Назад в библиотеку

---

Создание модели физических нагрузок в САПР CATIA v5

Авторы: Р. Е. Комаричев, А. В. Григорьев
Источник: Методические указания к лабораторным работам по дисциплине Технологии проектирования, ДонНТУ.

Аннотация

Р. Е. Комаричев, А. В. Григорьев — Создание модели физических нагрузок в САПР CATIA v5. Методические указания к лабораторной работе созданы с целью ознакомления студентов со средствами моделирования физических нагрузок в САПР Catia v5. Подробно описан порядок выполнения работы с наглядными примерами. Составлен перечень контрольных вопросов. Даны ссылки на полезные ресурсы в Интернет.

---

Цель работы: ознакомиться со средствами моделирования физических нагрузок в САПР Catia v5.

Контрольные вопросы

1. Какие существуют виды ограничений (constraints) в САПР Catia v5?
2. Для каких целей задаётся материал детали?
3. Какие физические свойства можно задать для изотропного материала?
4. Какие существуют виды физических воздействий в САПР Catia v5?
5. Какие параметры можно задавать для сетки (mesh)?
6. Какую полезную информацию можно получить в результате моделирования физических нагрузок?

Методические указания

В модуле «Анализ и моделирование» САПР CATIA v5 имеется средство для выполнения предварительного анализа прочности деталей, реализованное на основе метода конечных элементов. С его помощью произвести расчёт прочностных характеристик можно не имея специальной математической подготовки.

Для выполнения операции требуется твердотельный объект с заданным материалом, назначенными ограничениями и заданными местами приложения сил. В качестве примера разберём прищепку для белья.

Как видно в дереве объектов, прищепка состоит из трёх деталей, объединённых в режиме Assembly Design (Пуск — Машиностроительное проектирование — Assembly Design). В этом же режиме следует задать ограничения для объекта. На панели инструментов представлены возможные варианты ограничений.

В данном случае необходимо применить ограничение линейного контакта, чтобы пружина с обоих концов всегда оставалась в пазах на деревянных деталях. Для этого выберем инструмент «Ограничение контакта» и отметим две соприкасающиеся поверхности – загиб проволоки и дальняя стенка паза деревянной детали.

В свойствах ограничения выберем внешнюю ориентацию, т. к. детали соприкасаются своими внешними поверхностями.

Выполним аналогичные действия для такого же соединения с другой стороны прищепки. После этого следует нажать кнопку «Обновление» (Ctrl+U), чтобы убедиться, что ограничения заданы верно и детали находятся в верном положении.

Далее необходимо для каждой детали назначить материал, таким образом сообщив системе их физические свойства. Нажмём кнопку «Назначение материала».

В открывшемся окне выберем подходящий материал и, поочерёдно выбирая детали в дереве объектов, применим его соответственно.

Для примера, деревянные детали прищепки будут выполнены из дуба, а проволока – из стали. После присвоения материалов и нажатия кнопки «ОК» увидим, что в дереве объектов у каждой детали появился элемент материала. Для отображения текстур материалов следует выполнить команду Вид — Стиль тонирования — Раскрашивание с текстурами.

При необходимости можно изменить внешний вид или физические свойства материала. Для этого необходимо дважды кликнуть на нём ЛКМ в дереве объектов. В открывшемся окне во вкладке «Тонирование» можно задать визуальные характеристики освещения и текстуры.

Во вкладке «Анализ» можно выбрать тип материала и задать его физические свойства.

Для каждого типа материала предусмотрен свой набор параметров. Список предлагаемых типов материала представлен на рисунке ниже.

В наиболее простом варианте используем изотропный материал – одинаковость физических свойств во всех направлениях. Теперь можно перейти в режим Generative Structural Analysis (Пуск — Анализ и моделирование — Generative Structural Analysis). Системой будет предложено выбрать вид анализа:

• Static Analysis означает, что вам требуется линейное статическое вычисление, ссылаясь на ограничения и нагрузки;
• Frequency Analysis означает, что вам требуется вычисление собственных частот путем ссылки на ограничения и массы;
• Free Frequency Analysis означает, что вам требуется вычисление собственных частот путем ссылки только на массы (без ограничений).

Выбираем Static Analysis и жмём «ОК».

Теперь здесь нужно указать свойства соединений. В данном случае была выбрана связь «Rigid Connection» и применена к созданным ранее ограничениям контакта. Подробнее о типах соединений можно узнать по адресу: http://catiadoc.free.fr/online/estug_C2/estugbt0600.htm.

С помощью инструмента Clamp зафиксируем неподвижные части объекта, выбрав их поверхности.

Далее применим некую нагрузку к подвижной части объекта. В данном случае на противоположную ногу прищепки будет применена распределённая сила. Подробнее о нагрузках можно узнать по адресу: http://catiadoc.free.fr/online/estug_C2/estugbt0300.htm.

Жмём кнопку «Distributed Force», выбираем поверхность детали и задаём вектор силы в появившемся окне. Взглянув на стрелочки, появившиеся у выбранной поверхности, убедимся, что направление вектора задано верно.

Для проверки согласованности модели нажмём кнопку «Model Checker» и убедимся, что у каждого тела детали есть «Mesh Part», «Property» и «Material», а у каждого соединения – «Mesh Part», «Property» и «Connected Mesh Parts».

Если какое-то из тел не имеет сетки или свойства, следует их назначить, сначала нажав кнопку «Octree Mesher» и выбрав объект без сетки в дереве объектов, а потом – кнопку «Property» и выбрав только что созданный Mesh.

При выборе объекта с активным инструментом «Octree Mesher» откроется окно параметров сетки.

Предлагается следующий набор полей:

• вкладка «Global»:
• size – позволяет задать размер элементов сетки;
• absolute sag – максимальный зазор между телом и построенной вокруг него сеткой;
• proportional sag – между локального абсолютного прогиба (absolute sag) к локальной длине ребра сетки;
• element type – тип сетки – линейный или параболический;
• вкладка «Local»:
• available specs – позволяет задать локальные параметры построения сетки, такие как:
• local size – локальный размер;
• local sag – локальный прогиб;
• edges distribution – распространение локальных узлов на ребре;
• imposed points – точки, которые обязательно следует учесть при построении сетки;
• size distribution – задание распространения выделенных кривых;
• вкладка «Quality»:
• criteria – позволяет выбрать критерий оптимизации сетки (форма,перекос, растяжение);
• intermediate nodes parameters – поле доступно только для параболической сетки, позволяет задать позицию срединных точек сетки;
• вкладка «Others»:
• geometry size limit – позволяет задать минимальный размер элементов, которые подлежат заключению в сетку; детали, имеющие меньший размер будут проигнорированы до построения;
• mesh edges suppression – удаляет мелкие грани после построения сетки;
• global split – позволяет генерировать сетки с по крайней мере двумя слоями даже в тонких областях объекта;
• global interior size – максимальный размер интерьера сетки;
• min size for sag specs – минимальный размер рафинирования сетки по причине прогибов;
• max number of attempts – максимальное число попыток на случай,если для успешного построения сложной сетки потребуется несколько попыток.

Если, наконец, всё хорошо, переходим к самим вычислениям. На панели инструментов жмём кнопку «Calculate», в появившемся окне выбираем «All» и жмём «ОК».

Спустя какое-то время система попросит подтвердить продолжение операции, жмём «Yes».

На данном этапе может возникнуть ошибка (см. ниже).

Это означает, что в заданной модели существует неоднозначность поведения объектов. Следует перепроверить, все ли ограничения заданы и назначены ли зафиксированные поверхности детали.

Если ошибки не возникло, можно перейти к визуализации влияния нагрузок. Выполним команду Вид — Стиль тонирования — Раскрашивание с кромками, затем нажмём кнопку «Deformation». В окне отобразится положение деталей под воздействием заданных нагрузок.

В системе также имеется возможность просмотреть деформацию в движении. Нажав на кнопку «Animate», зададим режим воспроизведения в обе стороны, число шагов и скорость воспроизведения.

С помощью инструмента «Von Mises Stress» можно оценить нагрузку, возникающую в каждой части объекта, в соответствии со шкалой в правой части экрана. Как видно, в деревянных деталях прищепки почти не возникает никаких нагрузок, а пружина окрашивается разными цветами от синего до красного.

С помощью инструмента «Displacement» можно посмотреть, насколько смещаются точки детали вследствие применения нагрузок.

Для оценки нагрузок, действующих на конкретные точки детали, применяется инструмент «Principal Stress».

Задание к лабораторной работе

Создать модель физических нагрузок на объект, созданный в предыдущих лабораторных работах.

Порядок выполнения работы

1. Назначить необходимые ограничения для всех деталей объекта.
2. Назначить материал для всех каждой детали.
3. Задать свойства соединений для назначенных ограничений.
4. Запустить симуляцию физических нагрузок.
5. Сделать скриншоты всех результатов, которые были перечислены в конце методических указаний.

Содержание отчёта

• сркиншот исходного объекта с назначенными текстурами материалов в режиме Assembly Design;
• скриншот объекта с указанными зафиксированными поверхностями и применёнными нагрузками в режиме Generative Structural Analysis;
• скриншот сетки объекта на первом кадре анимации деформирования;
• скриншот сетки объекта на последнем кадре анимации деформирования;
• скриншот распределения нагрузок на области и на точки;
• скриншот смещения точек под действием нагрузок.

Литература

1. Generative Structural Analysis. CATIADOC. – Электронный ресурс. URL: http://catiadoc.free.fr/online/estug_C2/estugsm.htm.
2. Introduction to Finite Element Analysis. Catia v5 Analysis – Student guide. – Электронный ресурс. URL: http://yvonet.florent.free.fr/SERVEUR/COURS%20C....
3. Pre-processing. Catia v5 Analysis – Student guide. – Электронный ресурс. URL: http://yvonet.florent.free.fr/SERVEUR/COURS%20C....
4. Computation. Catia v5 Analysis – Student guide. – Электронный ресурс. URL: http://yvonet.florent.free.fr/SERVEUR/COURS%20C....
5. Post-processing. Catia v5 Analysis – Student guide. – Электронный ресурс. URL: http://yvonet.florent.free.fr/SERVEUR/COURS%20C....
6. Assembly Structural Analysis. Catia v5 Analysis – Student guide. – Электронный ресурс. URL: http://yvonet.florent.free.fr/SERVEUR/COURS%20C....