Библиотека с елементи¶

FrontISTR използва линейни, равнинни, обемни, интерфейсни, гредови и обвивкови елементи според геометрията на анализирания обект, управляващите уравнения и необходимите степени на свобода. Тази страница обобщава информацията, необходима при избора на елементи: кои елементи са налични за всеки вид анализ, как да се изберат формулировки за обемни елементи от първи ред, как да се комбинират конструктивни елементи с обемни елементи и кои лица на елементите могат да се използват за контакт при конструктивен анализ.

За конкретния синтаксис на входните ключови думи вижте справочника за ключови думи. Математическите извеждания на функциите на формата, матриците на коравина и методите за избягване на заключване са разгледани в теоретичното ръководство.

Общ преглед на библиотеката с елементи¶

Категориите елементи, обработвани от текущия изходен код на FrontISTR, могат най-общо да се класифицират като линейни, равнинни, обемни, интерфейсни, гредови и обвивкови елементи. Използвайте равнинни или обемни елементи при директно дискретизиране на континуум, а гредови или обвивкови елементи — за ефективно представяне на стройни пръти или тънкостенни конструкции. При топлинен анализ дори елементи от една и съща геометрична категория следват различен път на асемблиране от този при конструктивен анализ, затова наличните елементи винаги трябва да се проверяват в таблицата по-долу.

Номерата на типовете елементи обикновено са трицифрени. Първата цифра указва общата категория на елемента, а останалите две разграничават геометрията и серията. Например 231/232 са серията равнинни триъгълни елементи от първи/втори ред, 341/342 — серията тетраедърни елементи от първи/втори ред, а 361/362 — серията хексаедърни елементи от първи/втори ред. Както обаче показват 301, който е 2-възлов прътов елемент, и 743, който е 9-възлов обвивков елемент, не всяка серия следва просто правило от типа „последна цифра 1 = първи ред, 2 = втори ред“. Не определяйте елемента механично само по номера; проверете го в следващите таблици.

Символите в таблиците имат следните значения.

• ○: Поддържа се.
• —: Не се поддържа.

Тук „Динамичен“ означава преходен динамичен анализ, а „Модален“ — изчисляването на моди, използвано при модален анализ и като основа за анализ на честотната характеристика. В колоната „Топлинен“ само елементите, налични за анализ на топлопроводност, са отбелязани с ○.

Континуумни и интерфейсни елементи¶

Конструктивни елементи¶

• Сред обемните елементи от първи ред 341 и 361 имат опции за формулировката, така че дори при една и съща геометрия са налични няколко възможности.
• При използване на контакт в конструктивен анализ контактни повърхнини на елементи от втори ред не се поддържат.
• Конструктивните елементи 611/731/741/743 използват възли с 6 степени на свобода и не могат да се смесват директно с обемни елементи. За смесени модели използвайте 641/761/781.
• Гредовият елемент 611 не поддържа анализи, включващи топлинни напрежения, гравитация, налягане или центробежна сила. Гредовият елемент 641 не поддържа анализи, включващи налягане или центробежна сила.
• При линеен динамичен анализ паралелните изчисления не се поддържат, когато се използват обвивкови елементи 731/741/743. С останалите елементи могат да се използват паралелни изчисления.

Избор на опции за формулировката¶

За обемните елементи от първи ред формулировката е критерий за избор наред с геометрията. По-специално хексаедърният елемент 361 от първи ред е реализиран така, че според характеристиките на задачата могат да се избират четири вида формулировки. Тетраедърният елемент 341 от първи ред също предлага опция за изгладен FEM. И в двата случая използвайте !SECTION с FORM341 или FORM361, за да изберете формулировката.

Хексаедърен елемент от първи ред (361)¶

В текущия изходен код FORM361 може да бъде зададен на една от петте опции: FI, BBAR, IC, FBAR или UP. Ако FORM361 е пропуснат, стойността по подразбиране зависи от вида на анализа: IC за статичен и преходен динамичен анализ при малки деформации, FBAR за статичен и преходен динамичен анализ при големи деформации, IC за модален анализ и FI в останалите случаи (UP се активира само когато е зададен изрично).

• FI: Стандартен елемент с пълно интегриране. Податлив е на срязващо заключване при огъване и обемно заключване при почти несвиваема деформация, затова е полезен главно като базов вариант за сравнение на поведението на елементите.
• IC: Формулировка с несъвместими моди. Тя е първи избор за потискане на срязващото заключване при задачи, доминирани от огъване, и е стойността по подразбиране за линеен анализ при малки деформации.
• BBAR: B-bar елемент, който коригира обемната компонента на деформацията и е подходящ за задачи, доминирани от обемно заключване. Може да се разглежда за почти несвиваеми каучукоподобни материали или материали с висок коефициент на Поасон, но тъй като изчисляването на обемната деформация предполага линейност, крайната ротация не може да бъде отчетена. Обикновено се препоръчва използването на F-Bar елемент.
• FBAR: F-bar елемент, който коригира обемната компонента на градиента на деформацията. Подходящ е за задачи с големи деформации и силно изразена несвиваемост и е стойността по подразбиране при анализ с големи деформации.
• UP: Смесен u-p елемент, който третира преместването и налягането в елемента независимо. Той разделя напрежението на девиаторна компонента и компонента на налягането, за да избегне обемното заключване в почти несвиваеми материали, например каучукоподобни материали с коефициент на Поасон изключително близък до 0.5 или метали след пластична деформация. Има една степен на свобода за налягане на елемент (постоянна в елемента), която се кондензира статично на ниво елемент. Поддържат се формулировки за малки деформации, Total Lagrange и Updated Lagrange.

Ако не сте сигурни коя формулировка да използвате, практична начална точка е IC за конструктивен анализ при малки деформации и FBAR за големи деформации или хипереластичност; ако основният проблем е срязващото заключване, сравнете с IC. Ако доминира почти несвиваемото поведение и полето на налягането трябва да се третира изрично, разгледайте UP. За подробната теоретична основа вижте теоретичното ръководство.

Тетраедърен елемент от първи ред (341)¶

В текущия изходен код FORM341 може да бъде зададен на FI или SELECTIVE_ESNS. Стойността по подразбиране винаги е FI. Когато е избрано SELECTIVE_ESNS, при настройката допълнително се генерира свързаност за изгладени елементи и елементът се обработва чрез селективен FEM с изглаждане по ръбове/възли.

• FI: Стандартен тетраедърен елемент от първи ред. Мрежата се генерира лесно, но елементът е податлив на срязващо заключване при огъване и на обемно заключване при почти несвиваеми условия.
• SELECTIVE_ESNS: Въвежда изглаждане по ръбове/възли, за да намали ефектите от срязващо и обемно заключване, които лесно се проявяват при тетраедърни елементи от първи ред. Това е силна възможност, когато геометрични ограничения налагат използването на тетраедри.

Ако по геометрични причини трябва да се използва елемент 341 и заключването е значително при стандартния FI, разгледайте SELECTIVE_ESNS. Обратно, ако могат да се използват хексаедърни елементи от първи ред, серията 361 обикновено предлага по-широк избор, затова първо разгледайте IC/BBAR/FBAR.

При използване на SELECTIVE_ESNS с MPI паралелизъм обърнете внимание на дълбочината на припокриване при разделянето на области. Изглаждането по ръбове/възли осреднява величини от елементи, съседни на целевия елемент, така че асемблирането на коравината на елемента в подобласт изисква информация от елементи на две нива на съседство. При дълбочина на припокриване по подразбиране 1 в близост до границите на областите няма достатъчно цели за изглаждане; затова при разделяне на областта в !PARTITION задайте DEPTH=2. За подробности по настройката вижте Дълбочина на припокриване при разделяне на области.

Комбиниране на конструктивни и обемни елементи¶

Дори при един и същ „гредов елемент“ или „обвивков елемент“ степените на свобода се обработват различно при конструктивен и топлинен анализ. Следователно правилата за комбинирането им с обемни елементи също са различни.

Конструктивен анализ¶

При конструктивен анализ броят на възловите степени на свобода ndof е фиксиран на една стойност за целия анализ. Обемните елементи имат 3 степени на свобода на възел (премествания), докато стандартният гредов елемент 611 и обвивковите елементи 731/741/743 имат 6 степени на свобода на възел (премествания + ротации). Следователно 611, 731, 741 и 743 не могат да се смесват директно с обемни елементи в една и съща система от възлови степени на свобода.

За да се избегне това ограничение, са предоставени версии 641, 761 и 781 с възли с 3 степени на свобода. Чрез отделно разполагане на възли с транслационни степени на свобода и възли с ротационни степени на свобода тези елементи представят ротационните степени на свобода на гредите и обвивките, като запазват ndof=3 за целия анализ. Съответствието е следното.

• 641 е гредовият елемент със смесени степени на свобода, съответстващ на 611.
• 761 е триъгълният обвивков елемент със смесени степени на свобода, съответстващ на 731.
• 781 е четириъгълният обвивков елемент със смесени степени на свобода, съответстващ на 741.

При елементите със смесени степени на свобода ротационните степени на свобода се присвояват на отделни „възли с ротационни степени на свобода“. Затова при задаване на ограничения или концентрирани товари ротационните степени на свобода трябва да се въвеждат като степени на свобода 1, 2 и 3 за възлите, носещи ротационни степени на свобода. Степените на свобода 1, 2 и 3 на транслационните възли се различават от степените на свобода 1, 2 и 3 на ротационните възли чрез идентичността на възела.

Съответно основното правило е да се използват 611/731/741/743, когато моделът се състои само от греди и обвивки, и да се избират 641/761/781, когато те се комбинират с обемни елементи.

Топлинен анализ¶

При топлинен анализ се задава hecMAT%NDOF = 1 и възловите степени на свобода се уеднаквяват до една температурна степен на свобода. В този смисъл проблемът от конструктивния анализ, че елементите не могат да се смесват, освен ако не се използват версии с възли с 3 степени на свобода, не възниква.

Поддържаните при топлинен анализ конструктивни елементи обаче са ограничени до 731 и 741. Елементите 611, 641 и 301 не се поддържат при топлинен анализ. Затова при избор на елементи за топлинен анализ е по-надеждно да се използват елементите, отбелязани с ○ в колоната „Топлинен“ на предходната таблица, вместо да се прилагат понятията за смесени степени на свобода, използвани при конструктивния анализ.

Свързващи елементи (пружини и демпфери)¶

Когато два възела трябва да бъдат свързани с дискретна пружина или демпфер, използвайте 2-възлов свързващ елемент (тип елемент 511). Свързващият елемент осигурява само коравина или демпфиране между двата свързани възела; той няма геометрия, напречно сечение или маса.

Свързващите елементи могат да представят общо четири характеристики: два вида пружини и два вида демпфери. Представяната характеристика се определя от материала, присвоен на елемента.

• Аксиална пружина — Пружина, действаща по оста, свързваща двата възела. Посоката на пружината следва деформацията на модела. Задава се с !SPRING_A.
• Пружина със зададени степени на свобода — Пружина, свързваща зададена степен на свобода на единия възел със зададена степен на свобода на другия възел. Посоката ѝ се определя от номерата на степените на свобода и не следва деформацията. За всяка посока могат да се задават различни пружинни константи. Задава се с !SPRING_D.
• Аксиален демпфер — Демпфиране, действащо по аксиалната посока. Задава се с !DASHPOT_A.
• Демпфер със зададени степени на свобода — Демпфиране, свързващо зададени степени на свобода. Задава се с !DASHPOT_D.

Пружините допринасят към матрицата на коравина, а демпферите — към матрицата на демпфиране. Следователно пружините действат при статичен, динамичен и модален анализ, докато демпферите действат само при неявен динамичен анализ, при който се асемблира матрицата на демпфиране, и нямат ефект при статичен анализ.

За да поставите пружина между възел и земята, а не между два възела, използвайте граничното условие за пружина (!SPRING) вместо свързващ елемент. Това е гранично условие, което еластично подпира възлова степен на свобода без дефиниране на елемент.

Дефинирайте свързващ елемент в данните за мрежата като елемент от тип 511 и присвоете на неговата група елементи сечение от тип INTERFACE. Задайте пружинните константи и коефициентите на демпфиране като материали в данните за управление на анализа. → За подробности вижте !SPRING_A.

Дефиниции на свързаността и номерата на лицата¶

Следващите фигури и таблици показват съответствието между реда на възлите и номерата на лицата във входния формат HEC-MW. За връзката между номерирането на междинните възли в елементи от втори ред и реда, приеман от вътрешната реализация на функциите на формата в FrontISTR, вижте „Библиотека с елементи“ в теоретичното ръководство.

Линейни елементи¶

Триъгълни равнинни елементи¶

Четириъгълни равнинни елементи¶

Тетраедърни елементи¶

Пентаедърни елементи¶

Хексаедърни елементи¶

Гредови елементи¶

Гредов елемент с възли с 3 степени на свобода¶

Възли 1 и 2 имат транслационни степени на свобода, а възли 3 и 4 имат ротационни степени на свобода.

Триъгълни обвивкови елементи¶

Триъгълен обвивков елемент с възли с 3 степени на свобода¶

Възли 1, 2 и 3 имат транслационни степени на свобода, а възли 4, 5 и 6 имат ротационни степени на свобода.

Четириъгълни обвивкови елементи¶

Четириъгълен обвивков елемент с възли с 3 степени на свобода¶

Възли 1, 2, 3 и 4 имат транслационни степени на свобода, а възли 5, 6, 7 и 8 имат ротационни степени на свобода.

Свързани теми¶

• Система за номериране на елементите и библиотека с функции на формата (кодиране) — Номера на типовете елементи, библиотека с функции на формата и спецификации за реда на междинните възли
• Данни за материала — Материални модели, присвоени на елементите
• !ELEMENT — Синтаксис на ключовата дума за дефиниране на елемент
• !SECTION (данни за мрежата) — Задаване на тип елемент, материал, дебелина и сечение
• !SECTION (данни за управление на анализа) — Превключване на формулировки с FORM341 и FORM361