Analizy wytrzymałościowe konstrukcji (analizy MES) polegają na przewidywaniu poziomu naprężeń oraz odkształceń układu w zależności od typu obciążeń, sposobu umocowania oraz parametrów materiałowych konstrukcji. Dzięki temu można przewidzieć, czy zaprojektowana konstrukcja cechuje się dostateczną wytrzymałością oraz, czy materiał, z którego jest skonstruowana, jest wykorzystany w sposób ekonomiczny.
Większość struktur, ze względu na swoją złożoność geometryczną, wymaga zastosowania metod komputerowych. Najpowszechniejszą metodą jest Metoda Elementów Skończonych (MES, ang. Finite Element Method, FEM), w której obiekt dzielony jest na wiele prostszych kawałków (elementów skończonych). Wzajemne oddziaływania mechaniczne tych elementów są celem naszych obliczeń i są wyznaczane w przybliżony sposób komputerowo.
Korzyści z analizy MES:
- możliwość określenia krytycznych punktów konstrukcji, w tym miejsc koncentracji naprężeń
- minimalizacja kosztu materiałów użytych do wykonania struktury
- optymalizacja kształtu konstrukcji w celu zmniejszenia wytężenia ustroju
Analizy MES, które oferuje QuickerSim:
- analizy statyczne liniowe
- analizy termiczne (naprężenia powstałe od przemieszczeń termicznych)
- analizy nieliniowe (duże deformacje, kontakt, plastyczność)
- analizy sprzężone z modelowanie ruchu płynów CFD (tzw. Fluid Structure Interaction, FSI)
- analizy optymalizacyjne
Oferujemy analizy jako niezależne usługi konsultingowe oraz jako część bardziej kompleksowych projektów.
Jakim oprogramowaniem wykonujemy obliczenia MES?
Korzystamy z oprogramowania uznanych producentów (Dassault Systems Solid Works , Altair Hyperworks Hypermesh, MATLAB PDE Toolbox) a także z oprogramowania OpenSource (GMSH do generacji siatek, Paraview w celu postprocessingu). W razie konieczności, dla zadań nietypowych tworzymy własne skrypty obliczeniowe. W zagadnieniach optymalizacyjnych posługujemy się szeregiem wyrafinowanych algorytmów takich jak algorytmy gradientowe, równania sprzężone oraz dedykowane pakiety optymalizacyjne (MATLAB Optimization Toolbox, NLopt).
Jak przebiega analiza wytrzymałościowa?
Analiza MES polega na wykonaniu komputerowych obliczeń wytrzymałościowych w oparciu o tzw. zdyskretyzowany komputerowy model struktury. W pierwszej kolejności na podstawie modelu CAD generuje się siatkę obliczeniową (tzw. mesh) czyli właśnie dokonuje się podziału konstrukcji na elementy skończone. Następnie nakłada się warunki brzegowe czyli definiuje sposób umocowania (przesuwny, wspornikowy, swobodny itp.) oraz dodatkowe więzy (np. kontakt, maksymalne przesunięcia) konstrukcji. Po tym procesie określa się obciążenie struktury: punkty przyłożenia sił, siły masowe (ciężar, bezwładność, siła odśrodkowa).Tak przygotowany model obliczeniowy podaje się do solwera. Solwer to program, który rozwiązuje skomplikowany algebraicznego układu równań MES tym samym generując pola naprężeń i odkształceń a także inne dodatkowe informacje. Oceny wyników dokonujemy w programie do postprocessingu.W przypadku projektów optymalizacyjnych wiele z powyższych zadań jest wykonywana wielokrotnie: konieczne jest wykonanie modyfikacji wejściowej geometrii tak, by naprężenia było ostatecznie mniejsze albo bardziej jednorodne. W zależności od złożoności problemu, te zadania mogą być wykonane przez inżyniera albo w sposób automatyczny. Stosuje się wówczas wyrafinowane algorytmy oparte o np. metody gradientowe albo tzw. równania sprzężone
USER STORY
W ramach kompleksowego projektu mikroturbiny gazowej dla Instytutu Technicznego Wojsk Lotniczych QuickerSim wykonał również szereg analiz wytrzymałościowych przewidujących poziom obciążeń wygenerowanych przez siły odśrodkowe w trakcie pracy turbiny. Ze względu na ogromna prędkość obrotową (kilkadziesiąt tysięcy obr./min), naprężenia sięgały kilkuset megapaskali. Krytycznie wytężonym regionem (ze względu na koncentracje naprężeń) okazał się styk krawędzi spływu z pierścieniem wewnętrznym wieńca. Rozwiązaniem tego problemu okazało się minimalne zaokrąglenie obszaru styku. Ze względu na nieduży rozmiar przestrzeni międzywieńcowej każda modyfikacja kształtu łopatek groziła pogorszeniem osiągów turbiny toteż zaokrąglenie musiało by tak małe, jak tylko możliwe. Tylko analiza MES była w stanie odpowiedzieć na pytanie, jaki jest minimalny konieczny rozmiar zaokrąglenia
 |
  |
| Rys. 1 Koncentracja naprężeń blisko połączenia krawędzi spływu łopatek z pierścieniem wewnętrznym wirnika turbiny | Rys. 2 Podcięte i zaokrąglone połączenie łopatek z pierścieniem turbiny – widoki przednie i tylne |