Univerzální pre- a postprocesory v oblasti FEM výpočtů

Tags: FEM procesory | MKP | Software | Výpočty

Proces řešení libovolné MKP úlohy můžeme obecně rozdělit do tří základních částí – preprocesing, procesing na postprocesing. Takováto klasifikace platí pro každou úlohu, bez ohledu na typ použitého softwaru a rozsah řešené úlohy. Fáze preprocesingu je pro realizaci FEM výpočtu klíčová. V rámci ní dochází k definování pro výpočet rozhodujících parametrů, jako jsou geometrické charakteristiky modelu, okrajové podmínky (např. vetknutí, silové zatížení, atd. ), definování materiálových charakteristik a generování sítě konečných prvků.

Téměř každý výpočetní nástroj na bázi FEM má pro fázi preprocesingu vyvinutý vlastní program, který umožňuje realizaci tvorby výpočtového modelu. Zvládnutí jednotlivých příkazů a postupů v preprocesoru může být tak z časového hlediska někdy více, někdy méně náročné. Podobná situace se opakuje i ve fázi vyhodnocování výpočtů.

Fáze postprocesingu vyžaduje, aby byla realizována takovými prostředky, které poskytují dostatečné informace o výsledcích jednotlivých výpočtů. Kromě vizualizace pomocí barevné škály je třeba z výsledků často extrahovat pouze konkrétní části výpočtů, případně je prezentovat ve formě grafů a tabulek.

Obr. 1 Ukázka prostředí preprocesoru v programu Ansa (1)

Inženýrská praxe v mnoha případech vyžaduje, aby FEM výpočty byly realizovány prostřednictvím několika softwarů. Zvládnutí práce s nimi na dostatečné odborné úrovni však není jednoduchou záležitostí. V globálu jde o náročný a dlouhodobý proces systematického učení a zdokonalování se.

S rozšiřováním využívání výpočetních nástrojů založených na FEM se proto stále více do popředí dostával požadavek na softwarové nástroje, které by umožnily vytvoření výpočetního modelu pro několik různých FEM řešičů (procesorů). Postupně tak byla vytvořena kategorie univerzálních preprocesorů a postprocesorů pro potřeby FEM analýz a výpočtů.

Pre- a postprocesory v inženýrské praxi

Univerzální pre- a postprocesory jsou v dnešní době stále více využívány v oblasti FEM výpočtů. V kombinaci s jednotlivými FEM programy poskytují silný analytický nástroj, který umožňuje realizaci širokého spektra inženýrských úloh.

V praxi se setkáváme buď s komplexním řešením pro postprocesing a procesing jedním softwarovým nástrojem, nebo existují dva oddělené nástroje od stejného výrobce, přičemž jeden je určen na preprocesing a druhý na postprocesing. V současnosti mezi nejznámější zástupce této kategorie softwarů patří BetaCAE Ansa/ μETA, Altair HyperWorks, Femap, Medina a MSC Patran.

Beta CAE Ansa preprocesor a μETA postprocesor

Beta CAE Ansa je multidisciplinární CAE preprocesor, který umožňuje tvorbu výpočtových modelů pro různé FEM programy. Program pracuje se soubory obsahujícími geometrii vytvořenou v různých CAD programech (Catia, Creo, SolidWorks, Inventor, apod.). Preprocesor sám také umožňuje tvorbu geometrie výpočetního modelu. Pro zefektivnění práce je možné v rámci programu použít skriptování, jehož cílem je zefektivnění automatizace opakujících se kroků. Preprocesor dále nabízí velmi kvalitní algoritmy pro generování sítě konečných prvků.

μETA postprocesor umožňuje analyzovat výsledky strukturálních a CFD úloh. Obsahuje funkce, které ho předurčují k využívání např. v oblasti automobilového a leteckého průmyslu. Nabízí velmi efektivní prezentaci výsledků v kombinaci s videozáznamy analyzovaných procesů. Umožňuje tvorbu výpočtových modelů pro FEM programy Nastran, LS-Dyna, Pamcrash, Radioss, Abaqus/Standard, Abaqus/Explicit, Permas a Ansys.

Altair HyperWorks –HyperMesh, Altair HyperView

Altair HyperMesh je preprocesor určený především pro tvorbu velkých výpočetních modelů pro potřeby analýzy FEM pomocí více programů. Program umožňuje generovat sítě konečných prvků, které se vyznačují velkou přesností.

Obr. 2 Ukázka prostředí postprocesingu v programu Altair HyperMesh (2)

Algoritmus generování sítě ze skořepinových a objemových konečných prvků poskytuje plnou úroveň kontroly nad celým procesem díky možnosti definování různých parametrů, případně může být realizována v automatickém režimu. HyperMesh umožňuje generovat speciální sítě, jako např. SPH, NVH nebo CFD.

Výpočtové modely vytvořené pomocí Altair HyperMesh je možné exportovat do celé řady formátů určených pro výpočet pomocí programů Ansys, Abaqus, LS-Dyna, Radioss, MSC MArc, Nastran.

Altair HyperView je postprocesor pro kompletní prezentaci výsledků FEM výpočtů, extrahování dat a 3D animaci vypočtených napěťově-deformačních stavů ze širokého spektra FEM programů – Radioss, OptiStruct, MotionSolve, Abaqus, LS-Dyna, Nastran, Ansys, Pamcrash, Adams, Madymo, Dads, Simpack, Moldflow, Marc, Nike3D, LLNL Dyna.

Femap

Femap je pokročilý výkonný preprocesor pro tvorbu výpočetních modelů a postprocesor pro analýzu výsledků jednotlivých výpočtů. Program umožňuje tvorbu výpočtových modelů pro nejznámější a nejpoužívanější FEM programy jako NX Nastran, NEiNastran, MSC/MDNastran, Abaqus, Ansys, MSC.Marc, LS-Dyna, Sinda a TMG. Zároveň také umožňuje vyhodnocování výsledků výpočtů prováděných pomocí těchto programů.

Obr. 3 Ukázka prostředí postprocesoru Femap (3)

Program umožňuje při tvorbě modelů využívat geometrii vytvořenou pomocí širokého spektra CAD programů, jako jsou Pro/Engineer, Creo, Catia, NX, NX I-deas, Solid Edge, AutoCAD a Solid Works. (X)
Program se používá v procesu vývoje komplexních řešení, jako jsou letadla, automobily, satelity, elektronika, těžká technika, námořní technika apod.

Medina

Medina je dalším z řady pre- a postprocesorů, které se stále efektivněji uplatňují v inženýrské praxi. Počátky jeho vývoje sahají do roku 1990. Kromě běžných vlastností, jakou například je možnost importu geometrie v různých typech formátů (např. Catia, IGES, VDA apod.), umožňuje opravovat různé chyby v podobě malých mezer nebo dodatečnou úpravu vnějších hran geometrických modelů.

V rámci preprocesingu umožňuje program generování kvalitních sítí konečných prvků, přičemž je možné vybírat z více typů konečných prvků. Pro generování sítě konečných prvků má program několik implementovaných typů algoritmů. Program umožňuje přípravu výpočtových modelů pro několik FEM programů. Jde především o řešení problémů z oblasti crash testů automobilů, bezpečnosti cestujících, vibrací apod. Postprocesing výpočtů je možné provést z výpočtů realizovaných FEM nástroji, jako jsou např. Nastran, Pamcrash, Abaqus, Ansys.

Obr. 4 Ukázka prostředí preprocesoru Medina (4)

MSC Patran

MSC Patran je známý pre- a postprocesor pro oblast FEM výpočtů. Umožňuje vytvářet modely pro programy MSC Nastran, Marc, Abaqus, LS-Dyna, Ansys a Pamcrash. Jeho pomocí je možné vytvářet úlohy z oblasti lineárních, nelineárních, explicitních a termálních výpočtů. Program se využívá v různých inženýrských oborech. V rámci tvorby výpočetního modelu umožňuje odstraňování různých geometrických defektů, které vznikly v důsledku přenosu geometrie z CAD softwaru. Generování sítí konečných prvků je možné realizovat automaticky nebo manuálním nastavením jednotlivých parametrů.

Obr. 5 Ukázka prostředí preprocesoru MSC Patran (5)

Aplikace preprocesoru při tvorbě modelu ocelového lana pro výpočet v programu Abaqus

V rámci výzkumu problematiky dopravních zařízení na F BERG TU v Košicích byl ve spolupráci dalšími univerzitními pracovišti vytvořen výpočtový model drátového ocelového lana, které slouží jako nosný prvek dopravní trasy hadicového dopravníku.

Při tvorbě základní geometrie modelu byl použit CAD systém Creo Parametric 2.0. V uvedeném CAD systému jsme pomocí parametrických rovnic vytvořili části jednotlivých drátů ocelového lana. Následně byly postupně z drátů vytvářeny sestavy příslušných vrstev ocelového lana. V závěrečném kroku jsme z vytvořených vrstev sestavili model ocelového lana.

Pro FEM analýzu drátového ocelového lana byl vybrán program Abaqus. Tvorba výpočetního modelu však byla realizována pomocí preprocesoru Beta CAE Ansa a Altair HyperWorks – HyperMesh. Cílem bylo ověřit vhodnost preprocesorů pro tvorbu výpočtových modelů.

Načtení základní geometrie modelů ocelového lana do preprocesoru Beta CAE Ansa bylo realizováno pomocí univerzálního formátu parasolid. Následně následovala realizace standardních kroků, v jejichž rámci byly definovány materiálové charakteristiky, okrajové podmínky, kontaktní dvojice a zatížení v axiálním a normálovém směru.

Posledním krokem při tvorbě výpočetního modelu ocelového lana v preprocesoru Beta CAE Ansa bylo vygenerování sítě konečných prvků.

Jelikož ocelové lano představuje z hlediska výpočtu úlohu náročnou na kontakt, byl právě zvýšený důraz kladen na výslednou kvalitu vygenerované sítě konečných prvků. V rámci této fáze bylo zkušebně vygenerováno několik variant sítě konečných prvků (obr. 6).

Obr. 6 Příklady vygenerované sítě konečných prvků

Identický postup byl realizován i při tvorbě výpočetního modelu prostřednictvím druhého ověřovaného preprocesoru Altair HyperMesh. Při tvorbě výpočetního modelu jsme však postupovali odlišně než v předchozím případě. Do preprocesoru jsme načetli geometrii pomocí univerzálního formátu parasolid. Následně jsme vygenerovali síť konečných prvků a takto upravený model jsme zpětně vyexportovali do preprocesoru, který je pevnou součástí programu Abaqus, kde jsme tvorbu výpočetního modelu dokončili.

Obr. 7 Příklad vygenerované sítě konečných prvků na drátku ze třetí vrstvy ocelového lana

S takto připravenými modely byl výpočet spuštěn pomocí příkazového řádku. Příklad získaných výsledků je prezentován na obr. 8.

Obr. 8 Příklad výsledků výpočtu

Získané výsledky z výpočetních modelů, které byly vytvořeny oběma způsoby, nevykazovaly rozdílné hodnoty.

Závěr

Používání univerzálních preprocesorů pro tvorbu výpočtových modelů pro potřeby analýzy metodou konečných prvků a následné vyhodnocování výsledků prostřednictvím univerzálních postprocesorů představuje velmi efektivní způsob při řešení širokého spektra inženýrských úloh. Takový přístup přináší především zvýšení efektivnosti celého analytického procesu a zároveň umožňuje výpočtářům získat zručnost a zkušenosti při práci s jedním softwarovým nástrojem (pre- a postprocesorem). Zároveň takový postup v sobě má další výrazný přínos. Vytvořený model v preprocesoru je možno uložit do formátu pro více typů řešičů. Odpadá tak potřeba ovládat podrobně práci v několika FEM nástrojích.

Na druhé straně je třeba zdůraznit, že pokud se výpočtář rozhodne používat konkrétní typ pre- a postprocesoru, měl by vzít do úvahy skutečnost, jaké typy výpočtových modelů bude vytvářet a v jakých výpočtových programech je chce řešit.

Článek je součástí řešení grantového projektu VEGA 1/0922/12.

Literatura

1. http://www.hsu-hh.de/images/Q6M4Bvp525ptfXt8.jpg
2. http://www.femcomp.se/templates/img/femcomp-femap3.jpg
3. http://3.bp.blogspot.com/-x4PDr6gOM6A/TWD4WzXhl7I/AAAAAAAAAD0/R3kmFovwbq0/s1600/vlcsnap-2011-02-20-16h46m14s6.png
4. http://www.femcomp.se/?femap,9
5. http://www.mscsoftware.com/sites/default/files/inline-images/patran2.jpg
6. http://www.lsoptsupport.com/news/ansa-lsopt-meta-complete-software-set-for-optimization/resolveuid/3eeaf3fe930e45f6e247f354dac48d64
7. Fabian, M., et al.: CAM parameters settings and NC milled surface quality, 2010. In: DAAAM symposium, Vienna: DAAAM International, 2010. Vol. 21, no. 1 (2010), p. 0391-0392. – ISBN 978-3-901509-73-5.
8. Fabian, M., Spišák, E.: Navrhování a výroba s pomocí CA.. technologií, Brno, CCB, 2009, 398 p. – ISBN 978-80-85825-65-7.
9. Bigos, P., Kulka, J., Kubin, K., Mantic, M., Kopas, M.: Professional verification of crane track beams in heavy metallurgical operation by means of tensometry, in Experimental stress analysis, 2009, pp. 30–37.
10. Kral, J., Kral jr., J., Madac, K., Pavlik, A.: Creation of 3D parametric surfaces in CAD systems, Acta Mech. Slovaca, vol. 12, no. 3-A, pp. 223–228, 2008.
11. K. Madac, V. Durkac, and J. Kral: Design of applications for CAD system Creo Parametric 1.0, Int. Sci. Her., vol. 4, no. 23, pp. 278–284, 2012.
12. Plasek, B., Tittel, V. : Lime-based lubricants improve wire drawing. Wireworld Int., vol. 29, no. 2, pp. 33–34, 1987.
13. http://www.mscsoftware.com
14. www.femcomp.se
15. www.beta-cae.gr
16. www.virtualcae.com.br/en/medina.html
17. http://www.altairhyperworks.com