Pro/MECHANICA
Обзор
1. Возможности
Pro/MECHANICA является встроенным, также может быть и независимым, модулем для выполнения анализа по конечным элементам (Finite Element Analysis - FEA) Pro/E CAD/CAM системы. Pro/MECHANICA является набором из трёх отдельных программ:
-
Pro/MECHANICA STRUCTURE - пакет структурного анализа, который обеспечивает структурное моделирование и способности оптимизации как для деталей, так и для сборок. Этот продукт представляет возможность проведения следующих типов анализа: статического, модального, продольного изгиба, контактного, напряжения и вибрации. Вы можете также использовать продукт, чтобы определить насколько чувствительная модель к изменению формы и свойств.
-
Линейный анализ статического напряжения - для большинства структур, кроме: (1) нелинейно-упругие материалы как, например, резина, или (2) модель, включающая очень большие геометрические отклонения.
-
Анализ упругости - устойчивость опор.
-
Модальный анализ (мода формы и естественные частоты) - проблемы вибрации и динамики.
-
Pro/MECRANICA THERMAL - пакет термического анализа, который обеспечивает устойчивое состояние и нерезидентное термическое моделирование, а также способность оптимизации как для деталей, так и для сборок. Вы можете также использовать продукт чтобы определить, насколько чувствительна модель к изменению формы и свойств.
-
Pro/MECHANICA MOTION - пакет анализа движения обеспечивает моделирование и оптимизацию механизма. Этот продукт представляет возможность проведения 3D статического, кинетостатического, динамического и обратно динамического анализов, а также проверку интерференции.
2. Режимы работы
Pro/MECHANICA работает в трёх различных режимах:
-
Интегрированный режим
Связанный режим - работа одновременно и в Pro/ENGINEER, и в Pro/MECHANICA (сессии обоих программ выполняются одновременно).
Независимый режим - работа в среде Pro/MECHANICA. FEA модель генерируется Pro/M из данных, переданных из различных CAD систем. Внесённые изменения в параметры могут быть вручную внесены в исходную модель. Имеет расширенные возможности FEA.
Пользователь может производить переключения между режимами в следующей последовательности: Integrated Mode > Linked Mode > Independent Mode. Возврат в режим более низкого уровня не возможен.
3. Основы
Pro/MECHANICA работает основываясь на P-элементах или P-версии методах конечных элементов, или p-методе. P-метод представляет смещения или температуру в пределах каждого элемента, используя старшие многочлены, в противоположность линейным, а иногда и квадратичным или кубическим функциям, использованным в условных конечных элементах, типа классического h-элементного метода. Этот подход имеет следующие преимущества:
-
Отдельный геометрический элемент может представлять более комплексное состояние деформации или температуры, чем отдельный условный конечный элемент. Сетка более грубая и содержит меньшее элементов, чем h-кодов, таким образом уменьшается время вычисления и повышается скорость сходимости.
-
Та же самая сетка может использоваться для анализа без постоянной повторной генерации сетки для детали, при изменении сетки или локальном "измельчении" сетки, заданном h-кодом, чтобы постепенно улучшить сходимость и выполнять изучения оптимизации и чувствительности.
- Лучшая платформа для автоматизированной генерации сетки.
Рис. 1. FEA методы: h-элементный и p-элементный
4. Выполнение анализа в Pro/MECHANICA
На приведённом ниже рисунке приведён процесс выполнения анализа по конечным элементам в Pro/MECHANICA.
На следующем рисунке приведена взаимосвязь между различными режимами работы Pro/MECHANICA.
5. Различия между CAD и FEA моделями
Хотя Pro/MECHANICA интегрирован в Pro/ENGINEER и они имеют подобные методы моделирования геометрии, функции геометрической модели абсолютно различны в системах CAD и FEA. Предназначение геометрической модели, созданной системой CAD - предоставить детальный документ для производства. С другой стороны, геометрическая модель для программы FEA представляет приблизительную геометрию детали и условия нагрузки. Для того, чтобы избежать проблем при выполнении FEA, модель часто делается по следующим принципам:
- Удаление всех незначительных деталей, которые оказывают незначительный эффект на результат FEA.
-
Использование симметрии детали, чтобы эффективно уменьшить размер модели.
-
Удаление частей модели не оказывающих влияния на результат анализа.
6. Три различных метода последовательных приближений
Pro/MECHANICA поддерживает три различных метода последовательных приближений, чтобы удовлетворить потребность от быстрой проверки новой модели FEA до окончательного, точного вычисление напряжения.
-
Quick Check - Фактически не является методом последовательных приближений, так как модель прогоняется только один раз для фиксированного (низкого) полиномиального порядка. Результатам никогда нельзя доверять. Quick Check служит для того, чтобы быстро провести модель сквозь решающее устройство, устранить погрешности, которые, возможно, были сделаны, например в ограничениях. Быстрый просмотр результатов также укажет ошибки моделирования и возможные проблемные области модели.
-
Single Pass Adaptive - Больше, чем Quick Check, но меньше, чем выполнение на полную сходимость. Этот адаптивный метод выполняет один проход в нижнем полиномиальном порядке, оценивает точность решения, изменяет p-уровень "проблемных элементов", и выполняет окончательный проход, изменяя некоторые элементы, что должно предоставить приемлемый результат. Избегайте этого метода, если модель требует значительных затрат на вычисление. Single Pass Adaptive анализы доступны не для вех типов моделей.
-
Multi-Pass Adaptive - Предел в анализах сходимости. Множественная "p-петля" проходов через решающее устройство, со сглаживанием порядка "проблемных элементов", увеличиваемом с каждым проходом. Этот итеративный метод продолжается пока решение не сойдется на определенной точности или не будет достигнут определённый максимум проходов (по умолчанию 9). По завершению выполнения, измерение сходимости может быть проверено. Типично для напряжения Von Mises и полной энергии деформации. Желательно всегда основывать конечные заключения на полученных результатах от использования этого метода последовательных приближений.
7. Взаимосвязь компьютерной модели и результатов
При использовании FEA в Pro/MECHANICA Вы взаимодействуете со следующими формами компьютерных моделей и расчетных результатов:
-
Pro/E модель - отправной пункт, где определена геометрия (Рис. 2).
-
FEA модель - упрощённая модель Pro/E, к которой приложены нагрузки и ограничения (Рис. 3).
|
|
|
|
Рис.2 Конструктивная модель |
Рис.3 Геометрическая модель для FEA |
-
Деформация детали показана на Рис.4a.
- Интерференционная полоса Von Mises напряжения детали показана на Рис.4b.
|
(a) Деформация |
(b) Напряжение |
|
Рис.4 |
|
-
Графики сходимости (Рис.5) - контроль прогресса FEA программы.
- График для изучения чувствительности (Рис.6) - изучение влияния проектного параметра и оптимизация проектного параметра.
Рис.5
Рис.6
8. Предостережения
Все результаты FEA (включая Pro/MECHANICA) должны интерпретироваться и проверяться. Проверка может быть выполнена, использованием простых экспериментов или вычислений во множестве ключевых точек. Принцип "Garbage (мусор) In = Garbage Out" (GIGO) все еще применим, независимо от того насколько впечатляюща графика. "FEA делает хорошего инженера лучше, а плохого инженера опасным".
9. Pro/MECHANICA Tutorial
Руководства по Pro/MECHANICA доступны в сети в Pro/E Tutorials.
Использованная литература
1. Parametric technology Corp, Pro/MECHANICA Using Structure with Pro/ENGINEER, Release 20.0. DOC-U0108-EN-200, 1999.
2. Toogood, R., Pro/MECHANICA Structure Tutorial Release 20, 2nd Edition, SDC Publications, 1999.