Beslaget er lavet som en simpel extrude, der har fået rundet hjørnerne og knækket, hvorefter der er ekstruderet 4 huller til fastgørelsesbolte.

Transkript

1 Bilag - Tutorials Pro/Engineer og Pro/Mechanica er grundlæggende i stand til at udføre to typer finite element-analyse: strukturel og termisk. I denne tutorial vil der blive gennemgået, hvordan man benytter begge dele i praksis. Strukturel analyse (statisk) Først skal den part eller assembly, man ønsker at analysere, modelleres. I denne tutorial tages der udgangspunkt i et vinkelbeslag, men enhver part eller assembly kan i princippet anvendes, selvom den ikke bør være unødig kompliceret i sin udformning, af hensyn til den tid det tager at foretage analysen. Beslaget er lavet som en simpel extrude, der har fået rundet hjørnerne og knækket, hvorefter der er ekstruderet 4 huller til fastgørelsesbolte. Det er hensigtsmæssigt at tænke over om modellen kan simplificeres. Der kan evt. undertrykkes features, som ikke er vigtige for strukturen, dette vil i de fleste tilfælde nedsætte beregningstiden, samt den mængde hukommelse der kræves. Når modellen er klar skiftes til Pro/Mechanica, som vælges under menupunktet Applications. Nu skal der vælges, hvor mange planer der skal arbejdes i og her vælges 3d. Man kan med fordel benytte procesguiden, der trin for trin fører brugeren igennem de relevante trin og sørger for at de nødvendige oplysninger er angivet. Den findes under "Help" "Process Guide". Først startes en ny session, eller en eksisterende kan vælges, hvis en sådan findes. Det vil sige, at man kan have flere forskellige Mechanica-undersøgelser "kørende" ad gangen. Som udgangspunkt bør man dog bare vælge at oprette en ny, når man starter. Finite element-tutorial Side 1 af 20

2 Næste skridt er at vælge materialetype. Materialet kan angives som det samme for hele parten eller assemblien, men man kan også vælge at definere typen individuelt for de forskellige parter. Der kan vælges mellem en række standardmaterialer, men hvis det ikke er nok, kan man definere et nyt og herefter angive de fysiske størrelser, der gældende for materialet. Her vælges der ståltypen s235. Der vælges en reference for materialevalget, i dette tilfælde bare parten. Hvis der ønskes flere forskellige materialer til forskellige parter skal de tildeles hver for sig, mens flere parter kan tildeles samme materiale på én gang. Finite element-tutorial Side 2 af 20

3 Herefter skal der vælges eller oprettes et belastningssæt. Dette sæt består af en række fysiske påvirkninger, som man ønsker at anvende på én gang. Ved at oprette flere forskellige belastningssæt kan man hurtigt skifte mellem og kombinere et større antal betingelser for udregningerne. Disse kan der senere skiftes mellem umiddelbart før de konkrete udregninger foretages. Næste skridt er at definere de faktiske belastninger, som skal indeholdes af belastningssættet fra forrige skridt. Hvis man har valgt et belastningssæt, hvor der allerede er defineret belastninger kan disse anvendes, men ellers skal der oprettes mindst én belastning. Der kan vælges mellem en række forskellige typer, men som udgangspunkt har man kun brug for en kraft eller et moment. Finite element-tutorial Side 3 af 20

4 Her vælges, at kanten lige omkring de to vandrette huller skal påvirkes med en kraft på 500 N, svarende til to bolte der fastholder et emne under beslaget. Udover en kant eller kurve kan der desuden vælges en overflade eller blot et punkt, som angrebspunkt for kraften eller momentet. På samme måde som med belastningssættet skal der også oprettes et indspændingssæt, der samler en række indspændinger i en gruppe og giver mulighed for at vælge dem til og fra, samt kombinere forskellige sæt på en nem måde. Finite element-tutorial Side 4 af 20

5 Derefter defineres selve indspændingerne. Der kan vælges mellem to typer: "structural" og "symmetrical". Den første type holder emnet fast i en absolut position, evt. med visse frihedsgrader, mens den anden type fastholder to emner eller punkter relativt i forhold til hinanden. Her benyttes udelukkende den første type, da der kun er én part. Til den første indspænding benyttes igen to hulkanter som reference, men denne gang på de huller, som sidder lodret og skal forestille at holde beslaget fast til væggen. Her vælges ingen frihedsgrader, hverken translations- eller rotationsmæssigt. Til den anden indspænding vælges kanten nederst på den overflade der rører væggen. Det gøres fordi beslaget naturligvis ikke kan presses ind i væggen. Til gengæld er der ikke noget der forhindrer denne kant i at bevæge sig op og ned, hvis beslaget giver sig, så derfor vælges der fri bevægelse i z-retningen, som her svarer til lodret, der kan evt. også vælges frihedsgrader i forhold til rotation. Belastninger og indspændinger skal vælges med omhu, da de er en vigtig faktor for om resultatet bliver realistisk. Det gælder om at repræsentere virkeligheden så nøjagtigt som muligt, men heller ikke mere kompliceret end nødvendigt, for ikke at bruge unødigt mange ressourcer. Finite element-tutorial Side 5 af 20

6 Når beslaget har fået tildelt både belastninger, indspændinger og materialer, kan man danne sig et overblik over disse inden der fortsættes til selve analysedelen. Finite element-tutorial Side 6 af 20

7 Først defineres en række parametre for den statiske analyse. Der kan vælges mellem et eller flere belastningssæt og det samme gælder indspændinger. Denne analyse kan navngives, så der senere kan vælges mellem flere forskellige analyser og deres resultater. Der kan også vælges hvilke aspekter der skal udregnes, hvad angår spænding, rotation og reaktion. Som udgangspunkt giver det det mest realistiske resultat at vælge dem alle, men på samme måde, som med forenklingen af modellen, kan man også vælge at se bort fra en eller flere af disse reaktioner for at gøre udregningerne mindre komplicerede og dermed hurtigere og mindre hukommelseskrævende. Disse valg foretages under fanebladet "Output". Hvis det forventes at kræfterne når en størrelse, hvor de overstiger flydespændingen i materialet, bør man vælge "calculate large deformations", hvor der tages højde for, at materialet ikke længere opfører sig lineært. Det er dog ikke tilfældet i dette eksempel. Finite element-tutorial Side 7 af 20

8 På baggrund af den statiske analyse udfører denne procesguide også en buckling-analyse, der beregner deformation og eftergivelighed i emnet. Det er dog egentlig kun den statiske analyse, der er interessant for denne tutorial, men det tager ikke mange sekunder at medtage denne og den giver lidt flere muligheder senere. Hvis man vil undgå den, kan man dog vælge kun at udføre en statisk til at starte med eller simpelthen springe dette trin over. Til analysen vælges der mellem resultaterne fra de statiske analyser, der er foretaget og disse kombineres med et belastningssæt. Som udgangspunkt kan samme belastningssæt vælges igen. Den statiske analyse er et udtryk for de spændinger, der opstår som følge af en given påvirkning. Dette bliver i buckling-analysen omformet til deformation. Når analyserne er definerede, er man efterhånden klar til at starte disse, hvilket gøres under punktet execute i procesguiden. Finite element-tutorial Side 8 af 20

9 Det er dog muligt, at der skal ændres lidt i indstillingerne for at få analysen til at køre fejlfrit. Et typisk problem er, at der ikke er tildelt nok hukommelse (det kan være nødvendigt med adskillige gigabyte) eller at der ikke er skriveadgang i de mapper, der er valgt til midlertidig- og resultatmappe. Elements handler om de punkter emnet deles op i inden analysen - de danner tilsammen det gitter, der bliver regnet på. Som udgangspunkt defineres de, hver gang man starter en analyse, men man kan også bruge nogle, der er hentet fra en fil, fx kan de genereres med funktionen AutoGEM, hvor man selv kan vælge forskellige parametre for, hvordan gitteret opbygges, man kan også hente gitteret ind fra en tidligere analyse og derved spare lidt beregningstid. Det er dog ikke noget, der tager ret lang tid for den model, der arbejdes med i denne tutorial. Et sidste punkt der til tider kan løse problemer med kørslen er Use Iterative Solver. I de forsøg, jeg har foretaget, er det forskelligt, hvilken effekt den har. Nogle gange virker det ikke uden den er aktiveret og andre gange er det stik modsat. Desværre er denne funktion, ligesom mange andre, ikke særlig veldokumenteret i hjælpefunktionen, så mine erfaringer bygger på trial and error. Når analysen er fuldført kan resultatvinduet åbnes, hvor resultaterne vises grafisk på modellen. For en statisk analyse kan man vælge at se stress (spænding), displacement (forskydning), strain (tøjning), strain energy (tøjningsenergi) og p-level (som er et udtryk for hvor nøjagtige resultaterne forventes at være for et givent punkt). Resultaterne kan vises på flere forskellige måder, blandt andet på vektorform eller som graf, men den form, der giver det hurtigste overblik, er "fringe", der viser resultatet direkte på modellen ved hjælp af farver. Disse er suppleret med en skala, der giver informationer om de faktiske værdier. Desuden er der angivet maks- og minimumsværdier og selvfølgelig en enhed, der passer til de enheder man ellers har valgt til analysen. For hver kategori kan der vælges et antal underkategorier. For spændinger kan man fx vælge at betragte dem isoleret for én akse. Det samme med fx forskydning, hvor man kan få vist den samlede ændring i et punkt, eller vælge at se den i én bestemt retning. Her er der valgt Von Mises, som er et udtryk for Mises-stress. Den udtrykker den samlede spænding, der er på et givent sted. Derfor er den også et udtryk for den elastiske deformation. Skalaen, der hører til denne analyse, har enheden Newton pr. Finite element-tutorial Side 9 af 20

10 kvadratmillimeter. Ståltypen s235 hedder som den gør, fordi flydespændingen er på 235 MPa, som er det samme som 235 N/mm 2. Ud fra skalaen kan det ses, at belastningen i knækket, hvor den er størst, er på ca. 150 MPa. Den ligger derfor indenfor rammerne af, hvad beslaget kan holde til. Den maksimale spænding, sammen med en række andre informationer om analysen, kan findes i den log der genereres, som også er vedlagt på cd en. Bemærk at det kan være nyttigt at tilpasse skalaens maks- og minimumsværdier for at få specifikke detaljer frem i analysen. Dette kan justeres under Edit Legend. Finite element-tutorial Side 10 af 20

11 Derefter kan forskydningen vurderes på nogenlunde samme måde. Her er der valgt den samlede forskydning, da det forventes at al forskydning alligevel sker på den lodrette akse (her z-aksen). Igen kan der aflæses på skalaen, at den maksimale forskydning er lige under 5 tiendedele millimeter (den maksimale forskydning står også opgivet direkte lige over hængslet og kan igen findes i loggen for analysen). Som forventet er den at finde på den del af beslaget, der befinder sig længst fra væggen. Finite element-tutorial Side 11 af 20

12 Termisk analyse En termisk analyse undersøger, hvordan varme fra forskellige kilder udbreder sig i et emne. I denne tutorial vil der blive arbejdet med en CPU-køler, der opvarmes af en CPU og køles af en luftstrøm. Mange af punkterne går igen fra den statiske analyse, så det anbefales at man har læst denne først. I stedet for kraftpåvirkninger og indspændinger, arbejdes der med varmekilder og varmeaftagere (konvektion). Der er ingen procesguide, men som sagt er fremgangsmåden relativt velkendt. Det er vigtigt, at man får valgt, at begge dele skal indgå i analysen ellers bliver resultaterne meget ensidige, da hele emnet får samme temperatur som enten konvektionsstrømmen eller varmekilden. Først vælges igen et materiale til emnet. I dette tilfælde kobber, som dog ikke er et standardmateriale og derfor først må defineres. Det giver desværre en masse enhedsproblemer, da Mechanica arbejder med enheder for varmeledningsevne og specifik varmekapacitet, der så vidt jeg kan gennemskue er ukendte udenfor programmet. Derfor bliver størrelserne for resultatet også tvivlsomme, men selve temperaturgradienterne i emnet ændrer sig ikke, kun de sluttemperaturer der opnås. Finite element-tutorial Side 12 af 20

13 Der kan herefter kreeres et hjælpeelement, kaldet et simulation volume region. Det gøres på samme måde, som når man normalt laver parter (med fx extrude eller revolve). Denne part optræder kun i Mechanica og påvirker ikke modellens geometri. Til gengæld hjælper den i dette tilfælde med at afgrænse det område mellem finnerne, hvor der optræder tvungen konvektion, da man kan markere de områder, der ligger indenfor volumenet for sig. Finite element-tutorial Side 13 af 20

14 Efterfølgende oprettes der et konvektionsområde fra menuen til højre. Der kan som altid vælges mellem et punkt, en kant eller en flade. Her vælges der flade og som reference markeres alle de flader på profilen, som ligger indenfor det nyligt oprettede volumen. Der skal også vælges en konvektionskoefficient, samt en temperatur for konvektionsstrømmen. Desværre er der her igen problemer med enhederne, som ikke ligner noget jeg ellers har kunnet finde andre steder. For luft burde den hedde ca. 100 W/m 2 *K, men Mechanica spørger efter en værdi med enheden Heat/Time pr Degree pr unit area, som godt nok ligger relativt tæt på, men Heat bør være i Joule for at den passer ind. Desværre optræder denne enhed, eller afledninger heraf, ikke umiddelbart i programmet. Som nævnt tidligere er det dog ikke altafgørende, resultatet af analysen giver stadig et indblik i hvordan varmen udbreder sig i emnet. Finite element-tutorial Side 14 af 20

15 Til sidst specificeres en varmekilde, som ligeledes angives som en flade. Energien Q har umiddelbart slet ingen enhed tilknyttet, hvilket også virker underligt, men den må forventes at være det samme som for Heat i det foregående trin. Nu kan analysevinduet åbnes fra menuen Analysis. Dette kendes fra den strukturelle tutorial og opfører sig på samme måde, hvilket betyder, at der også her kan blive behov for at ændre indstillingerne for at få analysen til at forløbe problemfrit. Finite element-tutorial Side 15 af 20

16 Når analysen er gennemført succesfuldt, kan resultatvinduet åbnes og modellen vises med temperaturerne repræsenteret på en farveskala. Selvom der er tvivl om enhederne, kan værdierne justeres så resultatet kommer indenfor det område man kunne forvente. I dette eksempel ender temperaturen med at spænde mellem 40 og 61,8 grader, hvilket umiddelbart virker rimeligt for en CPU-køler. Finite element-tutorial Side 16 af 20

17 Også for de termiske analyser er det værd at bemærke sig, at temperaturområdet for farverne kan justeres under Edit Legend, så der opnås en generelt større detaljeringsgrad, på bekostning af at yderpunkterne mister detaljering, som det ses lige omkring varmekilden. Finite element-tutorial Side 17 af 20

18 For at demonstrere mulighederne for at ændre analysebetingelserne, kan størrelsen på det volumen, der afgrænser konvektionsområdet, reduceres. Dette gøres på vanlig vis ved at vælge edit definition for denne feature, hvorefter sketchen ændres. Finite element-tutorial Side 18 af 20

19 Som det ses følger konvektionsområdet automatisk med, da det bruger volumenet som reference. Finite element-tutorial Side 19 af 20

20 Nu kan analysen gennemføres med de nye betingelser og som det fremgår af resultatvinduet stiger temperaturen til 105 grader på det varmeste sted, mens det koldeste lander på ca. 80 grader. Bemærk at temperaturskalaen er ændret i forhold til det forrige resultat, ellers ville hele køleprofilen fremstå som hvid. Finite element-tutorial Side 20 af 20