En kort introduktion till. FEM-analys

Transkript

1 En kort introduktion till FEM-analys Kompendiet är framtaget som stöd till en laboration i kursen PPU203, Hållfasthetslära, och är en steg-för-steg-guide till grundläggande statisk FEM-analys. Som FEM-verktyg används SolidWorks Simulation. Kompendiet ska inte ses som en fullständig genomgång av alla funktioner och möjligheter, utan täcker bara de delar som behövs för laborationen. 1

2 1. Add-ins FEM-analys för hållfasthetsproblem görs i Simulation, som är en Add-in till SolidWorks. Aktivera genom att klicka på Tools > Add-Ins. Bocka för SolidWorks Simulation. 2. Ny detalj Som övningsexempel används en kort balk, som du själv skapar. Öppna en ny detalj och skapa balken enligt ritning. Spara på din hemkatalog. 3. Splitline Senare i simuleringen behöver det finnas mindre områden som infästningspunkter och kraft ska appliceras på. Skapa en ny sketch på undersidan av balken. Rita två streck med 10 mm från varje kant. Öppna Insert > Curve > Split Line. Fyll i som nedan. Ytorna som skapas kommer att användas som stöd under balken. 2

3 Skapa en ny sketch på ovansidan av balken. Rita två streck med 10 mm från en centrerad centrumlinje. Använd Split Line igen, för att skapa ytan där kraften kommer att appliceras. Skapa en ny sketch på undersidan av balken. Lägg till två linjer, centrerat, med 80 mm mellanrum. Använd Split Line för att dela upp de indikerade ytorna, på undersidan och på balkens sida. (Dessa kommer att användas för att kontrollera spänningar) 4. Ny simulering Nu är det dags att börja med simuleringen. Klicka på fliken Simulation och klicka på den lilla pilen på knappen Study och välj New Study. (Välj alltså inte Study Advisor) Välj sedan Static och klicka OK. Det ska se ut likadant som bilden längst till höger. 3

4 5. Välj material Programmet måste veta vilket material som ska användas för simuleringen, med värden för exempelvis sträckgräns och E-modul. Högerklicka på Test_balk i simuleringen och välj Apply/Edit Material. Välj Alloy Steel och klicka Apply, stäng sedan ner fönstret. Här kan du även gå in igen och läsa av materialegenskaperna. Tips: Byt Units till MPa innan avläsning. 6. Välj randvillkor Programmet behöver veta hur detaljen ska vara inspänd/upplagd. Två separata randvillkor ska skapas då det är olika villkor i de två ändarna. Den första är fast inspänd, Fixed Geometry, som anges på en av SplitLine-ytorna. Högerklicka på Fixture och välj Fixed Geometry. Välj det markerade området på bilden nedan. Klicka OK. 4

5 Gör en till inspänning på motsvarande ända. Högerklicka på Fixture och välj Roller/Slider denna gång. Välj det markerade området på bilden nedan. Klicka OK. 7. Applicera last Nästa steg är att definiera en last, i det här fallet en kraft riktad normalt mot balkens ovansida. Högerklicka på External Loads och välj Force. Välj området som skapades på ovansidan och fyll i som nedan. Till att börja med provar vi med 100 kn. Se till att pilarna pekar in mot detaljen. Byt annars riktning genom att markera Reverse direction. Klicka OK. 5

6 8. Skapa mesh Rutnätet, meshet, är vad FEM-analysen använder för att beräkna exempelvis förskjutningar, spänningar och töjningar. Ett glest mesh ger inte tillräckligt noggrant resultat, och ett för tätt mesh ger orimligt långa beräkningstider. Högerklicka på Mesh och välj Create Mesh. Med reglaget kan meshets densitet ändras. Byt till Curvature based mesh och låt de andra inställningarna vara. (Värden kan skilja sig från de på bilden) Klicka OK. 9. Kör analysen Nu bör allt vara klart material, randvillkor, last och mesh. Välj Run från verktygsfältet. 10. Analysera beräkningen Tre plottar skapas automatiskt: vonmises-spänningar(stress), förskjutningar(displacement) och töjningar(strain). Här kan vi hämta ut värden från de områden som är intressanta. Observera att plotten först visas i överdriven skala(203 ggr, i det här fallet) för att lättare se åt vilket håll deformationen sker. För bilder till rapporter etc: Klicka bort Deformed Result. Tänk också på att alltid ha med en färgskala som referens, med enhet. Hur ska man annars veta vad färgerna betyder? 6

7 Inställningar för plotten kan man hitta genom att högerklicka på den och välja Edit Definition. Under Chart Options hittar man exempelvis inställning för hur värden visas, och antal decimaler. Discrete under fliken Settings, delar in plotten i distinkta områden, som kan vara tydligare än Continous (som på plotten ovan) 11. Var blir det korrekta värden? Avläsningar av värden bör inte ske i närheten av randvillkor, eftersom de kan bli orealistiskt höga. Exempel: Ett av stöden är angett till fast inspänt, Fix, vilket betyder att meshet inte alls rör sig där. I verkligheten finns inget sådant tillstånd allting ger med sig på något sätt. Det säkraste är att hämta värden från specifika områden, en bit ifrån randvillkor. Detta ger ett mer korrekt resultat. Högerklicka på en plott och välj Probe. Välj ytan som motsvarar radien och klicka på Update. Längre ner hittar man maxvärde, 354 MPa, som i det här fallet råkar stämma överens med färgskalan. OBSSERVERA: Värden som överstiger sträckgränsen för materialet, är inte pålitliga. Generellt för statiska analyser: Relativt små förskjutningar Relativt små spänningar 12. Att kopiera en analys Om man vill göra en ny analys med andra inställningar för exempelvis material, laster och mesh, är det enklast att göra en kopia av en färdig analys, och sedan ändra det man vill. Fördelen blir att det finns något kvar att jämföra med. Högerklicka på fliken med namnet på analysen(längst ner till vänster i grafikfönstret) och välj Duplicate. En kopia skapas, med alla tidigare inställningar. 7

8 13. Hur vet man att meshet är tätt nog? Om man ändrar meshets täthet, ändras även resultatet. När förändringen är marginell(mindre än ca 3-5% av närmast grövre mesh) kan man anta att resultatet går att lita på. Ett test med den aktuella modellen: Grovt mesh Resultat: ca 330 MPa Medelgrovt mesh Resultat: ca 354 MPa Fint mesh Resultat: ca 344 MPa Mycket fint mesh Resultat: ca 375 MPa Extra fint mesh Speciellt vid radier Medelgrovt mesh Fint vid radier Resultat: ca 390 MPa Resultat: ca 389 MPa 8

9 14. Skapa eget material Om man har egna materialdata, går det utmärkt att skapa ett nytt material och redigera värden för exempelvis E-modul och sträckgräns. Högerklicka på Test_balk och välj Apply/Edit Material. Längst ner i materialträdet finns en mapp som heter Custom Materials. Högerklicka på den mappen, välj New Category. Välj ut ett material, högerklicka och välj Copy. Högerklicka på den nya Category -mappen, välj Paste. Det nya materialet kan nu redigeras efter behov. 15. Hur mycket håller modellen för? Eftersom analysen är linjär så länge man håller sig under sträckgränsen, kan man använda en omräkningsfaktor. I analysen av den aktuella modellen är det konstaterat att spänningarna går upp till 390 MPa vid en belastning på 100 kn. Sträckgränsen är 620 för det valda materialet, vilket ger 620/390 = ca 1,6. Alltså bör man kunna belasta balken med 160 kn och hamna ungefär på sträckgränsen. F = 160 kn Resultat: ca 620 MPa 9