APM FEM Руководство пользователя APM FEM Система прочностного анализа для КОМПАС-3D Версия для КОМПАС-3D V16 Руководство Пользователя Научно-технический центр «Автоматизированное Проектирование Машин» 141070, Россия, Московская область, г. Королёв, Октябрьский бульвар 14, оф. 6 тел./факс: +7 (498) 600-25-10, +7 (495) 514-84-19. Наш адрес в Интернете: http://www.apm.ru, e-mail: [email protected] Авторские права  1989 – 2015 Научно-технический центр «Автоматизированное проектирование машин». Все права защищены. Все программные продукты НТЦ «АПМ» являются зарегистрированными торговыми марками центра. Названия и марки, упомянутые в данном руководстве, являются зарегистрированными торговыми марками их законных владельцев. Содержание Содержание ........................................................................................................................................... 3 Введение ................................................................................................................................................ 4 Основные положения ...................................................................................................................... 4 Начало работы с APM FEM ............................................................................................................ 4 Глава 1. Интерфейс системы APM FEM ........................................................................................... 5 1.1 Общий вид APM FEM ............................................................................................................... 5 1.2 Команды библиотеки APM FEM ............................................................................................. 6 1.3 Панель инструментов APM FEM: Прочностной анализ .................................................... 6 1.4 Выбор объектов ...................................................................................................................... 7 1.5 Задание свойств материала ................................................................................................. 7 1.6 Особенности расчета деталей и сборок ............................................................................ 8 1.7 Панель свойств ....................................................................................................................... 8 1.8 Настройки масштаба изображения стрелок, закреплений и нагрузок ........................... 8 1.9 Настройки APM FEM ............................................................................................................... 8 Глава 2. Команды APM FEM ................................................................................................................ 9 2.1 Общий порядок расчета твердотельной модели .............................................................. 9 2.2 Подготовка модели к расчету .............................................................................................. 9 2.3 Работа с деревом прочностного анализа ......................................................................... 14 2.4 Генерация КЭ-сетки .............................................................................................................. 15 2.5 Выполнение расчета ............................................................................................................ 18 2.6 Параметры расчета ............................................................................................................. 18 2.7 Результаты расчета ........................................................................................................... 21 Введение Основные положения Система APM FEM представляет собой интегрированный в КОМПАС-3D инструмент для подго- товки и последующего конечно-элементного анализа трехмерной твердотельной модели (детали или сборки). Подготовка геометрической 3D-модели и задание материала осуществляется средствами си- стемы КОМПАС-3D. С помощью APM FEM можно приложить нагрузки различных типов, указать гра- ничные условия, создать конечно-элементную сетку и выполнить расчет. При этом процедура генера- ции конечных элементов проводится автоматически. APM FEM позволяет провести следующие виды расчетов:  статический расчет;  расчет на устойчивость;  расчет собственных частот и форм колебаний;  тепловой расчет. В результате выполненных системой APM FEM расчетов Вы можете получить следующую ин- формацию:  карту распределения нагрузок, напряжений, деформаций в конструкции;  коэффициент запаса устойчивости конструкции;  частоты и формы собственных колебаний конструкции;  карту распределения температур в конструкции;  массу и момент инерции модели, координаты центра тяжести. Система APM FEM разработана в НТЦ АПМ (www.apm.ru) для прочностного конечно- элементного экспресс анализа в КОМПАС-3D. Более расширенный функционал конечно-элементного анализа импортированных моделей доступен в системе APM WinMachine в модулях APM Studio и APM Structure3D. APM Studio позволяет выполнять расчет не только твердотельных, но и оболочечных (пластин- чатых) деталей и сборок. APM Structure3D предоставляет возможность редактирования КЭ-сетки, создания комбиниро- ванных (стержневых-пластинчатых-объемных) моделей, а также решения задач большой размерно- сти. Подробнее использование функционала APM Structure3D рассмотрено в п. 2.4. Начало работы с APM FEM Минимальные требования для работы APM FEM соответствуют требованиям КОМПАС-3D. Система APM FEM является прикладной библиотекой КОМПАС-3D, для подключения которой необходимо запустить Менеджер библиотек , и выбрать пункт APM FEM: Прочностной анализ в папке Расчет и построение. После этого библиотека будет подключена и станет доступна панель инструментов APM FEM: Прочностной анализ. Рис. – Библиотека APM FEM: Прочностной анализ Перед началом работы с библиотекой APM FEM рекомендуется перестроить модель (клавиша F5). 4 Глава 1. Интерфейс системы APM FEM 1.1 Общий вид APM FEM APM FEM является библиотекой системы трехмерного моделирования КОМПАС-3D и полно- стью использует ее интерфейс, что существенно облегчает работу Основные элементы интерфейса, используемые APM FEM представлены на рисунке (Рис. 1.1): ­ дерево панели «Прочностной анализ»; ­ панель инструментов «Прочностной анализ»; ­ панель свойств; ­ подсказки для текущей команды; ­ информационные сообщения. Вы можете управлять отображением панелей инструментов данного редактора, используя пункт меню Вид / Панели инструментов. Дерево модели Панель инструментов Панель свойств Подсказки для Информационные текущей команды сообщения Рис. 1.1 Интерфейс APM FEM. 5 1.2 Команды библиотеки APM FEM При подключении библиотеки APM FEM: Прочностной анализ справа появляется дополнитель- ная вкладка со ВСЕМИ командами библиотеки. Рис. 1.2 Меню библиотеки APM FEM: Прочностной анализ Рис. 1.3 Группа команд Нагрузки и закрепления Рис. 1.4 Группа команд Разбиение и расчёт Рис. 1.5 Группа команд Результаты 1.3 Панель инструментов APM FEM: Прочностной анализ Данная панель предназначена для уско- ренного выбора команд прочностного анализа. Первые 3 кнопки компактной панели предназна- а) чены для выбора активных панелей (Рис. 1.6): а) подготовка модели; б) б) разбиение и расчёт; в) в) результаты. Рис. 1.6 Панели APM FEM: Прочностной анализ 6 1.4 Выбор объектов Для задания закреплений и нагрузок требуется указание или выделение объектов, как правило, ребер и граней. После активации команды в строке состояния появляется подсказка «Укажите грань (ребро)…». Для выбора грани или ребра достаточно навести на него указатель мыши и щелкнуть ле- вой кнопкой мыши. При выборе объектов следует учитывает вид указателя мыши для граней и ребер (Рис. 1.7). Цвет выбранных граней и ребер станет красным, а на панели свойств будет указано общее количество объектов, к которым приложена нагрузка или задано закрепление (Рис. 1.8). Для удобства выбора можно использовать фильтры КОМПАС-3D компактной панели. Для этого необходимо выбрать панель фильтры , а затем вкл/выкл. фильтр граней и ребер . Для снятия выделения необходимо щелкнуть по объекту повторно. а) б) в) Рис. 1.7 Вид указателя мыши при выборе грани (а), ребра (б), узла (в). Рис. 1.8 Пример выбора граней для задания закреплений 1.5 Задание свойств материала Задание свойств материала осуществляется средствами системы КОМПАС-3D с использовани- ем библиотеки Материалов и Сортаментов. Для выполнения прочностного расчета для материала детали должны быть заданы следующие свойства: ­ предел текучести, (МПа); ­ модуль упругости нормальный, (МПа); ­ коэффициент Пуассона, (-); ­ плотность, (кг/м^3); ­ температурный коэффициент линейного расширения, (1/*С); ­ теплопроводность, (Вт/(мС)); ­ предел прочности при сжатии, (МПа); ­ предел выносливости при растяжении, (МПа); ­ предел выносливости при кручении, (МПа). 7 Если какой-либо из пунктов свойств материала не задан, то по умолчанию принимаются свой- ства материала Сталь 3 кп (с пределом текучести 235 МПа). Если для выбранного материала поля указанных свойств частично не заполнены, то система выдаст предупреждение об отсутствии или не- корректности свойства. Учитывая, что практически для всех сталей такие свойства как модуль Юнга, коэффициент Пуассона и плотность одинаковы, то различий в картах напряжений и перемещений для деталей из разных сталей не будет и можно использовать материал по умолчанию. Различия будут при просмот- ре карт коэффициентов запаса, поскольку пределы текучести, прочности, а также выносливости при растяжении и кручении зависят от марки стали. 1.6 Особенности расчета деталей и сборок Условно все детали входящие в сборку КОМПАС- 3D можно разделить на две группы. К первой группе от- носятся детали, которые необходимо рассчитать на прочность, используя конечно-элементный анализ. Ко второй группе относятся конструктивные элементы и де- тали, которые необходимо исключить из расчета. Для исключения объекта или целой детали из рас- чета необходимо в дереве модели выбрать команду Ис- ключить из расчета. Рис. 1.9 Исключение из расчета К конструктивным элементам, которые необходимо исключить из расчета относятся фаски, ка- навки, небольшие отверстия и другие объекты, которые не оказывают значительного влияния на прочность, однако для их корректного описания потребуется значительное уменьшение размеров ко- нечных элементов. Необходимо исключить из расчета также детали, прочность которых не вызывает сомнения или может быть определена инженерными методами. Например, при выполнении расчета сборки исклю- чают из расчета элементы крепежа, прочность которых может быть определена инженерными мето- дами расчета. 1.7 Панель свойств Для задания параметров команд используется Панель свойств КОМПАС-3D. По умолчанию, па- нель свойств расположена горизонтально в нижней части экрана. Учитывая, что параметры для большинства команд расположены вертикально, можно рекомендовать вертикальное расположение панели свойств (Рис. 1.1). Задание нагрузки осуществляется в глобальной системе координат или по нормали к поверхно- сти. Для изменения направления знака на противоположное необходимо изменить знак перед значе- нием на противоположный. При этом истинное направление действия нагрузки отобразится на 3D мо- дели. ­ Для завершения ввода значений параметров нажмите кнопку (Ctrl+Enter). ­ Для отказа от задания параметров и прерывания команды нажмите кнопку (Esc). 1.8 Настройки масштаба изображения стрелок, закреплений и нагрузок Размеры изображения стрелок, закреплений и нагрузок на модели определяются автоматиче- ски. При этом панель Свойств всех команд содержит поле для ввода масштаба изображения. Мас- штаб изображения позволяет изменить размеры стрелок, закреплений и нагрузок при отображении на модели. Данный инструмент позволяет улучшить визуализацию, если размеры изображения стрелок, закреплений и нагрузок на модели не видны или, наоборот, слишком громоздки. 1.9 Настройки APM FEM Команда Настройки (Менеджер библиотек – APM FEM: Прочностной анализ) вызывает диало- говое окно настроек использования многоядерного процессора (доступно, если процессор вашего компьютера является многоядерным). В диалоговом окне Настройки можно также указать директорию для временных файлов расче- та. При работе с большими моделями (или при выполнении некоторых видов расчёта) для выполне- ния расчета может потребоваться до нескольких десятков гигабайт свободного места. Необходимость изменения директории для временных файлов расчета возникает, если на системном диске (по умол- чанию) недостаточно свободного места для выполнения расчета. 8 Глава 2. Команды APM FEM 2.1 Общий порядок расчета твердотельной модели Порядок подготовки модели и выполнения расчета: 1. Подключение библиотеки APM FEM: Прочностной анализ. 2. Подготовка модели к расчету – задание закреплений и приложение нагрузки. 3. Задание совпадающих граней (для КЭ-анализа сборки). 4. Генерация КЭ-сетки. 5. Выполнение расчета. 6. Просмотр результатов в виде карт напряжений, перемещений. 2.2 Подготовка модели к расчету Команды панели Подготовки модели предназна- чены для задания нагрузки и установки закреплений. Отдельные нагрузки или закрепления можно по- казать или скрыть, используя дерево прочностного анализа. При этом в расчете участвуют только види- Рис. 2.1 Панель инструментов мые нагрузки и закрепления. Эту особенность можно Подготовка модели. использовать для вариации расчетных моделей. Приложить давление – выбрав данную команду, Вы сможете приложить равномерно рас- пределенное давление к поверхностям трехмерной модели. Укажите поверхности, к которым будет приложено давление. После чего выбранная поверх- ность будет занесена в список граней, будет выделена цветом и, кроме того, на ней отрисуются стрелки красного цвета, указывающие направление действующего давления (Рис. 2.2). Рис. 2.2 Указание поверхности, на которую будет приложено давление. В случае если такое же давление действует и на другие поверхности, целесообразно их доба- вить в список граней, аналогично тому, как это было сделано для первой поверхности. Заключительным этапом является указание значения давления, действующего на поверхность. Для этого необходимо ввести с клавиатуры числовое значение в поле рядом с надписью Давление. Значение нагрузки может быть задано как в Н/мм2 (МПа), как это предлагается сделать на Рис. 2.2, так и в виде величины силы, действующей на данную грань. Для этого необходимо нажать на кнопку (Н/мм^2 или Н). При выборе способа ввода давления через силу (Н) введенное значение cилы будет задано на все выбранные грани равномерно. Такой подход позволяет с помощью одной команды задать сум- марную нагрузку на группу разных по площади граней. Важно помнить, что давление всегда моделируется как сила, действующая на выбранную по- верхность и направленная по нормали к каждой точке поверхности. 9 Для того, чтобы убрать из списка граней ранее выбранную поверхность выделение с нее нужно снять. Для этого подводим указатель мыши к интересующей грани в рабочем окне редактора и нажи- маем один раз левую кнопку мыши. Распределенная сила – выбрав данную команду, Вы сможете приложить равномерно рас- пределенную силу к грани или ребру трехмерной модели. Следующий этап – указать те грани или ребра, к которым будет приложена распределенная си- ла. Сила, как и давление, является распределенной, но в отличие от давления задается в гло- бальной системе координат. Задать направление действия силы можно по ребру или отрезку. Для этого необходимо выбрать опцию "Взять вектор с отрезка" и указать соответствующее ребро или от- резок. Кнопка "Инвертировать вектор" позволяет изменить направление вектора на противоположное. Рис. 2.3 Задание распределенной силы В случае, если распределенная сила действует на разные поверхности, целесообразно их до- бавить в список граней, аналогично тому, как это было сделано для первой поверхности. При этом введенное значение cилы будет задано на все выбранные грани или ребра равномерно. Такой подход позволяет с помощью одной команды задать суммарную нагрузку на группу разных по длине ребер (площади граней). Заключительным этапом является указание значения силы. Для этого необходимо ввести с клавиатуры числовые значения в поля X, Y, Z соответствующие проекциям силы в глобальной систе- ме координат. Длина вектора определится автоматически. Значение нагрузки задается в Ньютонах. Пересчет значения силы в каждый узел конечно-элементной сетки при разбиении будет проведен ав- томатически. Для того, чтобы убрать из списка ранее выбранную грань (ребро) выделение нужно снять. Линейное ускорение – данная команда вызывает диалоговое окно для задания вектора линейного ускорения. Значение линейного ускорения вводится в поля X, Y, Z, соответствующие про- екциям в глобальной системе координат. Задать направление действия линейного ускорения можно по ребру или отрезку. Для этого необходимо выбрать опцию "Взять вектор с отрезка" и указать соот- ветствующее ребро или отрезок. Кнопка "Инвертировать вектор" позволяет изменить направление вектора на противоположное. Длина вектора определится автоматически. Ускорение действует на всю конструкцию. Вектор ускорения изображается красной стрелкой в точке (0; 0; 0). С помощью данной команды также можно задать ускорение свободного падения и, таким обра- зом, учесть действие силы тяжести. Например (Рис. 2.4), линейное ускорение задано по оси Z вверх, а эквивалентная силе тяжести – сила инерции при этом будет действовать вниз. 10