پرش به محتویات

کتابخانه المان

در FrontISTR، بر حسب هندسه موضوع تحلیل، معادله حاکم و درجات آزادی موردنیاز، از المان‌های خطی، صفحه‌ای، سالید، رابط، تیر و پوسته استفاده می‌شود. این صفحه موارد لازم برای انتخاب المان را جمع‌بندی می‌کند: «برای هر تحلیل چه المانی قابل استفاده است»، «چگونه فرمول‌بندی المان سالید مرتبه اول انتخاب شود»، «چگونه المان‌های سازه‌ای و سالید با هم استفاده شوند» و «در تماس تحلیل سازه تا چه حد می‌توان از سطوح المان استفاده کرد».

برای قالب دقیق کلیدواژه‌های ورودی به مرجع کلیدواژه مراجعه کنید. استخراج ریاضی توابع شکل، ماتریس سختی و روش‌های جلوگیری از قفل‌شدگی در راهنمای نظری ارائه می‌شود.

نمای کلی کتابخانه المان

دسته‌های المانی که FrontISTR در کد جاری پشتیبانی می‌کند به المان خطی، صفحه‌ای، سالید، رابط، تیر و پوسته تقسیم می‌شوند. برای گسسته‌سازی مستقیم محیط پیوسته از المان‌های صفحه‌ای یا سالید استفاده کنید؛ برای نمایش کارآمد اعضای باریک یا سازه‌های نازک از المان تیر یا پوسته بهره ببرید. در تحلیل حرارتی، حتی برای شکل هندسی مشابه، مسیر مونتاژ با تحلیل سازه متفاوت است؛ بنابراین المان‌های قابل استفاده را حتماً در جدول بررسی کنید.

شماره نوع المان اصولاً سه‌رقمی است. رقم نخست دسته کلی المان را نشان می‌دهد و دو رقم باقی‌مانده شکل و خانواده را تفکیک می‌کنند. برای نمونه، 231/232 به‌ترتیب المان مثلثی صفحه‌ای مرتبه اول/دوم، 341/342 المان تتراهدرال مرتبه اول/دوم و 361/362 المان هگزاهدرال مرتبه اول/دوم هستند. با این حال، همان‌گونه که 301 یک المان خرپای 2گرهی و 743 یک المان پوسته 9گرهی است، همه خانواده‌ها را نمی‌توان صرفاً با قاعده «رقم آخر 1 = مرتبه اول، 2 = مرتبه دوم» تفسیر کرد. برای اطمینان، به‌جای استنتاج ماشینی از شماره، جدول‌های زیر را بررسی کنید.

کتابخانه المان

شکل 4.1.1 کتابخانه المان

نمادهای جدول معنای زیر را دارند.

  • : پشتیبانی می‌شود.
  • : پشتیبانی نمی‌شود.

در اینجا «دینامیکی» به تحلیل دینامیکی گذرا و «مودال» به تحلیل مودال و محاسبه مدهایی که مبنای تحلیل پاسخ فرکانسی هستند اشاره دارد. در ستون حرارتی فقط المان‌هایی که در تحلیل هدایت حرارتی قابل استفاده‌اند با مشخص شده‌اند.

المان‌های پیوسته و interface

دستهٔ المان نوع المان تعداد گره DOF سازه/گره DOF حرارتی/گره شکل/مرتبه تنش دینامیکی مودال حرارتی فرمول‌بندی/توضیحات
المان خطی 111 2 1 المان خطی 2گرهی المان یک‌بعدی برای هدایت حرارتی
المان خطی 112 3 المان خطی 3گرهی در قابلیت‌های تحلیل جاری پشتیبانی نمی‌شود
المان صفحه‌ای 231 3 3 1 المان مثلثی مرتبه اول محیط پیوسته دوبعدی
المان صفحه‌ای 232 6 3 1 المان مثلثی مرتبه دوم محیط پیوسته دوبعدی
المان صفحه‌ای 241 4 3 1 المان چهارضلعی مرتبه اول محیط پیوسته دوبعدی
المان صفحه‌ای 242 8 3 1 المان چهارضلعی مرتبه دوم خانواده Serendipity
المان سالید 301 2 3 1 المان خرپای 2گرهی استثنا در قاعده نام‌گذاری؛ تحلیل حرارتی پشتیبانی نمی‌شود
المان سالید 341 4 3 1 المان تتراهدرال مرتبه اول انتگرال‌گیری کامل، هموارسازی انتخابی لبه/گره
المان سالید 342 10 3 1 المان تتراهدرال مرتبه دوم
المان سالید 351 6 3 1 المان منشوری پنج‌وجهی مرتبه اول
المان سالید 352 15 3 1 المان منشوری پنج‌وجهی مرتبه دوم
المان سالید 361 8 3 1 المان هگزاهدرال مرتبه اول انتگرال‌گیری کامل، B-bar، ناسازگار، F-bar، مختلط u-p
المان سالید 362 20 3 1 المان هگزاهدرال مرتبه دوم خانواده Serendipity
المان connector 511 2 3 المان connector دوگرهی برای فنر و میراگر؛ ماتریس جرم ندارد
المان interface 541 4×2 1 المان سطح چهارضلعی مرتبه اول برای انتقال حرارت و تابش شکاف؛ ماتریس ظرفیت ندارد
المان interface 542 8×2 المان سطح چهارضلعی مرتبه دوم پشتیبانی نمی‌شود

المان‌های سازه‌ای

دستهٔ المان نوع المان تعداد گره DOF سازه/گره DOF حرارتی/گره شکل/مرتبه تنش دینامیکی مودال حرارتی فرمول‌بندی/توضیحات
المان تیر 611 2 6 1 المان تیر 2گرهی تیر Bernoulli-Euler؛ تحلیل حرارتی پشتیبانی نمی‌شود
المان تیر 641 2×2 3 1 المان تیر 2گرهی (برای درجات آزادی مختلط) تیر Bernoulli-Euler؛ تحلیل حرارتی پشتیبانی نمی‌شود
المان پوسته 731 3 6 1 المان مثلثی مرتبه اول MITC3
المان پوسته 732 6 المان مثلثی مرتبه دوم در قابلیت‌های تحلیل جاری پشتیبانی نمی‌شود
المان پوسته 741 4 6 1 المان چهارضلعی مرتبه اول MITC4
المان پوسته 743 9 6 المان چهارضلعی مرتبه دوم MITC9
المان پوسته 761 3×2 3 المان مثلثی مرتبه اول (برای درجات آزادی مختلط) MITC3؛ برای اختلاط درجات آزادی با سالید
المان پوسته 781 4×2 3 المان چهارضلعی مرتبه اول (برای درجات آزادی مختلط) MITC4؛ برای اختلاط درجات آزادی با سالید
  • از میان المان‌های سالید مرتبه اول، 341 و 361 گزینه‌های فرمول‌بندی دارند و برای یک شکل هندسی چند انتخاب ممکن است.
  • در تحلیل سازه با تماس، سطوح تماس المان‌های مرتبه دوم پشتیبانی نمی‌شوند.
  • المان‌های سازه‌ای 611/731/741/743 دارای گره‌های 6 درجه آزادی هستند و نمی‌توان آن‌ها را مستقیماً با المان سالید مخلوط کرد. برای اختلاط از 641/761/781 استفاده کنید.
  • المان تیر 611 از تحلیل شامل تنش حرارتی، گرانش، فشار و نیروی گریز از مرکز پشتیبانی نمی‌کند. المان تیر 641 از تحلیل شامل فشار و نیروی گریز از مرکز پشتیبانی نمی‌کند.
  • در تحلیل دینامیکی خطی، محاسبه موازی با المان‌های پوسته 731/741/743 پشتیبانی نمی‌شود. برای المان‌های دیگر می‌توان از محاسبه موازی استفاده کرد.

انتخاب گزینه فرمول‌بندی

در المان سالید مرتبه اول، علاوه بر شکل، فرمول‌بندی نیز باید انتخاب شود. به‌ویژه برای المان هگزاهدرال مرتبه اول 361، چهار نوع فرمول‌بندی متناسب با ماهیت مسئله در پیاده‌سازی تفکیک شده‌اند. برای المان تتراهدرال مرتبه اول 341 نیز گزینه FEM هموارشده وجود دارد. در ورودی، همه این‌ها در !SECTION با FORM341 و FORM361 تغییر می‌کنند.

المان هگزاهدرال مرتبه اول (361)

در کد جاری می‌توان برای FORM361 یکی از FI، BBAR، IC، FBAR و UP را انتخاب کرد. اگر FORM361 حذف شود، مقدار پیش‌فرض با نوع تحلیل تغییر می‌کند: برای تحلیل استاتیکی و دینامیکی گذرا با تغییرشکل کوچک IC، برای همان تحلیل‌ها با تغییرشکل بزرگ FBAR، برای تحلیل مودال IC و در سایر موارد FI انتخاب می‌شود (UP فقط با تعیین صریح فعال است).

  • FI: المان استاندارد با انتگرال‌گیری کامل. در خمش به قفل‌شدگی برشی و در تغییرشکل تقریباً تراکم‌ناپذیر به قفل‌شدگی حجمی حساس است و بیشتر به‌عنوان مرجع مقایسه عملکرد المان استفاده می‌شود.
  • IC: فرمول‌بندی دارای مد ناسازگار که گزینه اصلی برای کاهش قفل‌شدگی برشی در مسائل با رفتار غالب خمشی است. در تغییرشکل کوچک خطی مقدار پیش‌فرض است.
  • BBAR: المان B-bar که مؤلفه کرنش حجمی را اصلاح می‌کند و برای مسائل غالب‌شده با قفل‌شدگی حجمی مناسب است. برای مواد لاستیکی تقریباً تراکم‌ناپذیر یا مواد با نسبت پواسون بزرگ قابل بررسی است، اما چون محاسبه کرنش حجمی را خطی فرض می‌کند، دوران محدود را در نظر نمی‌گیرد. معمولاً استفاده از المان F-Bar توصیه می‌شود.
  • FBAR: المان F-bar که مؤلفه حجمی گرادیان تغییرشکل را اصلاح می‌کند و برای مسائل تغییرشکل بزرگ با اثر قوی تراکم‌ناپذیری مناسب است. مقدار پیش‌فرض تحلیل تغییرشکل بزرگ است.
  • UP: المان مختلط u-p که جابه‌جایی و فشار المان را مستقل در نظر می‌گیرد و با تفکیک تنش به مؤلفه انحرافی و فشار، از قفل‌شدگی حجمی در مواد تقریباً تراکم‌ناپذیر (مانند لاستیک با نسبت پواسون بسیار نزدیک به 0.5 یا فلز پس از تغییرشکل پلاستیک) جلوگیری می‌کند. یک درجه آزادی فشار برای هر المان، ثابت درون المان، در نظر گرفته می‌شود و در سطح المان میعان استاتیکی می‌شود. تغییرشکل کوچک، روش لاگرانژ کل و روش لاگرانژ به‌روزشده پشتیبانی می‌شوند.

اگر در انتخاب تردید دارید، برای تحلیل سازه با تغییرشکل کوچک ابتدا IC و برای تغییرشکل بزرگ یا هایپرالاستیسیته ابتدا FBAR را استفاده کنید؛ اگر قفل‌شدگی برشی مسئله اصلی است IC را نیز مقایسه کنید. اگر تقریباً تراکم‌ناپذیری غالب است و می‌خواهید میدان فشار صریحاً در فرمول‌بندی ظاهر شود، UP را بررسی کنید. برای زمینه نظری دقیق به راهنمای نظری مراجعه کنید.

المان تتراهدرال مرتبه اول (341)

در کد جاری برای FORM341 می‌توان FI یا SELECTIVE_ESNS را انتخاب کرد. مقدار پیش‌فرض همیشه FI است. با انتخاب SELECTIVE_ESNS، اتصال المان هموارشده هنگام setup به‌صورت اضافی ایجاد و المان به‌عنوان FEM با هموارسازی انتخابی لبه/گره پردازش می‌شود.

  • FI: المان تتراهدرال استاندارد مرتبه اول. مش‌زنی آسان است، اما در خمش به قفل‌شدگی برشی و در شرایط تقریباً تراکم‌ناپذیر به قفل‌شدگی حجمی حساس است.
  • SELECTIVE_ESNS: هموارسازی مبتنی بر لبه/گره را وارد می‌کند تا اثر قفل‌شدگی برشی و حجمی رایج در المان تتراهدرال مرتبه اول کاهش یابد. وقتی به‌دلیل محدودیت هندسی استفاده از تتراهدرال اجتناب‌ناپذیر است، گزینه مناسبی است.

اگر به‌دلیل هندسه لازم است از 341 استفاده کنید و در FI استاندارد اثر قفل‌شدگی شدید است، SELECTIVE_ESNS را بررسی کنید. در مقابل، اگر امکان استفاده از المان هگزاهدرال مرتبه اول وجود دارد، معمولاً بررسی IC / BBAR / FBAR در خانواده 361 انتخاب‌های بیشتری فراهم می‌کند.

هنگام استفاده از SELECTIVE_ESNS با MPI موازی، عمق overlap در پارتیشن‌بندی مش مهم است. هموارسازی مبتنی بر لبه/گره کمیت‌های المان‌های مجاور را میانگین‌گیری می‌کند؛ بنابراین برای مونتاژ سختی المان در یک زیردامنه، اطلاعات «همسایه همسایه» نیز لازم است. با عمق overlap پیش‌فرض 1، داده هموارسازی نزدیک مرز دامنه کافی نیست؛ بنابراین هنگام پارتیشن‌بندی مش، در !PARTITION مقدار DEPTH=2 را مشخص کنید. برای جزئیات به عمق overlap در پارتیشن‌بندی مش مراجعه کنید.

استفاده هم‌زمان از المان‌های سازه‌ای و سالید

حتی برای «المان تیر» و «المان پوسته» یکسان، نحوه درجات آزادی در تحلیل سازه و حرارتی متفاوت است. بنابراین قواعد استفاده هم‌زمان با المان سالید نیز یکسان نیست.

در تحلیل سازه

در تحلیل سازه، تعداد درجات آزادی گره‌ای ndof در کل تحلیل یک مقدار ثابت است. المان سالید در هر گره 3 درجه آزادی انتقالی دارد، در حالی که المان تیر استاندارد 611 و المان‌های پوسته 731/741/743 در هر گره 6 درجه آزادی شامل انتقال و دوران دارند. بنابراین 611، 731، 741 و 743 را نمی‌توان مستقیماً در همان دستگاه درجات آزادی گره‌ای با المان سالید مخلوط کرد.

برای رفع این محدودیت، نسخه‌های گره 3 درجه آزادی 641، 761 و 781 فراهم شده‌اند. این المان‌ها با جدا کردن گره‌های دارای درجات آزادی انتقالی از گره‌های دارای درجات آزادی دورانی، اجازه می‌دهند در حالی که ndof=3 برای کل تحلیل حفظ می‌شود، درجات آزادی دورانی تیر/پوسته نیز بیان شوند. رابطه آن‌ها چنین است:

  • المان تیر برای درجات آزادی مختلط متناظر با 611، نوع 641 است.
  • المان پوسته مثلثی برای درجات آزادی مختلط متناظر با 731، نوع 761 است.
  • المان پوسته چهارضلعی برای درجات آزادی مختلط متناظر با 741، نوع 781 است.

در المان‌های درجات آزادی مختلط، درجات آزادی دوران به «گره‌های دارای درجه آزادی دوران» مستقل اختصاص داده می‌شوند. بنابراین هنگام تعیین قید یا بار متمرکز باید آن‌ها را به‌صورت درجات آزادی 1، 2 و 3 روی گره‌های دورانی وارد کرد. درجات آزادی 1، 2 و 3 روی گره انتقالی و درجات آزادی 1، 2 و 3 روی گره دورانی با متفاوت بودن شماره گره از هم تفکیک می‌شوند.

در نتیجه، سیاست پایه این است: اگر مدل فقط با تیر/پوسته ساخته می‌شود از 611/731/741/743 استفاده کنید؛ اگر با المان سالید ترکیب می‌شود، 641/761/781 را انتخاب کنید.

در تحلیل حرارتی

در تحلیل حرارتی hecMAT%NDOF = 1 تنظیم می‌شود و درجات آزادی همه گره‌ها به یک درجه آزادی دما یکسان می‌شوند. بنابراین مسئله «برای اختلاط باید نسخه گره 3 درجه آزادی استفاده شود» که در تحلیل سازه وجود دارد، مطرح نیست.

با این حال، از میان المان‌های سازه‌ای فقط 731 و 741 در تحلیل حرارتی پشتیبانی می‌شوند. 611، 641 و 301 برای تحلیل حرارتی قابل استفاده نیستند. بنابراین هنگام انتخاب المان برای تحلیل حرارتی، به‌جای منطق اختلاط درجات آزادی در تحلیل سازه، بهتر است جدول بخش قبل را مبنا قرار دهید و فقط المان‌هایی را انتخاب کنید که ستون حرارتی آن‌ها است.

المان رابط (فنر و میراگر)

برای اتصال دو گره با فنر یا میراگر گسسته، از المان connector دوگرهی (نوع المان 511) استفاده می‌شود. این المان فقط سختی یا میرایی بین دو گره متصل فراهم می‌کند و شکل، مقطع یا جرم ندارد.

خصوصیات قابل نمایش توسط المان connector در مجموع چهار نوع است: دو نوع فنر و دو نوع میراگر. خاصیت هر المان بر اساس ماده اختصاص‌یافته به آن تعیین می‌شود.

  • فنر محوری — فنری که در راستای محور بین دو گره عمل می‌کند. راستای فنر تغییرشکل مدل را دنبال می‌کند. در ورودی با !SPRING_A داده می‌شود.
  • فنر با DOF مشخص — فنری که درجه آزادی مشخص یک گره را به درجه آزادی مشخص گره دیگر متصل می‌کند. راستا با شماره DOF تعیین می‌شود و تغییرشکل را دنبال نمی‌کند. می‌توان ثابت فنر متفاوتی برای هر راستا داد. در ورودی با !SPRING_D مشخص می‌شود.
  • میراگر محوری — میرایی که در راستای محور عمل می‌کند. در ورودی با !DASHPOT_A داده می‌شود.
  • میراگر با DOF مشخص — میرایی که درجات آزادی مشخص‌شده را به هم متصل می‌کند. در ورودی با !DASHPOT_D داده می‌شود.

فنر در ماتریس سختی و میراگر در ماتریس میرایی سهم دارد. بنابراین فنر در تحلیل استاتیکی، دینامیکی و مودال مؤثر است، اما میراگر فقط در تحلیل دینامیکی با روش ضمنی که ماتریس میرایی را مونتاژ می‌کند اثر دارد و در تحلیل استاتیکی اثری ندارد.

برای قرار دادن فنر میان یک گره و زمین، به‌جای المان connector از شرط مرزی فنر (!SPRING) استفاده کنید. این یک شرط مرزی پشتیبان الاستیک DOF گره است و نیازی به تعریف المان ندارد.

المان connector در داده مش به‌صورت نوع 511 تعریف می‌شود و برای گروه المان آن یک مقطع با نوع INTERFACE در نظر گرفته می‌شود. ثابت فنر و ضریب میرایی به‌عنوان ماده در سمت داده کنترل تحلیل داده می‌شوند. برای جزئیات به !SPRING_A مراجعه کنید.

تعریف connectivity و شماره سطح

شکل‌ها و جدول‌های زیر رابطه ترتیب گره‌های ورودی در قالب HEC-MW و شماره سطح را نشان می‌دهند. برای تطبیق شماره گره‌های میانی المان مرتبه دوم با ترتیبی که پیاده‌سازی توابع شکل داخلی FrontISTR انتظار دارد، به «کتابخانه المان» در راهنمای نظری مراجعه کنید.

المان خطی

المان خطی

المان صفحه‌ای مثلثی

المان صفحه‌ای مثلثی

شماره سطح مرتبه اول مرتبه دوم
1 1 - 2 1 - 6 - 2
2 2 - 3 2 - 4 - 3
3 3 - 1 3 - 5 - 1

المان صفحه‌ای چهارضلعی

المان صفحه‌ای چهارضلعی

شماره سطح مرتبه اول مرتبه دوم
1 1 - 2 1 - 5 - 2
2 2 - 3 2 - 6 - 3
3 3 - 4 3 - 7 - 4
4 4 - 1 4 - 8 - 1

المان تتراهدرال

المان تتراهدرال

شماره سطح مرتبه اول مرتبه دوم
1 1 - 2 - 3 1 - 7 - 2 - 5 - 3 - 6
2 1 - 2 - 4 1 - 7 - 2 - 9 - 4 - 8
3 2 - 3 - 4 2 - 5 - 3 - 10 - 4 - 9
4 3 - 1 - 4 3 - 6 - 1 - 10 - 4 - 8

المان منشوری پنج‌وجهی

المان منشوری پنج‌وجهی

شماره سطح مرتبه اول مرتبه دوم
1 1 - 2 - 3 1 - 9 - 2 - 7 - 3 - 8
2 4 - 5 - 6 4 - 12 - 5 - 10 - 6 - 11
3 1 - 2 - 5 - 4 1 - 9 - 2 - 14 - 5 - 12 - 4 - 13
4 2 - 3 - 6 - 5 2 - 7 - 3 - 15 - 6 - 10 - 5 - 14
5 3 - 1 - 4 - 6 3 - 8 - 1 - 13 - 4 - 11 - 6 - 15

المان هگزاهدرال

المان هگزاهدرال

شماره سطح مرتبه اول مرتبه دوم
1 1 - 2 - 3 - 4 1 - 9 - 2 - 10 - 3 - 11 - 4 - 12
2 5 - 6 - 7 - 8 5 - 13 - 6 - 14 - 7 - 15 - 8 - 16
3 1 - 2 - 6 - 5 1 - 9 - 2 - 18 - 6 - 13 - 5 - 17
4 2 - 3 - 7 - 6 2 - 10 - 3 - 19 - 7 - 14 - 6 - 18
5 3 - 4 - 8 - 7 3 - 11 - 4 - 20 - 8 - 15 - 7 - 19
6 4 - 1 - 5 - 8 4 - 12 - 1 - 17 - 5 - 16 - 8 - 20

المان تیر

المان تیر

المان تیر با گره‌های 3 درجه آزادی

المان تیر با گره‌های 3 درجه آزادی

گره‌های 1 و 2 درجات آزادی انتقالی و گره‌های 3 و 4 درجات آزادی دورانی دارند.

المان پوسته مثلثی

المان پوسته مثلثی

شماره سطح مرتبه اول مرتبه دوم
1 1 - 2 - 3 [رو] 1 - 6 - 2 - 4 - 3 - 5 [رو]
2 3 - 2 - 1 [پشت] 3 - 4 - 2 - 6 - 1 - 5 [پشت]

المان پوسته مثلثی با گره‌های 3 درجه آزادی

المان پوسته مثلثی با گره‌های 3 درجه آزادی

گره‌های 1، 2 و 3 درجات آزادی انتقالی و گره‌های 4، 5 و 6 درجات آزادی دورانی دارند.

شماره سطح مرتبه اول
1 1 - 2 - 3 [رو]
2 3 - 2 - 1 [پشت]

المان پوسته چهارضلعی

المان پوسته چهارضلعی

شماره سطح مرتبه اول مرتبه دوم
1 1 - 2 - 3 - 4 [رو] 1 - 5 - 2 - 6 - 3 - 7 - 4 - 8 [رو]
2 4 - 3 - 2 - 1 [پشت] 4 - 7 - 3 - 6 - 2 - 5 - 1 - 8 [پشت]

المان پوسته چهارضلعی با گره‌های 3 درجه آزادی

المان پوسته چهارضلعی با گره‌های 3 درجه آزادی

گره‌های 1، 2، 3 و 4 درجات آزادی انتقالی و گره‌های 5، 6، 7 و 8 درجات آزادی دورانی دارند.

شماره سطح مرتبه اول
1 1 - 2 - 3 - 4 [رو]
2 4 - 3 - 2 - 1 [پشت]
شکل 4.1.2 connectivity و شماره سطح

موارد مرتبط