FEM Shear of a Composite Block/pl

Temat
Ćwiczenie
Analiza metodą elementów skończonych
Poziom trudności
Początkujący/średnio zaawansowany
Czas wykonania
30 minut
Autorzy
HarryvL
Wersja FreeCAD
1.1 lub nowszy
Pliki z przykładami
Nie dołączono
Zobacz również
-

Wprowadzenie

W tym przykładzie przeanalizujemy deformację postaciową kompozytowego bloku składającego się ze sztywnego rdzenia osadzonego w miękkiej matrycy. Zademonstrowane będzie użycie narzędzi BooleanFragments i CompoundFilter do utworzenia brył dla bloku i matrycy z dwóch współśrodkowych sześcianów. To podejście zapewnia możliwość przypisania obszarów siatki, materiałów i warunków brzegowych osobno dla bloku i otaczającej go matrycy. Do wybrania wewnętrznych obszarów możemy wykorzystać narzędzie Określ zaznaczenie, makro autorstwa Markusa Hovorki lub alternatywne podejście. Wyniki z solvera CalculiX wyraźnie pokazują wpływ sztywnego rdzenia na odpowiedź bloku kompozytowego.

Geometria

Najpierw utworzymy dwie współśrodkowe kostki, jedną o rozmiarze 10mm a drugą o rozmiarze 5mm. Robimy to w środowisku pracy Część. Domyślnie sześcian jest umieszczony w środku układu współrzędnych [0,0,0]. więc mniejszy sześcian należy przeskalować i przesunąć poprzez zmianę właściwości Position w obrębie Umiejscowienia na (2.5,2.5,2.5). Aby uczynić rdzeń widocznym, przezroczystość zewnętrznego bloku jest ustawiana na 50 w zakładce Widok Widoku właściwości. Wynik jest pokazany poniżej.

Następnie zaznaczmy dwa bloki w drzewie i utwórzmy obiekt BooleanFragments (Część → Rozdziel → Fragmentacja funkcją logiczną). W zakładce Dane Widoku właściwości zmień tryb na CompSolid. Teraz zaznacz obiekt BooleanFragments w Widoku drzewa i utwórz Filtr złożeń (Część → Złożenie → Filtr złożeń).

Siatka i zagęszczenia siatki

W środowisku pracy MES tworzymy kontener Analiza. Będzie on zawierał wszystkie definicje wymagane do analizy w solverze CalculiX i jej wyniki. Jeśli kontener Analiza nie jest aktywny (np. po każdym ponownym wczytaniu pliku lub po przełączeniu się z innej analizy), należy go aktywować klikając prawym przyciskiem myszy i wybierając "Aktywuj analizę" lub po prostu dwukrotnie klikając na nim. Aby rozpocząć proces generowania siatki, zaznacz obiekt CompoundFilter w Widoku drzewa i aktywuj okno dialogowe Siatka → Siatka z kształtu przy pomocy generatora Gmsh. Opuść okno dialogowe klikając OK.

Obiekt siatki jest tworzony w drzewie modelu. Zaznacz go i utwórz Zagęszczenie siatki poprzez Siatka → Zagęszczenie siatki. Otwórz okno dialogowe dla obiektu MeshRegion klikając na nim dwukrotnie i zaznacz przycisk dla Solid. Następnie wciśnij przycisk "Dodaj" i wybierz obiekt CompoundFilter w Widoku 3D. Powinno to dodać odniesienie do "CompoundFilter:Solid1" na liście obiektów Zagęszczenia siatki. Wreszcie, podaj maksymalny rozmiar elementów dla tego obszaru (tutaj 5 mm). Opuść okno dialogowe klikając OK.

Następnie utwórz nowy obiekt MeshRegion jak opisano powyżej i użyj narzędzia Określ zaznaczeniel (umieść kursor nad środkiem sześcianu i użyj skrótu klawiaturowego G,G), aby wybrać ścianę wewnętrznego obiektu Cube_Core w Widoku 3D. Wyskakujące okno spyta którą bryłę zaznaczyć. Wybierz Solid2 (wewnętrzny sześcian). Tym razem lista odniesień powinna pokazywać "CompoundFilter:Solid2", jak pokazano poniżej. Wybieramy maksymalny rozmiar elementu 1 mm.

Uwaga: Jeśli masz problem z wyborem obiektu "CompoundFilter:Solid2", może to wynikać z pominięcia ustawienia trybu CompSolid w obiekcie BooleanFragments.

Przypisanie materiału

Materiał jest przypisywany do obszarów modelu poprzez obiekt SolidMaterial. W tym przykładzie przypisujemy dwa materiały, jeden dla matrycy i jeden dla rdzenia.

Utwórz obiekt SolidMaterial poprzez opcję Model → Materiały → Materiał bryły. Otwórz okno dialogowe i zaznacz przycisk dla Solid, wciśnij "Dodaj" i wybierz obiekt CompoundFilter z okna graficznego. Lista odniesień powinna teraz pokazywać "CompoundFilter:Solid1", jak poprzednio. Przypisujemy materiał ABS do matrycy, z modułem Younga około 1% wartości dla stali.

Potwórz powyższą procedurę dla rdzenia ("CompoundFilter:Solid2") z pomocą narzędzia Określ zaznaczenie lub alternatywnego podejścia. Tym razem przypisujemy materiał CalculiX-Steel, który jest znacznie sztywniejszy od materiału ABS matrycy.

Podpora przesuwna

Aby uzyskać stan prostego ścinania dla bloku kompozytowego, należy pozostawić nie zablokowane deformacje na brzegach. Żeby to uzyskać, blok jest umieszczany na podporze przesuwnej. Pozostawia to trzy stopnie swobody w płaszczyźnie podpory (2 translacje i 1 obrót) i te stopnie swobody będą związane później. (Uwaga: ponieważ płaszczyzna zapobiega deplanacji ściany, nadal wprowadza ona drobne wiązanie, który można by wyeliminować poprzez inny wybór warunków brzegowych). Aby utworzyć podporę przesuwną, dodaj obiekt Displacement (Model → Warunki brzegowe i obciążenia mechaniczne → Warunek brzegowy przemieszczenia). W otwartym oknie dialogowym kliknij przycisk Dodaj a następnie wskaż ścianę, do której warunek będzie przyłożony. Ponieważ blok będzie mógł się przesuwać po płaszczyźnie x-y, wybierany jest tylko przycisk dla "Przemieszczenie Z" a pozostałe przyciski są pozostawione jako odznaczone.

Utwierdzone węzły

Aby zapobiec ruchowi sztywnemu w płaszczyźnie przesuwu, trzy niezależne stopnie swobody muszą zostać wyeliminowane. Żeby to osiągnąć, jeden wierzchołek w płaszczyźnie przesuwu jest blokowany w kierunkach x i y (eliminacja 2 stopni swobody) a inny jest blokowany w kierunku x (eliminacja ostatniego stopnia swobody). Do tego celu tworzone są dwa dodatkowe obiekty Displacement a efekt jest pokazany poniżej.

Siły styczne

Ostatni etap definicji analizy to zadanie obciążeń. Aby utworzyć stan prostego ścinania, przykładany jest zestaw sił stycznych, jak pokazano poniżej. Każde obciążenie ma wartość 1000 N i biorąc pod uwagę kierunki przyłożenia, równowaga sił i momentów jest osiągnięta dla wszystkich translacyjnych i obrotowych stopni swobody. W programie FreeCAD wymaga to dodania czterech obiektów Force (Model → Warunki brzegowe i obciążenia mechaniczne → Obciążenie siłą) - jeden dla każdej ściany. W otwartym oknie dialogowym najpierw wciśnij przycisk "Dodaj", a następnie wskaż ścianę, do której ma być przyłożony warunek brzegowy. Domyślnie, tworzy to zestaw sił prostopadłych do ściany (siły normalne). Aby zmienić je na styczne, wciśnij przycisk "Kierunek" i wybierz krawędź sześcianu, która przebiega w odpowiednim kierunku. Jeśli uzyskany zwrot siły jest nieodpowiedni, można go zmienić zaznaczając opcję "Odwróć kierunek".

Analiza w CalculiX

Teraz gdy wszystkie obiekty siatki, materiały i warunki brzegowe są zdefiniowane, jesteśmy gotowi do przeanalizowania deformacji bloku przy pomocy solvera CalculiX. Jeśli kontener Analiza nie jest aktywny, aktywuj go klikając na nim dwukrotnie (lub klikając prawym przyciskiem myszy i wybierając "Aktywuj analizę"). Otwórz okno dialogowe solvera CalculiX dwukrotnie klikając na obiekcie SolverCalculiX i klikając Zastosuj, aby uruchomić analizę.

Jeśli wszystko pójdzie prawidłowo, okno CalculiX'a powinno pokazać następujące wiadomości.

Wyniki CalculiX

Po ukończeniu analizy spójrz na obiekt "SolverCalculiXResult" domyślnie wyświetlający wypadkowe przemieszczenia (Displacement Magnitude). Maksymalna wartość przemieszczenia ~ 0.08mm zostanie wyświetlona w odpowiednim polu. Ponieważ maksymalne przemieszczenia jest stosunkowo małe w porównaniu z wymiarami bloku (<1% rozmiaru bloku), przemieszczenia należy przeskalować dla lepszej widoczności. Można to zrobić zaznaczając obiekt "SolverCalculiXResult" i dodając filtr wizualizacji deformacji (Wyniki → Filtr wizualizacji deformacji). Ustaw współczynnik deformacji na 20 i użyj suwaka do wizualizacji przeskalowanej deformacji. Ustaw Field na Displacement.

Aby sprawdzić deformację rdzenia, musimy przeciąć blok. Z zaznaczonym obiektem "SolverCalculiXResult", dodaj Filtr przycięcia obszaru (Wyniki → Filtr przycięcia obszaru) i utwórz płaszczyznę ze środkiem [5.0,2.5,5.0] i kierunkiem normalnym [0,1,0], czyli na ścianie rdzenia z kierunkiem normalnym w osi Y. Zaznacz opcję "Wytnij komórki", aby utworzyć płaską powierzchnię. Jak poprzednio, ustaw Field na "Displacement", aby wyświetlić kontury przemieszczeń. Kliknij Zastosuj i OK. Jeśli zajdzie taka potrzeba, wyłącz widoczność filtra wizualizacji deformacji, aby widzieć tylko przycięcie.

Na podstawie wyników można łatwo wywnioskować, że rdzeń pozostaje w większości niezdeformowany i pomaga oprzeć się deformacji miękkiej matrycy (porównaj kąt ścięcia niebieskiej części z kątem ścięcia zielonej części). Widać też jednak, że w warunkach prostego ścinania, ściany kompozytowego bloku ulegają wypaczeniu, co sugeruje, że podpora przesuwna na podstawie sześcianu to nieodpowiedni warunek brzegowy.