Nastran. Создание расчётной модели в Nastran

AutoCAD имеет две команды для создания двумерных областей из замкнутых контуров образованных линейными объектами (линии, полилинии, дуги, окружности).

Region - в этой команде надо выделять объекты образующие контур поверхности.

Boundary - в этой команде надо указать точку внутри замкнутого контура.

Линии и кривые контура одной области должны лежать в одной плоскости. Невозможно создать цилиндрическую поверхность. А также контур должен обязательно лежать в плоскости XY (если вы построили контур в другой плоскости, то поверните систему координат по линиям контура, например командой - поворот и перемещение ПСК по трём точкам ).

Области если они лежат в одной плоскости и соприкасаются можно вычитать , пересекать и объединять , этим можно воспользоваться, если область очень сложной формы, её можно собрать по частям, а так же при редактировании готовых областей (вычитать и добавлять).
Область при своем образовании попадает в текущий слой.

Проблема сшивки по узлам сетки конечных элементов на соприкасающихся областях-поверхностях в модели этого типа решается автоматически при объединении всех областей в одно тело в NASTRAN-е (происходит автоматическая сшивка поверхностей при объединении всех тел-областей в одно твёрдое тело). Поэтому складывайте модель из максимально больших по размеру плоских областей и не беспокойтесь о наличии общих ограничивающих вершин
соприкасающихся граней.

Возможны два способа создания геометрической модели:

1). Создать в одном слое пространственный каркас из линий и кривых. Для каждой будущей области должен просматриваться свой контур в одной плоскости. При этом одна линия может служить границей для двух областей. Далее входя в нужные слои, делаются по одной области путем выделения контура. Этот способ приемлем только для небольших моделей (или подсборок для второго способа).
Для этого способа желательно настроить системную переменную AutoCAD DelObj = 0, для неудаления линий при образовании области на их основе.

2). Однако удобней строить модель из отдельно сделанных заранее деталей (областей) или их сборок (можно объединять в блоки) с определённой долей унификации.
Все области должны соприкасаться или пересекаться, зазоры не допустимы. В противном случае в NASTRAN-е не произойдёт их объединение.

Есть ещё один способ получения областей - это взрывать твёрдые тела (3D Solid) и целые сборки из них (если они уже имеются в наличии), а затем стереть всё лишние поверхности. Из плоских поверхностей действительно хорошо получаются области, но не из криволинейных, из них получаются Body. NASTRAN и Body воспринимает и работает с ними хорошо. Однако плохо и непредсказуемо получается объединение цилиндрических Body с плоскими областями. Поэтому, лучше заменять их ломаными плоскими областями, или разбивать на конечные элементы, отдельно не объединяя с плоскими областями.

Далее надо экспортировать модель, то есть сохранить модель в формате *.sat, так как двумерная область определяется 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 модель.

Когда модель будет загружена надо объединить все поверхности (вернее тела) в единый объект (если деталей много то быстрее по времени получится, если объединять по частям, а затем и эти части объединить). Здесь в NASTRAN-е наблюдается интересная и полезная для нас странность.

Области AutoCAD превращаются в NASTRAN-е в плоские твёрдые тела (solid) и одновременно поверхности (surface) (точнее тела обладают поверхностями). То есть один объект обладает сразу двумя свойствами - поверхности и твердого объёмного тела. И этими двумя свойствами мы воспользуемся по очереди.

Поверхности объединить нельзя, но зато это можно сделать с телами (лишь бы они соприкасались или пересекались)!!! А зачем все объекты нужно объединить в один? Да затем, чтобы при автоматическом нанесении сетки конечных элементов на геометрию у неё не было разрывов (несшитая сетка), в противном случае произойдёт независимое разбиение каждой поверхности в отдельности и на линиях соприкосновения поверхностей (смежные грани) не будет совпадений узлов.
А вот при генерации элементов мы уже воспользуемся поверхностями.

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.

Сначала задайте материал и первое свойство для пластинок (остальные можно задать позже, так как при разбиении все элементы будут всё равно иметь только одно свойство).
Перед созданием конечно-элементной сетки необходимо указать размеры элементов. Для этой цели есть основная команда:
Default Size - размер по умолчанию. Указание ориентировочного размера элементов для всех геометрических объектов, кроме тех, для которых размер элементов определён особо.
Mesh -> Mesh control -> Default Size...

Size - средний размер элемента.
Min Elem - минимальное количество элементов на одном геометрическом объекте (поверхности).

Дополнительные (необязательные) команды позволяют изменять густоту сетки в отдельных местах модели (около точек или вдоль линий или в отдельно выбранных поверхностях).

Size At Point (Размер около точки) - указание размера элементов в окрестно¬сти одной или нескольких точек.
Mesh -> Mesh control -> Size At Point...

В начале всех линий, выходящих из выбранной точки, размер эле¬ментов равен 0,1, а на остальных линиях - по умолчанию. Можно указать не одну, а несколько точек. Для отмены размеров элементов в данной команде необходимо повторить ее, указать те же точки и задать размер равный нулю.

Size Along Curve (Размер вдоль кривой) - задание размера элементов вдоль од¬ной 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 кромках 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) зада¬ет 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 -> Surface... ->[ выбрать все поверхности -> OK ]->

Surface (Поверхность) - команда автоматического разбиения выбранных поверхностей на конечные элементы.
Min Elements Between Boundaries - минимальное число элементов между границами, по умолчанию равное единице; для длинных и узких поверхностей целесообразно увеличить данный параметр.
Max Element Aspect Ratio - максимальное соотношение размеров сторон элемента (длины к ширине); может быть задано в пределах 1...100:1. Желательно использовать меньшие значения (до 5... 10:1); в противном случае возможны  значительные искажения формы элементов.

Quick-Cut boundaries with more than ... nodes - быстрое разбиение на эле¬менты границ с числом узлов более указанного. Данная опция включается с целью сокращения времени разбиения длинных поверхностей. Ее отключение позволяет в некоторых случаях получить более качественное разбиение поверхностей, но за длительное время.

Установки раздела Mesh Smoothing (Сглаживание сетки) обеспечивают управление расположением узлов. В NASTRAN-е используются два способа изменения их взаимного расположения:

Laplacian (По Лапласу) - смещение узла к средней точке между соседними
узлами;

Centroidal (Центроидальное) - смещение узла к центру масс соседних элементов.

Выравнивание по Лапласу - более быстрый способ выравнивания и дает, как правило, наименьшие искажения формы элементов.

Процесс выравнивания по любому из данных способов является итерационным с перебором вариантов взаимной) расположения всех узлов и выполняется до тех пор, пока наибольшее расстояние смещения узлов станет меньше величины, ука¬занной в поле Smooth To, либо число итераций превысит максимальное, задаваемое в поле Max Iterations.

В разделе Element Shape (Форма элементов) указывается форма элементов: треугольная (All Triangles) или четырехугольная (Quads); в последнем случае задается допустимое угловое отклонение (искажение) внутренних углов элемента от 90° (по умолчанию допускается угол 60°, то есть внутренние углы элемента могут быть в пределах от 30° до 150°). Если данное условие выполнить не удается, формируются треугольные элементы.

Назначение элементам свойств.

Сделать все необходимые свойства.

Создать (сгенерировать) группы по свойствам (можно и отдельно «вручную» создать группы, но это дольше).
Group -> Operations -> Generate Property...

Теперь есть одинаковое число соответствующих друг другу свойств и групп.

Дальше предлагается два, к сожалению трудоёмких способа присвоения свойств элементам:

2.4.1. Просто выделять и присваивать, поворачивая модель различными сторонами.

2.4.2. Для переноса элементов в соответствующие группы надо воспользоваться связью поверхностей и элементов, образованных на этих поверхностях.

Делаем активной нужную группу. Затем выбираем поверхности связанные с элементами данного свойства, и они попадут в активную группу.
Group -> Element -> on Surface... -> [ выбрать все поверхности с элементами одного свойства -> OK ]

Так поступить со всеми группами.
Теперь легко с помощью выбора по группам присвоить элементам их свойства:
Modify -> Update Element -> Property ID... -> [ выбрать группу -> OK ] -> [ выбрать свойство -> OK ]



Пример геометрической модели

Пример конечно-элементной модели с локальным измельчением сетки