами для оценки сварного шва.

Чтобы использовать эту модель в демонстрационной версии с ограничением в 300 узлов, необходимо смоделировать плоскую сетку по серединной поверхности на ¼ модели, а затем использовать граничные условия симметрии для учета оставшейся ¾ модели.

Пример включает следующие шаги:

  • Импорт геометрии в формате Parasolid;
  • Обрезка одной четверти модели;
  • Построение серединных поверхностей и их объединение;
  • Создание плоской сетки;
  • Задание граничных условий;
  • Статический расчет модели с помощью решателя NX Nastran;
  • Визуализация узловых равновесных сил с помощью Freebody для оценки сварного шва.
Femap NX Nastran модель сварной трубы
Геометрическая модель сварной трубы в Femap

Импорт геометрии

Перед началом выполнения примера, импортируйте геометрию.

Запустите FEMAP и создайте новый файл модели. Импортируйте файл геометрии формата Parasolid.

  1. ‍File, New.
  2. ‍File, Import, Geometry.
  3. ‍В диалоговом окне импорта геометрии (Geometry File to Import) перейдите в папку Examples в директории установки FEMAP, найдите файл Pipe.X_T и нажмите открыть. В диалоговом окне Solid Model Read Options оставьте настройки импорта по умолчанию и нажмите ОК.
  4. ‍Разверните модель в направлении, показанном на рисунке ниже (обратите внимание на ось Z, направленную вправо).
Femap NX Nastran импорт модели сварной трубы
Импорт геометрии

Обрезка ¼ модели

Разрежьте модель таким образом, чтобы осталась ¼ геометрии в положении глобальной оси «-X».

Первый срез необходимо сделать по плоскости XY глобальной системы координат в точке Z=5.0. Затем разрезать модель по плоскости YZ в точке X=0.0.

  1. Geometry, Solid, Slice.
  2. В диалоговом окне Solid Slice в разделе Operation выберите режим Slice (разрезать, установлен по умолчанию), а в разделе Method выберите With Plane (разрезать по плоскости, установлен по умолчанию).
  3. Нажмите кнопку Repeated Slicing для повторения команды обрезки с сохраненными параметрами, выставленными в предыдущем пункте.
  4. В диалоговом окне Entity Selection выберите геометрию.
  5. Нажмите ОК. В диалоговом окне местоположения плоскости Plane Locate нажмите кнопку Methods.
  6. Выберите Global Plane.
  7. Активируйте режим XY Plane.
  8. Установите координаты точки Z:5.0
  9. Нажмите ОК.
  10. В диалоговом окне местоположения плоскости Plane Locate активируйте режим YZ Plane.
  11. Установите координаты точки Z:0.0
  12. Нажмите ОК, затем Cancel.
Femap NX Nastran обрезка модели сварной трубы
Удалите половину модели, расположенную в направлении «-Z» и одну четверть в направлении «+X»

Удалите половину модели, расположенную в направлении «-Z» и одну четверть в направлении «+X».

  1. Delete, Geometry, Solid.
  2. В диалоговом окне выбора объектов Entity Selection выберите половину модели, расположенную в направлении «-Z» (левая половина модели на рисунке выше).
  3. Нажмите ОК, затем нажмите ОК еще раз.
  4. Delete, Geometry, Solid.
  5. В диалоговом окне выбора объектов Entity Selection выберите половину оставшейся геометрии, расположенную в направлении «+X» (в модели останется только 1/4 исходной геометрии).
  6. Нажмите ОК, затем нажмите ОК еще раз.
Femap NX Nastran удаление половины модели сварной трубы
Симметричная модель сварной трубы

Построение серединной поверхности

Используйте возможность автоматического построения серединной поверхности по твердотельной геометрии.

  1. ‍Geometry, Midsurface, Automatic.
  2. ‍В диалоговом окне выбора объектов Entity Selection нажмите кнопку Select All, чтобы выбрать все поверхности. Затем нажмите ОК.
  3. В диалоговом окне автоматического построения серединных поверхностей Automatic Midsurface Penetration нажмите кнопку Measure Distance, чтобы измерить расстояние или сочетание клавиш Ctrl+D на клавиатуре (при этом, курсор должен находится в поле ввода). Воспользуйтесь инструментом Measure Distance для измерения расстояния.  
Примечание: Кнопка Measure Distance или команда Ctrl+D позволяют определить расстояние для максимальной толщины, по которой будут построены серединные поверхности.

Программное обеспечение использует это значение для определения поверхностей, между которыми следует построить среднюю поверхность. Целевая толщина должна быть немного больше, чем наибольшее расстояние между плоскостями на твердых телах, по которым Вы хотите построить серединные поверхности. Если целевая толщина слишком мала, серединные поверхности не будут созданы. Если целевая толщина слишком высока, то серединные поверхности будут построены между теми поверхностями, которые Вам не нужны.

  1. ‍В диалоговом окне Locate нажмите кнопку Methods.
  2. ‍Выберите метод измерения расстояния между точками On Point.
  3. ‍В диалоговом окне On Point выберите точку A (см. следующий рисунок).
  4. ‍Нажмите ОК.
Примечание: Если Вы случайно выбрали не ту точку, щелкните левой кнопкой мыши в поле ID, и выберите необходимую точку заново.
Femap NX Nastran построение серединной поверхности
Определение расстояния для максимальной толщины
  1. ‍В диалоговом окне On Point выберите точку B.
  2. Нажмите ОК.
Примечание: Значение толщины должно быть равно приблизительно 0.1.
  1. ‍В диалоговом окне Automatic Midsurface Generation активируйте метод построения серединных поверхностей «pre-v11.1 Midsurface Method».
  2. ‍Нажмите ОК.
Femap NX Nastran построение серединных поверхностей
Построения серединных поверхностей методом pre-v11.1 Midsurface Method в Femap
Совет: Команда «Geometry, Midsurface, Automatic» на самом деле является комбинацией из трех команд: (1) Geometry, Midsurface, Generate; (2) Geometry, Midsurface, Intersect; и (3) Geometry, Midsurface, Cleanup. Если автоматическая команда удалила необходимые серединные поверхности, Вы можете работать через команды построения серединных поверхностей по отдельности, таким образом, Вы сможете легко выбрать, какие поверхности должны быть построены.

Удаление твердотельной геометрии

Удалите исходную твердотельную геометрию.

  1. ‍Delete, Geometry, Solid.
  2. ‍В диалоговом окне выбора объектов Entity Selection выберите исходную твердотельную геометрию (Solid ID: 3) и нажмите ОК.
Femap NX Nastran Удаление твердотельной геометрии
Удаление твердотельной геометрии

Сшивание поверхностей

Соедините три поверхности вместе в один геометрический объект.

  1. ‍Geometry, Solid, Stitch.
  2. В диалоговом окне выбора объектов Entity Selection нажмите кнопку Select All, чтобы выбрать все серединные поверхности. Затем нажмите ОК. В диалоговом окне Surface/Solid Stitching нажмите ОК с настройками по умолчанию.

Вы заметите, что модель станет прозрачной, а кривые, которые не были сшиты вместе, будут выделены и, возможно, помечены идентификаторами (при соответствующих настройках подсветки объектов). Это позволяет узнать, что все внутренние поверхности теперь являются частью одного геометрического объекта.

Femap NX Nastran Сшивание поверхностей
Сшивание поверхностей

Создание плоской сетки

Первым шагом создания сетки модели является назначение атрибутов сетки для различных поверхностей. Если правильные атрибуты не назначены, результаты расчета будут не верными.

Затем установите размер сетки. Наконец, постройте сетку по серединным поверхностям.

Назначение атрибутов сетки

Назначьте атрибуты сетки поверхностям.

  1. Geometry, Midsurface, Assign Mesh Attributes.
  2. В диалоговом окне выбора объектов нажмите кнопку Select All, затем нажмите ОК. В диалоговом окне создания материала Define Material – ISOTROPIC нажмите кнопку Load, чтобы загрузить стандартный материал из библиотеки.
  3. В диалоговом окне Select from Library выберите материал AISI 4340 Steel.
  4. Дважды нажмите ОК. На вопрос «OK to Consolidate Properties by Thickness?» нажмите No.
Обратите внимание: Каждая поверхность теперь имеет свойства плоских элементов, которые состоят из толщины элементов и материала. Нажатие кнопки «Yes» минимизировало бы количество новых свойств, которые имеют близкие толщины в соответствии заданному допуску Tolerance.

Создание сетки

Установите размер элементов по умолчанию и создайте сетку на серединных поверхностях.

  1. ‍Mesh, Mesh Control, Size on Surface.
  2. ‍В диалоговом окне выбора объектов Entity Selection нажмите кнопку Select All, затем нажмите ОК.
  3. ‍В диалоговом окне Automatic Mesh Sizing установите размер элементов в поле Element Size: 0.3
  4. ‍Нажмите ОК, затем нажмите Cancel.
Примечание: FEMAP будет отображать небольшие метки в виде алмазов, которые указывают на будущее местоположение узлов конечных элементов на кривых.
Femap NX Nastran создание сетки на серединных поверхностях
Задание размера элементов по умолчанию
  1. ‍Mesh, Geometry, Surface.
  2. ‍В диалоговом окне выбора объектов Entity Selection нажмите кнопку Select All, затем нажмите ОК. В диалоговом окне Automesh Surfacesнажмите ОК.
Примечание: Поле свойства автоматически заполняется «0..Use Meshing Attributes», а все остальные параметры сетки при этом становятся недоступными.
  1. ‍На панели инструментов View нажмите на иконку View Visibility (команда View, Simple Toolbar). Либо нажмите Ctrl+Q.
  2. ‍В диалоговом окне настройки видимости объектов Visibility перейдите на вкладку Entity/Label.
  3. ‍Отключите отображение поверхностей, убрав галочку в чекбоксе Surface.
  4. ‍Нажмите кнопку Done.
Примечание: Вы можете использовать панель инструментов Entity Display для быстрого включения или выключения отображения поверхностей. Если панель инструментов Entity Display не отображается, ее можно включить с помощью команды Tools, Toolbars, Entity Display.
Femap NX Nastran быстрого включения или выключения отображения поверхностей
Femap NX Nastran Создание сетки
Построение плоской сетки заданного размера

Задание нагрузок и закреплений

Вы зададите нагрузку, которая представляет собой силу в 1000 фунтов по вертикали. Поскольку модель симметрична, Вам также потребуется применить граничные условия симметрии.

Приложите нагрузку, которая представляет 1000 фунтов по вертикали (+Y). Так как Вы смоделировали только ¼ модели, необходимо применить нагрузку 1000/4=250 к верхней кривой.

  1. ‍Model, Load, On Curve.
  2. ‍Поскольку в модели отсутствуют наборы нагрузок, FEMAP предложит создать их. В диалоговом окне New Load Set в поле Title введите название набора нагрузок.
  3. ‍Нажмите ОК.
  4. ‍В диалоговом окне выбора объектов Entity Selection выберите верхнюю кривую, как показано на следующем рисунке.
  5. ‍Нажмите ОК.
Femap NX Nastran Задание нагрузок и закреплений
Задание нагрузок
  1. ‍В диалоговом окне Create Loads on Curves выберите Force.
  2. Введите значение силы в поле FY: 250.
  3. ‍Нажмите ОК, затем нажмите Cancel.

Примените граничные условия симметрии к ребрам и зафиксируйте одно ребро детали, как показано на рисунке ниже.

Femap NX Nastran граничные условия симметрии к ребрам
Определение граничных условий
  1. ‍Model, Constraint, Nodal.
  2. ‍Поскольку в модели не существует наборов закреплений, FEMAP предложит создать их. В диалоговом окне New Constraint Set в поле Title введите название набора закреплений.
  3. ‍Нажмите ОК. Затем в диалоговом окне выбора объектов Entity Selection нажмите кнопку Methods.
  4. ‍Выберите метод On Curve.
  5. ‍Выберите две кривые, как показано на рисунке ниже.
Femap NX Nastran граничные условия симметрии к ребрам
Определение граничного условия симметрии в Femap
  1. ‍Нажмите ОК. В диалоговом окне Create Nodal Constraints/DOF нажмите кнопку Z Symmetry и нажмите ОК.
  2. ‍В диалоговом окне Entity Selection dialog box (Method, On Curve) выберите три кривые, показанные на следующем рисунке.
Femap NX Nastran граничные условия симметрии к ребрам
Определение граничного условия симметрии в Femap
  1. ‍Нажмите ОК. В диалоговом окне Create Nodal Constraints/DOF нажмите кнопку X Symmetry и нажмите ОК. Нажмите кнопку «No», чтобы объединить граничные условия, а не перезаписать.
  2. ‍В диалоговом окне выбора объектов Entity Selection с помощью метода On Curves выберите кривую как показано на рисунке ниже.
Femap NX Nastran граничные условия симметрии к ребрам
Закрепление модели
  1. ‍Нажмите ОК. В диалоговом окне Create Nodal Constraints/DOF нажмите кнопку Fixed. Нажмите ОК. Нажмите кнопку «No», чтобы объединить граничные условия, а не перезаписать. Нажмите Cancel.
  2. ‍На панели инструментов View нажмите на иконку View Visibility (команда View, Simple Toolbar). Либо нажмите Ctrl+Q.
  3. ‍Активируйте параметры отображения меток объектов «Labels».
Femap NX Nastran ‍Активируйте параметры отображения меток объектов «Labels»
Диалоговое окно настройки видимости объектов Visibility
  1. ‍Нажмите кнопку All Off. Затем нажмите кнопку Done.
Примечание: Вы можете использовать панель инструментов Entity Display для быстрого включения или выключения отображения меток (третий значок позволяет включать и выключать Метки). Если панель инструментов Entity Display не отображается, ее можно включить с помощью команды Tools, Toolbars, Entity Display.
Femap NX Nastran включения или выключения отображения меток
Панель инструментов Entity Display
Femap NX Nastran граничные условия симметрии к ребрам
Конечно-элементная модель сварной трубы

Анализ модели

Решите модель с помощью решателя NX Nastran.

Создайте анализ и запустите статический расчет.

  1. ‍Model, Analysis.
  2. ‍Нажмите кнопку New.
  3. Выберите «36..NX Nastran» из выпадающего списка решающей программы Analysis Program. Выберите линейный статический анализ «1..Static» из раскрывающегося списка типов анализа Analysis Type.
  4. ‍Нажмите ОК.
  5. Выделите в дереве анализа раздел Master Requests and Conditions и дважды щелкните по нему левой кнопкой мыши, чтобы раскрыть раздел. Выделите подраздел Output Requests.
  6. ‍Нажмите кнопку Edit.
  7. В диалоговом окне NASTRAN Output Requests установите галочку в чекбоксе «Nodal: Force Balance» для вывода в результаты внутренних узловых усилий через Freebody.
  8. ‍В разделе Customization в поле Results Destination выберите «2..PostProcess Only» (установлено по умолчанию).
Примечание: Опция «2..PostProcess Only» позволит NX Nastran создать вывод результатов в двоичном файле (op2 файл), а не в файле печати (f06 файл). Файл f06 не содержит данных узловых сил, необходимых FEMAP для создания диаграмм Freebody. Кроме того, опция «3..Print and Post» не может использоваться для получения данных узловых сил. Это потому, что FEMAP всегда читает вначале файл f06 для того, чтобы проверить все ошибки, предупреждения и информационные сообщения. Если файл f06 содержит вывод, FEMAP будет считывать этот вывод и пропускать чтение файла op2.
Совет: При выборе параметра «Force Balance» NX Nastran выведет все силы, действующие на каждый узел модели, из всех элементов, подключенных к этому узлу. С помощью этой информации можно создать свободную силовую схему модели или любой ее части.
  1. ‍Нажмите ОК. Затем нажмите Analyze.

Постобработка результатов анализа

Для этого анализа Вы создадите Freebody. Сначала необходимо сгруппировать элементы в модели таким образом, чтобы разделить их вдоль линии сварки. Затем можно просмотреть диаграмму Freebody части модели, отображая таким образом силы вдоль сварного шва.

Создайте группу узлов и элементов нижней поверхности.

  1. ‍Group, Create/Manage.
Совет: Вы также можете создать новую группу, используя команду New из контекстного меню, нажав правой кнопкой на раздел Group в дереве проекта FEMAP.
  1. ‍В диалоговом окне Group Manager создайте новую группу с помощью кнопки New Group.
  2. ‍В диалоговом окне New Group в поле Title введите название группы «Lower Surface».
  3. ‍Нажмите ОК. В диалоговом окне Group Manager нажмите кнопку Done.
  4. ‍Group, Element, On Surface.
  5. ‍В диалоговом окне выбора объектов Entity Selection выберите нижнюю поверхность.
  6. ‍Нажмите ОК.
Femap NX Nastran Постобработка результатов анализа
Создание новой группы объектов для постобработки результатов расчета
  1. Group, Node, On Surface.
  2. В диалоговом окне выбора объектов Entity Selection выберите нижнюю поверхность.
  3. Нажмите ОК.
  4. Щелкните строку состояния «Status Bar» в нижней части окна FEMAP на кнопку с группами «Grp».
  5. Выберите режим отображения активной группы «Show Active». Активная группа подсвечивается в дереве проекта Model Info синим цветом.
Примечание: Строка состояния «Status Bar» отображает идентификатор активной группы (например, Grp: 2).
Femap NX Nastran Постобработка результатов анализа
Группа с отдельными элементами для анализа результатов
Совет: Вы можете также управлять группами с помощью дерева проекта Model Info. Дважды щелкните левой кнопкой мыши на любую группу, чтобы сделать ее активной. Вы можете включать и выключать режим отображения только активной группы «Show Active» с помощью контекстного меню, щелкнув правой кнопкой мыши на любой группе.

Создайте диаграмму Freebody.

  1. Tools, PostProcessing Toolbox (Панель инструментов PostProcessing Toolbox может быть уже открыта, если это так, убедитесь, что вкладка постобработки PostProcessing активна).
  2. ‍Нажмите на заголовок Freebody, чтобы раскрыть панель инструментов Freebody. Если опция Expand Active Only в панели инструментов PostProcessing Toolbox отключена (по умолчанию включена), то нажмите "+" рядом с Freebody (или дважды щелкните на заголовок Freebody), чтобы развернуть инструменты Freebody. Опция Expand Active Only находится в контекстном меню, если щелкнуть правой кнопкой мыши на любой заголовок из PostProcessing (Deform, Contour или Freebody).
  3. ‍В секции, расположенной над Freebody Properties, нажмите на иконку Select Output Set для выбора набора результатов.
  4. ‍В диалоговом окне Select Output Set выберите набор результатов «NX Nastran Case 1».
  5. ‍Нажмите ОК.
  6. ‍В секции Freebody Properties нажмите на иконку Add Freebody.
  7. ‍В диалоговом окне Freebody Manager нажмите кнопку New Freebody.
  8. ‍В диалоговом окне New Freebody в поле Title введите название Freebody «Lower Surface».
  9. ‍Нажмите ОК. Затем в диалоговом окне Freebody Manager нажмите кнопку Done.
  10. В секции Freebody Properties в разделе Entities выберите из выпадающего списка режим выбора объектов с помощью групп «Group Select». В разделе Group выберите из выпадающего списка активную группу «-1..Active» или «2..Lower Section». 
Обратите внимание: Вместо того, чтобы создавать группу, элементы могут быть выбраны через стандартное диалоговое окно выбора объектов, когда режим выбора объектов установлен в "Entity Select".
Femap NX Nastran Создайте диаграмму Freebody
Создание диаграммы Freebody для визуализации сил в сварных швах

Просто нажмите кнопку Select Freebody Elements, затем выберите элементы в стандартном диалоговом окне выбора объектов.  Затем элементы можно подсветить в графическом окне, нажав на иконку Show Freebody Elements. Для сброса выбранных элементов нажмите на иконку Reset Freebody Elements.

  1. В секции Freebody Properties в разделе Nodal Vector(s) в поле Displayed Forces отключите отображение сил FX и FZ.
Femap NX Nastran Создайте диаграмму Freebody
Вертикальные силы реакции на зафиксированном конце детали, а также распределение вертикальной нагрузки через сварной шов

Обратите внимание: Поскольку Вы просматриваете только компоненты силы Y, то Вы видите вертикальные силы реакции на зафиксированном конце детали, а также распределение вертикальной нагрузки через сварной шов. Обратите внимание на распределение вертикальной узловой нагрузки в сваренном соединении.
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