Članek

Raziskovanje strukturne analize v Creo Ansys Simulation

Z numeričnimi simulacijami lahko izvedemo validacijo modelov, ki je ključni korak pri snovanju in optimizaciji izdelkov. Na realnem primeru iz industrije smo si ogledali, kako nam pri tem pomaga Creo Ansys Simulation.


Miha Drame, 31.07.2023

branja

V programu Creo lahko z numeričnimi simulacijami izvedemo validacijo modelov, ki je ključni korak pri snovanju in optimizaciji izdelkov. Od verzije Creo 7.0 naprej je na voljo visoko zmogljivo orodje Creo Ansys Simulation, ki smo ga uporabili za strukturno analizo realnega primera iz industrije, podpore visokotlačnega cevovoda.

Creo Ansys Simulation uporablja komercialno razširjen Ansys »solver« in generator mreže končnih elementov. Poleg natančnosti rezultatov je njegova prednost tudi razširjen spekter orodij, s katerimi lahko uporabnik natančno popiše dogajanje numeričnega modela. Poleg strukturnih analiz omogoča izvedbo termalnih in modalnih analiz.

Slika 1: Podpora sestoji iz kvadratnih profilov, ki objemajo cev oz. ji nudijo ustrezno funkcionalno stabilnost. Kvadratni profili so med seboj privarjeni, na okolje pa preko prirobnic vijačeni.

Cevovod je izpostavljen različnim obremenitvam, ki vplivajo na njegovo mehansko stanje. Ključnega pomena je, da je podpora konstruirana tako, da ustreza vsem kriterijem, običajno določenim v obliki dopustnih napetosti. Namen trdnostne analize je analizirati model z vidika mehanskega stanja, ki se pojavi v podpori (napetostno-deformacijski odziv) in posredno ovrednotiti ustreznost zasnove. 

Slika 2: Izbira tipa analiz v Creo Ansys Simulate

V spodnjih štirih korakih je predstavljen potek izdelave simulacije:  

Poenostavitev geometrijskega modela 

Iz modela izločimo detajle, ki bistveno ne vplivajo na rezultate analize, znatno pa povečajo kompleksnost numeričnega modela, kar se odraža na dolgotrajnejšem izračunu. S pomočjo orodij fleksibilnega modeliranja ali supresiranjem gradnikov izločimo posnetja oz. zaokrožitve ter mesta vpetja. Za hitro menjavo med simulacijskim modelom in polnim modelom z vsemi podrobnostmi lahko v Creo uporabimo orodje poenostavljenih reprezentacij oz. Simplified Representations.

Odstranitev zaokrožitev profilov in izvrtin na mestu prirobnic

Materialni podatki

Materialne lastnosti posameznih sestavnih delov podpore so podane v spodnji tabeli. Materialni odziv je obravnavan kot izotropen in linerano elastičen. Glavni nosilec in podložna plošča sta iz konstrukcijskega jekla A500. Za zvare konstrukcije se predpostavlja, da imajo enake snovne lastnosti kot osnovni material.

Parameter Kvadratni profil 100x100x5 Prirobnica 
σdop [MPa] 250 250
E [GPa]   186 186
ν  [/] 0,33 0,33

Tabela: Dopustne vrednosti napetosti 

Definiranje robnih pogojev in obremenitev        

Robni pogoji nam definirajo omejitev prostostnih stopenj izbrane geometrije. Fizikalno se približamo stanju podprtja modela v realnosti. V modelu smo s pomočjo nove funkcionalnosti »Divide Surface« površino profila razdelili z namenom predpisati obremenitev na kontaktno površino. Predpisana vrednost obremenitev na ploskvah se razporedi v ekvivalentne vozliščne vrednosti.

Pogoji konzolnega vpetja na mestu prirobnic in tlačne obremenitve na kontaktu profil-cev

Mreženje modela s končnimi elementi    

Diskretizacija geometrijskega modela se vrši avtomatično. S pomočjo ročnih nastavitev lahko predpišemo lokacije zgostitve mreže. Za enostavne topologije so generirani heksaedrični končni elementi, na kompleksnejših mestih tetraedri. Zgoščevanje mreže splošno vodi v natančnejši, a numerično potratnejši problem. 

Mreža končnih elementov (84844 heksaedričnih volumskih elementov)

Interpretacija rezultatov analize

Rezultati strukturne analize predstavljajo deformacije in napetosti konstrukcije ter naprednejše izračunane vrednosti. Splošen kriterij za vrednotenje napetosti je Von Misesova primerjalna napetost. Primerjamo jo lahko z dopustnimi vrednostmi izbranega materiala podpore. Vmesnik omogoča ogled naprednejših rezultatov in shranjevanje simulacije v standardni format.  

Porazdelitev primerjalne Von Misesove napetosti

Najvišja vrednost primerjalne napetosti se pojavi na mestu apliciranja obremenitev in znaša 140 MPa. Na mestu prehodov med profili, kjer prihaja do singularnosti, so prisotni skoki napetosti; ključnega pomena je zagotavljanje ustreznega radija zaokrožitve pri varjenju konstrukcije. Z ogledom naprednih vrednosti napetostnega tenzorja lahko izločimo mesta, kjer je konstrukcija obremenjena tlačno in ne prihaja do rasti razpok. V kolikor napetosti primerjamo z dopustnimi napetostmi (250 MPa), je zasnova konstrukcije na statično vrednotenje podpore ustrezna.  

Vrednosti deformacij

Največji poves se pojavi na mestu delovanja vertikalne sile in znaša 0.165 mm. Absolutni premik podpore na mestu podprtja cevovoda, kot superpoziciji vseh komponent deformacij, v povprečju znaša 0.089 mm. 

Ne spreglejte naslednjega prispevka

Kot smo videli, simulacije omogočajo preverjanje izdelkov v virtualnem okolju pred fizičnim prototipiranjem in s tem omogočajo:

  • hitrejši razvoj izdelkov zaradi zmožnosti takojšnjega preizkušanja različnih konceptov, 
  • zmanjšanje stroškov zaradi zmanjšane potrebe po fizičnih prototipih,
  • zgodnje odkrivanje in odpravljanje napak, ki zmanjšuje tveganje za težave pri proizvodnji ali kasnejši uporabi.

V naslednjem prispevku si bomo ogledali, kako lahko na določenih primerih večkratno pohitrimo računske čase ob ohranjanju enake kvalitete rezultatov. 

Preberite še

Creo
Teden webinarjev o B&W dodatkih za Creo: zagotovite si svoje mesto!

Med 12. in 14. oktobrom se lahko brezplačno udeležite webinarjev o priljubljenih dodatkih za Creo, ki jih bodo vodili strokovnjaki podjetja B&W.

Webinar
AxWebinar: Model Based Definition in GD&T Advisor

Spoznajte možnosti digitalne definicije izdelkov, ki jih ponuja Creo. Z Model Based Definition lahko podatke o izdelku vključimo neposredno v 3D model, z GD&T Advisorjem pa si pomagamo pri geometrijskem dimenzioniranju in tolerancah.

Webinar
AxWebinar: Ključ do uspešnega razvoja izdelkov

Spoznajte celovito PLM rešitev Windchill, ki vsem deležnikom v procesu razvoja izdelka ponuja enoten vir informacij. S tem omogoča boljše sodelovanje in več časa za izboljšanje kakovosti izdelka.