fbpx

ZWSim Structural

ZWSim Structural

 

ZWSim Structural 2021 jest oprogramowaniem przeznaczonym do symulacji mechanicznej i termicznej. Zapewnia szybkie i łatwe przeprowadzenie wstępnego pre-procesingu ( budowa modelu dla MES) dla danego rozwiązania symulacji: szybkie modelowanie, naprawę geometrii, tworzenie siatki, ustalenie warunków brzegowych, ustalenie kroków do analizy i przesłania tych danych do rozwiązania.  Otrzymane wyniki należy sprawdzić i wykonać analizę porównawczą.

Na filmie poniższym pokazany jest  nowy program firmy ZWSOFT (producent ZWCAD i ZW3D) ZWSim. Jest to program do obliczeń metodą elementów skończonych (MES). Na początek przestawimy analizę liniowo-statyczną.

Takie podejście zapewnia przyspieszenie analizy nowego produktu lub optymalizację produktu już istniejącego, co skraca czas i zmniejsza koszty. Poniżej przykładowa analiza modelu wózka do wagonu kolejowego (Rysunek 1).

Rysunek 1. Model wózka kolejowego oraz wyniki naprężeń.

ZWSim Structural 2021 umożliwia:

  • Szkicowanie (na ścianie lub płaszczyźnie odniesienia), a także wykorzystanie gotowych kształtów 3D
  • Modelowanie 3D części (modelowanie hybrydowe: powierzchniowe i bryłowe)
  • Modelowanie parametryczne
  • Import i naprawę modeli z formatów zewnętrznych (Rysunek 2)
  • Zamianę geometrii modeli importowanych, dzięki bezpośredniej edycji
  • Edycję geometrii modelu zaprojektowanego w Zw3d i ponowne przeliczenie istniejącej analizy
  • Zapisywanie modeli 3D do PDF 3D

Wspierane formaty importu i eksportu:

Rysunek 2. Formaty importu i eksportu w programie ZWSim.

Jak wygląda proces analizy wytrzymałościowej w programie ZWSim Structural?

Proces wykonywania symulacji został pokazany na Rysunek 3, jak widać proces jest prosty i schematyczny. W przypadku podpunkty dotyczącego preprocessingu kolejność definiowania operacji jest praktycznie dowolna, ważne jest, żeby wszystkie wymienione elementy zostały zawarte w analizie.

Rysunek 3. Proces wykonywania symulacji w programie ZWSim

MODEL

Program ZwSim opiera się na środowisku programu ZW3D CAD, więc praca jest intuicyjna. Model może zostać wczytany z formatów zewnętrznych lub zaprojektowany od podstaw. Użytkownik posiada szeroką gamę poleceń do tworzenia części lub złożenia do analizy. Modelowanie przebiega jak w programie do CAD 3D, przez co jest szybkie i intuicyjne (Rysunek 4).

Rysunek 4. Model 3D oraz szkic użyty do jego stworzenia.

ANALIZA

Program ZWSim Structrural 2021 zapewnia wsparcie 5 typów analizy:

Analiza liniowa – statyczna

Analiza liniowa, statyczna jest najbardziej powszechnie używaną analizą przez inżynierów. Pozwala na sprawdzenie czy dany model spełnia zakładane oczekiwania pod względem wytrzymałości.

Badana wytrzymałość bazuje na liniowej charakterystyce materiału, odkształcenia sprężystego. Materiał po zdjęciu obciążenia powróci do stanu początkowego, nie nastąpi zniszczenie jego struktur wewnętrznych Rysunek 5.


Rysunek 5 Analiza liniowa pokazująca przemieszczenia w wózku wagonu kolejowym.

Przykład

Analiza liniowa, statyczna wiertła.
Jako przykład posłuży nam długie wiertło do betonu, chcemy sprawdzić czy kształt główki wiertła jest odpowiednio zaprojektowany, a użyty materiał wytrzyma nacisk.

Materiał:
Stal 1020

Warunki brzegowe:
Zamocowanie wiertła w górnej części – uchwyt SDS plus
Siła przyłożona do dolnej części główki – 200 N

Wyniki

Rysunek 6. pokazuje nam rozkład naprężeń na końcówce wiertła, a także jego przemieszczenie pod wpływem wywieranego obciążenia.

Wniosek

Widać, że przemieszczenie wynosi 0.014 mm,  a naprężenia zredukowane 27 MPa, co w przypadku stali jest dopuszczalne – maksymalne dopuszczalne naprężenia 350 MPa.

 


Rysunek 6 Przyłożone warunki brzegowe, a otrzymane rezultaty przemieszczeń i naprężeń.

Wyboczenie

Kolejnym zjawiskiem występującym w życiu codziennym jest wyboczenie. Element pod wpływem wywieranego na niego obciążenia jest ściskany, w przypadku gdy obciążenie to jest dostatecznie duże może zajść zjawisko deformacji, zwane wyboczeniem. Zjawisko to zależy o kilku czynników: rozmiaru elementu ściskanego, jego długości, materiału użytego do jego budowy czy też wielkości obciążenia.

W praktyce inżynierskiej przyjęło się, że wystąpienie zajścia zjawiska opisywane jest przy użyciu wartości liczbowej, gdy ta wynosi poniżej 1, istnieje ryzyko wystąpienia  wyboczenia. Oprócz tego cenną informacją dla użytkownika jest schemat deformacji – graficzny podgląda jak wygląda zdeformowany element.

Przykładowe schematy badania wyboczenia:

Takie samo obciążenie kolumn o różnej średnicyTakie samo obciążenie kolumn o różnej długości

Rysunek 7. Schematy wyboczenia.

Przykład:

Analiza wyboczenia na przykładzie wiertła do betonu.  Sprawdzenie czy istnieje możliwość wystąpienia zjawiska wyboczenia.

Materiał:

Stal 1020

Warunki brzegowe:

Zamocowanie wiertła w górnej części – uchwyt SDS plus

Siła przyłożona do dolnej części główki – 200 N

Wyniki:

Wyniki wyboczenia wiertła zostały pokazane na Rysunek 8.

Wniosek:

Wiertło nie ulegnie wyboczeniu, współczynnik wyboczenia wynosi 5.83, czyli znaczenie powyżej wartości granicznej 1.

Rysunek 8. Wyniki analizy wyboczenia wiertła.

W przypadku wyboczenie należy wspomnieć o typach elementów branych do analizy. Domyślnie jest to bryła, ale może być to model powłokowy (Rysunek 9) lub prętowy (Rysunek 10). Dzięki zastosowaniu dwóch ostatnich typów geometrii, czas trwania obliczeń ulega znacznemu skróceniu.

W przypadku zastosowania modelu prętowego zamiast bryłowego wynik współczynnika bezpieczeństwa jest podobny (Rysunek 10), a czas trwania obliczeń znaczenie zmniejszony.

Rysunek 9. Wyboczenie modelu powłokowego.

Rysunek 10. Wyboczenie, model prętowy i bryłowy.

Analiza modalna

W przypadku wirujących elementach, należy wspomnieć o zjawisku rezonansu. Przykładowym elementem wirującym jest wiertło do betonu. Parametry wiertła, takie jak sztywność, masa są dobierane odpowiednio, aby zjawisko rezonansu nie wystąpiło lub pojawiło się przy prędkościach nie występujących podczas normalnej pracy np. 10 Hz.

Analiza modalna zapewnia możliwość sprawdzenia jaka jest częstotliwość drgań własnych oraz jak wyglądają postacie drgań własnych. Pod pojęciem częstotliwości drgań własnych rozumie się wartości częstotliwości, które pobudzają nasz model, powodując zjawisko rezonansu. Sam rezonans jak wiemy zazwyczaj jest niepożądany- powoduje nagły wzrost amplitudy, a przez to ma destrukcyjny wpływ na element. Poniżej przykładowa analiza łożyska tocznego (Rysunek 11), pokazująca jakie są postacie drgań oraz przy jakich częstotliwościach występują.

Rysunek 11. Analiza modalna łożyska tocznego.

Przykład:

Analizy modalnej dla modelu wiertła do betonu. Problem rezonansu jest często pomijany przez użytkowników, sprawdźmy na bazie modelu to wiertła czy takie zjawisko wystąpi.

Materiał:

Stal 1020

Warunki brzegowe:

Zamocowanie wiertła w górnej części – uchwyt SDS plus

Wyniki:

Wyniki analizy modalnej zostały pokazane na Rysunek 12.

Wniosek:

Pierwsza częstotliwość pobudzająca model wiertła wynosi 73 Hz, przemieszczenie przy tej częstotliwości wynosi 6.3 mm, co przy długości całego wiertła na poziomie 300 mm jest znaczącym wychyleniem główki wiertła od osi.

Rysunek 12. Analiza modalna modelu wiertła.

Analiza termiczna w stanie ustalonym

Analiza termiczna w stanie ustalonym to jedna z dwóch możliwości symulacji termicznej w ZWSim Structural. Polega na sprawdzeniu jak wygląda rozkład temperatur w modelu po ich wyrównaniu – stan ustalony. Użytkownik może sprawdzić czy zakres temperatur jest odpowiedni dla danego materiału lub czy też należy zmienić izolację/ dodać dodatkowe chłodzenie. Do dyspozycji użytkownik ma kilka poleceń (Rysunek 13):

– temperatura wstępna,

– dostarczone ciepło,

– przepływ ciepła,

– konwekcja,

– radiacja.

Rysunek 13. Typy warunków termicznych

Przykład:

Analiza termiczna w stanie ustalonym dla modelu wiertła do betonu. Chcemy zbadać rozkład temperatur wiertła.

Materiał:

Stal 1020

Warunki brzegowe:

Temperatura otoczenia 300 K = 26.85 C

Temperatura końca wiertła  400 C

Konwekcja 50 W/mm^2*dC, temperatura powietrza 20 C

Doprowadzone ciepło 100 W

Wyniki:

Analiza termiczna została zaprezentowana na Rysunek 14.

Wniosek:

Temperatura końca wiertła (zamocowanie ) spadanie do 24.34 C po wyrównaniu warunków termicznych. Temperatura końca roboczego nie wzrośnie.

Rysunek 14. Rozkład temperatur wiertła w stanie ustalonym przy danych warunkach brzegowych.

Analiza przewodności cieplnej

Analiza przewodności cieplnej polega na sprawdzeniu jaki będzie rozkład temperatur po danym kroku czasowym, czyli jaką temperaturę będzie mieć element przy danych warunkach brzegowych po np. 15 minutach.

Przykład:

Analiza przewodności cieplnej wiertła, badamy zmianę rozkładu temperatur w modelu z krokiem czasowym wynoszącym 90 sekund. Czas końcowy analizy to 1800 sekund, czyli 15 minut.

Materiał:

Stal 1020

Warunki brzegowe:

Temperatura otoczenia 300 K = 26.85 C

Temperatura końca wiertła 400 C

Doprowadzone ciepło 500 W

Czas zmian temperatur 90 sekund, krok końcowy 1800 sekunda

Wyniki:

Wyniki analizy modalnej zostały pokazane na Rysunek 15.

Wniosek:

Początkowo wiertło ma temperaturę maksymalną wynoszącą 400 C oraz minimalną 26.85, po 15 minutach temperatura maksymalna wzrosła do 400.5 C, a minimalna do wartości 35.03 C.

Rysunek 15. Wyniki analizy rozkładu temperatury wiertła po 15 minutach

Warunki brzegowe, materiał, siatka

Warunki brzegowe

Są to warunki przedstawione w sposób graficzny zamocowanie modelu, a także jego obciążanie. Program ZWSim Structural wspiera kilka typów zamocowań jak i obciążeń.

Zamocowania jakie można wykonać (Rysunek 16):

– zamurowanie,

– przesuwne, dany element może przesuwać się po płaszczyźnie,

– zawias, model może obracać się po osi obrotu,

– odebranie ruchu po dowolnych osiach i obrotach.

Rysunek 16. Warunki zamocowania w ZWSim

Rysunek 17. Warunki obciążenia w ZWSim

Typy obciążeń możliwych do utworzenia w programie (Rysunek 17):

– siła,

– ciśnienie,

– zadany moment obrotowy,

– obciążenie liniowe,

– grawitacja,

– temperatura.

Typy warunków brzegowych termicznych (Rysunek 18):

– temperatura wstępna,

– dostarczone ciepło,

– przepływ ciepła,

– konwekcja,

– radiacja.

Rysunek 18. Warunki termiczne w ZWSim

Biblioteka materiałów

 

ZWSim Structural posiada bogatą bibliotekę materiałów izotropowych (posiadają jednakowe właściwości wytrzymałościowe we wszystkich kierunkach w danym materiale). Wśród takich materiałów są żeliwa, stale na przykład: 1020,304 stal nierdzewna. W przypadku, gdy materiał nie istnieje, użytkownik dwie możliwości: stworzyć od postaw nowy materiał lub edytować istniejący poprzez zmianę jego parametrów, takich jak: gęstość, liczba Poissona, czy też wytrzymałość na rozciąganie.

Siatka MES

Siatka MES to niezbędny element każdej analizy. To właśnie od niej zależą wyniki przeprowadzanych analiz i ich dokładność.  Program powinien posiadać możliwość sterowania jej rozmiarem, zmiany lokalnie jej wielkości a także sterowania  typem elementów. Program ZWSim posiada wszystkie te elementy. Zabudowane dwa generatory siatki: ZW i Netgen (program open source do tworzenia siatki), pozwalają na lepsze dopasowanie generatora do danego przykładu.  Pomocne, okazują się także typ elementów siatki, mogą być wybrane automatycznie przez program lub ręcznie przez użytkownika. W zależności od modelu, inny rodzaj siatki będzie pożądany.

Istnieje możliwość dogęszczenia siatki lokalnie np. poprzez pokazanie ściany, krawędzi czy całej bryły.

Poniżej siatka dogęszczona, poprzez wskazanie krawędzi modelu.

Program posiada także możliwość kontroli jakości zbudowanej siatki, poprzez wyświetlenie w sposób graficzny, ilości elementów oraz rozmiaru tych elementów.

W przypadku symulacji elementów połączonych ze sobą np. zespawanych, użytkownik może w prosty sposób to zdefiniować – bez konieczności nadawania więzów. Przy tworzeniu siatki należy wybrać opcję kompatybilna siatka, która zapewnia ciągłość punktów siatki.

Obliczenia i Rezultaty

Program zapewnia użytkownikowi wiele możliwości wyświetlania rezultatów wykonanych symulacji.

Wyniki przemieszczeń, odkształceń czy naprężeń są prezentowane w formie graficznej. Dzięki legendzie z boku modelu, inżynier w łatwy sposób stwierdzi czy wyniki analizy są zgodne z jego oczekiwaniami.  Włączenie modelu zdeformowanego oraz bazowego, zapewnia podgląd kształtu deformacji. Jest to cenna informacja umożliwiająca zbadanie poprawności warunków brzegowych ( zamocowanie i obciążenie w modelu).  Użytkownik ma także możliwość wygenerowania animacji, która może zapisać do formatu .avi.

Istnieje także możliwość wygenerowania raportu, zawierającego podstawowe informacje o analizie, takie jak: jednostki, parametry materiału, warunki brzegowe, informacja o siatce i wyniki obliczeń. Raport może być zapisany w formacie edytowalnym (word) lub zamkniętym pdf – link do raportu.

ZWSim Structural 2021 już dostępny! 

Chcesz wypróbować jego możliwości?

Wypełnij formularz poniżej i przekonaj się, że warto!








    Rozwiń