Analízistípusok¶

A FrontISTR több analízistípus biztosításával lefedi a szerkezeti és termikus fizikai problémákat a statikus egyensúlytól az időbeli fejlődésen és a periodikus állandósult állapoton át a rendszer saját jellemzőinek kinyeréséig. Ez az oldal ismerteti az egyes analízistípusok által kezelt jelenségeket, alkalmazási tartományukat és a közöttük való választást. A bemeneti fájl szintaxisáért lásd a kulcsszó-referenciát; a megfogalmazás matematikai részleteiért lásd az elméleti kézikönyvet.

A funkciók áttekintése¶

A FrontISTR analízistípusait az alábbi három szempont kombinációi jellemzik.

• Célfizika: szerkezeti (elmozdulás és feszültség), termikus (hőmérséklet és hőáram), vagy ezek csatolása
• A mozgás kezelése: figyelembe vesszük-e a tehetetlenségi tagokat, illetve követjük-e az időbeli fejlődést. Ez két független szempont
  • Nincs tehetetlenség és nincs időbeli fejlődés → statikus egyensúly
  • Nincs tehetetlenség, de az időbeli fejlődést követjük → kvázistatikus (viszkoelaszticitás, kúszás stb.)
  • A tehetetlenséget figyelembe vesszük és az időbeli fejlődést követjük → tranziens dinamikai válasz
  • A frekvenciatartományban periodikus állandósult állapotként kezeljük → harmonikus válasz
  • Nincs külső erő; a rendszer saját tulajdonságait nyerjük ki → saját jellemzők
• Linearitás: lineáris (kis alakváltozás és lineáris anyag) vagy nemlineáris (nagy alakváltozás, nemlineáris anyag vagy kontakt)

Ezeknek a szempontoknak az implementált kombinációi megfelelnek az alább ismertetett analízistípusoknak. A bemenetben a !SOLUTION az analízistípus nagyobb kategóriáját adja meg, míg a !DYNAMIC, !EIGEN, !HEAT és hasonló kulcsszavak részletesebben határozzák meg a kapcsolódó tulajdonságokat. Az időbeli fejlődést tartalmazó analízisek időlépését és növekményeit a !STEP vezérli.

Az analízistípus kiválasztása¶

Az analízistípus kiválasztásakor először rendezze, milyen jelenséget kíván kezelni és milyen eredményt szeretne kapni. Ugyanahhoz az objektumhoz is más analízistípus lehet megfelelő attól függően, hogy mit szeretne megtudni. Az alábbi szempontok sorrendben történő mérlegelése az adott célhoz megfelelő analízistípushoz vezet.

1. Mit szeretne meghatározni? — Elmozdulást és feszültséget, hőmérséklet-eloszlást, rezgési módusokat vagy frekvenciaválaszt. A kívánt mennyiség határozza meg az analízis nagyobb kategóriáját
2. Figyelembe kell venni a tehetetlenséget? — Dinamikai analízist válasszon, ha a terhelés gyorsan változik és a gyorsulás befolyásolja a választ. Statikus analízis elegendő, ha a változások lassúak és a tehetetlenség elhanyagolható
3. Követni kell az időbeli fejlődést? — Még akkor is, ha a tehetetlenség elhanyagolható, az időfüggő anyagválaszt, például a viszkoelaszticitást vagy a kúszást, a statikus analízis keretében az idő előreléptetésével oldjuk meg (kvázistatikus analízis)
4. Érvényes a linearitás feltételezése? — Kis alakváltozás és lineáris anyagok esetén a lineáris analízis elegendő. Nagy alakváltozás, nemlineáris anyag vagy kontakt esetén nemlineáris analízist válasszon

A jellemző problémák és a hozzájuk tartozó analízistípusok az alábbi táblázatban láthatók.

Statikai analízis¶

A statikus analízis a tehetetlenségi tagok elhanyagolásával oldja meg az egyensúlyi egyenleteket. Ez a keretrendszer nemcsak az időbeli fejlődés nélküli állandósult egyensúlyt foglalja magában, hanem a kvázistatikus analízist is, amelyben az idő előreléptetésével egymás után követjük az egyes időpontok egyensúlyát időfüggő anyagválasz, például viszkoelaszticitás vagy kúszás, illetve előéletfüggő nemlinearitás kezelésekor. A dinamikai analízistől való különbséget a tehetetlenségi tagok jelenléte határozza meg, nem az, hogy van-e időbeli fejlődés.

A lineáris statikus analízis kis alakváltozást és lineáris anyagokat feltételez, és az egyensúlyi egyenletet egyetlen lineáris rendszer megoldásával oldja meg. Ennek a legalacsonyabb a számítási költsége, és feszültségértékelésre, valamint a tervezés korai szakaszában végzett vizsgálatokra használható.

Nemlineáris statikus analízist akkor használunk, ha nagy alakváltozás (geometriai nemlinearitás), nemlineáris anyag (elasztoplaszticitás, hiperelaszticitás, viszkoelaszticitás vagy kúszás), illetve kontakt bármelyike jelen van. Mivel az egyensúlyi egyenlet nemlineáris, a terhelést több növekményre osztjuk és lépésenként alkalmazzuk, minden növekményen belül Newton–Raphson-módszerrel végzett iteratív megoldással. Időfüggő anyagok, például viszkoelaszticitás vagy kúszás kezelésekor ugyanez a növekményes és iteratív folyamat történik az egyes időpontok egyensúlyának egymás utáni követésével.

A bemenetben adja meg a !SOLUTION, TYPE=STATIC beállítást, és nemlinearitás kezelésekor adja hozzá a NONLINEAR paramétert. Az időlépést, a növekményvezérlést és a konvergenciakritériumokat a !STEP segítségével kell megadni. A növekményvezérlés részleteiért lásd: Lépésvezérlés.

Dinamikai analízis¶

A dinamikai analízis a tehetetlenségi tagokat tartalmazó mozgásegyenleteket időfejlődési feladatként oldja meg, és a külső erők időtörténetére adott választ időtörténetként határozza meg. Olyan jelenségeket céloz, mint az ütőterhelés, földrengésválasz és rezgésterjedés, amelyekben a rendszer gyorsulása jelentősen befolyásolja a választ.

Az időintegrálási módszerek nagy vonalakban implicit és explicit módszerekre oszthatók. A választás a jelenség időskálájától, a probléma méretétől és az időlépés stabilitási követelményeitől függ. Az implicit módszerek akkor megfelelőek, ha az alacsony frekvenciájú komponensek dominálnak és viszonylag nagy időlépéseket szeretnénk használni, míg az explicit módszerek olyan nagyfrekvenciás jelenségekhez alkalmasak, mint az ütés és hullámterjedés, amelyek eleve kis időlépést igényelnek.

Implicit módszer¶

Az implicit módszer (Newmark-β módszer) minden időlépésben egy egyidejű egyenletrendszert old meg, hogy meghatározza a következő időpont elmozdulását, sebességét és gyorsulását. Az időlépés méretére nincs stabilitási korlátozás, ezért alacsony frekvenciájú komponensek által dominált szerkezeti válaszoknál (például földrengésválasz és gépi rezgés) viszonylag nagy időlépések használhatók a lépésszám csökkentésére, ami hatékonnyá teszi a módszert. Másrészt minden lépésben felmerül az egyidejű egyenletrendszer megoldásának költsége, ezért nem alkalmas olyan jelenségekre, amelyek rendkívül nagy számú lépést igényelnek.

Explicit módszer¶

Az explicit módszer (központi differencia módszer) csak az előző lépés információit használva közvetlenül kiszámítja a következő időpont állapotát. Mivel nem old meg egyidejű egyenletrendszert, az egy lépésre jutó költség kicsi, azonban az időlépés méretét a rendszer minimális sajátperiódusán alapuló feltétel (CFL-feltétel) korlátozza. Előnyös olyan feladatoknál, mint az ütés, hullámterjedés és nagy sebességű kontakt, amelyek eleve kis időlépést igényelnek.

A bemenetben adja meg a !SOLUTION, TYPE=DYNAMIC beállítást, majd a !DYNAMIC segítségével válassza ki a megoldási módszert és adja meg az integrálási paramétereket, például a Newmark-β módszer paramétereit. Használja a !STEP kulcsszót, ha több lépésen keresztül váltja a peremfeltétel- vagy terheléscsoportokat, illetve ha lépésenként ad meg növekményvezérlést. Implicit nemlineáris dinamikai analízisben a konvergenciaviselkedésnek megfelelő automatikus növekményvezérlés és cutback is elérhető.

Modálanalízis¶

A modális analízis külső erők alkalmazása nélkül megoldja a tömeg- és merevségi mátrixból képzett általánosított sajátérték-feladatot, és kinyeri a rendszer sajátfrekvenciáit és saját módusalakjait. Szerkezetek rezgési jellemzőinek értékelésére, rezonanciapontok azonosítására, valamint előzetes lépésként használjuk, ha frekvenciaválasz-analízisben modális szuperpozíciót alkalmazunk.

A megadott számú legalacsonyabb módus hatékony kinyeréséhez Lanczos-módszert használ. A tömegmátrixhoz koncentrált tömegmátrixot alkalmaz.

A bemenetben adja meg a !SOLUTION, TYPE=EIGEN beállítást, és a !EIGEN segítségével adja meg a kinyerendő módusok számát, az eltolási értékeket és egyéb paramétereket.

Frekvenciaválasz-analízis¶

A frekvenciaválasz-analízis a gerjesztési frekvencia változtatása mellett meghatározza a harmonikus (szinuszos) külső erőknek kitett rendszer által elért periodikus állandósult választ. Az időtörténetet követő dinamikai analízistől eltérően közvetlenül a frekvenciatartományban oldja meg a feladatot, ezért alkalmas rezonanciajellemzők értékelésére és állandósult rezgésre történő tervezésre.

A megoldás modális szuperpozíciós módszeren alapul, és az előzetesen modális analízissel meghatározott sajátmódusok szuperpozíciójával állítja elő a választ. Ezért frekvenciaválasz-analízis előtt ugyanarra a rendszerre modális analízist kell végrehajtani. Csak lineáris modellek támogatottak; az analízis nem hajtható végre geometriai vagy anyagi nemlinearitás engedélyezése esetén.

A bemenetben a dinamikai analízis egyik formájaként kezelendő: adja meg a !SOLUTION, TYPE=DYNAMIC beállítást, majd a !DYNAMIC alárendelt paramétereivel adja meg a frekvenciaválaszt. A gerjesztési feltételeket a !FLOAD segítségével kell megadni.

A kimeneti mennyiségek megadása megegyezik a statikai analízisével és az időtörténeti válaszanalízisével; ugyanígy előállíthatók származtatott mennyiségek, például alakváltozás, feszültség és főfeszültség. Mivel azonban a válasz komplex értékű, minden mennyiség két készletben, valós és képzetes részként kerül kiírásra. Részletekért lásd Kimenet és restart.

Hővezetési analízis¶

A hővezetési analízis a hővezetési egyenletet oldja meg a hőmérséklet-eloszlás és a hőáram meghatározására. Ugyanazt a végeselemes hálót használja, mint a szerkezeti analízis, de minden csomópontnak csak egy szabadságfoka van, a hőmérséklet, és a kezelt anyagtulajdonságok a hővezetési tényezőre, fajhőre és sűrűségre korlátozódnak. A peremfeltételek is eltérnek a szerkezeti analízistől, és előírt hőmérsékletet, hőáramot, konvekciót és sugárzást foglalnak magukban.

Időbeli viselkedés szerint a hővezetési analízis stacionárius hővezetésre, amely időfüggetlen egyensúlyi állapotot határoz meg, és tranziens hővezetésre oszlik, amely követi a hőmérsékletmező időbeli fejlődését. A választást az határozza meg, hogy a kívánt eredmény a végül elért egyensúlyi hőmérséklet-e, vagy az, hogyan változik a hőmérséklet az időben.

A bemenetben adja meg a !SOLUTION, TYPE=HEAT beállítást, és a !HEAT segítségével adja meg a stacionárius vagy tranziens analízist és az időlépést.

Termomechanikai csatolt analízis¶

A termomechanikai csatolt analízis a hővezetési analízissel meghatározott hőmérséklet-eloszlást termikus alakváltozási terhelésként alkalmazza a szerkezeti analízisben, hogy meghatározza a hőmérsékletmező okozta feszültségeket és deformációt. A FrontISTR szabványos munkafolyamata egyirányú csatolás: a termikus analízis és a szerkezeti analízis egymástól függetlenül fut, és a hőmérsékletmező egy irányban, eredményfájlon keresztül kerül átadásra.

Az eljárás első lépése a hővezetési analízis végrehajtása és a hőmérséklet-eloszlást tartalmazó eredményfájl előállítása. Ezután a szerkezeti analízis végrehajtásakor a !TEMPERATURE, READRESULT segítségével hőmérsékleti terhelésként olvassa be ezt a hőmérsékletmezőt. Maga a szerkezeti analízis keretrendszere megegyezik a szokásos statikus vagy dinamikai analízisével, és a csatoláshoz nem kell külön analízistípust megadni.

Az olyan kétirányú csatolás, amelyben a szerkezeti deformáció befolyásolja a hővezetést (például a deformáció miatt megváltozó termikus peremfeltételek), nem tartozik a dokumentáció jelen verziójának hatókörébe.

Elemellenőrzés¶

Az elemellenőrzés olyan analízistípus, amely szerkezeti analízis végrehajtása nélkül ellenőrzi a háló elemeinek alakját, valamint a bemenetben definiált csoportok, anyagok és szelvények hozzárendelését. Nagyméretű analízis indítása előtt degenerált elemek, szélsőségesen karcsú elemek és hibás csoportdefiníciók felderítésére használható. A bemenetben a !SOLUTION, TYPE=ELEMCHECK beállítást kell megadni.

Az elemellenőrzés minden elemre kiszámítja a térfogatot és az oldalarányt, vagyis a leghosszabb és a legrövidebb él hosszának arányát. Térfogati és síkelemeknél a fordított csomópont-sorrendű elem térfogata negatív. Síkelemeknél és héjelemeknél a térfogat a terület és a szelvényben megadott vastagság szorzata. A 0 vagy annál kisebb térfogatú elemek ERROR jelöléssel, az 50-nél nagyobb oldalarányú elemek pedig WARNING jelöléssel és az elemszámmal együtt kerülnek a naplófájlba. A feldolgozás egyik esetben sem áll le.

A vizsgálat a síkelemeket (231, 232, 241, 242), a térfogati elemeket (341, 342, 351, 352, 361, 362) és a héjelemeket (731, 741) támogatja. Más elemeket a vizsgálat nem támogat, és a napló- vagy eredményfájlban megjelenő értékek nem az elem alakját jellemzik.

A vizsgálatok után a teljes modell összefoglalója jelenik meg. A csomópontok száma, a szabadságfokok száma, az elemek száma és az egyes elemtípusok elemszáma a standard kimenetre kerül; a teljes térfogat, az elemtérfogat átlaga/maximuma/minimuma, a maximális/minimális élhossz és a maximális oldalarány pedig a standard kimenetre és a naplófájlba is. Párhuzamos futtatáskor a csomópont- és szabadságfokszám csak az egyes altartományok által birtokolt csomópontokat összegzi, ezért a teljes modell értékét adja. Ezzel szemben az elemszám és az elemtípusonkénti elemszám az egyes altartományokban megtartott elemek számát közvetlenül összegzi, így az altartomány-határokon többször tárolt elemek többször számítanak, és az összeg nagyobb lehet a teljes modell elemszámánál. A térfogat, élhossz és oldalarány összefoglalói csak az egyes altartományok által birtokolt elemeket veszik figyelembe, ezért nem tartalmaznak duplikációt. A naplófájl altartományonként kiírja továbbá a csomópontok és elemek számát, az együtthatómátrix nemnulla elemeinek számát, valamint a térfogat és a kapcsolódó mennyiségek összefoglalóit.

Eredményfájl kiírásához adja meg a !WRITE,RESULT beállítást; vizualizációs fájlhoz a !WRITE,VISUAL és a !VISUAL beállítást együtt. A fájlnevek a normál analíziskimeneti neveket követik _precheck kiegészítéssel (például az eredményfájl model_precheck.res.0.0, a vizualizációs fájl model_vis_precheck_psf.0000). Az alábbi tételek kerülnek kiírásra, így a vizualizációs eszköz színekkel ellenőrizheti a csoport- és anyag-hozzárendeléseket.

Kapcsolódó témák¶

• Elemkönyvtár — az egyes analízistípusokhoz rendelkezésre álló elemtípusok és támogatásuk
• Anyagadatok — az egyes analízistípusokhoz rendelkezésre álló anyagmodellek
• Nemlineáris iteráció és időintegrálás — Newton–Raphson-iteráció, kontaktiteráció és időintegrálási sémák
• Lépésvezérlés — időnövekmények, konvergenciakritériumok és terhelésnövekmény-vezérlés
• Lineárisan rugalmas statikai analízis (elmélet, függelék) — a lineáris statikus analízis megfogalmazása
• Érintőmerevségi mátrix (elmélet) — érintőmerevség nemlineáris statikus analízishez
• Newton–Raphson-módszer (elmélet) — iteratív megoldási módszer
• Dinamikai analízis módszerei (elmélet) — a dinamikai analízis megfogalmazása
• Modálanalízis (elmélet) — a sajátérték-feladat megfogalmazása
• Frekvenciaválasz-analízis (elmélet) — a frekvenciaválasz megfogalmazása
• Tranziens hővezetési analízis (elmélet) — a hővezetési analízis megfogalmazása