FEMAP with NX Nastran: Видео-урок №9. Расчет балочной модели фермерной конструкции

[CADIS 11]

В этом примере Вы будете использовать стержневые (Rod) и балочные (Beam) элементы для представления фермерной конструкции.

 

Пример включает в себя все стадии конечно-элементного моделирования: 

 

• Импорт геометрии фермы в виде кривых.
• Создание материала и свойств элементов.
• Создание сетки модели с помощью балок и стержней.
• Применение нагрузок и закреплений (граничные условия).
• Анализ модели с помощью решателя NX Nastran.
• Обработка результатов анализа.

Импорт геометрии

Откройте новый файл модели и импортируйте геометрию фермы. Данные кривые будут аппроксимированы балочными (Beam) и стержневыми (Rod) конечными элементами.

1. File, New.
2. ‍File, Import, Femap Neutral.
3. ‍ В диалоговом окне импорта нейтральных файлов (Read Model From Femap Neutral) перейдите в папку Examples в директории установки FEMAP, найдите файл Truss.neu и нажмите открыть. В диалоговом окне Neutral File Read Options оставьте настройки импорта по умолчанию и нажмите ОК.

Создание материала и свойств элементов

Первым шагом, перед разбиением на сетку, необходимо создать материал и свойства конечных элементов.

Создание материала

Создайте материал, выбрав стандартный материал из библиотеки материалов FEMAP.

1. Model, Material.   

Совет: Вы также можете создать новый материал с помощью команды New из контекстного меню, расположенного в разделе Materials в дереве проекта Model Info (чтобы увидеть контекстное меню, просто нажмите правой кнопкой мыши по разделу Materials в дереве проекта Model Info).

2. ‍В диалоговом окне Define Material – ISOTROPIC нажмите кнопку Load, чтобы загрузить стандартный материал из библиотеки FEMAP.
3. ‍В диалоговом окне Select from Library выберите AISI 4340 Steel.
4. ‍Нажмите ОК. Затем, в диалоговом окне Define Material – ISOTROPIC нажмите ОК еще раз. Нажмите Cancel.

Создание свойства балочного элемента

FEMAP имеет библиотеку стандартных сечений балочных элементов, но Вы не всегда захотите их использовать. Можно задать произвольное поперечное сечение, создав поверхность в FEMAP или импортировав геометрию. FEMAP вычислит свойства сечения этой поверхности.

Импортированный нейтральный файл имеет граничную поверхность на другом слое, который в данный момент не отображается. Вам необходимо включить отображение этого слоя.

Сначала скройте слой по умолчанию. Затем отобразите граничную поверхность на скрытом слое.

1. ‍На панели инструментов View нажмите на иконку View Visibility (команда View, Simple Toolbar). Либо нажмите Ctrl+Q.
2. ‍В диалоговом окне видимости объектов Visibility перейдите на вкладку Layers.
3. ‍Поставьте флажок активации слоя «2..Beam Section». Снимите флажок активации слоя «1..Default Layer».
4. ‍Нажмите Done.
5. Нажмите сочетание клавиш Ctrl+A для автоматического масштабирования модели в графическом окне FEMAP.  

Примечание: Теперь в графическом окне отображается граничная поверхность и кривые.

Задайте свойство (Property) для элементов балки. Сначала вы создадите стандартное поперечное сечение балки, а затем определите вектор для определения оси сечения Y. Затем Вы зададите свойство балочных элементов (Beam Property) с поперечным сечением и материалом AISI 4340, который вы создали.

1. Model, Property.

Совет: Вы также можете создать новое свойство с помощью команды New из контекстного меню, расположенного в разделе Properties в дереве проекта Model Info (чтобы увидеть контекстное меню, просто нажмите правой кнопкой мыши по разделу Properties в дереве проекта Model Info).

2. В диалоговом окне Define Property нажмите кнопку Elem/Property Type, чтобы выбрать тип конечных элементов.
3. В диалоговом окне Element Property Type в разделе Line Elements выберите Beam.
4. Нажмите ОК. В диалоговом окне Define Property - BEAM Element Type нажмите кнопку Shape, чтобы задать свойства поперечного сечения балочного элемента.
5. В диалоговом окне Cross Section Definition в разделе Shape выберите General Section.
6. Нажмите кнопку Surface, чтобы выбрать поверхность.
7. В диалоговом окне Select Surface to Check выберите соответствующую поверхность.
8. Нажмите ОК.
9. В диалоговом окне Vector Locate - Define Section Y Axis укажите координаты начала вектора Base (0, 0, 0) и конца Tip (0, 1, 0).
10. Нажмите ОК.

Примечание: Этот вектор определяет ось Y сечения балочного элемента.

11. В диалоговом окне Cross Section Definition нажмите ОК.
12. В диалоговом окне Define Property в поле Title введите название свойства «General Beam Section».

Примечание: Вычисленные свойства поперечного сечения теперь отображаются в этом диалоговом окне.

13. В поле Material задайте стандартный материал AISI 4340 Steel.
14. Нажмите ОК, затем нажмите Cancel.

Построение сетки модели

Эта модель будет разбита двумя типами конечных элементов: балочными элементами (Beam) на продольных кривых, и стержневыми элементами на кривых, которые соединяют продольные балки. После создания элементов Вы объедините совпадающие узлы.

Создание сетки балочных элементов

Первым делом аппроксимируйте продольные кривые балочными КЭ, свойства которых были созданы в предыдущем разделе.

Скройте сечение балочных элементов и отобразите слой по умолчанию.

1. ‍На панели инструментов View нажмите на иконку View Visibility (команда View, Simple Toolbar). Либо нажмите Ctrl+Q.
2. ‍В диалоговом окне Visibility перейдите на вкладку Layer.
3. ‍Поставьте флажок активации слоя «1..Default Layer». Снимите флажок активации слоя «2..Beam Section».
4. Нажмите Done. 

Совет: Вы можете скрывать и отображать слои очень легко, используя дерево проекта Model Info. Вы можете просто снять или поставить флажок активации слоев по одному.

Вы также можете выбрать любое количество слоев с помощью клавиш Ctrl или Shift и левой кнопки мыши. Как только слои выбраны, щелкните правой кнопкой мыши на флажках видимости и выберите команду Show Selected (включить отображение выбранных слоев), Show Selected Only (показать только выбранные слои) или Hide Selected (отключить отображение выбранных слоев).

Вы также можете просмотреть все слои или только видимые слои, выбрав режим View All Layers или View Visible Layers Only из контекстного меню для слоев.

5. Нажмите сочетание клавиш Ctrl+A для автоматического масштабирования модели в графическом окне FEMAP.

Поверните модель для удобного создания сетки.

1. View, Rotate, Model.

Совет: Вы можете нажать клавишу F8 вместо использования этой команды.

2. В диалоговом окне View Rotate выберите режим Trimetric и нажмите ОК.
    

Аппроксимируйте продольные кривые балочными элементами (Beam). Вы будете использовать поперечное сечение продольной балки фермы для определения свойства балочных элементов. После выбора поперечного сечения необходимо задать вектор ориентации балочных элементов. Важно, чтобы этот вектор был согласован с вектором, который Вы использовали для определения свойств поперечного сечения - в противном случае результаты анализа могут быть неверными.

 

1. ‍Mesh, Geometry, Curve.
2. ‍В диалоговом окне выбора объектов Entity Selection выберите следующие кривые: Curve IDs 7, 8, 9, 11, 12, 13, 14, 15, 24, 25, 26, 28, 29, 30, 31, и 32.
3. ‍Нажмите ОК.

 

4. В диалоговом окне Geometry Mesh Options в разделе Property выберите General Beam Section.
5. Нажмите ОК.
6. В диалоговом окне Vector Locate - Define Section Y Axis укажите координаты начала вектора Base (0, 0, 0) и конца Tip (0, 1, 0).
7. Нажмите ОК.
    

Отображение балочных КЭ (Beam) с видимыми поперечными сечениями.
 

1. ‍Нажмите клавишу F6 для вызова диалогового окна View Options.
2. ‍В диалоговом окне View Options перейдите в категорию «Labels, Entities, and Color».
3. ‍В разделе Option выберите Element Orientation/Shape. В разделе Element Shape выберите Show Cross Section (показать поперечное сечение).
4. ‍Нажмите ОК.

Совет: Вы также можете включать/отключать отображение поперечных сечений одномерных элементов с помощью команды Thickness/Cross Section из меню View Style, расположенного на панели инструментов View или View - Simple.

Вращайте и масштабируйте модель, чтобы лучше рассмотреть поперечное сечение. Поперечное сечение может иметь неправильную ориентацию, которую необходимо изменить.
 

1. View, Rotate, Model.
2. В диалоговом окне View Rotate нажмите кнопку YZ Right, затем нажмите ОК.
3. На панели инструментов View или View – Simple нажмите кнопку Zoom и увеличьте изображение.

Примечание: Сравните ориентацию балочных элементов со следующей схемой. Если некоторые элементы ориентированы по-разному, Вам нужно изменить их ориентацию. Следующие шаги показывают, как изменить направление нормали к сечению на противоположное, чтобы получить правильную аппроксимацию модели. Это нормальная практика, когда возникает необходимость изменить нормальное направление некоторых из Ваших балочных элементов, чтобы получить картину аналогичную рисунку ниже.

 

4. ‍Теперь, когда вы определили, какие балочные элементы необходимо обновить, слегка поверните модель, чтобы облегчить выбор элементов. Может потребоваться периодически вращать модель, чтобы облегчить выбор объектов для создания сетки.
5. ‍Modify, Update Elements, Line Element Reverse Direction.
6. ‍В диалоговом окне выбора объектов Entity Selection выберите элементы, которые необходимо модифицировать (выбирайте только элементы с поперечными сечениями с неправильной ориентацией).
7. ‍Нажмите ОК.
8. ‍В диалоговом окне Update Element Direction выберите Reverse Direction (реверс направления).
9. ‍Нажмите ОК.
10. ‍Нажмите сочетание клавиш Ctrl+A для автоматического масштабирования модели в графическом окне FEMAP.

Создание стержневых элементов

Чтобы соединить балочные элементы между собой, аппроксимируйте оставшиеся кривые стержневыми элементами Rod.
 

Разбейте оставшиеся кривые стержневыми элементами Rod. Также, необходимо создать новое свойство для стержневых конечных элементов.
 

1. ‍Mesh, Geometry, Curve.
2. ‍В диалоговом окне выбора объектов Entity Selection выберите кривые, связывающие между собой ряды балок, а также распоры.
3. ‍Нажмите ОК.
4. В диалоговом окне Geometry Mesh Options нажмите кнопку Property, чтобы создать новое свойство.  

Обратите внимание: На данный момент у Вас в модели есть только одно, созданное ранее, свойство «General Beam Section». Теперь необходимо создать второе свойство для стержневых элементов Rod.

5. В диалоговом окне Define Property нажмите кнопку Elem/Property Type, чтобы выбрать тип конечных элементов.
6. В разделе Line Elements Выберите стержневой конечный элемент Rod.
7. Нажмите ОК.
8. В диалоговом окне Define Property - ROD Element Type в поле Title введите название свойства стержней «2 inch Diameter Rod». В поле Area введите площадь поперечного сечения стержня, равную 3.14.
9. В поле Material задайте стандартный материал из библиотеки AISI 4340 Steel.
10. Нажмите ОК. Затем, в диалоговом окне Geometry Mesh Options нажмите ОК еще раз.

Обратите внимание: Femap автоматически задал свойство стержневого элемента в диалоговом окне Geometry Mesh Options.

Обратите внимание: Выбранные кривые разбиты на стержневые конечные элементы Rod.

Уменьшите количество отображаемой информации, отключив отображение геометрии и меток.
 

1. ‍На панели инструментов View нажмите на иконку View Visibility (команда View, Simple Toolbar). Либо нажмите Ctrl+Q.
2. ‍В диалоговом окне видимости объектов Visibility переключитесь на вкладку Entity/Label.
3. ‍Снимите флажок с опции Geometry, чтобы отключить отображение всех геометрических объектов.
    

 

4. ‍Перейдите в настройки отображения меток объектов, включив опцию Labels.
    

 

5. Нажмите кнопку All Off, чтобы отключить отображения всех меток.
   Нажмите Done.

Примечание: Вы можете использовать панель инструментов Entity Display для быстрого управления видимостью геометрических объектов и меток. Если панель инструментов Entity Display не отображается, ее можно сделать видимой с помощью команды Tools, Toolbars, Entity Display.

У вас есть возможность включать и выключать всю геометрию, используя первый значок, или Вы можете включать и выключать геометрические объекты по отдельности, щелкая значок для каждого геометрического объекта по одному.

Третий значок позволяет включать и выключать метки объектов.

Объединение совпадающих узлов

Так как кривые были разбиты не элементы с помощью двух последовательных операций, то узлы на концах балочных и стержневых элементов не будут совместными. Вы объедините эти совпадающие узлы, чтобы обеспечить совместность узлов в модели.

 

Объедините совпадающие узлы.

1. Tools, Check, Coincident Nodes.
2. В диалоговом окне выбора объектов Entity Selection нажмите кнопку Select All, чтобы выбрать все узлы, и нажмите ОК.
3. В диалоговом окне Check/Merge Coincident в разделе Action выберите действие Merge (объединить), в разделе Keep ID выберите Automatic, а в разделе Move To выберите Current Location.
4. Нажмите ОК.

Обратите внимание: Прочитайте сообщение на панели Messages, чтобы узнать, сколько совпадающих узлов было объединено. Теперь, все балочные и стержневые элементы модели связаны между собой.

Наложение граничных условий

Вы создадите набор ограничений (Constraint Set) симметрии модели и зафиксируете один конец фермы. Симметрия ферменной конструкции будет использована для уменьшения размерности модели в два раза.

Вы также приложите нагрузку к этой модели для того чтобы сымитировать нагружение фермы.

Моделирование симметрии и фиксация модели

 

Для моделирования симметрии этой фермы необходимо наложить специальные ограничения степеней свободы на четыре узла, которые лежат в плоскости симметрии конструкции. Симметрия данной модели определяется плоскостью, проходящей через эти четыре точки. Наложив ограничение симметрии, Вы фактически вводите жесткость, точно равную моделируемой конструкции, которая зеркально отражена относительно плоскости симметрии.

 

Создайте ограничение симметрии модели и зафиксируйте один конец фермы.

1. View, Rotate, Model.

Совет: Вы можете нажать клавишу F8 вместо использования команды выше.

2. В диалоговом окне View Rotate нажмите кнопку Isometric и нажмите ОК.
3. Model, Constraint, Nodal.

Обратите внимание: Первым делом, Вы будете применять условия симметрии на этих узлах.

4. ‍В диалоговом окне New Constraint Set в поле Title введите название набора закреплений.
5. ‍Нажмите ОК.
6. ‍В диалоговом окне выбора объектов Entity Selection выберите узлы A, B, C и D как показано на следующем рисунке.

 

7. Нажмите ОК. В диалоговом окне Create Nodal Constraints/DOF нажмите кнопку X Symmetry.
8. В поле Title введите название ограничения симметрии «X Symmetry».
9. Нажмите ОК.

Примечание: Нажав кнопку X Symmetry Вы задали ограничение степеней свободы TX, RY и RZ в выбранных узлах.

Поскольку применяются узловые ограничения, можно управлять ограничением каждой степени свободы отдельно в диалоговом окне или использовать быстрые клавиши для применения общих условий закреплений.

 

10. В диалоговом окне Entity Selection выберите узлы E и F как показано на следующем рисунке.

Обратите внимание: Теперь Вы зафиксируете узлы на противоположном конце фермы.

 

11. ‍Нажмите ОК. В диалоговом окне Create Nodal Constraints/DOF нажмите кнопку Fixed.
12. В поле Title введите название закрепления.  

Примечание: Нажав кнопку Fixed, Вы ограничили все степени свободы выбранных узлов.

13. Нажмите ОК.
14. В диалоговом окне Entity Selection выберите узлы G и H как показано на следующем рисунке.

 

15. Нажмите ОК.
16. В диалоговом окне Create Nodal Constraints включите ограничение степеней свободы TZ и RX.
17. В поле Title введите название закрепления «Singularity Constraints».
18. Нажмите ОК, затем в диалоговом окне выбора объектов Entity Selection нажмите Cancel.
     

Отключите отображение поперечных сечений балочных КЭ, чтобы лучше видеть созданные ограничения степеней свободы.
 

1. ‍Нажмите клавишу F6 для вызова настроек вида View Options.
2. ‍В диалоговом окне View Options перейдите в категорию Labels, Entities and Color.
3. ‍В разделе Options выберите Element Orientation/Shape. В поле Element Shape выберите Line/Plane Only.
4. ‍Нажмите ОК.

Совет: Если Вы снова включите отображение меток для закреплений, то увидите номера степеней свободы, отображаемые для каждого ограничения. Для этого нажмите F6. Выберите Options, Constraint. В разделе Label Mode выберите отображение степеней свободы Degree of Freedom.

Приложение нагрузок к модели

1. ‍Model, Load, Nodal.
2. ‍В диалоговом окне New Load Set в поле Title введите название набора нагрузок.
3. ‍Нажмите ОК.
4. ‍В диалоговом окне выбора объектов Entity Selection выберите узлы A и B как показано на следующем рисунке.

 

5. Нажмите ОК.
6. В диалоговом окне Create Loads on Nodes выберите Force (сила) в списке нагрузок, расположенном в левой части диалогового окна.

Примечание: Тип нагрузки по умолчанию - Force.

6. ‍В поле FY введите значение силы в противоположном направлении оси Y, равное минус 200.
7. ‍Нажмите ОК. Затем, в диалоговом окне выбора объектов Entity Selection нажмите Cancel.

 

 

Анализ модели

Выполните расчет модели с помощью решателя NX Nastran.

 

Создайте новый анализ и запустите расчет.

1. Model, Analysis.
2. В диалоговом окне Analysis Set Manager нажмите кнопку New, чтобы создать новый анализ.
3. В поле Title введите название анализа.
4. В поле Analysis Program выберите решатель «36..NX Nastran». В поле Analysis Type выберите линейный статический анализ «1..Static»
5. Нажмите ОК. Затем, нажмите кнопку Analyze, чтобы запустить расчет.

Анализ результатов

В этом примере будут показаны три способа визуализации результатов: оценочный критерий (режим Criteria), балочные диаграммы и распределение напряжений в сечениях.

 

Отображение критерия оценки

 

В качестве альтернативы контурной эпюры (Contour) можно использовать оценочный критерий (Criteria), который показывает выходное значение в центре каждого элемента. Однако основной целью отображения критериев оценки является ограничение отображения на основе выбранных критериев.

 

Отображение результатов в режиме Criteria.

1. ‍Нажмите клавишу F5 для вызова диалогового окна View Select.
2. ‍В диалоговом окне View Select в разделе Deformed Style выберите Deform (деформированный вид), а в разделе Contour Style выберите режим Criteria.
3. ‍Нажмите кнопку Deformed and Contour Data.
4. ‍В диалоговом окне Select PostProcessing Data в разделе Output Vectors в поле Deform выберите «1..Total Translation», а в поле Contour выберите «3022..Beam EndA Axial Force».
5. ‍Нажмите ОК во всех диалоговых окнах.
6. ‍View, Rotate, Model или нажмите клавишу F8.
7. ‍В диалоговом окне View Rotate нажмите кнопку Trimetric, затем нажмите ОК.

Чтобы улучшить визуальное восприятие, отключите отображение недеформированных элементов.
 

1. ‍Нажмите клавишу F6 для вызова диалогового окна View Options.
2. ‍В диалоговом окне View Options перейдите в категорию PostProcessing.
3. ‍В разделе Options выберите Undeformed Model.
4. ‍Уберите флажок опции Draw Entity, чтобы отключить отображение недеформированного вида элементов.
5. ‍Нажмите ОК.

Измените критерии для отображаемых элементов. Покажите элементы выше максимального предела осевой силы, равного 350.
 

1. Нажмите клавишу F6 для вызова меню настроек видов View Options.

Примечание: Категория PostProcessing уже выбрана.

2. В диалоговом окне View Options в разделе Options выберите Criteria Limits (ограничение критериев оценки).
3. Выставите минимальное и максимальное значения. Minimum: 0. Maximum: 350.
4. В поле Limits Mode установите режим Above Maximum (выше максимума).
5. Нажмите ОК.

Обратите внимание: Только балочные элементы Beam со значениями осевой силы выше 350 закрашены в соответствии с эпюрой, остальные элементы не имеют цвета.
 

Отображение балочной диаграммы

В заключение примера Вы создадите балочные диаграммы осевых напряжений. Балочные диаграммы отображают результаты по длине линейных элементов. Вы также узнаете, как управлять направлением балочных диаграмм.

 

Отобразите результаты в виде балочной диаграммы осевых напряжений в элементах.

1. ‍ View Select (F5).
2. ‍В диалоговом окне View Select в разделе Deformed Style выберите режим None - Model Only, а в разделе Contour Style выберите режим Beam Diagram.
3. ‍Нажмите кнопку Deformed and Contour Data.
4. ‍В диалоговом окне Select PostProcessing Data в поле Contour выберите «3164..Beam EndA Max Comb Stress».
5. ‍Нажмите ОК во всех диалоговых окнах.

 

Можно изменить плоскость, в которой будут расположены балочные диаграммы. FEMAP всегда рисует балочные диаграммы в выбранной плоскости, даже если выходные данные основаны на силах/напряжениях в другой плоскости.

 

1. ‍Нажмите клавишу F6 для вызова меню настроек видов View Options.
2. ‍В диалоговом окне View Options в разделе Options выберите Beam Diagram. В поле Default Direction (направление по умолчанию) выберите «Element Z».
3. ‍Нажмите ОК.

 

Примечание: Балочные диаграммы теперь отрисовываются в плоскости Z.

Интерактивный просмотр расчетных напряжений в поперечном сечении балочных элементов.

 

1. View Select (F5).
2. В диалоговом окне View Select в разделе Contour Style выберите None - Model Only.
3. Нажмите ОК.
4. View, Advanced Post, Beam Cross Section.
5. В диалоговом окне Beam Cross Section Stress Control в секции Elements выберите Single.
6. Щелкните левой кнопкой мыши в поле ввода возле Single и выберите балочный элемент с идентификатором 3 или 4.
7. В секции Location в поле Position установите значение 85.
8. Активируйте режим Screen Space. Эпюра осевых напряжений в поперечном сечении балки должна появиться, пока диалоговое Beam Cross Section Stress Control окно все еще отображается.

 

9. В разделе Location активируйте режим Model Space.
    

 

10. ‍В разделе Location переместите ползунок End A и End B. Эта опция динамически изменяет положение сечения по длине одного элемента в режимах Screen Space или Model Space.
11. ‍Установите значение Position: 50.
12. ‍Активируйте режим Screen Space.
13. ‍В секции Show Stress выберите из выпадающего списка Combined Shear.
14. ‍Установите флажок напротив Vector Plot.
15. ‍Нажмите кнопку Advanced.
16. ‍В диалоговом окне Advanced Options в секции Vector Plot Options уберите флажок активации опции Solid Vector и установите флажок активации опции Section Outline.
17. ‍Установите длинную вектора Vector Length: 80.
18. ‍Нажмите ОК во всех диалоговых окнах.
     

Примечание: После регенерации графического окна FEMAP, режим просмотра напряжений в сечениях пропадет. Чтобы снова отобразить напряжения, используя те же параметры, просто снова выберите команду View, Advanced Post, Beam Cross Section.

На этом данный урок закончен. Вам не нужно сохранять файл модели.


 

Подробная видео-инструкция к этому руководству находится на нашем сайте ССЫЛКА

На русском о Femap можно прочитать на нашем сайте

Обучение по Femap можно посмотреть по ссылке

 

По вопросам приобретения, обучения, бесплатного тестирования и любым другим вопросам, пожалуйста, обращайтесь: info@cad-is.ru тел.: +7 (495) 740-05-10
www.cad-is.ru

Изменено 8 октября 2018 пользователем CADIS