Урок 01. Общие принципы конечно-элементного моделирования в Femap

Что такое метод конечных элементов?
Анализ конечных элементов (МКЭ) - это математическое моделирование поведения конструкции под действием внутренних или внешних сил, основанное на численных методах решения дифференциальных уравнений.
МКЭ можно использовать для моделирования следующих типов физического поведения:
механика деформируемого твердого тела
теплообмен
гидродинамика
оптические явления
электромагнетизм
Femap with NX Nastran можно использовать для моделирования первых двух типов задач. Femap Flow, Thermal и Advanced Thermal могут использоваться для моделирования задач теплообмена, гидродинамики и оптики.

Что включает в себя FEA-модель?
Модель конечно-элементного анализа представляет собой набор следующих объектов:
Конечные элементы, которые определяются в зависимости от выбранной математической модели:
Балочные элементы Beam и Rod
Плоские элементы Plate, Laminate, Membrane – треугольные или прямоугольные, с линейной или квадратичной функцией формы.
Объемные элементы Solid, Solid Laminate
Различные элементы, такие как пружины, точечные массы, RBE и контактные
Модели материалов – изотропные, 2D и 3D ортотропные, 2D и 3D анизотропные.
Граничные условия (нагрузки и закрепления)
Любая FEA-модель будет настолько точно соответствовать действительности, насколько подробно вы ее аппроксимируете набором соответствующих объектов в Femap.
Точность результатов конечно-элементного анализа модели зависит от качества сетки, выбранной модели материала, граничных условий и типа анализа.

Объекты Femap и рабочий процесс создания модели FEA

Объекты модели Femap и команды – Геометрия
Импорт напрямую геометрии САПР
Solid Edge, NX (Unigraphics и I-deas), ProE, CATIA и SolidWorks.
Поддержка стандартов обмена данными 3D-моделей
Parasolid, ACIS, IGES, STEP, STL
Создание и редактирование геометрии инструментами Femap
Точки, кривые в плоскости и трехмерном пространстве
Поверхности
Объемы
Серединные поверхности
Meshing Toolbox

Объекты модели Femap и команды – Материалы и свойства КЭ
Типы материалов:
изотропные
2D и 3D ортотропные
2D и 3D анизотропные
Эластомеры
Поддержка различных решателей (NX Nastran, MSC Nastran, LS-Dyna, Abaqus, Marc)
Типы КЭ:
Балочные элементы
Плоские элементы
Объемные элементы
«Остальные» элементы

Объекты модели Femap и команды – Граничные условия
Для закреплений и нагрузок дерево проекта «Model Info» позволяет:
Создание, редактирование, выделение и удаление полных наборов нагрузок и закреплений
Создание, редактирование, выделение и удаление отдельных видов нагрузок и закреплений
Создание и редактирование нагрузок и настроек Body, Nonlinear, Dynamic и Heat Transfer

Объекты модели Femap и команды – Сетка
Дополнительные инструменты для создания и редактирования сетки доступны в Meshing Toolbox

Объекты модели Femap и команды – Анализ
Создайте и отправьте анализ с помощью команды Model> Analysis
Панель инструментов PostProcessing Toolbox является основным интерфейсом для графического отображения результатов моделирования с помощью:
Деформированного вида
Отображение в различных графических режимах и векторном виде
Создание и визуализация Freebody
Используйте таблицу данных и набор команд List > Output для создания таблицы результатов

Обзор графических инструментов пользователя
Графический интерфейс Femap имеет несколько компонентов:
Панель открытых в данный момент моделей
Одновременно можно открывать и отображать несколько моделей
Динамическое масштабирование, панорамирование и вращение осуществляется с помощью мыши
Выпадающие меню команд
Панели инструментов – настраиваются пользователем
Плавающие панели инструментов быстрого доступа – создаются и настраиваются пользователем
Панель состояния Femap в нижней части графического окна

Единицы измерения в Femap
Femap, как и большинство FEA-решателей не имеет единиц измерения.
Но…
Стандартные материалы Femap и библиотеки сечений балочных КЭ используют единицы измерения дюймы-фунты
Импортированная геометрия по умолчанию конвертируется в дюймы. Изменить единицы измерения импортированной геометрии можно в общих настройках Preference опцией Geometry Scale Factor
Parasolid (независимо от программы) всегда хранит данные в метрах
Инструмент преобразования единиц позволяет пользователю преобразовывать единицы данных в модели
Пользователь должен знать о используемой системе единиц
Вы можете использовать команду «File -> Notes», чтобы сделать примечание для справки в будущем и добавить комментарий в файл анализа.
Следующие две страницы имеют диаграммы, которые показывают согласованные значения единиц, которые должны использоваться для получения верных результатов.

Единицы измерения для задач механики деформируемого твердого тела

Единицы измерения для термических задач

Преобразование единиц измерения
Используйте команду Tools > Convert Units для преобразования единиц измерения.
Преобразование всех величин с использованием преобразования базовых единиц
Преобразование определенных объектов с индивидуальными коэффициентами преобразования
Пример. Преобразуйте единицы N-мм в модель в N-m
Длина: 0,001 м = 1 мм
Масса: 1000 кг = 1 тонна
Сила: 1 N = 1 N
Энергия: 0,001 Н•м = 1 Н•мм

Форматы файлов Femap
Команды File > Save и File > Save As сохраняют файлы модели Femap в виде двоичных файлов .modfem
Файлы Femap, сохраненные в версиях до Femap v10.2, хранятся в виде файлов с расширением .mod
Femap автоматически преобразует файлы старой версии .mod или .modfem в текущую версию Femap
Когда это преобразование происходит, вам предоставляется поле сообщения нейтрального файла Femap, затем диалоговое окно «Neutral File Read Option», в котором вы подтверждаете параметры для преобразования из старого файла модели.
Используйте параметр ID Offset, чтобы избежать перезаписи существующих объектов в вашей модели Femap

Форматы файлов Femap (продолжение)
Нейтральный файл Femap (расширение файла .NEU) является текстовым файлом Ascii и может быть экспортирован из Femap с помощью команды File > Export > Femap Neutral.
Эта команда позволяет вам написать нейтральный файл для более ранней версии Femap (v4.1 через текущую версию Femap).
Нейтральные файлы используются для объединения моделей Femap.
Объекты, не поддерживаемые в более ранней версии Femap, будут игнорироваться при записи нейтрального файла.

Настройки Femap
Настройки Preference используются для оптимальной конфигурации производительности Femap и удобства работы. Они подробно описаны в руководстве Femap Commands и в онлайн-справке Femap.
Настройки хранятся в файле femap.ini в основной папке установки Femap
Чтобы задать настройки, выберите команду «File» > «Preference»

Диалоговое окно настроек Femap Preference
Настройки Preference имеют следующие вкладки
Messages
Views
Graphics
User Interface
Database
Geometry/Model
Interfaces
Results
Library/Startup
Color
Spaceball
Следующие слайды описывают три наиболее важные вкладки настроек Preferences: Geometry / Model, Graphics and Database

Диалоговое окно настроек Femap Preference – коэффициент масштабирования Geometry Scale Factor
Выберите геометрическое ядро Parasolid или Standard для вашей модели Femap. Рекомендуется использовать ядро Parasolid, в противном случае можно импортировать, создавать или редактировать только геометрию каркаса.
Femap хранит геометрию в метрах. Коэффициент масштабирования Solid Geometry Scale Factor используется для внутреннего преобразования ваших геометрических единиц в метры в Parasolid.
Например, если вы выбираете Inches, коэффициент масштабирования составляет 39,37 (дюймы/метр). Femap использует инверсию этого номера для хранения геометрии в своей базе данных моделей (1 дюйм = 0,0254 метра).
Это масштабирование позволит вам импортировать модели, которые находятся за пределами моделирования Parasolid (куб 1000 метров на каждую сторону, в центре 0,0,0 или +/- 500 метров в X, Y и Z)

Диалоговое окно настроек Femap Preference –
настройки графики
Диалоговое окно «Графика» позволяет управлять настройками графики и настройками динамического вращения.
Аппаратное ускорение может быть отключено, если графическая карта или ее драйверы вызывают нестабильность в Femap.
Performance Graphics может использоваться только тогда, когда присутствуют видеоадаптеры, поддерживающие OpenGL 4.2 или выше.
VBO могут использоваться, когда присутствуют видеоадаптеры, поддерживающие OpenGL 2.1 или выше.
Включение меньше объектов из списка Include In Dynamic Rotation улучшит плавность динамического вращение больших моделей.
Сообщения Advanced/Debug Messages могут быть включены, чтобы помочь команде разработчиков диагностировать сложные проблемы с геометрией, если они возникнут.

Диалоговое окно настроек Femap Preference –
Performance Graphics и VBOs
Включение параметра Performance Graphics может значительно повысить производительность на моделях с большим количеством:
Объемных тел
Точек
Узлов
Объемных и плоских элементов
Использование Vertex Buffer Arrays (VBOs) еще больше повышает производительность для моделей с включенной графикой или без нее.
Установите значение Max VBO MB не более 75% (%) от общей памяти видеокарты.

При использовании Femap следует учитывать разрешение рабочего стола. Чем выше разрешение рабочего стола, тем труднее обрабатывать графические объекты.
Если у Femap появляются графические ошибки, причиной этому может быть драйвер для вашей видеокарты. Необходимо постоянно обновлять драйвера видеокарты.
Драйверы от производителей чипсета графических карт, как правило, более стабильны, чем драйверы от производителя видеокарты. (например, используйте драйвер ATI или nVidia, а не драйвер ASUS)
Вы также должны установить настройки производительности вашей видеокарты в режим по умолчанию. В некоторых случаях установка карты для оптимальной производительности для различных приложений может привести к сбою Femap.
Требования к производительности видеокарты

На вкладке Data Base определяются различные параметры производительности :
Параметры базы данных
Производительность базы данных
Срочное сохранение
Каталог временных файлов
Нажмите кнопку «Справка по параметрам базы данных», чтобы получить подробную информацию о настройках на этой вкладке.
Обратите внимание, что любые изменения, внесенные на вкладку Data Base, требуют выхода и запуска нового сеанса Femap.
Настройки Femap - База данных Data Base

Этот параметр указывает местоположение файлов каталога Scratch, где во время сеанса Femap записываются временные файлы и файлы для восстановления.
Если эта опция оставлена пустой, Femap будет записывать свои временные файлы в папку Windows TEMP
Установка папки Femap Scratch или установка переменной TEMP в местоположение сетевого файла может серьезно ухудшить производительность Femap и значительно увеличить время сохранения файлов.
Закройте и перезапустите Femap после изменения расположения папки Scratch Directory.
Настройки Femap – Scratch Directory