MODULUL NX-Simulation Introducerefiles.vladac-uvab.webnode.ro/200000191-c1d55c2ccc/PAC - NX7.5 - curs 11.pdf · digital obtinut in departamentul de proiectare si dezvoltare prin intermediul

P.A.C. NX7.5 note de curs 11 2014-2015 semestrul 1

1

vladac-uvab.webnode.ro

MODULUL NX-Simulation

Introducere

In ziua de astazi exista produse utilizate zilnic si care trebuie sa-si indeplineasca mereu

rolul pentru care au fost realizate. Pentru acest lucru, aceste produse trebuie sa respecte o

serie de cerinte de calitate si securitate in procesul lor de functionare. Simularea digitala

utilizeaza modelarea si analiza computerizata pentru a testarea comportamentului in timp a

acestor produse suspuse la diferite solicitari, in diferite conditii de functionare. Utilizarea

zilnica a produselor expune componentele acestora la diferite tipuri de solicitari precum:

solicitari cauzate de forte exterioare sau interioare, impact de mare viteza, acceleratii,

temperaturi extreme, etc.. Simularea si analiza utilizand prototipul virtual studiaza aceste

aspecte, reducand sau eliminand posibilele defecte cauzate de solicitari care apar in timpul

functionarii.

Majoritatea companiilor al caror principal domeniu de activitate este conceptia,

dezvoltarea si fabricarea de noi produse, indiferent de industrie, au departamente specializate

care valideaza prototipul digital. In functie de complexitatea acestor produse, se impune

existenta unui astfel de departament.

Locul simularii in intreprindere este intre conceptie si fabricatie. Plecand de la prototipul

digital obtinut in departamentul de proiectare si dezvoltare prin intermediul aplicatiilor CAD

(Computer Aided Design), in departamentul de simulare si analiza digitala se utilizeaza

aplicatii CAE (Computer Aided Engineering) pentru validarea digitala. Informatiile astfel

obtinute sunt transmise mai departe, in intreprindere in format digital, corectandu-se

eventualele erori ce au fost descoperite. Majoritatea aplicatiilor software CAE accepta

prototipul digital creat in orice aplicatie CAD.

Exista mai multe considerente pentru care o intreprindere recurge la simularea si analiza

digitala a produselor sale:

Prin analiza prototipului virtual, se reduc costurile cu testarea fizica;

Se reduce considerabil intervalul de timp in care se dezvolta un nou produs, de la

conceptie la fabricatie;

Calitatea, fiabilitatea si siguranta in functionare sunt mult imbunatatite;

Este permisa optimizarea procesului inca din faza de proiect, eliminand costurile cu

prototipurile fizice.


2


Simularea si analiza prototipurilor virtuale are influenta deosebita in activitati precum:

Analiza la solicitari (statice/ dinamice) a componentelor sau produselor utilizand

metoda elementului finit (MEF/ FEM/ FEA) – subiectul prezentului curs;

Analiza termica si curgerea dinamica a fluidelor (CFD – Computational Fluid

Dynamics);

Simularea functionarii mecanismelor – cinematica;

Simularea turnarii sub presiune (injectii in matrite), turnarea in forme a metalelor

topite sau deformarea la rece (stantare/ matritare).

Odata cu dezvoltarea tehnologiei s-au dezvoltat si aplicatii software ce au la baza metoda

elementului finit (MEF). Avansul tehnologic din ultimii ani a permis realizarea unor analize

utilizand MEF din ce in ce mai complexe. Siemens PLM Software detine doua dintre cele

mai utilizate aplicatii din lume: NX Nastran si Femap. Prima aplicatie software ce utilizeaza

MEF este NASTRAN (NASA STRuctural ANalysis) detinuta de compania MSC. Ulterior si

alte companii au achizitionat codul sursa al programului dezvoltand alte aplicatii, cum ar fi:

Ansys (una dintre cele mai complexe aplicatii de pe piata), Abaqus, Adina, LS-Dyna

(dezvoltat in primul rand pentru analiza la impact), Algor, ADAMS (utilizat in special pentru

simularea miscarilor mecanismelor).

Elemente introductive privind analiza cu elemente finite

Metoda elementelor finite este o tehnica generalista de rezolvare aproximativa a

ecuatiilor diferentiale cu derivate partiale care descriu fenomene fizice. Ca principiu, metoda

elementelor finite consta in descompunerea prototipului virtual ce trebuie analizat, in portiuni

de forma geometrica simpla, analiza acestora si recompunerea prototipului virtual respectind

anumite cerinte matematice.

In MEF, se inlocuieste sistemul mecanic cu numar infinit de grade de libertate, cu un

sistem echivalent cu numar finit de grade de libertate. In esenta MEF reprezinta

implementarea numerica a metodei deformatiilor de la rezistenta materialelor, respectiv

necunoscutele – gradele de libertate nodale sunt la o analiza structurala deplasarile si rotirile.

Conceptul fundamental al MEF este acela ca imparte o problema complexa intr-un

numar mai mare de probleme mai simple si utilizeaza formule matematice complexe pentru a

atasa solutiile tuturor problemelor simple, astfel incat sa se obtina o solutie aproximativa la o

problema complexa.

Etapele necesare pentru rezolvarea unei analize MEF sunt sintetizate dupa cum urmeaza:

Evaluarea problemei si stabilirea ipotezelor;

Construirea modelului elementelor finite (discretizarea modelului);

Specificarea conditiilor limita;

Rezolvarea problemei generale;


3


Evaluarea rezultatelor obtinute.

Proprietăţile materialelor

Materialele au un rol extrem de important in procesul de analiza, astfel ca definirea

proprietatilor si caracteristicilor de material este o etapa esentiala in MEF. Rezultatele unei

analize depind in foarte mare masura de corectitudinea cu care au fost alese si introduse

caracteristicile materialelor. Dupa cum se cunoaste din rezistenta materialelor, din punct de

vedere structural, materialele pot fi omogene (majoritatea materialelor din industrie) si

neomogene (in general materialele compozite), iar din punct de vedere al caracteristicilor

unidirectionale, materialele pot fi izotrope (au aceleasi proprietati in toate directiile –

majoritatea materialelor omogene), ortotrope (au proprietati diferite pe doua directii – ex. o

placa subtire din lemn sau fibra de carbon), anizotrope (au materiale diferite pe toate

directiile - cuarţul).

Unităţ de măsură

Metoda FEM este o metoda matematica ce nu intelege si nu cere unitati de masura.

Pentru o siguranta a corectitudinii analizei, trebuie utilizat un sistem de unitati de masura

consistent pe tot parcursul simularii. Unitatile de masura de baza din orice analiza sunt:

lungimea - m, masa (greutatea) - kg si timpul - s. Toate celelalte unitati deriva din acestea:

Forta = kg / m2 = Newton (N);

Presiune si tensiune = N / m2 = Pascal (Pa);

Densitatea = kg / m3;

In tabelul urmator sunt prezentate mai multe sisteme consistente de unitati de masura,

atat cel standard (SI) cat si sisteme alternative:

Modelare 3D

Discretizarea modelului 3D

Aplicarea conditiilor limita Rezolvarea si evaluarea rezultatelor


4


Forţe, tensiuni şi deformaţii

O forta exercitata asupra unui corp poate cauza miscarea sau deformarea acestuia.

Unitatea de masura pentru forta este newton-ul, N. Nici un corp solid nu este perfect rigid iar

atunci cand asupra lui este aplicata o forta, el se deformeaza. Este foarte important ca un

inginer sa aprecieze efectele aplicarii fortelor asupra materialelor, impreuna cu proprietatile

lor mecanice.

In principal, exista trei tipuri de forte mecanice care pot fi aplicate asupra unui corp

solid: forta de tractiune (la strengerea unei piulite, surubul are tendinta de alungire), forta de

compresiune (masa este supusa compresiunii cand este asezat ceva pe aceasta), forfecarea

(niturile sunt supuse forfecarii odata ce sunt montate).

Fortele care actioneaza asupra unui material produc schimbari dimensionale si materialul

se afla sub anfluenta tensiunilor. Tensiunea normala dintr-un material este raportul dintre

forta aplicata si suprafata materialului si apare din cauza fortelor de intindere-compresiune.

Aceasta tensiune normala se masoara in pascali, Pa. Tensiunile care apar intr-un corp din

cauza fortelor de forfecare sunt numite tensiuni tangentiale.

Sub actiunea fortelor si momentelor exterioare, corpurile se deformeaza, asadar

elementele lor structurale capata deformatii (deplasari relative). Deformatiile pot fi:

Elastice (reversibile) – acestea dispar complet dupa indepartarea sarcinilor exterioare;

Plastice (ireversibile) – odata indepartate sarcinile exterioare, aceste deformatii raman

in material cu caracter permanent;

Elasto-plastice (reale) – acele deformatii care dispar partial dupa indepartarea

sarcinilor exterioare.

Procedura analizei prin metoda elementului finit

In conditiile necesitatii unei analize prin metoda elementului finit, NX ofera posibilitatea

realizarii simularilor cu ajutorul mai multor module de rezolvare: Nastran, Ansys, Abaqus,

LS-Dyna. Utilizatorul isi poate realiza „micul laborator virtual” pe una dintre aceste

platforme, procedura fiind relativ similara de la modul al modul.


5


In prezentul curs, este prezentata o analiza structurala simpla (printre cele mai frecvente

situatii de analiza), a unui reper oarecare, utilizand solver-ul NX Nastran.

Pentru a realiza „micul laborator virtual” de analiza se poate utiliza una dintre cele doua

metode de mai jos:

Prima varianta presupune deschiderea unui fisier nou de simulare de tip Fem a

solver-ului NX Nastran din tab-ul Simulation. Dupa specificarea numelui fisierului, se alege

directorul in care se va salva aplicatia. Este recomandat ca pentru un reper sa se faca un

director in care sunt introduse toate fisierele generate, atat la modelare cat si la celelalte

aplicatii ce au la baza modelul 3D realizat in prealabil.

Dupa apasarea butonului OK, sistemul afiseaza o fereastra

de dialog New Fem, prin care utilizatorul trebuie sa specifice

urmatoarele: piesa de analizat (se bifeaza zona CAD Part,

dupa care se alege piesa modelata anterior), daca se realizeaza

sau nu o piesa idealizata pe care utilizatorul o poate modifica

oricand, tipul de solver utilizat pentru analiza si tipul de

analiza accesat (se selecteaza cate o optiune din zona Solver

Environment).

In urma initializarii modelulului de analizat, sistemul

afiseaza in spatiul grafic reperul cerut de utilizator si in

Simulation Navigator,

elementele prin intermediul

carora se vor atribui

caracteristicile de stare ale

piesei. Totodata, toolbar-ul

Advanced Simulation

activeaza unele dintre comenzile de lucru. Prezenta etapa presupune atribuirea unui material

piesei de analizat, dar si discretizarea acesteia prin anumite tipuri de elemente finite.

Pentru atribuirea unui material piesei se apasa butonul Material Properties din toolbar-ul

Advanced Simulation sau se utilizeaza meniul Tools,

Material Properties. Dupa accesarea acestei comenzi,

fereastra de dialog Assign Material apare impreuna cu

o lista bogata de materiale din care utilizatorul trebuie

sa selecteze materialul

necesar piesei modelate. De

asemenea pentru validarea

acestei operatii utilizatorul

trebuie sa selecteze modelul

3D din spatiul grafic.


6


Pentru discretizarea piesei se apasa

butonul 3D Tetrahedral Mesh din

toolbar-ul Advanced Simulation sau

se utilizeaza meniul Insert, Mesh, 3D

Tetrahedral Mesh.

Prin alegerea acestui tip de discretizare, se va obtine o retea de

elemente tetraedrice cu patru sau zece noduri pe suprafata intregului

corp tridimensional. Marimea acestora variaza in functie de

suprafata corpului solid de care sunt amplasate.

Odata cu accesarea acestei comenzi, sistemul afiseaza o fereastra de dialog prin care se

cere selectarea corpului – Object to Mesh, tipul de retea discretizata – Type, marimea

elementelor discretizate – Element Size (o valoare specificata de utilizator sau sugerata de

sistem), alte specificatii legate de variatia marimii elementelor pe zone de racordare sau

curburi naturale ale corpului analizat – Mesh Settings. In urma disctretizarii piesei de

analizat, sistemul afiseaza in Simulation Navigator, nivelul 3D Collectors, cu subdiviziunea

Solid(1) in care este afisata operatia 3d_mesh(1).

Dupa acceptarea discretizarii modelului

solid, se trece la urmatoarea etapa

importanta a simularii prin intermediul

elementelor finite: specificarea conditiilor

limita.

Pentru aceasta etapa a analizei, in zona

Simulation File View, printr-un clic dreapta

pe fisierul de tip Fem, creat anterior, se

selecteaza optiunea New Simulation.


7


Dupa initializarea acestei optiuni, sistemul

afiseaza fereastra New Simulation in care sunt

specificate: numele noului fisier realizat care are de

aceasta data extensia .sim (Simulation Name), numele

fisierului de tip Fem de care este legat asociativ

(Associated FEM), zona de lucru activa (Layer

Placement) si tipul mediului de lucru (Solver

Environment).

Odata cu validarea acestei ferestre, sistemul

afiseaza o alta fereastra de caracterizare a solutiei pe

care NX Nastran o va genera indata ce utilizatorul da

comanda de rezolvare a problemei. Cele mai

importante elemente din aceasta caracterizare sunt

legate de: numele solutiei genarate de sistem (Name),

tipul solver-ului ce realizeaza rezolvarea problemei

(Solver), tipul analizei electuate (Analysis Type) si tipul

arborelui general de solutionare (Solution Type).

Dupa apasarea butonului OK, sistemul afiseaza in

Simulation Navigator, operatia de rezolvare a

problemei, insa elementele destinate constrangerilor

(Constraints) si sarcinilor (Loads) sunt inactive. Aceste

elemente sunt marcate cu bife de culoare gri inchis.

Odata cu initializarea fisierului .sim, s-a activat o

serie de alte comenzi din toolbar-ul Advanced

Simulation, printre care si Constraint Type si Load

Type.


8


Pentru implementarea constrangerilor solidului analizat,

se apasa butonul Constraint Type din toolbar-ul Advanced

Simulation si se alege una din optinunile din lista

desfasurata de sistem. Aceste constrangeri sunt dintre cele

mai diverse, incepand cu cele mai simple (fixare – Fixed

Constraint), fixare pe translatie – Fixed Translation

Constraint, fixare pe rotatie – Fixed Rotation Constraint) si

pana la cele mai complexe (cuplare automata – Automatic

Coupling, rulare - Roller Constraint).

Aceste constrangeri au rolul de a impiedica solidul analizat

de a reactiona liber la sarcinile aplicate ulterior. De

asemenea, chiar si constrangerile gravitationale sunt inscrise

in lista sistemului, deoarece in spatiul de lucru, orice solid este intr-un mediu cu toate gradele

de libertate lasate libere.

Dupa selectarea unui tip de constrangere, sistemul va afisa o fereastra de dialog

personalizata fiecarei constrangeri in parte, in asa fel incat acestea sa fie caracterizate

corespunzator si complet. In exemplul prezentat in fig. din acest curs s-a ales o constrangere

prin fixarea tuturor gradelor de libertate. Zonele fixate din solidul analizat sunt marcate

corespunzator in spatiul grafic, acestea fiind contorizate si in fereastra de dialog a comenzii.

Dupa aplicarea constrangerilor pe solidul analizat este impusa atasarea unei solicitari la

care solidul sa reactioneze corespunzator. Astfel, din toolbar-ul Advanced Simulation, se

apasa butonul Load Type si se alege una dintre multitudinea de optiuni din lista prezentata de

sistem.

Ca si in cazul constrangerilor, prezentat mai sus, exista o

lista din care utilizatorul are de ales un tip de solicitare la care

solidul sa fie supus. Solicitarile prezentate in lista desfasurabila

sunt: forta, moment, solicitare in lagare, cuplu, presiune,

presiune hidrostatica, presiune centrifugala, forta centrifuga,

forta gravitationala, solicitari termice, pretensionarea

suruburilor. In functie de tipul de solicitare, fereastra de dialog

este configurata astfel incat

caracterizarea sa fie una completa si

corecta. In exemplul acestui curs,

solicitarea aleasa este o forta (Force).

In genereal, pentru atribuirea unei

solicitari, utilizatorul trebuie sa aleaga

suprafata pe care va actiona solicitarea

respectiva, directia sau directiile dupa

care actioneaza acea solicitare si


9


valoarea nominala sau ecuatia prin care este exprimata intensitatea solicitarii.

In urma validarii solicitarilor de pe diferitele suprefete ale solidului analizat, se apasa butonul

OK, asftel, finalizandu-se etapa de caracterizare a solidului si atribuirea conditiilor limita. In

acest caz, utilizatorul poate rula „micul experiment” din „laboratorul virtual” apasand clic

drapta pe numele solutiei din arborele de operatii specific Simulation Navigator, apoi

selectand optiunea Solve sau utilizand meniul Analysis, Solve. Prin selectarea acestei optiuni,

sistemul pregateste scrierea fisei de calcul numai dupa apasarea butonului OK al ferestrei de

dialog specifica Solve. Tot din aceasta fereastra se pot selecta variabilele de redactare ale

solutiei simularii prin apasarea pe butonul Edit Solution Atributies sau parametrii rezolvarii

prin apasarea pe butonul Edit Solver Parameters.


10


In momentul finalizarii rularii solver-ului NX Nastran, apar trei ferestre de dialog din

care utilizatorul poate culege toate informatiile necesare pentru detalierea fisei de rezolvare a

aplicatiei date.

Pentru evaluarea rezultatelor se poate accesa Post

Processing Navigator prin apasarea tab-ului corespunzator

sau prin clic creapta pe Results si selectarea optiunii Open.

Odata cu aparitia optiunilor din tab-ul Post Procesing

Navigator, utilizatorul poate evalua rezultatele simularii

avand la dispozitie optiunile de vizualizare Post View. Printr-un clic dreapa pe aceasta

optiune, utilizatorul poate stabili modul de afisare a rezultatelor prin selectarea optiunea Set

Deformation. De asemenea, prin optiunea Animate, utilizatorul are posibilitatea de a

vizualiza in mod dinamic ce efect are solicitarea asupra solidului analizat.


11


A doua varianta de realizare a

„micul laborator virtual” de analiza

presupune initializarea modulului

Advanced Simulation din interiorul

fisierului unde s-a modelat reperul. Acest

lucru se realizeaza prin apasarea

butonului Start din NX (nu cel al

sistemului de operare specific

terminalului utilizat) si alegerea

modulului Advanced Simulation. Dupa alegerea acestui modul, interfata generala al NX-ului

se schimba astfel incat sa faciliteze operarea cu functiile

si operatiile necesare implementarii si prelucrarii

datelor din analiza cu element finit. Astfel, odata cu

initializarea modulului, Part Navigator este

preschimbat in Simulation Navigator unde este afisat

solidul modelat in prealabil in mod similar ce afisarea

ansamblurilor in care vor aparea componente.

In aceasta etapa, utilizatorul trebuie sa initializeze

atribuirea de caracteristici si aplicarea conditiilor limita.

Astfel, dupa clic dreapta pe numele piesei din zona

Simulation File View, se alege optiunea New Fem and

Simulation.

In urma alegerii acestei optiuni, sistemul va afisa

fereastra New Fem and Simulation, prin care

utilizatorul va bifa sau nu, initializarea unei copiii

idealizate a reperului analizat (Idealized Part),

modalitatea de afisare a reperelor in conditiile analizei

unui ansamblu (Bodies in Use), tipul si caracteristicile


12


solver-ului (Solver Environment). Odata cu validarea ferestrei

prin apasarea butonului OK, sistemul afiseaza fereastra de

caracterizare a solutionarii, in care utilizatorul atribuie un nume

solutiei (Name), alege solver-ul utilizat in simulare (Solver),

stabileste tipul analizei (Analysis Type) si tipul solutiei

calculate de sistem (Solution Type).

Dupa aceasta etapa, procedura de desfasurare a analizei prin

element finit utilizand solver-ul NX Nastran este identica celei

prezentate anterior.

Documents

MODULUL NX-Simulation Introducerefiles.vladac-uvab.webnode.ro/200000191-c1d55c2ccc/PAC - NX7.5 - curs 11.pdf · digital obtinut in departamentul de proiectare si dezvoltare prin intermediul