Pāriet uz saturu

Elementu bibliotēka

FrontISTR izmanto līniju, plaknes, telpiskos, saskarnes, siju un čaulu elementus atbilstoši analīzes objekta ģeometrijai, pamatvienādojumiem un nepieciešamajām brīvības pakāpēm. Šajā lapā apkopota elementu izvēlei nepieciešamā informācija: kuri elementi ir pieejami katram analīzes veidam, kā izvēlēties formulējumu pirmās kārtas telpiskajiem elementiem, kā kombinēt konstrukciju elementus ar telpiskajiem elementiem un kuras elementu skaldnes var izmantot kontaktam konstrukciju analīzē.

Konkrētu ievades atslēgvārdu sintaksi skatiet atslēgvārdu rokasgrāmatā. Formfunkciju, stinguma matricu un bloķēšanās novēršanas metožu matemātiskie izvedumi ir aplūkoti teorijas rokasgrāmatā.

Elementu bibliotēkas pārskats

Pašreizējā FrontISTR pirmkoda apstrādātās elementu kategorijas plaši iedala līniju, plaknes, telpiskajos, saskarnes, siju un čaulu elementos. Nepārtrauktas vides tiešai diskretizācijai izmantojiet plaknes vai telpiskos elementus, bet slaidu elementu vai plānsienu konstrukciju efektīvai attēlošanai — siju vai čaulu elementus. Termiskajā analīzē pat vienas ģeometriskās kategorijas elementiem montāžas ceļš atšķiras no konstrukciju analīzes, tādēļ pieejamie elementi vienmēr jāpārbauda tālāk redzamajā tabulā.

Elementu tipu numuri parasti ir trīsciparu skaitļi. Pirmais cipars norāda vispārīgo elementa kategoriju, bet atlikušie divi nošķir ģeometriju un sēriju. Piemēram, 231/232 ir pirmās/otrās kārtas trīsstūra plaknes elementu sērija, 341/342 — pirmās/otrās kārtas tetraedru sērija, bet 361/362 — pirmās/otrās kārtas heksaedru sērija. Tomēr, kā rāda 301 kā 2 mezglu kopnes elements un 743 kā 9 mezglu čaulas elements, ne katra sērija atbilst vienkāršam noteikumam, piemēram, "pēdējais cipars 1 = pirmā kārta, 2 = otrā kārta". Neizseciniet elementu mehāniski tikai pēc numura; pārbaudiet to turpmākajās tabulās.

Elementu bibliotēka

4.1.1. attēls Elementu bibliotēka

Tabulās izmantotajiem simboliem ir šāda nozīme.

  • ○: Atbalstīts.
  • —: Nav atbalstīts.

Šeit "Dinamiskā" nozīmē pārejas dinamisko analīzi, bet "Modālā" — modu aprēķinu, ko izmanto modālajā analīzē un par pamatu frekvenču atbildes analīzei. Kolonnā "Termiskā" ar ○ atzīmēti tikai siltumvadīšanas analīzei pieejamie elementi.

Nepārtrauktas vides un saskarnes elementi

Elementu kategorija Elementa tips Mezglu skaits Konstrukciju BP/mezglā Termiskās BP/mezglā Ģeometrija / kārta Spriegumi Dinamiskā Modālā Termiskā Formulējums / piezīmes
Līnijas elements 111 2 — 1 2 mezglu līnijas elements — — — ○ 1D elements siltumvadīšanai
Līnijas elements 112 3 — — 3 mezglu līnijas elements — — — — Pašreizējās analīzes funkcijas neatbalsta
Plaknes elements 231 3 3 1 Pirmās kārtas trīsstūra elements ○ ○ ○ ○ 2D nepārtraukta vide
Plaknes elements 232 6 3 1 Otrās kārtas trīsstūra elements ○ ○ ○ ○ 2D nepārtraukta vide
Plaknes elements 241 4 3 1 Pirmās kārtas četrstūra elements ○ ○ ○ ○ 2D nepārtraukta vide
Plaknes elements 242 8 3 1 Otrās kārtas četrstūra elements ○ ○ ○ ○ Serendipity saime
Telpisks elements 301 2 3 1 2 mezglu kopnes elements ○ ○ ○ — Izņēmums numerācijas principam; termiskā analīze netiek atbalstīta
Telpisks elements 341 4 3 1 Pirmās kārtas tetraedrisks elements ○ ○ ○ ○ Pilnā integrēšana; selektīva malu/mezglu izlīdzināšana
Telpisks elements 342 10 3 1 Otrās kārtas tetraedrisks elements ○ ○ ○ ○
Telpisks elements 351 6 3 1 Pirmās kārtas pentaedrisks elements ○ ○ ○ ○
Telpisks elements 352 15 3 1 Otrās kārtas pentaedrisks elements ○ ○ ○ ○
Telpisks elements 361 8 3 1 Pirmās kārtas heksaedrisks elements ○ ○ ○ ○ Pilnā integrēšana, B-bar, nesaderīgais, F-bar, jauktais u-p
Telpisks elements 362 20 3 1 Otrās kārtas heksaedrisks elements ○ ○ ○ ○ Serendipity saime
Savienotājelements 511 2 3 — 2 mezglu savienotājelements ○ ○ ○ — Atsperēm un amortizatoriem; nav masas matricas
Saskarnes elements 541 4×2 — 1 Pirmās kārtas četrstūra virsmas elements — — — ○ Siltuma pārnesei spraugā un starojumam; nav siltumietilpības matricas
Saskarnes elements 542 8×2 — — Otrās kārtas četrstūra virsmas elements — — — — Nav atbalstīts

Konstrukciju elementi

Elementu kategorija Elementa tips Mezglu skaits Konstrukciju BP/mezglā Termiskās BP/mezglā Ģeometrija / kārta Spriegumi Dinamiskā Modālā Termiskā Formulējums / piezīmes
Sijas elements 611 2 6 1 2 mezglu sijas elements ○ ○ ○ — Bernulli–Eilera sija; termiskā analīze netiek atbalstīta
Sijas elements 641 2×2 3 1 2 mezglu sijas elements (jauktām BP) ○ ○ ○ — Bernulli–Eilera sija; termiskā analīze netiek atbalstīta
Čaulas elements 731 3 6 1 Pirmās kārtas trīsstūra elements ○ ○ ○ ○ MITC3
Čaulas elements 732 6 — — Otrās kārtas trīsstūra elements — — — — Pašreizējās analīzes funkcijas neatbalsta
Čaulas elements 741 4 6 1 Pirmās kārtas četrstūra elements ○ ○ ○ ○ MITC4
Čaulas elements 743 9 6 — Otrās kārtas četrstūra elements ○ ○ ○ — MITC9
Čaulas elements 761 3×2 3 — Pirmās kārtas trīsstūra elements (jauktām BP) ○ ○ ○ — MITC3; jauktām BP ar telpiskiem elementiem
Čaulas elements 781 4×2 3 — Pirmās kārtas četrstūra elements (jauktām BP) ○ ○ ○ — MITC4; jauktām BP ar telpiskiem elementiem
  • Pirmās kārtas telpiskajiem elementiem 341 un 361 ir formulējuma opcijas, tādēļ pat vienai ģeometrijai ir pieejamas vairākas izvēles.
  • Ja konstrukciju analīzē izmanto kontaktu, otrās kārtas elementu kontakta virsmas netiek atbalstītas.
  • Konstrukciju elementi 611/731/741/743 izmanto mezglus ar 6 BP un nav tieši kombinējami ar telpiskiem elementiem. Jauktiem modeļiem izmantojiet 641/761/781.
  • Sijas elements 611 neatbalsta analīzes ar termiskajiem spriegumiem, gravitāciju, spiedienu vai centrbēdzes spēku. Sijas elements 641 neatbalsta analīzes ar spiedienu vai centrbēdzes spēku.
  • Lineārajā dinamiskajā analīzē paralēlā skaitļošana netiek atbalstīta, ja izmanto čaulu elementus 731/741/743. Ar pārējiem elementiem paralēlo skaitļošanu var izmantot.

Formulējuma opciju izvēle

Pirmās kārtas telpiskajiem elementiem papildus ģeometrijai izvēles kritērijs ir arī formulējums. Jo īpaši pirmās kārtas heksaedriskais elements 361 ir realizēts tā, lai atbilstoši uzdevuma īpatnībām varētu izvēlēties četrus formulējumu veidus. Pirmās kārtas tetraedriskajam elementam 341 ir pieejama arī izlīdzināta FEM opcija. Abos gadījumos formulējuma izvēlei izmantojiet !SECTION ar FORM341 vai FORM361.

Pirmās kārtas heksaedrisks elements (361)

Pašreizējā pirmkodā FORM361 var iestatīt uz vienu no piecām opcijām: FI, BBAR, IC, FBAR vai UP. Ja FORM361 nav norādīts, noklusējums ir atkarīgs no analīzes veida: IC mazu deformāciju statiskajai un pārejas dinamiskajai analīzei, FBAR lielu deformāciju statiskajai un pārejas dinamiskajai analīzei, IC modālajai analīzei un FI pārējos gadījumos (UP tiek iespējots tikai tad, ja tas ir skaidri norādīts).

  • FI: Standarta pilnībā integrēts elements. Tas ir jutīgs pret bīdes bloķēšanos liecē un tilpuma bloķēšanos gandrīz nesaspiežamā deformācijā, tādēļ galvenokārt noder kā atskaites variants elementu veiktspējas salīdzināšanai.
  • IC: Formulējums ar nesaderīgiem modiem. Tā ir pirmā izvēle bīdes bloķēšanās mazināšanai uzdevumos, kuros dominē liece, un noklusējuma izvēle lineārai mazu deformāciju analīzei.
  • BBAR: B-bar elements, kas koriģē tilpuma deformācijas komponenti un ir piemērots uzdevumiem, kuros dominē tilpuma bloķēšanās. To var apsvērt gandrīz nesaspiežamiem gumijveida materiāliem vai materiāliem ar lielu Puasona koeficientu, taču, tā kā tilpuma deformācijas aprēķins pieņem linearitāti, galīgas rotācijas nevar ņemt vērā. Parasti ieteicams izmantot F-Bar elementu.
  • FBAR: F-bar elements, kas koriģē deformācijas gradienta tilpuma komponenti. Tas ir piemērots lielu deformāciju uzdevumiem ar izteiktiem nesaspiežamības efektiem un ir noklusējuma izvēle lielu deformāciju analīzei.
  • UP: jaukts u-p elements, kas pārvietojumu un elementa spiedienu aplūko neatkarīgi. Tas sadala spriegumu deviatoriskajā un spiediena komponentē, lai novērstu tilpuma bloķēšanos gandrīz nesaspiežamos materiālos, piemēram, gumijveida materiālos ar Puasona koeficientu ļoti tuvu 0,5 vai metālos pēc plastiskās deformācijas. Katram elementam ir viena spiediena brīvības pakāpe (konstanta elementa ietvaros), kas elementa līmenī tiek statiski kondensēta. Tiek atbalstīti mazu deformāciju, pilnais Lagranža un atjauninātais Lagranža formulējums.

Ja nav skaidrs, kuru formulējumu izmantot, praktisks sākumpunkts ir IC mazu deformāciju konstrukciju analīzei un FBAR lielām deformācijām vai hiperelastībai; ja galvenā problēma ir bīdes bloķēšanās, salīdziniet ar IC. Ja dominē gandrīz nesaspiežamība un spiediena lauks jāaplūko tieši, apsveriet UP. Detalizētu teorētisko pamatojumu skatiet teorijas rokasgrāmatā.

Pirmās kārtas tetraedrisks elements (341)

Pašreizējā pirmkodā FORM341 var iestatīt uz FI vai SELECTIVE_ESNS. Noklusējums vienmēr ir FI. Izvēloties SELECTIVE_ESNS, iestatīšanas laikā papildus tiek ģenerēta savienojamība izlīdzinātajiem elementiem, un elements tiek apstrādāts, izmantojot selektīvu malu/mezglu izlīdzinātu FEM.

  • FI: Standarta pirmās kārtas tetraedrisks elements. Tīkla izveide ir vienkārša, taču elements ir jutīgs pret bīdes bloķēšanos liecē un tilpuma bloķēšanos gandrīz nesaspiežamos apstākļos.
  • SELECTIVE_ESNS: Ievieš uz malām/mezgliem balstītu izlīdzināšanu, lai samazinātu bīdes un tilpuma bloķēšanās efektus, kas viegli rodas pirmās kārtas tetraedriskajos elementos. Tā ir laba opcija, ja ģeometriskie ierobežojumi liek izmantot tetraedrus.

Ja ģeometrisku iemeslu dēļ jāizmanto elements 341 un ar standarta FI bloķēšanās ir būtiska, apsveriet SELECTIVE_ESNS. Savukārt, ja var izmantot pirmās kārtas heksaedriskus elementus, 361 sērija parasti piedāvā plašākas izvēles iespējas, tādēļ vispirms apsveriet IC/BBAR/FBAR.

Izmantojot SELECTIVE_ESNS ar MPI paralēlismu, pievērsiet uzmanību pārklājuma dziļumam apgabala dekompozīcijas laikā. Uz malām/mezgliem balstītā izlīdzināšana vidējo lielumus no elementiem, kas atrodas blakus mērķa elementam, tādēļ elementa stinguma montāžai apakšapgabalā vajadzīga informācija no elementiem divu blakusības līmeņu attālumā. Ar noklusējuma pārklājuma dziļumu 1 pie apgabala robežām nav pietiekami daudz izlīdzināšanas mērķu; tādēļ, dekomponējot apgabalu, !PARTITION norādiet DEPTH=2. Konfigurācijas informāciju skatiet Pārklājuma dziļums apgabala dekompozīcijā.

Konstrukciju un telpisko elementu kombinēšana

Pat vienam un tam pašam "sijas elementam" vai "čaulas elementam" brīvības pakāpes konstrukciju un termiskajā analīzē tiek apstrādātas atšķirīgi. Tādēļ atšķiras arī noteikumi to kombinēšanai ar telpiskajiem elementiem.

Konstrukciju analīze

Konstrukciju analīzē mezglu brīvības pakāpju skaits ndof visai analīzei ir fiksēts vienā vērtībā. Telpiskajiem elementiem ir 3 BP katrā mezglā (translācijas), bet standarta sijas elementam 611 un čaulu elementiem 731/741/743 ir 6 BP katrā mezglā (translācijas + rotācijas). Tādēļ 611, 731, 741 un 743 vienā mezglu BP sistēmā nevar tieši kombinēt ar telpiskajiem elementiem.

Lai apietu šo ierobežojumu, ir pieejamas versijas 641, 761 un 781 ar 3 BP mezgliem. Novietojot mezglus ar translācijas BP atsevišķi no mezgliem ar rotācijas BP, šie elementi attēlo siju un čaulu rotācijas BP, vienlaikus saglabājot ndof=3 visai analīzei. Atbilstība ir šāda.

  • 641 ir jauktu BP sijas elements, kas atbilst 611.
  • 761 ir jauktu BP trīsstūra čaulas elements, kas atbilst 731.
  • 781 ir jauktu BP četrstūra čaulas elements, kas atbilst 741.

Jauktu BP elementos rotācijas brīvības pakāpes tiek piešķirtas atsevišķiem "mezgliem ar rotācijas BP". Tādēļ, piemērojot ierobežojumus vai koncentrētas slodzes, rotācijas BP mezgliem, kas nes rotācijas brīvības pakāpes, jāievada kā BP 1, 2 un 3. BP 1, 2 un 3 translācijas mezglos no BP 1, 2 un 3 rotācijas mezglos atšķiras pēc mezgla identitātes.

Tādējādi pamatnostādne ir izmantot 611/731/741/743, ja modelis sastāv tikai no sijām un čaulām, un izvēlēties 641/761/781, ja tos kombinē ar telpiskajiem elementiem.

Termiskā analīze

Termiskajā analīzē tiek iestatīts hecMAT%NDOF = 1, un mezglu brīvības pakāpes tiek vienotas vienā temperatūras BP. Tādējādi konstrukciju analīzes problēma, ka elementus nevar kombinēt, ja netiek izmantotas versijas ar 3 BP mezgliem, šeit nerodas.

Tomēr termiskajā analīzē atbalstītie konstrukciju elementi ir ierobežoti līdz 731 un 741. Elementi 611, 641 un 301 termiskajā analīzē netiek atbalstīti. Tādēļ, izvēloties elementus termiskajai analīzei, drošāk ir izmantot iepriekšējās tabulas kolonnā "Termiskā" ar ○ atzīmētos elementus, nevis piemērot konstrukciju analīzē izmantotos jaukto BP jēdzienus.

Savienotājelementi (atsperes un amortizatori)

Ja divi mezgli jāsavieno ar diskrētu atsperi vai amortizatoru, izmantojiet 2 mezglu savienotājelementu (elementa tips 511). Savienotājelements nodrošina tikai stingumu vai slāpēšanu starp abiem savienotajiem mezgliem; tam nav ģeometrijas, šķērsgriezuma vai masas.

Savienotājelementi kopumā var attēlot četras īpašības: divu veidu atsperes un divu veidu amortizatorus. Attēlojamo īpašību nosaka elementam piešķirtais materiāls.

  • Aksiālā atspere — atspere, kas darbojas gar asi, kura savieno abus mezglus. Atsperes virziens seko modeļa deformācijai. Norādiet ar !SPRING_A.
  • Atspere ar norādītām brīvības pakāpēm — atspere, kas savieno norādītu viena mezgla brīvības pakāpi ar norādītu otra mezgla brīvības pakāpi. Tās virzienu nosaka brīvības pakāpju numuri, un tas neseko deformācijai. Katram virzienam var norādīt atšķirīgu atsperes konstanti. Norādiet ar !SPRING_D.
  • Aksiālais amortizators — slāpēšana, kas darbojas aksiālajā virzienā. Norādiet ar !DASHPOT_A.
  • Amortizators ar norādītām brīvības pakāpēm — slāpēšana, kas savieno norādītas brīvības pakāpes. Norādiet ar !DASHPOT_D.

Atsperes dod ieguldījumu stinguma matricā, bet amortizatori — slāpēšanas matricā. Tādēļ atsperes darbojas statiskajā, dinamiskajā un modālajā analīzē, savukārt amortizatori darbojas tikai netiešajā dinamiskajā analīzē, kur tiek montēta slāpēšanas matrica, un statiskajā analīzē tiem nav ietekmes.

Lai atsperi novietotu starp mezglu un pamatu, nevis starp diviem mezgliem, savienotājelementa vietā izmantojiet atsperes robežnosacījumu (!SPRING). Tas ir robežnosacījums, kas elastīgi balsta mezgla brīvības pakāpi, nedefinējot elementu.

Tīkla datos definējiet savienotājelementu kā 511. tipa elementu un tā elementu grupai piešķiriet šķērsgriezumu ar šķērsgriezuma tipu INTERFACE. Atsperu konstantes un slāpēšanas koeficientus analīzes vadības datos norādiet kā materiālus. → Sīkāk skatiet !SPRING_A.

Savienojamības un skaldņu numuru definīcijas

Turpmākajos attēlos un tabulās parādīta atbilstība starp mezglu secību un skaldņu numuriem HEC-MW formāta ievadē. Par saistību starp vidusmalu mezglu numerāciju otrās kārtas elementos un FrontISTR iekšējās formfunkciju realizācijas pieņemto secību skatiet teorijas rokasgrāmatas sadaļu "Elementu bibliotēka".

Līnijas elementi

Līnijas elements

Trīsstūra plaknes elementi

Trīsstūra plaknes elements

Skaldnes numurs Pirmā kārta Otrā kārta
1 1 - 2 1 - 6 - 2
2 2 - 3 2 - 4 - 3
3 3 - 1 3 - 5 - 1

Četrstūra plaknes elementi

Četrstūra plaknes elements

Skaldnes numurs Pirmā kārta Otrā kārta
1 1 - 2 1 - 5 - 2
2 2 - 3 2 - 6 - 3
3 3 - 4 3 - 7 - 4
4 4 - 1 4 - 8 - 1

Tetraedriskie elementi

Tetraedrisks elements

Skaldnes numurs Pirmā kārta Otrā kārta
1 1 - 2 - 3 1 - 7 - 2 - 5 - 3 - 6
2 1 - 2 - 4 1 - 7 - 2 - 9 - 4 - 8
3 2 - 3 - 4 2 - 5 - 3 - 10 - 4 - 9
4 3 - 1 - 4 3 - 6 - 1 - 10 - 4 - 8

Pentaedriskie elementi

Pentaedrisks elements

Skaldnes numurs Pirmā kārta Otrā kārta
1 1 - 2 - 3 1 - 9 - 2 - 7 - 3 - 8
2 4 - 5 - 6 4 - 12 - 5 - 10 - 6 - 11
3 1 - 2 - 5 - 4 1 - 9 - 2 - 14 - 5 - 12 - 4 - 13
4 2 - 3 - 6 - 5 2 - 7 - 3 - 15 - 6 - 10 - 5 - 14
5 3 - 1 - 4 - 6 3 - 8 - 1 - 13 - 4 - 11 - 6 - 15

Heksaedriskie elementi

Heksaedrisks elements

Skaldnes numurs Pirmā kārta Otrā kārta
1 1 - 2 - 3 - 4 1 - 9 - 2 - 10 - 3 - 11 - 4 - 12
2 5 - 6 - 7 - 8 5 - 13 - 6 - 14 - 7 - 15 - 8 - 16
3 1 - 2 - 6 - 5 1 - 9 - 2 - 18 - 6 - 13 - 5 - 17
4 2 - 3 - 7 - 6 2 - 10 - 3 - 19 - 7 - 14 - 6 - 18
5 3 - 4 - 8 - 7 3 - 11 - 4 - 20 - 8 - 15 - 7 - 19
6 4 - 1 - 5 - 8 4 - 12 - 1 - 17 - 5 - 16 - 8 - 20

Siju elementi

Sijas elements

Sijas elements ar 3 BP mezgliem

Sijas elements ar 3 BP mezgliem

Mezgliem 1 un 2 ir translācijas brīvības pakāpes, bet mezgliem 3 un 4 — rotācijas brīvības pakāpes.

Trīsstūra čaulu elementi

Trīsstūra čaulas elements

Skaldnes numurs Pirmā kārta Otrā kārta
1 1 - 2 - 3 [front] 1 - 6 - 2 - 4 - 3 - 5 [front]
2 3 - 2 - 1 [back] 3 - 4 - 2 - 6 - 1 - 5 [back]

Trīsstūra čaulas elements ar 3 BP mezgliem

Trīsstūra čaulas elements ar 3 BP mezgliem

Mezgliem 1, 2 un 3 ir translācijas brīvības pakāpes, bet mezgliem 4, 5 un 6 — rotācijas brīvības pakāpes.

Skaldnes numurs Pirmā kārta
1 1 - 2 - 3 [front]
2 3 - 2 - 1 [back]

Četrstūra čaulu elementi

Četrstūra čaulas elements

Skaldnes numurs Pirmā kārta Otrā kārta
1 1 - 2 - 3 - 4 [front] 1 - 5 - 2 - 6 - 3 - 7 - 4 - 8 [front]
2 4 - 3 - 2 - 1 [back] 4 - 7 - 3 - 6 - 2 - 5 - 1 - 8 [back]

Četrstūra čaulas elements ar 3 BP mezgliem

Četrstūra čaulas elements ar 3 BP mezgliem

Mezgliem 1, 2, 3 un 4 ir translācijas brīvības pakāpes, bet mezgliem 5, 6, 7 un 8 — rotācijas brīvības pakāpes.

Skaldnes numurs Pirmā kārta
1 1 - 2 - 3 - 4 [front]
2 4 - 3 - 2 - 1 [back]
4.1.2. attēls Savienojamība un skaldņu numuri

Saistītās tēmas

AI-assisted translation May contain errors Official docs Status