Что нового в Inventor Nastran 2021

Как вы относитесь к тематическим обновлениям? Вопрос, наверно, не совсем понятен. Хм… скажем иначе. Представьте, что обновления касаются только определенной области или направления. Нет такого, что немного подправили это, чуть-чуть подкрутили то. Наоборот – значительные изменения по одной теме, всё последовательно и законченно. Неплохо, правда? На наш взгляд, это воспринимается лучше и понятнее. В Inventor Nastran версии 2021 произошло именно так.

Разработчики основательно поработали, и в марте этого года в нашем распоряжении появились два новых родственных типа расчетов:

• расчет явных динамических процессов (Explicit dynamics analisys);
• квазистатический расчет (Quasi-static analisis).

Данные типы расчетов направленны на анализ очень быстрых явлений и взаимодействий тел при этом. Динамические процессы и ранее рассматривались в Inventor Nastran, но они не были быстротечными. Давайте разберемся, что именно предлагает новая версия продукта.

Чтобы запустить любой из этих расчетов, достаточно спустится вниз списка типов анализов, как показано на рисунке.

Расположение типов расчета

Explicit Dynamics Analysis

Метод явной динамики идеально подходит для моделирования высоко нелинейных, контактных задач с большой деформацией, связанных с ударом, контактом нескольких тел и сильно нелинейным поведением материала. Например, столкновение пули с препятствием. Характер деформации при этом вы можете видеть на рисунке.

Разрушение при быстром динамическом воздействии

В целом, нелинейный динамический расчета зачастую проще, чем выполнение линейного анализа. Пользователь не имеет никаких ограничений сходимости, как это необходимо для линейных случаев, и просто запускает моделирование без учета линейности системы.

Процедура явной динамики идеально подходит для моделирования чрезвычайно больших моделей, независимо от того, насколько нелинейной может быть задача. Ключевым фактором является то, что не существует единой системы алгебраических уравнений, которые должны быть решены для каждого временного шага.

Решатель просто формирует уравнения динамического равновесия для модели конечных элементов в каждом моменте времени и использует правило интегрирования для продвижения во времени. Таким образом, отсутствие необходимости решать большие системы алгебраических уравнений означает небольшой объем памяти. Мы увидим, что данный алгоритм требует относительно небольшого временного шага, поэтому важно, чтобы расчетная стоимость каждого временного шага была низкой.

Удаление материала

Решатель Autodesk Explicit позволяет задать критерии удаления материала, которые определяют повреждение материала и исключение его из моделирования. Это делается путем простой установки максимального значения деформации, которое допускается для данного материала. Как только заданные пользователем критерии удовлетворяются в местоположении модели, Autodesk Explicit удаляет материал и исключает соответствующие элементы из сетки. Типичные меры деформации для удаления включают пластическую деформацию и максимальную основную деформацию. Удаление материала в сочетании с разрушением контактной поверхности позволяет разорвать вашу модель на части и сделать в ней отверстия.

Твердое тело

С помощью одной команды можно указать, что часть модели является жесткой. В результате решатель автоматически вычислит отклик детали с помощью уравнений динамики твердого тела. Поскольку деталь жесткая, она не будет деформироваться локально, то есть в ней не будет никаких напряжений или деформаций. При этом условия контакта будут автоматически поддерживаться между деталями, независимо от того, является деталь жесткой или нет. Преимущество здесь в том, что жесткие тела не участвуют в определении стабильного временного шага.

Контакт

Контактное моделирование весьма простое в рамках технологии явной динамики. Программа автоматически отслеживает столкновения между деталями и обеспечивает соблюдение кинематических требований. Нет никаких ограничений на количество деталей, которые могут контактировать друг с другом, поэтому пользователю требуется минимум усилий.

Максимум, что нужно сделать пользователю, это задать трение между различными деталями или указать, что контактные поверхности сварены вместе. Чтобы обеспечить кинематическое соответствие деталей при обнаружении столкновений, решатель постоянно контролирует и отслеживает близость различных свободных поверхностей модели. На рисунке показан пример выделения поверхностей контакта.

Контактирующие поверхности звеньев цепи

Одной из наиболее универсальных особенностей алгоритма обнаружения контактов является то, что он автоматически перестраивает поверхности модели по мере разрушении материала и появления новых поверхностей из-за удаления элементов. На рисунке ниже показана имитация удара предмета по лопастям турбины.

Процесс удара предмета по лопастям турбины, рассчитанный в Inventor Nastran

Автоматический шаг по времени, контролируемый пределами стабильности

Конечно, всё описанное выглядит слишком хорошо, чтобы быть правдой. Наверняка существует плата за такое беспроблемное моделирование. В нашем случае подход, лежащий в основе, определяется пределом устойчивости. Проще говоря, существует критический размер временного шага, который вы не можете превысить. Это называется пределом стабильности, и он зависит от размера сетки и свойств материала.

Если вы выполняете динамическое моделирование, обычно указываете продолжительность отклика, который хотите вычислить, и количество временных шагов для этого. Например, вам может потребоваться длительность моделирования в одну секунду с использованием 100 временных шагов, и в этом случае ваш размер временного шага равен 0.01 секунды. Он остается фиксированным на протяжении всего анализа. Но при расчете явной динамики всё, что вы можете указать – общую продолжительность времени. Решатель в этом случае автоматически выбирает размер временного шага, чтобы оставаться в пределах стабильности модели. Вы не можете контролировать количество временных шагов, которые будет выполнять программа.

Как же определяется предел устойчивости? Правильный технический ответ заключается в том, что он зависит от самой высокой собственной частоты в модели. Критический временной шаг для моделирования – это наименьшее значение для всех элементов сетки. Давайте просто предположим, что характерная длина элемента – это самое короткое ребро на элементе. Таким образом, если в вашей стальной детали есть элементы размером 1 мм, временной шаг в явной динамике будет составлять 2*10^-7 сек. Да, временной шаг меньше микросекунды! Это довольно часто встречается в явной динамике. В расчете необходимо использовать много временных шагов! Но каждый шаг очень эффективен, поэтому общее время выполнения также эффективно.

Важно иметь в виду, что пользователь не должен отслеживать стабильность модели. Решатель постоянно делает это и выбирает для вас временной шаг по мере выполнения моделирования.

На анимации вы видите, что за один конец цепи резко дернули, и воздействие передается на остальные звенья. При этом мы видим, в том числе, поперечные колебания звеньев. Естественно, что эти перемещения происходят за доли секунды. Inventor Nastran позволяет нам досконально изучить данный процесс.

Анимация динамического воздействия на звенья цепи

Quasi-static analisis

Теперь перейдем к квазистатическому анализу. Он родственен предыдущему типу, но не зависит от времени. Квазистатический анализ используется тогда, когда мы имеем дело со сверхнелинейными процессами, и трудно получить решение, используя метод Ньютона для нелинейных уравнений. Другими словами, нелинейный процесс дробится на короткие интервалы, когда каждый можно рассматривать как статическую задачу. Поэтому он имеет приставку «квази», то есть будто бы статический. С использованием особого решателя квазистатические решения получаются намного быстрее, чем обычные статические решения. Особое внимание уделяется балансу энергий. Нужно, чтобы кинетическая энергия была велика, но составляла долю внутренней энергии тела. Сравнение энергий идет несколькими итерациями, но все в автоматическом режиме, поэтому пользователь получает в итоге готовый результат за короткое время.

Таким образом, арсенал расчетных возможностей Inventor Nastran серьезно расширился. При этом настройка новых расчетов весьма проста для широкого круга пользователей. Убедитесь в этом сами, скачав демоверсию программы. Примечательно, что данный продукт все так же входит в Product Design and Manufacturing Collection.

Чуть не забыли о самом главном в релизе! Bugs, разумеется, Fixed :-)