Metoda elementów skończonych w Autodesk Inventor Nastran - narzędzie weryfikacji konstrukcji

Strona główna » Metoda elementów skończonych w Autodesk Inventor Nastran – narzędzie weryfikacji konstrukcji

Zastosowanie symulacji komputerowych MES

W dzisiejszych czasach projektowanie konstrukcji inżynierskich wymaga zaawansowanych narzędzi, które umożliwiają przewidywanie zachowania się konstrukcji w różnych warunkach obciążeń.

Jednym z takich narzędzi jest Autodesk Inventor Nastran, który wykorzystuje metodę elementów skończonych (MES) do przeprowadzania symulacji komputerowych, pozwalając inżynierom na wykonanie dokładnych analiz wytrzymałościowych i termicznych konstrukcji.

Inventor Nastran jest jednym z elementów Kolekcji Product Design & Manufacturing.

Więcej o Kolekcji PD&M >>

NASTRAN-MSC-Bolt-Connectors-Differential

Obliczenia konstrukcji metodą MES

Metoda elementów skończonych ( z ang FEM – finite element method ) jest techniką numeryczną stosowaną do rozwiązania równań różniczkowych opisujących zachowanie się materiałów pod różnorodnymi obciążeniami. Jest to szczególnie przydatne narzędzie w mechanicznej analizie konstrukcji i modelu 3D, gdzie można uwzględnić warunki brzegowe, plastyczność materiału, naprężenia termiczne, oraz inne czynniki wpływające na trwałość i efektywność konstrukcji.

Dzięki symulacjom MES możliwe jest modelowanie zniszczenia materiału oraz przewidywanie jego zachowania w różnych warunkach pracy. Jest to niezwykle istotne zwłaszcza w ostatniej fazie konstrukcyjnej, gdy inżynierowie starają się zoptymalizować projekt pod kątem wytrzymałości, trwałości i efektywności chłodzenia.

Dlaczego obliczenia wytrzymałościowe są takie ważne?

1. Konstruktorzy maszyn i projektanci mogą korzystać z analiz MES w celu zwiększenia szybkości wprowadzenia produktu na rynek. Istotna jest także poprawa jakości produktu, uwzględniając wpływ obciążeń roboczych na pojedyncze komponenty oraz złożone mechanizmy.

2. Inżynierowie mogą ocenić wytrzymałość i stabilność konstrukcji, identyfikując potencjalne miejsca naprężeń i deformacji jeszcze przed wyprodukowaniem fizycznych prototypów.

3. Możliwość przeprowadzania analizy optymalizacyjnej pozwala na znalezienie optymalnego kształtu i parametrów konstrukcji przy uwzględnieniu różnych kryteriów, takich jak minimalizacja masy, minimalizacja naprężeń czy maksymalizacja wytrzymałości.

Inventor NASTRAN – zaawansowane narzędzie do analizy MES/FEM

Nastran oferuje szeroki zakres analiz, które pozwalają na symulację i ocenę zachowania struktur w różnych warunkach obciążeń. Poniżej niektóre z głównych typów analiz dostępnych w Nastran:

Analiza statyczna w Inventor Nastran:

Statyczna analiza liniowa do badania zachowania struktur pod wpływem stałych obciążeń, gdzie materiał zachowuje się liniowo sprężyście.
Statyczna analiza nieliniowa uwzględnia nieliniowe zachowanie materiałów (np. plastyczność, duże przemieszczenia, kontakt), co pozwala na dokładniejsze modelowanie rzeczywistych warunków pracy.

Analiza dynamiczna w Inventor Nastran:

Analiza modalna do określania częstości drgań własnych oraz odpowiadających im kształtów drgań struktur.
Analiza harmoniczna pozwala na sprawdzenie odpowiedzi układu na obciążenia okresowe, co jest kluczowe przy ocenie wibracji.
Analiza odpowiedzi czasowej (Transient Response) umożliwia badanie odpowiedzi układu na zmienne w czasie obciążenia, np. wstrząsy czy impulsy.
Analiza spektrum odpowiedzi (Response Spectrum) wykorzystywana w analizach sejsmicznych, umożliwia ocenę odpowiedzi struktur na dynamiczne obciążenia o charakterze losowym.

Analiza termiczna w Inventor Nastran:

Analiza przewodnictwa cieplnego (Conduction): Służy do badania przepływu ciepła w strukturach pod wpływem różnych warunków temperaturowych.
Analiza wymiany ciepła (Convection): Pozwala na analizę oddziaływań cieplnych związanych z wymianą ciepła między powierzchnią a otaczającym środowiskiem.
Analiza cieplno-mechaniczna (Thermal-Mechanical Coupling): Integruje efekty cieplne i mechaniczne, umożliwiając ocenę wpływu temperatury na deformacje i naprężenia w strukturze.

Analiza wyboczenia (Buckling Analysis) w Inventor Nastran:

Liniowa analiza wyboczenia służy do oceny krytycznego obciążenia, przy którym struktura może ulec niestabilności, prowadzącej do wyboczenia.
Nieliniowa analiza wyboczenia uwzględnia efekty nieliniowe, takie jak duże przemieszczenia i plastyczność, co pozwala na bardziej realistyczną ocenę ryzyka wyboczenia.

Analiza kontaktowa

umożliwia symulację interakcji między różnymi częściami konstrukcji, w tym zjawisk tarcia, penetracji oraz oddzielania się powierzchni.

Analiza zmęczeniowa (Fatigue Analysis)

służy do przewidywania trwałości struktury poddanej cyklicznym obciążeniom, pomagając w identyfikacji potencjalnych punktów krytycznych.

Analiza akustyczna

pomaga badać rozchodzenie się fal dźwiękowych oraz interakcje między strukturami a polem akustycznym.

Analiza nieliniowa materiałów (Nonlinear Material Analysis)

zawiera modelowanie skomplikowanych nieliniowych zachowań materiałów, takich jak plastyczność, creep (pełzanie), hiperelastyczność i inne.

Inventor Nastran dostępny jest tylko w kolekcji PD&M firmy Autodesk | Sprawdź warianty cenowe >>

Inventor Nastran a trwałość konstrukcji

Oprogramowanie Inventor Nastran firmy Autodesk to świetne narzędzie weryfikacji poprawności konstrukcji.

Podstawową analizą, którą można wykonać jest statyczna analiza napręzeń, która pomoże sprawdzić czy nasza konstrukcja wytrzyma zewnętrzne obciążenia bez przekroczenia wytrzymałosci materiału, z którego jest stworzona.

Jeśli chcemy przewidzieć kiedy elementy konstrukcji mogą ulec awarii z powodu zmęczenia materiału najlepiej byłoby przeprowadzić analizę zmęczeniową w Inventor Nastran.

Analiza modalna to też część obliczeń wytrzymałościowych konstrukcji. Badanie drgań własnych pomoże zidentyfikować potencjalne problemy rezonansowe, prowadzące często do uszkodzeń lub awarii. Dodatkowo można przeprowadzić analizę pod wpływem zmiennych obciążeń, która pokaże jak konstrukcja reaguje na wstrzący, wibracje, obciążenia sejsmiczne.

Inventor Nastran pozwala na analizę konstrukcji pod wieloma różnymi kombinacjami obciążeń (np. obciążenia mechaniczne, termiczne, ciśnieniowe). Różne scenariusze obciążeń pozwolą na dokładzniejsze oszacowanie trwałości konstrukcji w złożonych warunkach pracy.

Co ważne, funkcje analityczne Nastran są bezpośrednio zintegrowane ze środowiskiem CAD w programie Inventor, co ułatwia szybkie wprowadzenie modyfikacji i poprawek oraz analizę zmian konstrukcyjnych w czasie rzeczywistym.

Chcesz poznać funkcje i narzędzia Inventor Nastran? Zapisz się na szkolenia!

Jeśli szukasz szkoleń lub konsultacji dotyczących analizy MES oferujemy poniższe kursy prowadzone stacjonarne lub online na żywo:

Analiza MES – w jakich branżach znajduje zastosowanie?

Metoda elementów skończonych (MES) jest szeroko stosowana w wielu branżach przemysłu ze względu na swoją zdolność do precyzyjnej analizy i symulacji zachowania struktur i materiałów. Dzięki wszechstronności i precyzji, metoda elementów skończonych jest nieocenionym narzędziem w każdej branży, gdzie ważne jest przewidywanie zachowania materiałów i konstrukcji pod różnymi obciążeniami. Poniej wymieniamy kilka różnych branż, w których analizy MES są szczególnie popularne:

Motoryzacja

Analizy wytrzymałościowe stosowane w mechanice konstrukcji, zmęczenia materiału, wibracji oraz symulacji zderzeń (crash testów) w celu poprawy bezpieczeństwa i wydajności pojazdów oraz aby oszacować dopuszczalny czas eksploatacji maszyny.

Lotnictwo i kosmonautyka

Stosowana do analiz strukturalnych, termicznych (np. symulacji przekazywania ciepła, efektywność chłodzenia) oraz aerodynamicznych części samolotów, rakiet, satelitów i innych urządzeń lotniczych, gdzie precyzja i bezpieczeństwo są kluczowe.

Budownictwo

Używana do oceny wytrzymałości i stabilności konstrukcji, takich jak mosty, budynki, tamy, i wieże, konstrukcje spawane a także do analizy oddziaływań sejsmicznych. Dzieki temu jescze na etapie koncepcyjnym możemy przewidzieć jak się dana konstrukcja zachowa.

Energetyka

Analizy MES wykorzystywane są w analizie turbin, rurociągów, elektrowni, oraz innych urządzeń i instalacji energetycznych, szczególnie w kontekście wytrzymałości materiałów i przepływów termicznych.

Medycyna

Stosowana do symulacji biomechanicznych, np. przy projektowaniu implantów, protez, a także w analizach obciążeń kości i tkanek.

Przemysł morski

Analizy MES do projektowania i analizy statków, platform wiertniczych, i innych konstrukcji morskich, z uwzględnieniem sił hydrodynamicznych i obciążeń.

Elektronika

Do analizy termicznej i mechanicznej komponentów elektronicznych, aby zapewnić ich niezawodność w różnych warunkach pracy.

Przemysł ciężki

Do analizy maszyn, narzędzi i konstrukcji przemysłowych, gdzie ważne są wytrzymałość i optymalizacja projektów.

Przemysł chemiczny i petrochemiczny

Analizy MES są wykorzystywane do weryfikowania reaktorów, zbiorników i rurociągów pod kątem wytrzymałości na ciśnienie, temperaturę i korozję.

Wirtualne testy z użyciem analiz MES

Analizy MES pozwalają również na przeprowadzanie wirtualnych testów, co znacznie redukuje czas i koszty związane z fizycznymi prototypami. Pozwala uzyskać produkty, dla których wykonanie fizycznego testu jest trudne lub zbyt drogie.

Inne zastosowania obliczeń MES

Dodatkowo obliczenia wytrzymałościowe obejmują:

analizy statyczne, które pozwalają na ocenę, jak struktury reagują na obciążenia, takie jak siły, ciśnienie, momenty i przemieszczenia.
dynamiczne, które umożliwiają ocenę, jak konstrukcje reagują na zmienne w czasie obciążenia, takie jak drgania, wibracje, wstrząsy, czy siły dynamiczne
symulacje termiczne mes – pozwalają na ocenę efektywności chłodzenia oraz wpływu temperatury na wytrzymałość konstrukcji.
termomechaniczne, co pozwala na kompleksową ocenę zachowania się konstrukcji pod wpływem różnorodnych obciążeń.

MES do symylacji przepływu płynów?

Metoda elementów skończonych jest szeroko stosowana w symulacjach mechanicznych, ale w przypadku przepływu płynów bardziej odpowiednie są techniki oparte na metodzie objętości skończonych (CFD – Computational Fluid Dynamics). Programem komputerowym, który to umożliwia jest np. Moldflow (optymalizacja wtrysku tworzyw sztucznych) czy Autodesk CFD.

Jednak istnieją pewne zastosowania MES w symulacjach przepływu, szczególnie w analizach sprzężonych, gdzie interakcja między płynami a strukturami mechanicznymi jest kluczowa:

Sprzężone analizy cieplno-mechaniczne:
MES może być stosowana do analizy wpływu przepływu płynu na struktury mechaniczne, gdzie ciecz lub gaz przepływający przez obiekt wpływa na jego temperaturę i powoduje rozszerzenia termiczne, które wpływają na strukturę mechaniczną.
Analiza przepływu w porowatych materiałach:
W przypadku materiałów porowatych, takich jak gleby czy tkanki biologiczne analizy MES mogą obejmować badanie przepływu cieczy przez materiał i jego wpływ na naprężenia w strukturze.
Analiza mechaniki płynów (FSI – Fluid-Structure Interaction):
MES może być używana w analizach sprzężonych, gdzie przepływ płynów wpływa na zachowanie strukturalne obiektu, np. skrzydła samolotu poddane siłom aerodynamicznym lub mosty narażone na silne wiatry.
Symulacje rozprzestrzeniania się substancji:
Analizę MES można stosować do modelowania przepływu substancji w cieczy, takich jak zanieczyszczenia w wodzie, szczególnie w połączeniu z analizami dyfuzji i przewodnictwa cieplnego.

W przypadku czystych symulacji przepływu płynów (takich jak przepływ powietrza w kanałach, turbulencje, przepływ wokół obiektów itp.), bardziej efektywne i dokładne są narzędzia oparte na metodach CFD, które są specjalnie zaprojektowane do tego typu zadań.

Więcej o Autodesk Modflow >> Więcej o Autodesk CFD >>

Jakie analizy MES możn zastosować do symulacji zachowania materiałów sypkich?

Co w przypadku materiałów takich jak piasek, żwir, zboże, proszki przemysłowe czy gleba? Materiały te charakteryzują się złożonymi właściwościami mechanicznymi, co sprawia, że ich modelowanie jest bardziej wymagające niż w przypadku materiałów ciągłych (np. metali czy tworzyw sztucznych).

Oto kilka kluczowych zastosowań analizy MES dla materiałów sypkich:

Analiza zachowania mechanicznego

Zagęszczanie i ścinanie: MES pozwala na analizę zjawisk związanych z zagęszczaniem materiału pod wpływem obciążenia oraz ścinaniem, co jest szczególnie ważne w kontekście stabilności konstrukcji, takich jak nasypy, fundamenty, i zapory.

Osuwiska i stabilność skarp: Symulacje MES są wykorzystywane do przewidywania warunków prowadzących do osuwisk lub niestabilności skarp, biorąc pod uwagę właściwości sypkie materiałów i ich interakcje z siłami zewnętrznymi.

Interakcje między cząstkami

Modelowanie kontaktu: MES umożliwia modelowanie interakcji między poszczególnymi cząstkami w materiale sypkim, uwzględniając tarcie, kohezję oraz inne siły oddziaływania.

Przepływ i deformacja: Symulacje MES mogą być używane do analizy zachowania materiałów sypkich pod wpływem przepływu (np. w silosach, zasobnikach czy podczas transportu materiałów), uwzględniając ich charakterystyczne zachowanie, jak np. segregacja cząstek.

Analiza naprężeń i deformacji

Naprężenia wewnętrzne: MES pozwala na analizę rozkładu naprężeń w materiałach sypkich, co jest kluczowe w ocenie trwałości struktur, które są wypełnione lub otoczone tymi materiałami, np. ścian silosów czy zapór.

Deformacje strukturalne: MES jest wykorzystywana do badania deformacji materiałów sypkich pod wpływem obciążenia, co ma znaczenie w budownictwie ziemnym oraz inżynierii geotechnicznej.

Symulacje procesów przemysłowych

Przemysł spożywczy i farmaceutyczny: W tych branżach MES może być stosowana do modelowania zachowania proszków i granulatów podczas mieszania, tabletkowania, lub pakowania.
Transport i magazynowanie: Analizy MES pomagają w optymalizacji procesów transportu i magazynowania materiałów sypkich, minimalizując ryzyko uszkodzeń strukturalnych czy utraty materiału.

Badania w kontekście sejsmicznym i dynamicznym

Analiza MES może być również stosowana do badania odpowiedzi materiałów sypkich na obciążenia dynamiczne, takie jak wstrząsy sejsmiczne czy wibracje, co jest istotne w kontekście inżynierii lądowej i wodnej.

W analizach MES dla materiałów sypkich szczególną uwagę zwraca się na wybór odpowiednich modeli materiałowych (np. modeli Mohr-Coulomba, Druckera-Pragera), które uwzględniają specyfikę zachowania tych materiałów pod wpływem obciążeń zewnętrznych.