MSC Apex Modeler

Этап CAD-to-Mesh: подготовка расчетной модели в среде MSC Apex

Геометрическую модель в MSC Apex можно импортировать из всех широко распространенных CAD-систем (NX, CATIA V4, CATIA V5, SolidWorks, Inventor, Creo и др.) в их родном формате, либо в одном из стандартных обменных форматов – таких, как STEP, IGES, ACIS, STL или Parasolid. Помимо этого, геометрические модели определенного уровня сложности можно создать и встроенными средствами геометрического моделирования, используя инструменты эскизирования из панели Geometry Create. Разумеется, возможности создания геометрии в MSC Apex уступают тем, которые предоставляются в CAD-среде, однако их вполне достаточно для выполнения вспомогательных построений или редактирования уже существующей геометрии после импортирования модели.

Рассмотрим типовой сценарий подготовки геометрической модели и генерации конечно-элементной сетки. При этом обратим внимание на задействованные инструменты MSC Apex и на способ их применения.

Шаг 1. Автоматическое удаление конструктивных элементов заданного размера

Пользователь может вручную удалять такие геометрические конструктивные элементы, как скругления, фаски, цилиндрические поверхности и отверстия, используя инструмент Defeature. Однако, когда речь идет о поиске и удалении десятков, сотен и даже тысяч экземпляров таких элементов, индивидуальный подход уже не годится. Для этого в MSC Apex реализован инструмент Feature Identification (из группы Defeature), позволяющий пользователю задать критерии поиска геометрических конструктивных элементов на нужной части модели.

 

 

Шаг 2. Интерактивное построение срединных поверхностей

Для выполнения анализа конструкции геометрическую модель, представленную в виде сплошных объемных тел (то есть твердотельную), зачастую преобразовывают в поверхностную – путем создания срединных поверхностей. Практически всегда это оказывается достаточно сложным делом из-за особенностей трехмерной геометрии, поверхностей и их стыков сложной формы. Как следствие, возникают трудности при создании срединных поверхностей на таких участках 3D-модели. Возможностей традиционных простых инструментов создания срединных поверхностей порой уже бывает недостаточно – необходим целый комплекс интеллектуальных интерактивных инструментов, и MSC Apex таким комплексом обладает.

 

 

Инструменты создания срединных поверхностей включают:

  • Auto Offset – автоматизированное создание срединных поверхностей с индивидуальным выбором позиции поверхности;
  • Constant Thickness – массовое создание срединных поверхностей на объемных моделях с постоянной толщиной;
  • Distance Offset – индивидуальное указание величины отступа явным образом;
  • Taper Midsurface Creation – создание срединной поверхности на объемном ребре переменной толщины;
  • Upto Alignment – быстрое выравнивание одной поверхности в плоскость другой поверхности.

 

Шаг 3. Исправление поверхностей с помощью прямого редактирования геометрии

После создания набора срединных поверхностей далеко не все из них удается связать в единое оболочечное пространственное тело – между поверхностями могут оставаться зазоры. Это следствие работы простых алгоритмов создания срединных поверхностей (инструменты Incremental Midsurface фактически лишены такого недостатка, так как создают состыкованную по кромкам гладкую срединную поверхность). На этом этапе применяются средства прямого геометрического редактирования – Vertex/Edge Drag (свободное перетаскивание вершин и кромок геометрической модели с возможностью привязки к элементам геометрии) и Extend Surfaces (инструмент автоматического дотягивания срединных поверхностей до пересечения с прилегающими поверхностями с учетом требований пользователя).

 

 

Первый инструмент применяется в случае индивидуального локального редактирования геометрии – пользователь просто перетаскивает необходимую вершину или кромку на нужное место, геометрическая модель перестраивается автоматически. Второй инструмент больше подходит для массового дотягивания кромок срединных поверхностей до пересечения. Пользователю достаточно ввести лишь один параметр – максимальный зазор, в пределах которого кромки будут стыковаться. Все остальные рутинные операции берет на себя система MSC Apex: отыскивает удовлетворяющие критерию кромки, дотягивает их до пересечения с соответствующей поверхностью и осуществляет корректную стыковку.

 

 

 

Шаг 4. Построение КЭ-сетки и отображение параметров качества сетки

На этом этапе пользователь создает КЭ-сетку на основе выбранного типа, характерного размера элемента, предварительной разметки (Mesh Seed) и с учетом особенностей геометрии. Поддерживаются все основные типы конечных элементов: одномерные, двумерные (как линейные, так и квадратичные), трехмерные (как линейные, так и квадратичные). При этом можно задавать фиксированную плотность сетки на заданных участках, а также, используя инструмент Feature Mesh Settings, правила генерации КЭ-сетки с учетом распознанных геометрических конструктивных элементов в локальных зонах. Пользователь имеет возможность предварительно назначать поддиапазоны характерных параметров таких геометрических конструктивных элементов, как скругления, фаски, цилиндры, полуцилиндры, отверстия – система будет учитывать заданные требования при создании сетки и сформирует вблизи распознанных конструктивных элементов сетку с указанными параметрами. Так, например, можно потребовать от генератора сетки, чтобы вокруг отверстий диаметром от 6 до 9 мм по периметру создавалось 14 конечных элементов правильной формы в два ряда, и при этом для отверстий диаметром от 9 до 12 мм предусмотреть другие правила.

 

 

В результате применения такого подхода пользователь может сразу получить КЭ-сетку более высокого качества (особенно в зонах вероятной концентрации напряжений), что позволит существенно сократить период отладки модели.

Шаг 5. Завершение построения геометрической модели и генерация КЭ-сетки

Используя удобные интерактивные инструменты прямого редактирования геометрической модели – Vertex/Edge Drag (Перетаскивание вершин/кромок), Filler (Заполнение зазоров и вырезов в поверхностях), Stitch Surfaces (Стыковка поверхностей), Add/Remove Vertex (Добавление/удаление вершин) для дальнейшего улучшения геометрии, пользователь отлаживает модель, контролируя изменение качества КЭ-сетки после любых внесенных в геометрическую модель изменений. MSC Apex обладает уникальной возможностью синхронного перестроения сетки и одновременно отображения ее качества при любых вносимых пользователем коррективах. Зазоры и вытянутые поверхности могут быть легко удалены из модели, при этом сетка перестраивается автоматически.

 

 

Шаг 6. Автоматическое назначение толщин и отступов

После отладки модели и контроля качества КЭ-сетки наступает этап атрибутирования модели, то есть назначения свойств материалов, конечных элементов (толщин, отступов от плоскости узлов для оболочечных элементов). Помимо возможности задавать свойства индивидуально на отдельных фрагментах модели, пользователь может автоматизировать этот процесс, применив инструмент Auto Thickness для автоматического задания толщин и отступов оболочечных элементов. При этом MSC Apex автоматически назначает необходимые значения с учетом исходной объемной геометрии. Если участки исходной объемной модели имеют переменную толщину, пользователь может выбрать опцию назначения переменных толщин на соответствующих участках оболочечной модели. При этом толщины на оболочечной сетке назначаются индивидуально для каждого узла и являются переменными для каждого конечного элемента.

 

 

Далее построенная конечно-элементная модель (как для отдельных деталей, так и сборки в целом) может быть экспортирована в формате входного файла MSC Nastran (*.bdf). Экспортированная в формате Parasolid, отлаженная геометрическая модель и входной файл решателя позволяют продолжить работу в традиционной CAE-среде для завершения постановки задачи.

На сегодня существует уже немало примеров эффективного использования новой CAE-среды. Производительность труда инженера в некоторых случаях возрастает в пять и более раз, по сравнению с применением традиционных CAE-систем. Один из таких примеров приведен ниже.

 

 

На разработку CAE-модели конструкции авиационного силового шпангоута (подготовка геометрической модели и генерация КЭ-сетки), представленной на рисунке выше, с помощью традиционного подхода было затрачено 50 часов. При использовании MSC Apex Modeler данный процесс занял всего 5,5 часов и потребовал гораздо меньше усилий.

Этап подготовки геометрической модели и построения КЭ-сетки включал в себя четыре шага:

  • импорт геометрической модели из CAD-системы, чистка и “лечение” геометрии, то есть выявление проблемных участков модели (длинные вытянутые поверхности, короткие кромки, нестыковки кромок и т.п.) и их устранение;
  • упрощение геометрической модели, удаление мелких геометрических подробностей, ненужных для построения сетки;
  • создание срединных поверхностей и их стыковка;
  • генерация КЭ-сетки, оптимизация ее (с точки зрения качества), назначение толщин и отступов от плоскости узлов.