10 rzeczy po które sięgniesz do SIMULIA
SOLIDWORKS SIMULATION to potężne narzędzie symulacyjne oparte na solverze COSMOS, które osadzone zostało w interfejsie najbardziej intuicyjnego oprogramowania SOLIDWORKS CAD 3D. Stworzone dla konstruktorów, by mogli zrównoleglić prace projektowe z analizami numerycznymi, pozwala rozwiązywać bieżące problemy inżynierskie już na wstępnym etapie koncepcji.
Rys. 1. Analiza połączenia śrubowego płyt w SOLIDWORKS SIMULATION
Problemy statyczne i dynamiczne. Analiza zmęczeniowa, termiczna czy wyboczeniowa. Zagadnienia nieliniowości materiału, geometryczna i kontaktu. To tylko niektóre zagadnienia, którymi sprostać może to narzędzie. Natomiast jeśli symulacja połączenia śrubowego dwóch plastycznych płyt z uwzględnieniem tarcia kontaktowego i obciążonych odległą parą sił to dla Ciebie za mało (rys. 1.), należy rozważyć sięgnięcie po dedykowane narzędzia analityczne.
Abaqus/Standard i Abaqus/Explicit to dwa potężne solvery zapożyczone z oprogramowania ABAQUS i bezpośrednio zaimplementowane do środowiska SIMULIA na platformie 3DEXPERIENCE. Odpowiednie funkcjonalności działają w obszarze aplikacji, które dostarczane są w postaci dedykowanych dla użytkownika Ról. Poniżej lista jedynie 10-ciu wybranych funkcjonalności, które względem SOLIDWORKS SIMULATION otwierają nowe możliwości dla użytkowników 3DEXPERIENCE SIMULIA.
#1: Kryterium zniszczenia
Jednym z najbardziej efektowych, po symulacjach testów zderzeniowych, są analizy zrywania i pękania struktury materiału. Chociaż z punktu widzenia projektowania kluczowy staje się sprężysty charakter zachowania obiektu, często interesujące jest to co stanie się z konstrukcją po przekroczeniu granicy wytrzymałości aż do zerwania.
Rys. 2. Analiza pękania płaskiej próbki kompaktowej
Platforma 3DEXPERIENCE posiada zaimplementowane zaawansowane modele materiałów opisujące zachowania pękania ciągliwego oraz kruchego (rys. 2). To oczywiście nie wszystko. Umocnienie odkształceniowe, efekty pełzania i wiskoelastyczne, a dla materiałów hiperelastycznych efekt relaksacji to tylko wybrane możliwości wirtualnego opisu materii.
#2: Zaawansowane siatkowanie
Etap dyskretyzacji geometrii 3D stanowi niejako najbardziej niewdzięczny punkt w procesie przygotowania definicji badania symulacyjnego. Bowiem wszystkie Obiekty geometryczne biorące udział w analizie muszą zostać opisane i przybliżone przez skończoną liczbę prymitywnych kształtów (trójkątów – kwadratów, czworościanów – sześcianów). Wygenerowanie takich siatek stanowić może nie lada wyzwanie. Ich prawidłowy dobór przekładać się będzie nie tylko na czas pracy solvera, ale również na dokładność wyników i wielkość błędów numerycznych.
Rys. 3. Podział geometrii 3D dla możliwości użycia siatki sześciennej
Elementy bryłowe, skorupowe i belkowe. Liniowe i kwadratowe ze zredukowanym i pełnym schematem całkowania. Elementy łącznikowe o plastycznej charakterystyce z kryterium zniszczenia. Dedykowana aplikacja do modyfikacji geometrii wsadowej oraz precyzyjnego sterowania elementami siatki to wierzchołek góry lodowej możliwości SIMULIA w tym obszarze (rys. 3).
#3: Zaawansowana interakcja obiektów
Każdy kto w swojej karierze przeprowadził analizę numeryczną chociaż pojedynczego komponentu rozważał zapewne problem interakcji kontaktowej. Gdy w pierwszej chwili można założyć, że interakcja zarezerwowana jest wyłącznie dla Złożeń, to trzeba jednak wziąć pod uwagę, że nawet pojedyncza Część odpowiednio deformowana może sama oddziaływać na siebie. Konstruktor zatem musi przewidzieć, które obiekty wejdą we wzajemną interakcję, również kontakt własny.
Rys. 4. Analiza osłony przegubu z kontaktem generalnym
SIMULIA do tego obszaru zagadnień posiada zupełnie nowe podejście. Kontakt generalny stanowi algorytm, który odpowiada za wychwytywanie i realizację interakcji nie tylko pomiędzy różnymi obiektami, ale również samo odziaływania jednego obiektu na siebie (rys. 4). Zaznaczyć należy w tym miejscu iż zagadnienia kontaktu stanowią jedną z trzech głównych źródeł nieliniowości i wprowadzają wysoką trudność konwergencji wyników symulacji numerycznych. Dzięki definicji kontaktu generalnego, który m.in. pozwala opisywać tą charakterystykę niezależnie w kierunku normalnym i stycznym, to problematyczne zagadnienie staje się dużo mniej skomplikowane.
#4: Zaawansowane połączenia
Na drugim końcu szali zdaje się ma miejsce zagadnienie przeciwstawne, a mianowicie połączenia nierozłączne. Do takowych zaliczyć można m.in. połączenie klejowe obiektów. Uproszczenie tego problemu do kontaktu wiązanego z uwspólnianiem węzłów siatki elementów jest jednak zbyt daleko idące. Natura tego zjawiska jest dużo bardziej osobliwa.
Rys. 5. Analiza zrywania połączenia klejowego dwóch płyt
Połączenie adhezyjne z uwzględnieniem zjawiska kohezji pozwala prześledzić mechanikę połączenia klejowego od inicjalizacji obciążenia do całkowitego zerwania (rys. 5). Otwiera to zupełnie nowe spojrzenie na projektowanie takich układów.
#5: Zjawiska wysoce dynamiczne
Wiele problemów inżynieryjnych daje się sprowadzić i rozwiązać na poziomie akceptowalnego błędu przy pomocy procedury statyki liniowej. Podobno odsetek tych zagadnień stanowi blisko 90% wszystkich problemów projektowych. Zdarza się jednak potrzeba sięgnięcia po narzędzia pozwalające opracować temat z uwzględnieniem nieliniowych zjawisk dynamicznych.
Rys. 6. Kruche pęknięcie betonowej bariery/przegrody
Rozwiązanie explicit nieliniowych problemów dynamicznych zaimplementowane w SIMULIA pozwala z łatwością mierzyć się z najbardziej skomplikowanymi zagadnieniami różnych gałęzi przemysłu. Duże deformacje, duża nieliniowość interakcji kontaktowej, crash testy (rys. 6), eksplozje, pękanie i płynięcie materiału to tylko wybrane problemów współczesnej inżynierii, który stawić czoła może jedynie solver Abaqus/Explicit.
#6: Analiza sprzężona
Światy obszaru analiz strukturalnej i dynamiki płynów stanowią odrębny i osobliwy sposób ich opisu. W ujęciu Lagrange’a miarą odkształcenia materiału jest deformacja siatki elementów skończonych i przemieszczenie węzłów. Metoda z powodzeniem sprawdza się w zagadnieniach mechaniki i wytrzymałości ciał stałych. Natomiast w podejściu Euler’a węzły siatki pozostają nieruchome a materia przemieszcza się w jej objętości.
Rys. 7. Analiza plastycznej deformacji przegrody aluminiowej pod naporem cieczy
Analiza sprzężona CEL (ang. Coupled Eulerian Lagrangian) pozwala zintegrować te dwa obszary otwierając tym samym możliwość rozwiązywania zagadnień interakcji płynów z ciałami stałymi FSI (ang. Fluid-Structure Interaction). Znacząca grupa problemów wymaga bowiem takiego sprzężonego podejścia obliczeniowego (rys. 7).
#7: Zmęczenie niskocyklowe
Niezawodność, a co za tym idzie żywotność, projektowanych i produkowanych urządzeń stanowi dziś jeden z podstawowych czynników jakie bierze pod uwagę Konsument. To na tym pojęciu przede wszystkim buduje się pozycję Marki na rynku. Produkt z jednej strony musi być trwały, z drugiej jednak nie może być przeskalowany – przeprojektowany. Analiza zmęczeniowa staje się tu niezbędnym narzędziem do badania trwałości konstrukcji w czasie jej użytkowania.
Rys. 8. Badanie zmęczeniowe połączenia spawanego mocowania łyżki koparki
Problemy zmęczenia niskocyklowego poprzez wysoki udział czynnika odkształceniowego wysuwają się dziś na pierwszy plan (rys. 8). Złożony charakter oddziaływań zewnętrznych i warunków eksploatacji na produkt czyni przy tym ten aspekt niezwykle skomplikowanym. Bogate rozwiązania dostępne w środowisku obliczeniowym SIMULIA pozwala zgłębić to zagadnienie szybko i precyzyjnie.
#8: Zaawansowane zjawiska fizyczne
Problemy termo-mechaniczne, zagadnienia akustyczne czy piezoelektryczne to nieliczne z wielu obszarów analiz dostępnych dzięki możliwościom solverów Abaqus/Standard i Abaqus/Explicit.
Rys. 9. Badanie zjawiska piezoelektrycznego
Do bardziej powszechnych problemów, występujących m.in. w przemyśle motoryzacyjnym jest zmiana postaci obiektu pod wpływem wzbudzenia potencjału elektrycznego (rys. 9). To zjawisko charakterystyczne dla niektórych materiałów stanowi podstawę pracy niejednej wagi czy silnika spalinowego.
#9: Kalibracja materiałów
Żadna, nawet najprostsza, symulacja nie może zostać wykonana bez zasilenia definicji badania w niezbędne dane materiałowe. Biblioteki dostarczane wraz z oprogramowaniem bardzo często ograniczają się wyłącznie do podstawowych informacji dotyczących gęstości, współczynnika Poissona czy modułu Younga. Z drugiej strony dostawcy materiałów nie są w tych obszarach bardziej wylewni zapominając, że właściwości fizyczne zależne są od temperatury eksploatacji materiału czy prędkości jego odkształcenia. Z pomocą mogą przyjść tutaj serwisy, za którymi stoją Laboratoria badań materiałów. Jednym z nich jest Total Materia.
Rys. 10. Kalibracja matematycznego modelu materiału hipersprężystego na podstawie danych z próby jednoosiowego rozciągania dla różnych prędkości odkształcenia
Dzięki dedykowanej aplikacji dostępnej w ramach SIMULIA użytkownik z łatwością przetransponuje zachowanie rzeczywistego materiału i utworzy jego wirtualnego bliźniaka. Na podstawie wyników testów z maszyny wytrzymałościowej można z łatwością, przy pomocy technik optymalizacyjnych, wyznaczyć współczynniki do modelu matematycznego opisującego charakterystykę konstytutywną dane materiału (rys. 10).
#10: Obliczenia w chmurze
Chmura dziś to nie tylko hasło wskazujące na serwery do przechowywania danych i dające do nich bezpieczny dostęp z dowolnego miejsca na globie. Pojęcie to jest znacznie szersze. Ta sama chmura oferuje również wsparcie w obszarze realizacji zadań obliczeniowych.
Rys. 11. Delegowanie obliczeń do klastra Dassault Systemes
SIMULIA udostępnia w pakiecie do 8 rdzeni w klastrze obliczeniowym, co rozszerza do 28 GB pamięci do wykorzystania w tle. Komputer użytkownika w tym czasie nie jest oczywiście obciążony a On samo może równolegle realizować inne zadania czy to obliczeniowe czy to projektowe (rys. 11). Natomiast na potrzeby analiz wysoce złożonych wymagających większych zasobów obliczeniowych Dassault Systemes stworzył dedykowaną usługę, o której można przeczytać w poniższym artykule: SimUnit – nowoczesny środek płatniczy za pracę procesora obliczeniowego.
Wybranych dziesięć atutów nie miało na celu pogrążyć solver COSMOS. Dalej nie są to jedyne punkty stanowiące o przewadze solverów Abaqus/Standard i Abaqus/Explicit. Jedno jest jednak pewne. Rozpiętość rozwiązań oferowanych przez SOLIDEPXERT pozwala dostosować precyzyjnie niezbędne oprogramowanie do aktualnych potrzeb Klienta.
