Численное моделирование все более широко используется для исследования процессов, происходящих в сложных элементах конструкций. Применение численных методов позволяет снизить затраты на экспериментальные исследования и доводку изделий, делая возможным более глубокий, чем раньше, анализ функционирования конструкции и позволяя рассмотреть большое количество вариантов реализации конструкции.
Благодаря совершенствованию вычислительной техники и информационных технологий расширяется использование технологий численного моделирования анализа напряженно-деформированного состояния (НДС) деталей и узлов.
Вместе с тем использование современных вычислительных технологий для расчета НДС сложных конструкций в упругой области может приводить к неправильным результатам при несоблюдении ряда требований к используемому программному обеспечению компьютерного моделирования (ПО КМ) НДС сложных конструкций.
Накопленный в настоящее время опыт применения ПО для анализа в упругой области НДС сложных конструкций позволяет сформулировать общие требования к ПО и постановке задачи численного моделирования, выполнение которых должно обеспечить достоверность получаемых решений, что и является целью настоящего стандарта.
Установленные в настоящем стандарте правила сформулированы для проверки применимости ПО для исследования НДС сложных конструкций в упругой области, верификации и валидации моделей, и распространяются на задачи исследования НДС конструкций любой степени сложности, изготовленных из изотропных материалов с линейно-упругими свойствами, при статических нагрузках, и не распространяются на конструкции из материалов с нелинейно-упругим поведением, а также из анизотропных, композиционных и полимерных материалов.
Ознакомиться с полной версией настоящего стандарта вы можете по ссылке ГОСТ Р 57700.10-2018. Здесь же мы приведем полезную, на наш взгляд, выжимку по части требований к КЭМ, на которые можно ссылаться при верификации расчетной модели.
Требования к конечно-элементным моделям сложных элементов конструкций для численного моделирования НДС в упругой области
Используемая для моделирования численными методами конечно-элементная модель должна соответствовать следующим требованиям:
Не допускается при генерации КЭМ с применением трехмерных твердотельных элементов использовать для тонкостенных конструкций менее трех элементов по толщине.
Допускается использовать пластинчатые или оболочечные элементы.
Нежелательно использовать треугольные и тетраэдральные элементы первого порядка при проведении численного моделирования в 2D- и 3D-постановках соответственно.
Рекомендуется использовать элементы второго порядка (с промежуточными узлами). Использование элементов первого порядка возможно при обосновании допустимости применения таких элементов для данной задачи.
Необходимо использовать контактные элементы для учета взаимодействия нескольких геометрических тел в рамках одной численной модели.
Допускается для сокращения времени расчетов применять модели меньшей размерности [0D (сосредоточенная масса) 1D и 2D], если это соответствует физической сущности задачи.
Допускается использовать условия циклического или периодического типов симметрии для уменьшения расчетной области и сокращения временных затрат, если объект обладает такими свойствами.
При подготовке к построению КЭМ геометрическая модель должна быть предварительно проверена на наличие дефектов, необъясняемых конструктивным обликом геометрической модели: поверхностей с острыми углами, геометрических объектов существенно меньшего размера по сравнению с габаритами модели, разрывов в непрерывности и т.д. При наличии указанных дефектов должна быть проведена коррекция геометрической модели.
Допускается упрощать геометрическую модель для ускорения генерации сетки (например, проводить операции по удалению фасок и галтелей, объединению линий и поверхностей). Эти операции не должны приводить к изменению НДС в "критических местах" рассматриваемых конструкций. Рекомендуется проводить сравнительные расчеты при принятии решений по упрощению геометрической модели.
Для построения КЭМ надлежащего качества над геометрическими моделями помимо коррекции и упрощения должны быть проведены действия по разделению геометрической модели на объемы упрощенной формы. Рекомендуется выделять части геометрической модели, на базе которых может быть сгенерирована упорядоченная сетка (в том числе методом протяжки), в отдельные объемы. Топология смежных объемов при их разделении должна быть сохранена. То есть количество вершин, граней и поверхностей на общей границе должно совпадать. Должна выполняться проверка твердотельной модели на наличие сдвоенных поверхностей и линий.
Допускается для построения КЭМ использовать сторонние сеточные генераторы при соблюдении требований к геометрии и проведении сравнительных численных исследований влияния импорта/экспорта геометрических моделей и КЭМ на результат.
Допускается для построения КЭМ использовать сторонние сеточные генераторы при соблюдении требований к геометрии и проведении сравнительных численных исследований влияния импорта/экспорта геометрических моделей и КЭМ на результат.
Критерии, основанные на геометрическом совершенстве элементов
Критерии, основанные на исследовании изменения напряжений в узле в смежных элементах
Критерии, основанные на исследовании зависимости напряжений от количества элементов
Расчетная модель должна удовлетворять следующим требованиям