Метод конечных элементов (МКЭ) в среде SolidWorks

Данное программное средство использует МКЭ как численный метод анализа технических конструкций. МКЭ принят в качестве стандартного метода анализа благодаря его универсальности и пригодности для работы на компьютерах. МКЭ делит модель на много малых частей простых форм, называемых элементами, эффективно заменяющими сложную задачу несколькими простыми, которые необходимо решить совместно.

Элементы имеют общие точки, называемые узлами. Процесс деления модели на малые части называется созданием сетки.

Поведение каждого элемента по всем возможным сценариям опоры и нагрузки хорошо известно. Метод конечных элементов использует элементы различных форм.

Реакция в любой точке элемента интерполируется из реакции узлов элементов. Каждый узел полностью описывается рядом параметров, зависящих от типа анализа и используемого элемента. Например, температура узла полностью описывает его реакцию в термическом анализе. Для расчетов конструкции реакция узла представляется, в целом, тремя перемещениями и тремя вращениями. Они называются степенями свободы (DOF). Анализ, использующий МКЭ, называется анализом конечных элементов (АКЭ).

Программное обеспечение разрабатывает уравнение, управляющее поведением каждого элемента, учитывая его соединения с другими элементами. Эти уравнения связывают реакцию с известными свойствами материала, ограничениями и нагрузками.

Далее программа упорядочивает уравнения в большую систему совместных алгебраических уравнений и находит неизвестные.

К примеру, для расчета напряжений решающая программа находит перемещения в каждом узле, а затем вычисляет деформации и конечное напряжение.

Программное обеспечение предлагает следующие типы исследований:

1. Статические исследования (или исследования напряжения). Статические исследования вычисляют перемещения, силы реакции, нагрузки, напряжения и распределение запаса прочности. Материал разрушается там, где нагрузки превысили определенный уровень. Вычисление коэффициента запаса прочности базируется на одном из четырех критериев прочности.

2. Частотные исследования. Тело, выведенное из состояния покоя, начинает колебаться на определенных частотах, так называемых собственных или резонансных частотах. Самая низкая собственная частота называется основной частотой. При каждой собственной частоте тело принимает определенную форму, которая называется формой колебаний. При частотном анализе рассчитываются собственные частоты и ассоциированные формы колебаний.

3. Динамические исследования. Динамические исследования вычисляют реакцию модели, вызванную нагрузками, приложенными внезапно, или изменяющимися со временем или по частоте.

4. Термические исследования. Термические исследования подсчитывают температуры, градиент температуры и тепловой поток на основе тепловыделения, теплопроводности, конвекции и условий излучения. Термические исследования могут помочь избежать нежелательных термических условий: например, перегрева и плавления.

5. Исследования на ударную нагрузку. С помощью испытаний на ударную нагрузку можно оценить влияние падения конструкции на твердый пол. Кроме силы тяжести, указывается высота сбрасывания или скорость во время удара. Программа решает динамическую задачу в виде временной зависимости, используя эксплицитные методы интегрирования. Эксплицитные методы - быстрые, но требуют использования малых временных инкрементов. Благодаря большому количеству информации параметры анализа можно генерировать, программа сохраняет результаты в определенное время и в определенном месте в соответствии с инструкцией, заданной перед запуском анализа.

6. Исследования усталости(материалов). Повторяющиеся операции применения нагрузки и ее ослабления со временем приводят к ослаблению объектов, даже если индуцированные напряжения намного меньше, чем допустимые ограничение нагрузки. Количество циклов, требуемое для усталостного разрушения в местоположении зависит от материала и колебаний напряжения. Настоящая информация, для определенного материала, обеспечивается кривой, называемой S-N кривая. Кривая показывает количество циклов, которое вызывает разрушение на различных уровнях напряжения. Исследования усталости вычисляют срок службы объекта, основанный на событиях усталости материалов и кривых S-N.