Nastran. Создание расчётной модели на основе геометрической модели из твердых тел

В AutoCAD-е необходимо создать твёрдотельную модель, но не следует делать объединение в единое тело или выдавливать за один раз слишком сложные профили, лучше сделать сборку из относительно простых деталей (да это и лучше с точки зрения дальнейшего редактирования), а объединение в одно тело произвести в NASTRAN-е (NASTRAN-у не «нравятся» слишком сложные твёрдые тела сделанные не им самим). Все тела должны обязательно соприкасаться или пересекаться иначе не получится объединения.
Если у вас уже имеется модель из двумерных областей, то её очень легко преобразовать в твёрдотельную с помощью команды AutoCAD выдавить (extrude) . Делаются две разнесённые копии, одна из них выдавливается на половину толщины со знаком плюс, вторая - со знаком минус. Затем совмещаются и объединяются. Выдавливание осуществляется сразу для всей модели (не выделять по одному). Однако если толщины разные, то все процедуры надо повторять для каждого слоя в отдельности.
Далее надо экспортировать модель, то есть сохранить модель в формате *.sat, так как твёрдые тела определяются как ACIS-объект. ACIS - формат файлов для геометрического ядра твердотельного моделирования, *. sat - расширение файлов формата ACIS. В AutoCAD-е:
Файл -> Экспорт... -> ACIS (*. Sat)

Однако если у вас AutoCAD более поздней версии чем AutoCAD2000, то необходимо перед экспортом установить старую версию ACIS-4.0 c помощью системной переменной AcisOutVer = 40.
Импорт твёрдотельной геометрии в NASTRAN-е происходит без распознавания слоёв. Поэтому если есть необходимость разделения модели на несколько частей импортируйте раздельно-последовательно все части в один файл.

Импорт геометрии

File -> Import -> Geometry...
Перечислим пункты диалогового окна, которые необходимо изменить (остальное оставить как есть).
Geometry Scale Factor - масштабный коэффициент. Если коэф. = 1 то модель останется в тех же единицах, в которых был сохранён файл *.sat. Если модель создавалась в AutoCAD в мм, а в NASTRAN-е её надо перевести в м, то коэф. = 0,001.
Layer - укажите номер слоя в который надо поместить импортируемую часть модели, для возможности последующего выбора если в файле.mod уже присутствует модель.

Затем надо объединить все импортированные тела в одно тело (если деталей много то быстрее по времени получится, если объединять по частям, а затем и эти части объединить).
Если тела не соприкасаются или не пересекаются между собой, то их объединение не происходит (придется возвращаться в AutoCAD и исправлять ошибку-зазор).
Итак, объединяем все тела:
Geometry -> Solid -> Add... -> [ Select All -> OK ]
Иногда полное объединение за один раз не происходит, тогда надо присоединять по одному телу к уже полученному единству.
При объединении исходные тела и поверхности исчезают, тело становится одно, а поверхности возникают уже на новом теле.

Создание конечно-элементной сетки

Default Size (Mesh -> Mesh control -> Default Size...) - размер по умолчанию при работе с твёрдыми телами заполнять не нужно.

В интересующих вас местах можно сгустить сетку конечных элементов, для этого существуют следующие команды (их можно пропустить).
Дополнительные (необязательные) команды позволяют изменять густоту сетки в отдельных местах модели (вдоль линий или в отдельно выбранных поверхностях) (Размер около точки почему-то не получается).
Size Along Curve (Размер вдоль кривой) - задание размера элементов вдоль одной или нескольких выбранных линий. При выполнении команды необходимо выбрать одну или несколько линий, вдоль которых необходимо изменить размер элементов, выставленный по умолчанию.
Mesh -> Mesh control -> Size Along Curve...

Размер элементов можно задать двумя способами: указанием их числа в поле Number of Elements или размера после включения опции Element Size с возможными дополнительными установками (в последнем случае - указанием минимального числа элементов на линиях Min Elem on Lines, на замкнутых и других кром¬ках Min Elem on Closed Edges и Min Elem on Other Edges соответственно).

Кнопка Reset (Переустановить) служит для отмены ранее установленных размеров элементов на линиях с помощью команды Size Along at Curve. Для этого нужно повторно выбрать данную команду, указать линии, на которых был задан размер элементов, и в панели нажать кнопки Reset и ОК.

Size On Surface (Размер на поверхности) - указание размера элементов на одной или нескольких выбранных поверхностях.
Mesh -> Mesh control -> Size On Surface...

В поле Element Size (Размер элементов) задается размер элементов. Включение опции Replace Mesh Sizes on All Curves (Заменить размер сетки на всех кривых) позволяет обновить размер сетки на всех линиях контура поверхностей включая и те, для которых ранее был установлен размер элементов. Минимальное число элементов на кромках поверхностей указывается в поле Min Elements on Edge. Параметр Max Angle Tolerance (Максимальный допустимый угол) задает допустимую величину угла между касательной к граничной кривой в точке, где будет расположен узел, и секущей, проведенной от него к соседнему. Max Elem on Small Feature (Максимальное число элементов вблизи особенностей) и Max Size of Small Feature (Максимальный размер элемента вблизи особенности) управляют количеством и размерами элементов в окрестности геометрических особенностей поверхности. Включение опции Mapped Meshing Refinement (Измельчение сетки) позволяет получить одинаковое число узлов на противоположных сторонах четырёхсторонней поверхности.

После задания размеров конечно-элементной сетки можно приступить к автоматическому разбиению поверхностей на конечные элементы.
Mesh -> Geometry -> Solids...->

В этом диалоговом окне лучше ничего не трогать. Единственно, что можно изменить это Element Size-средний размер элемента разбиения. Интересно то, что он сам оптимально определяется для каждой конкретной модели (максимально большой удовлетворительный). Для большей точности вычислений его можно уменьшить, но тогда возрастет количество элементов и время решения.

Element Size - Размер элемента
Replace Mesh Sizes on All Curves - Заменять размеры элементов на всех кривых
Min Elements on Edge - Минимальное число элементов на грани
Max Angle Tolerance - Максимальный угол (между узлами)
Max Elem on Small Feature (Max Size of Small Feature) - Максимальное число элементов и их размер в окрестности геометрических особенностей
Mapped Meshing Refinement - Корректировка сетки (на сложных участках)

Далее появится окно задания материала. Заполните.
После этого необходимо задать свойство (тип элемента)- Solid (кнопка-New Prop...). Сделать это надо обязательно, так как иногда по умолчанию вставляется элемент- PLOT PLANAR (плоские элементы).

Элементы-PLOT PLANAR появляются в любом случае (даже если волевым порядком назначили Solid) если модели для нормального разбиения требуются более мелкие элементы. Поэтому выход из этой ситуации такой: уменьшите Element Size и Max Size of Small Feature раза в два и ещё раз попробуйте (а чтобы модель не стала слишком большой можно отключить Midside Nodes, так как именно от числа узлов зависит время расчета. Правда при этом немного пострадает точность расчета).

Опция Surface Mesh Only означает разбиение на конечные элементы только поверхности твердого тела; она используется при создании твердотельных элементов на основе поверхностных разбиения поверхности. Выключим данную опцию.
Весьма важной является опция Midside Nodes (Промежуточные узлы на сторонах). Если она выключена, то в расчетах используются линейные функции формы элемента, что приводит к существенным погрешностям; при включенной опции будут сформированы дополнительные узлы на сторонах тетраэдральных элементов (10-узловые элементы) и использована квадратичная аппроксимация для их функций формы. В целях обеспечения необходимой точности расчета рекомендуется всегда включать данную опцию, хотя при этом существенно увеличивается размерность матрицы жесткости конструкции и соответственно возрастает время счета.
Параметр Tet Growth Ratio (Коэффициент роста размеров тетраэдра) позволяет управлять размерами формируемых элементов внутри тела по сравнению с их размерами на поверхности. Если данный коэффициент равен единице, то средние размеры элементов на поверхности и внутри тела будут приблизительно одинаковыми; если меньше единицы (минимум - 0.5), то размер элементов внутри тела будет меньше, чем на поверхности, если больше единицы (максимум 100), то внутренние элементы будут больше.

Всё модель готова.
Не забудьте удалить лишние свойства (возникает автоматически по умолчанию).

Пример твёрдотельной геометрической модели

Пример конечно-элементной модели из трёхмерных конечных элементов

Модель из нескольких необъединённых твёрдых тел

Бывают случаи, когда все твёрдые тела модели не желательно объединять в одно тело. Во-первых, если модель очень большая, то лучше разбивать её на конечные элементы по частям. Во-вторых, иногда одно большое тело (или тело не важное в расчёте) надо разбить на крупные элементы, а присоединённое к нему малое тело - на мелкие элементы.
Возникают и такие задачи, когда внутри грани тела нужно создать поверхность сложной формы с целью дальнейшего приложения к ней нагрузки или закрепления. И ещё, иногда в определённом месте грани на площади нужной формы хочется сгустить сеть элементов.
Все эти проблемы можно решить в AutoCAD-е если воспользоваться командой редактирования тел «создание клейма на грани тела» _solidedit _body _imprint. Эта команда создаёт отпечаток в виде отдельной врезанной в грань тела поверхности-области. В качестве клейма могут выступать: грань другого тела; область; контур, созданным линиями дугами и т. д.

Разберём задачу стыковки твёрдых тел.
Тела должны стыковаться по одинаковым по форме поверхностям и с одинаковым размером сетки на обеих поверхностях.
В AutoCAD-е в месте стыка сделайте отпечаток.
NASTRAN-е после импорта объедините все тела кроме тел которые должны быть раздельными.
1. Сначала назначьте каждому телу свою сеть с нужным размером

Mesh -> Mesh control -> Size On Solid...

и так далее.

2. Далее назначьте всем стыковым поверхностям (не забывайте в каждом стыке по две поверхности и выделять нужно дважды) сеть с нужным размером у каждого стыка
Mesh -> Mesh control -> Size On Surface...

На вопрос «Обновить размер сети?» ответить ДА (Yes)

3. Далее переходим к автоматическому разбиению поверхностей на конечные элементы

Mesh -> Geometry -> Solids...

Если модель не очень большая, то за один раз выберите все тела Select All
Если модель большая, то за один раз выбирайте по одному телу.

На вопрос «Обновить размер сети?» ответить НЕТ (No)
Далее как обычно.

4. После разбиения на конечные элементы необходимо объединить совпадающие узлы стыковых поверхностей. Команда объединения узлов

Tool -> Check -> Coincident Nodes...