1

Результаты тестирования программы MSC.Apex в ОКБ «НАЗ «Сокол».

Ковалева Е. Н., Путевской В. И., «НАЗ «Сокол», Нижний Новгород.

Специалистами бригады ПР ОКБ «НАЗ «Сокол» в течении двух месяцев проводилось

тестирование нового продукта компании MSC Software – программы MSC.Apex версии

«Eagle». Кроме того, мы принимали участие в нескольких мастер-классах по этому

продукту.

MSC.Apex в версии «Eagle» включает в себя средства пре- и постпроцессинга, а также

интегрированный решатель, позволяющий выполнять решение задач линейного

статического анализа и анализа на собственные частоты и формы.

Тестирование показало, что комплекс конечно-элементного анализа MSC.Apex является

удобным и быстрым средством для подготовки геометрических моделей для конечно-

элементного анализа.

Тестирование проводилось с использованием достаточно большого количества моделей и

задач. В данной статьей представлены только некоторые из них. При тестировании

проверялось удобство интерфейса, эффективность средств геометрического

моделирования и средств упрощения геометрических моделей, качество создаваемой

сетки, удобство задания граничных условий и нагружения, достоверность получаемых

результатов.

Расчет прямоугольной пластины под воздействием равномерного давления.

Традиционная тестовая задача – расчет прямоугольной пластины под воздействием

равномерно распределенного по поверхности давления. Для создания геометрической

модели использовались средства для создания геометрии – Geometry Create Tools. В

данном случае использовался инструмент построения прямоугольника по двум точкам и

инструмент вытягивания Push/Pull. Для каждого инструмента предусмотрена

всплывающая подсказка с кратким описанием инструмента и более подробная справка,

описывающая процесс выполнения операции. Геометрия пластинки легко создается при

помощи мышки, точные значения размеров при необходимости вводятся в поля ввода. На

этом этапе тестирования выявлен недостаток – размеры эскиза можно изменять, но лишь

до момента его использования в последующих операциях. Если эскиз изменить после

выполнения с ним какой-либо операции (например, операции вытягивания), то изменится

только эскиз. Редактирование других размеров происходит аналогично – изменяется

редактируемый элемент, но не использующее его тело. Данный недостаток, тем не менее,

успешно компенсируется возможностью изменения размеров и геометрии самого тела при

помощи инструментов вытяжки.

Полученную геометрическую модель пластины усложнили, добавив ступеньку большей

толщины. Далее был применен инструмент создания срединных поверхностей (рис. 1),

сгенерирована сетка (рис. 2), заданы свойства материала пластины, приложена нагрузка и

граничные условия (рис. 3).

2

Рис. 1. Создание срединных поверхностей модели пластины.

Рис. 2. Отображение толщины конечных элементов модели пластины.

3

Рис. 3. Задание нагрузки и граничных условий пластины.

При определении свойств материала пластины была изменена стандартная система

единиц, в которой в качестве единицы силы используется ньютон, а в качестве единицы

давления (напряжения) – мегапаскаль. Эти единицы были заменены на стандартные для

нас килограмм-силы и килограмм-силы на метр квадратный, соответственно. Таким

образом стало возможным использовать привычные единицы измерения без

использования поправочных коэффициентов.

Рис. 4. Результаты расчета пластины от давления.

Результаты расчета показали качественное и количественное совпадение с результатами,

полученными при расчете другими методами (рис. 4).

4

Расчет проушины от воздействия осевой нагрузки.

Как и при расчете пластины вначале был создан эскиз прямоугольника, который затем

был вытянут до нужного размера. Скругление получено применением инструмента Fillet.

Отверстие получено созданием эскиза окружности непосредственно на поверхности

проушины и последующим его вытягиванием с автоматическим вычитанием из тела

проушины.

Далее торец проушины был закреплен по всем осям, а к поверхности отверстия

приложена нагрузка в виде сосредоточенной силы (рис. 5). В результате расчета была

получена картина распределения напряжений качественно совпадающая с результатами

других методов расчета. На существенное несовпадение количественных значений на тот

момент мы не обратили внимания (рис. 6).

Рис. 5. КЭМ проушины.

5

Рис. 6. Эквивалентные напряжения в проушине.

Упрощение геометрии простой детали.

Следующая задача, которую мы выполнили при помощи MSC.Apex – это упрощение

исходной геометрии конструктивной модели. Как правило, модель, полученная от

конструктора, обладает избыточной для расчета степенью детализации. Это могут быть

фаски, скругления, различные мелкие отверстия и прочие ненужные подробности. В

статье показано упрощение геометрии для двух деталей – первая из них относительно

простая, вторая – более сложная.

Исходная геометрия простой детали показана на рис. 7. Как можно видеть, здесь

присутствуют многочисленные скругления, вырезы, фаски и множество мелких

отверстий. Был применен инструмент Defeature. Вначале в полуавтоматическом режиме

были удалены скругления, фаски и отверстия. Результат приведен на рис. 8. Видно, что

большая часть особенностей модели на этом этапе уже удалена. Затем, в ручном режиме

(путем непосредственного указания удаляемых поверхностей) были удалены остальные

особенности модели (рис. 9). К полученной модели была применена операция создания

срединных поверхностей, дальнейшего редактирования которых не понадобилось (рис.

10). Далее на полученные поверхности была наложена сетка требуемых размеров (рис.

11).

6

Рис. 7. Исходная геометрическая модель.

Рис. 8. Геометрическая модель после первой стадии упрощения.

7

Рис. 9. Геометрическая модель после второй стадии упрощения.

Рис. 10. Срединные поверхности.

8

Рис. 11. Конечно-элементная модель.

Упрощение геометрии сложной детали.

К более сложной детали (рис. 12) были применены те же средства, что и к простой.

Однако, поскольку исходная геометрия была значительно более сложной (составные

скругления, зона перехода кривизны и тому подобные элементы), то простого

использования инструмента Defeature оказалось недостаточно.

Рис. 12. Исходная геометрия сложной модели.

9

На рис. 13 показана геометрия модели после применения инструмента Defeature в режиме

полуавтоматического удаления отверстий, фасок и скруглений. Как видно из рисунка,

отверстия в зоне перехода кривизны остались неизменными, как и составные скругления.

Рис. 13. Сложная модель после первой стадии упрощения геометрии.

Далее инструмент Defeature использовался для удаления лишних геометрических

элементов в ручном режиме. Однако и этого оказалось недостаточно. Пришлось

некоторые грани удалить, тем самым конвертировав твердое тело в незамкнутую

поверхность. Далее был применен инструмент Vertex/Edge Drag. Данный инструмент

позволяет перемещать вершины и кромки в визуальном режиме с учетом всплывающих

подсказок, указывающих на особенности геометрии (перпендикулярность,

параллельность, совпадение кромок и вершин и так далее).

Рис. 14. Сложная модель после завершения процедуры упрощения геометрии.

10

После завершения редактирования геометрии, был использован инструмент Filler,

замкнувший поверхность, что привело к восстановлению твердого тела. Результат на рис.

14.

Срединные поверхности создавались в два этапа. На первом этапе при помощи

инструмента Midsurface с опцией Incremental Midsurface были созданы отдельные

поверхности (рис. 15).

Рис. 15. Срединные поверхности после генерации.

Далее был применены инструменты Vertex/Edge Drag и Extend Surfaces для сшивки

поверхностей. В результате получилась единая срединная поверхность (рис. 16).

Рис. 16. Готовые срединные поверхности.

11

На полученных поверхностях была сгенерирована сетка конечных элементов (рис. 17).

Рис. 17. Сетка конечных элементов.

Сравнительный расчет кронштейна.

При расчете кронштейна (рис. 18) целью было сравнение качественных и количественных

результатов, полученных в различных программах. Для большей достоверности исходная

геометрия практически не подвергалась упрощению.

Рис. 18. Исходная геометрия кронштейна.

Были удалены выступы в зоне проушины, затем к проушине был приложена осевая

нагрузка величиной 1000 кГ, а к остальным отверстиям приложены граничные условия

запрещающие перемещения по трем осям (рис. 19).

12

Рис. 19. Граничные условия и нагружение кронштейна.

После генерации сетки (рис. 20) и задания свойств материала было произведено решение.

Результаты (эквивалентные напряжения по Фон Мизесу) показаны на рис. 21 и рис. 22.

Рис. 20. Конечно-элементная модель кронштейна.

P=1000 кГ

13

Рис. 21. Эквивалентные напряжения по Мизесу, кГ/мм2.

Рис. 22. Эквивалентные напряжения по Мизесу (зона максимума), кГ/мм2.

Легко видеть, что несмотря на качественное совпадение картины распределения

напряжений, количественные значения существенно завышены. Поскольку явных ошибок

в задании нагрузок и свойств материалов выявлено не было, то было решено проверить

данную модель в другом препроцессоре. Модель при помощи формата bdf была

транслирована в FEMAP, где и была выявлена ошибка в задании нагрузок (рис. 23).

14

Рис. 23. Реальная картина распределения нагрузок по узлам КЭМ.

Выяснилось, что нагрузка в 1000 кГ (или 9806,6 Н) приложена к каждому узлу,

находящемуся на внутренней поверхности проушины, то есть завышена в 437 раз

(соответственно числу узлов). Таким образом, опытным путем выяснилась особенность

приложения сосредоточенной нагрузки к поверхности в MSC.Apex, заключающаяся в

том, что заданная нагрузка не распределяется между узлами на поверхности, а

прикладывается к каждому из них.

Поскольку в MSC.Apex нет функции приложения распределенной по некоему закону

нагрузки, то это было сделано в FEMAP (рис. 24), после чего модель была

оттранслирована обратно в MSC.Apex.

Рис. 24. Приложение распределенной нагрузки.

15

В MSC.Apex экспортированная модель выглядит так как показано на рис. 25. Видно, что

нагрузка и граничные условия приложены к отдельным узлам, а не к поверхностям.

Рис. 25. Модифицированная нагрузка и граничные условия.

Модель с модифицированными нагрузками была решена. Результаты показаны на рис. 26

и рис. 27.

Рис. 26. Эквивалентные напряжения по Мизесу, кГ/мм2. Вторая версия нагружения.

16

Рис. 27. Эквивалентные напряжения по Мизесу (зона максимума), кГ/мм2. Вторая версия

нагружения.

Рис. 28. Эквивалентные напряжения по Мизесу, кГ/мм2 (решатель NX.NASTRAN).

17

И вновь результаты получены более чем странные. Качественная картина распределения

напряжений не соответствует реальной, количественные значения занижены. Для

сравнения на рис. 28 показаны результаты расчета данного кронштейна в среде NX CAE

решателем NX.NASTRAN (в качестве единиц напряжений на рисунке указаны

мегапаскали. Однако, с учетом коэффициента масштабирования 0,102, значения

соответствуют килограммам-силы на миллиметр квадратный.). Оказалось, что в расчет

ошибочно были включены только те силы, которые отображаются на первой странице

диалога Associate Load (рис. 29). Пришлось вручную указывать все приложенные

сосредоточенные силы для 427 узлов. К сожалению, мы не обнаружили в MSC.Apex

способа включить в расчетный случай всю нагрузку одновременно.

Рис. 29. Включение сосредоточенных сил в расчетный случай.

В итоге после расчета были получены результаты соответствующие ожидаемым (рис. 30 и

рис. 31).

18

Рис. 30. Эквивалентные напряжения по Мизесу, кГ/мм2. Третья версия нагружения.

Рис. 31. Эквивалентные напряжения по Мизесу (зона максимума), кГ/мм2. Третья версия

нагружения.

Эта же модель была экспортирована в FEMAP и было произведено решение при помощи

MSC.NASTRAN. Результаты приведены на рис. 32. Интересно, что при этом нагрузка,

приложенная к узлам модели, была распределена по отдельным расчетным случаям. То

есть вместо одного расчетного случая были получено 437 отдельных случаев нагружения.

Для выполнения корректного решения пришлось создать комбинированный расчетный

случай.

19

Рис. 32. Эквивалентные напряжения по Мизесу, кГ/мм2. Третья версия нагружения.

Решатель MSC.NASTRAN.

Сравнительный анализ результатов расчета кронштейна при помощи MSC.Apex и

решателей MSC.NASTRAN и NX.NASTRAN показал, что качественная картина

распределения напряжений полностью идентична во всех трех случаях. Количественные

значения отличаются не более чем на 4%.

Выводы.

Тестирование показало, что комплекс конечно-элементного анализа MSC.Apex является

удобным и быстрым средством для подготовки геометрических моделей для конечно-

элементного анализа. Несомненными преимуществами MSC.Apex являются:

1. Быстрота освоения. Освоение MSC.Apex с нуля возможно примерно за 3 – 4 часа.

Данная возможность достигается за счет удобного, интуитивно-понятного

интерфейса и удобной справочной системы, включающей описания

последовательности выполнения операций.

2. Удобные и быстрые средства подготовки геометрической модели. Сюда входит

возможность создания геометрической модели непосредственно в MSC.Apex на

основе эскизов при помощи операций вытягивания, поворота, булевых операций,

добавления фасок и скруглений. Также возможен импорт модели в MSC.Apex из

большинства геометрических форматов. После импорта геометрии возможно её

упрощение (удаление фасок, скруглений, небольших отверстий, других

особенностей, не влияющих на прочность) и чистка (удаление мелких кромок и

граней, длинных узких поверхностей, зазоров). Причем все это производится либо

автоматически, либо путем перетаскивания кромок и вершин с удобной

визуализацией и множеством подсказок.

20

3. Средства создания и редактирования срединных поверхностей. Помимо

стандартных для CAE-пакетов способов в MSC.Apex присутствует технология

интерактивного создания срединных поверхностей, позволяющая создавать

срединные поверхности с наглядной визуализацией получаемого результата в

процессе создания. Данная технология позволяет получать срединные поверхности

на сложной геометрии и путем изменения различных опций получать требуемый

пользователю результат. После получения срединных поверхностей их можно при

необходимости дотянуть до пересечения с другими поверхностями как

непосредственно путем перетаскивания кромок, так и в автоматическом режиме.

4. Возможность автоматической синхронной перестройки сетки при изменении

геометрии.

5. Возможность оценки качества сетки при помощи комплексного критерия.

6. Возможность автоматического улучшения качества двумерной сетки.

7. Возможность выбора системы единиц и создание собственной системы единиц, на

основе выбранных пользователем базовых единиц измерения.

8. Наличие интегрированного решателя, сокращающего время на операции

экспорта/импорта кода модели и результатов расчета.

Помимо перечисленных достоинств комплекса конечно-элементного анализа MSC.Apex в

нем присутствуют и некоторые недостатки:

1. Недостаточное количество типов решений.

2. Недостаточное количество типов нагружения, например, отсутствуют варианты

нагружения распределенной нагрузкой.

3. Отсутствие библиотек материалов, свойств и так далее.

4. Некорректное в отдельных случаях присваивание значения толщины элементам

для сетки, полученной из срединных поверхностей на геометрии переменной

толщины. К сожалению, во время тестирования не удалось зафиксировать при

каких геометрических параметрах происходит некорректное присвоение значений

толщины.

5. Несмотря на отличный набор средств упрощения геометрии отсутствуют такие

удобные инструменты как замена поверхностей и плоскостей.

6. Инструменты геометрического моделирования MSC.Apex «не помнят» исходного

эскиза (эскизов). То есть для редактирования полученной геометрии нет

возможности изменения параметров эскиза (эскизов) на основе которых она

построена. Этот недостаток частично компенсируется возможностью прямого

редактирования твёрдых тел.

7. Отсутствие возможности параметрического моделирования.

При сравнении MSC.Apex с другими комплексами конечно-элементного анализа, которые

используются (использовались) или тестировались в бригаде ПР получаем следующее:

MSC.Apex является наиболее удобным инструментом для создания относительно

простых конечно-элементных моделей с нуля для линейного статического расчета

или анализа собственных форм и частот. В MSC.Apex это происходит значительно

быстрее, чем в любом другом пакете КЭА, за счет меньшего количества

выполняемых действий (кликов мышкой) и отсутствия необходимости

переключения между модулями различного назначения.

21

MSC.Apex является эффективным инструментом для упрощения сложной

геометрии импортированной из большинства CAD-пакетов. Причем, упрощенная и

подготовленная для создания конечно-элементной модели, геометрия может быть

использована как в самом MSC.Apex, так и в любом другом пакете КЭА. Также

возможно на полученной упрощенной геометрии получить сетку конечных

элементов, а затем экспортировать её в какой-либо пакет КЭА для выполнения

такого типа анализа, который не поддерживается MSC.Apex. Инструменты

упрощения геометрии присутствуют и в других пакетах КЭА, но их использование

в MSC.Apex значительно более удобное и простое.

Общий вывод по результатам тестирования: комплекс конечно-элементного анализа

MSC.Apex является удобным и эффективным инструментом для подготовки геометрии

для конечно-элементного анализа и проведения анализа в рамках задачи линейной статики

и анализа собственных форм и частот

© Ковалева Е. Н., Путевской В. И., 2016.