Основы построения конечно-элементной сетки для прочностного анализа

Моделирование является важным инструментом для многих отраслей промышленности. По данным Grand View Research ожидается, что с 2021 по 2028 год мировой рынок программного обеспечения для моделирования будет расти с совокупным темпом годового роста 17,1%. Такой значительный рост связан с многочисленными преимуществами, которые получает бизнес, используя ПО для моделирования. Среди них – сокращение затрат на разработку продукции, физические испытания и бракованные физические прототипы.

Пример сетки для детали корпуса коробки передач

Построение конечно-элементной сетки

Построение сетки – один из важнейших этапов точного моделирования методом конечных элементов. Сетка состоит из элементов, содержащих узлы (координаты в пространстве, которые могут варьироваться в зависимости от типа элемента), формирующие геометрию. Решатель конечно-элементного анализа не может работать с неправильными формами. Гораздо лучше он работает с обычными формами, такими как кубы. Построение сетки – это процесс «превращения» неправильных форм в более правильные, называемые «элементами».

В начале процесса моделирования, перед созданием сетки, необходимо загрузить геометрию или CAD-модель, например, в Ansys Mechanical.

Как подготовить CAD-модель или геометрию к построению сетки

Например, к изделию может быть прикреплен шильдик, который не влияет на НДС изделия, поэтому его можно удалить из модели – это ускорит создание сетки и решение задачи.

Чтобы избежать выполнения потенциально ненужного анализа, с помощью Ansys SpaceСlaim шильдик был удален из геометрии

Еще одним важным аспектом подготовки CAD-модели является описание взаимосвязи между двумя или более частями геометрии. Например, если элементы геометрии имеют общие узлы или стороны (ребра), важно решить, будет ли это конформная или неконформная сетка. Конформная сетка используется для деталей, соединенных клеем или сварными швами. Неконформная сетка используется для деталей, соединенных, например, через шарнирное зацепление или контакт. В Ansys Mechanical вы можете смешивать эти подходы в соответствии с вашими потребностями.

Типы сетки: тетраэдрическая и гексаэдрическая

Существует два основных типа построения сетки. Поэтому обычно мы называем 3D-модели так:

• Сетка на основе тетраэдрических элементов, или «tet».
• Сетка на основе гексаэдрических (шестигранников) элементов, или «hex».

Построение сетки на основе гексаэдрических или «brick» элементов обычно дает более точные результаты при меньшем количестве элементов по сравнению с tet-элементами. Однако если речь идет о сложной геометрии, то лучше выбрать tet-элементы. Этих методов, доступных по умолчанию, может быть достаточно для того, чтобы достичь желаемого результата. Однако существуют дополнительные методы, которые позволяют получить больше контроля над сеткой.

Гибридная сетка

Геометрия трубного соединения, гибридная сетка, построенная в Ansys Mechanical

Сетка, построенная методом Sweep

При использовании метода Sweep сетка фактически «протягивает» объем и грани вдоль некой направляющей, что помогает построить регулярную сетку.

Выбор метода построения сетки обычно зависит от типа анализа (явного или неявного) или физики, с которой вы работаете, а также от уровня точности, которого нужно достичь. Существует несколько других вариантов – построение декартовой или тетраэдрической сетки. Они используются для специфических видов анализа, например в аддитивном производстве.

Элементы управления сеткой

Элементы управления сеткой позволяют получить более качественную сетку. Ansys Mechanical дает возможность выполнять локальную адаптацию сетки, в противовес работе с глобальным размером сетки. К элементам локального управления относятся: локальное изменение размеров, степень детализации геометрии на основе размера элементов, область адаптации и др.

Сетка, построенная для геометрии рамы мотоцикла, с отмеченными сварными соединениями

Почему важна качественная сетка?

Говоря простым языком, качественная сетка – это более точные результаты. Плохая сетка может вызвать трудности в достижении сходимости, что может привести к неправильным результатам и ложным выводам. Качество сетки зависит от нескольких аспектов:

• типа анализа, который вы выполняете;
• количества времени, которое вы готовы потратить на создание сетки;
• количества времени, которое вы готовы потратить на решение задачи.

В некоторых случаях вам может понадобиться быстрое решение. Тогда вы можете не тратить много времени на настройку сетки. В других случаях вам может понадобиться очень точный результат, что потребует некоторого времени и усилий на настройку сетки с помощью различных методов и элементов управления.

Хорошая сетка соответствует вашим критериям качества, зависящим от ваших потребностей (типа анализа, уровня точности, времени). Например, это могут быть качество элементов и соотношение сторон элементов. Мы рекомендуем хорошо разобраться в вашей геометрии и использовать элементы управления. В результате это приведет к улучшению конструкции изделия.

Узнать больше о работе с сеткой в Ansys Mechanical вы можете на вебинарах: