Разработка и апробация «метода Микеланджело»

Валерий Сатокин
Ведущий инженер, Государственное предприятие «Конструкторское бюро «Южное» им. М.К. Янгеля

Введение

Классическая схема построения конечно­элементной модели основана на принципе «от линий к объемам». Для построения регулярной конечно­элементной модели на примере модели корпусов фильтров был разработан и использован  «метод Микеланджело», смысл которого заключается в построении «от объемов к линиям».

Конструкция корпусов фильтров представляет собой пространственную коробчатую структуру. Построение регулярной сетки конечных элементов позволяет добиться значительного снижения количества конечных элементов в модели по сравнению со свободной сеткой, а также сокращения времени расчета.

Постановка задачи

Основной проблемой при численном моделировании является построение максимально реалистичной модели. CAD­системы на современном этапе развития позволяют компоновать максимально реалистичные сборки, но они имеют существенный недостаток — нефизичность. Трехмерное моделирование в CAD­системах позволяет создать модель, максимально пригодную для выпуска чертежей. Данные модели для конечно­элементного моделирования в специализированных комплексах малоприменимы.

Для конечно­элементного анализа необходимы ответные поверхности при соединении сборки, тело сварных швов, контроль за количеством образующих и пересечений деталей и булева точность линий и точек соединяемых деталей. Поэтому зачастую инженерам приходится дублировать работу конструктора и выполнять полное моделирование сборки или в CAD­системах (с учетом изложенных выше требований), или в самом комплексе конечно­элементного анализа.

Численное моделирование

Использование при моделировании в системах конечно­элементного анализа булевых операций обеспечивает максимальный контроль всех размерных параметров. Кроме того, это позволяет, при необходимости, максимально упростить процесс разъединения на детали.

Когда Микеланджело спросили, как он создает свои скульптурные шедевры, он ответил: «Я просто беру камень и убираю все лишнее». Именно этот метод — «метод Микеланджело»  — лежит в основе предложенного способа моделирования конструкций в конечно­элементных системах.

На рис. 1 представлена исходная модель фильтра, построенная в CAD­системе с учетом инженерных требований. Фланцы фильтра, как элементы вращения, построены, а вместо остальной конструкции — «камень».

Теперь, имея чертежи, мы будем «убирать лишнее», разрезая камень рабочими поверхностями в нужных местах.

На рис. 2­14 представлена эволюция модели фильтра. Мы разрезаем исходную модель поверхностями в тех местах, где эти поверхности будут в готовой конструкции, и удаляем неиспользуемые куски в процессе моделирования.

Итогом моделирования является регулярная конструкция, построенная с применением булевых операций.

Рис. 1

Рис. 2

Рис. 3

Рис. 4

Рис. 5

Рис. 6

На рис. 15 представлена итоговая конечно­элементная модель корпуса фильтра,  содержащая 100 тыс. элементов типа SOLID.

Модель фильтра, построенная конструкторами в CAD­системе и переданная в конечно­элементную среду, не позволила создать полную сборку в ANSYS вследствие геометрических нестыковок конструкции, поэтому ее анализ проводился поэлементно. Общее количество элементов составило 1,5 млн объемных элементов типа SOLID, что не позволило бы просчитать такую систему целиком на 32­разрядном компьютере.

Время создания регулярной модели корпуса фильтра с использованием «метода Микеланджело» составило 8 часов, а время счета не превысило минуты. Указанные временные характеристики моделирования аналогичны времени на моделирование и расчет конструкции, переданной из CAD­системы.

Рис. 7

Рис. 8

Рис. 9

Выводы

Применение «метода Микеланджело» позволяет добиться значительного снижения количества конечных элементов модели и построить регулярную сетку. Построенная по данному методу модель упрощает процесс приложения силовых нагрузок и дает возможность прикладывать тепловые нагрузки непосредственно к модели, а не заниматься тепловым расчетом для их реализации.

Использование «метода Микеланджело» особенно эффективно при проектировании ячеистых и сотовых структур, испытывающих температурное нагружение.

Рис. 10

Рис. 11

Рис. 12

Рис. 13

Рис. 14

Рис. 15

САПР и графика 7`2013