Solid Edge Tips & Tricks
Uitvoeren van sterkte­analyses

Door Jaap Dubbelaar

De nieuwste Solid Edge heeft een extra uitbreidingsmodule gekregen voor het uitvoeren van Eindige Elementen Analyses: ‘Solid Edge Simulation’. Dit artikel beschrijft de aanpak voor het vastleggen van de analyse-input, het uitvoeren van de berekeningen en het beoordelen van de resultaten.

Op de commando-’ribbon’ voor Simulation staan alle functies in een logische volgorde, van links naar rechts.

Steeds meer bedrijven ontdekken de voordelen van het al vroegtijdig uitvoeren van sterkteanalyses in het ontwerpproces. Het vroeg ontdekken van problemen en deze direct oplossen bespaart veel kosten. Door de integratie van een Eindige Elementen Analyse-omgeving binnen de CAD-ontwerptool, is de constructeur in staat om tijdens het ontwerp al de nodige controleberekeningen uit te voeren en hier direct op te anticiperen. Ook kan in veel gevallen voorkomen worden dat de analyses uitbesteed moeten worden en wordt het gebruik van kostbare prototypes beperkt.
De nieuwe ‘Simulation- module is een uitbreiding van de schaalbare ‘FEA’ (Finite Element Analysis) -oplossingen voor Solid Edge naast de, in de Classic-bundel ingebouwde, ‘Simulation Express’ (voorheen ‘Femap Express’) en de volledige ‘Femap with NX Nastran’ applicatie. De ‘Simulation’-module bevat een groot aantal extra functies ten opzichte van de ‘Express’ versie, zoals het doorrekenen van samenstellingen, een groter aantal ‘Loads’ en ‘Con­straints’, de mogelijkheid plaatselijke ‘Mesh’-verfijningen aan te brengen, meerdere berekeningen per model en het uitvoeren van knikberekeningen.

Het aanbrengen van de gelijkmatige belasting (lb) – de ‘Mesh’ (rb) – het verloop van de ‘Von Mises’ spanning (lo) –
het verloop van de vervorming (ro).

In de ‘Simulation’-tab van de ‘EdgeBar’ zijn de gekozen instellingen van de analyse zichtbaar, te selecteren en te wijzigen.

Analysestappen
Het uitvoeren van een analyse wordt in een drietal stappen uitgevoerd: 1. Pre-processing: Het aanbrengen van de randvoorwaarden, zoals ‘Mate­rial’, ‘Loads’, ‘Constraints’ en het definiëren van de ‘Mesh’. 2. Solving: Het uitvoeren van de berekeningen via de ‘NX Nastran Solver’. 3. Post-processing: Het weergeven van de berekeningsresultaten via kleur- en contour-’plots’ van spanning en rek. Ook kunnen vervormingen sterk vergroot worden weergegeven al of niet in een bewegende animatie. Alle ‘Simulation’-functies zijn ondergebracht op de gelijknamige ‘ribbon’ en wel in een logische volgorde van links naar rechts.

‘Study’
Een analyse van de op dat moment geopende samenstelling of het onderdeel start met de functie ‘New Study’ waarbij de gebruiker een keuze maakt uit de verschillende berekeningstypen: ‘Linear Static’, ‘Normal Modes’, voor het bepalen van de eigen frequenties of ‘Linear Buckling’ voor een knikberekening. Hierbij is direct een aantal meer geavanceerde opties voor de ‘NX Nastran solver’ en de uiteindelijke berekeningsresultaten mee te geven in de ‘Command bar’. Ook het type van de ‘Mesh’ wordt hier vastgelegd. Er is een ‘Tetrahedral Mesh’ voor solids en een ‘Surface Mesh’ voor dunwandige onderdelen zoals plaatwerk.
De volgende stap is het vastleggen van het materiaal. Dit kan al eerder binnen het geometrisch ontwerp zijn vastgelegd, want voor gewichtbepaling en kleurweergave wordt van dezelfde ‘material table’ als voor ‘Simulation’ gebruik gemaakt.
Hierna geeft de gebruiker via de functie ‘Define’ aan welk onderdeel of welke onderdelen moeten worden geanalyseerd. Selecteren kan afzonderlijk of als groep via een ‘fence select’.

‘Loads’ en ‘Constraints’
Nu worden de belastingen op de geometrie aangebracht via de verschillende ‘Loads’ zoals een kracht, druk, zwaartekracht, centrifugaalkracht, temperatuur en verplaatsing.
Uiteraard moet het model worden vastgehouden om niet onder invloed van de belastingen in de ruimte te verdwijnen. Hiervoor zijn de diverse ‘Constraints’ die één of meer vrijheidgraden wegnemen. De functie ‘Sliding Along Surface’ wordt toegepast op het spiegelvlak van een symmetrische vorm waarbij, om de rekentijd te verkorten, de helft wordt doorgerekend. Zowel de ‘Loads’ als de ‘Constraints’ kunnen op vlakken, ribben of punten van het model worden aangebracht. Via gekleurde symbolen en tekstlabels zijn de aangebrachte randvoorwaarden op het model zichtbaar. In de ‘EdgeBar’ is een speciale ‘Simulation’-tab waarbinnen alle input voor de ‘Study’ overzichtelijk onder elkaar wordt weergegeven en voor wijzigen geselecteerd kan worden.

‘Connectors’
Bij samenstellingen dient vastgelegd te worden hoe de onderdelen met elkaar verbonden zijn. Een verbinding wordt aangebracht via een ‘Connector­’ van het type ‘Glued’ indien de vlakken van tegen elkaar liggende onderdelen niet kunnen bewegen. Kunnen ze wel langs elkaar schuiven dan wordt een ‘Linear Connector’ aangebracht. Het opzoeken van elkaar rakende vlakken en aanbrengen van de ‘Connectors’ is automatisch of handmatig uit te voeren.

‘Mesh’
Om de berekening te kunnen starten is nu alleen nog een opdeling in elementen nodig, het zogenaamde ‘meshen’ van het model. Via de functie ‘Mesh’ wordt het gehele model automatisch in elementen verdeeld waarbij met een ‘Slider’ de fijnheid en dus het aantal elementen, gestuurd wordt. Indien noodzakelijk kunnen ‘Mesh’-verfijningen plaatselijk worden aangebracht middels de functies ‘Edge Size’ en ‘Surface Size’. Dit wordt gedaan om de nauwkeurigheid van de simulatie plaatselijk te verhogen bij modeldetails of plaatsen waar spanningsconcentraties worden verwacht.

Plaatwerk
Bij dunwandige onderdelen zoals plaatwerk, worden de beste analyseresultaten bereikt door gebruik te maken van een ‘Mesh’ van plaatelementen. Hiervoor beschikt de simulatieomgeving over een ‘Mid Surface’-functie indien een plaatwerkonderdeel wordt geanalyseerd. Deze genereert een vlak die voor de berekening wordt gebruikt halverwege de plaatdikte.

‘NX Nastran’
Nadat alle input voor de berekening is ingegeven, wordt het analysemodel doorgerekend met de ‘NX Nastran solver’. Dit is een achtergrondproces dat gestart wordt via de ‘Solve’-knop. Tijdens het rekenen verschijnt het ‘Simulation Progress’-formulier dat de verschillende berekeningsstappen laat zien en ook eventuele foutmeldingen weergeeft bij onjuiste of onvolledige berekeningsinput. De totale rekentijd is sterk afhankelijk van het aantal elementen en dus de fijnheid van de ‘Mesh’ en de snelheid van de PC.

Resultaten
De resultaten uit de ‘NX Nastran solver’ worden hierna automatisch in het model weergegeven. Tegelijkertijd geeft de commando-’ribbon’ een groot aantal functies om de berekeningsresultaten te kunnen beoordelen. Zo kunnen spanningen en verplaatsingen in kleurverloop zichtbaar worden gemaakt terwijl het model zijn vervorming, al of niet sterk vergroot, laat zien. Ook is de vervorming als een animatie zichtbaar te maken. Op iedere plaats in het model is de spanning en verplaatsing op te vragen via de ‘Probe’-functie en als tekstblok te plaatsen. Via de functies ‘Save As Movie’ en ‘Save As Image’ zijn resultaten in filmpjes en afbeeldingen te exporteren. Uiteindelijk is via de ‘Create Report’ functie een compleet rapport te genereren van alle resultaten in tabelvorm, inclusief illustraties.

Jaap Dubbelaar is freelance redacteur voor CAD-Magazine. Voor dit onderwerp zie ook: www.solidedge.com en www.solidedge.nl. Eventuele vragen of opmerkingen zijn welkom via solidedge.benelux.plm@siemens.com