Modelowanie bezpośrednie, przygotowanie modelu geometrycznego do analizy numerycznej i naprawa geometrii w ANSYS Space Claim DM

          Tematem artykułu jest przedstawienie programu ANSYS SpaceClaim DirectModeler (skrót ANSYS SCDM) oraz jego możliwości w zakresie przygotowania modelu geometrycznego do wykorzystania w analizie numerycznej. Narzędzie to, jak zostanie przedstawione w tekście, dzięki zastosowaniu podejścia bezpośredniego w modelowaniu znacznie skraca czas potrzebny na przygotowanie geometrii do analizy, oraz w dużym stopniu ułatwia pracę z modelami wykonanymi i zapisanymi w różnych systemach CAD (np.: STP, IGES, CATIA, Inventor itd.).
 
 

ANSYS SCDM
Błyskawiczna prezentacja cech produktu
  
ANSYS SCDM i ANSYS Workbench
Omówienie właściwości programu i jego współpracy z platformą Workbench na wybranym przykładzie
> Oglądaj film (.swf)
> Pobierz film (5.6 MB)
          > Oglądaj film (.swf)
> Pobierz film (57.1 MB)
Audio/Video (ENG)
Czas trwania: 02:39
 
Audio/Video (ENG)
Czas trwania: 21:20
 

 



   Wstęp


           Symulacje komputerowe cieszą się coraz większym powodzeniem zarówno w przemyśle jak i nauce na całym świecie. Faktem jest, że aby uzyskać wartościowe wyniki z analiz wymagana jest dobrej jakości siatka MES, która najczęściej tworzona jest na podstawie geometrii CAD. Z tego względu aby poprawić szybkość i jakość prac, wymagane jest dostarczenie modelu jak najlepiej przystosowanego do analizy w jak najkrótszym czasie. Niestety,  obliczeniowiec często poświęca dużo swego cennego czasu właśnie nie na analizę numeryczną, ale na przygotowanie poprawnego modelu. Dzieje się tak ponieważ wciąż powszechne jest błędne przekonanie, że model właściwy do przygotowania dokumentacji technicznej jest również właściwy do wykorzystania w analizie (co jest oczywiście błędem). W takiej sytuacji, po otrzymaniu geometrii, obliczeniowiec sam musi ją odpowiednio zmodyfikować celem przystosowania do analizy. Przystosowanie to, w zależności od jakości modelu, może polegać na: niewielkiej poprawie geometrii (np.: usunięcie zaokrągleń), znacznej naprawie (stworzenie nowych elementów, usunięcie małych linii, powierzchni) lub stworzeniu całego modelu od podstaw. Jeśli obliczeniowiec zna i posiada program CAD z którego otrzymał geometrię, lub jeśli jest w stanie przeszkolić konstruktorów działu projektowego w zakresie poprawnego tworzenia geometrii pod kątem analiz, wtedy ma on znacznie ułatwione zadanie. Natomiast, jeśli nie ma możliwości przeszkolenia wszystkich CADowców lub otrzymywane modele są różnych formatów, wtedy niezwykle przydatne staję się narzędzie pozwalające na szybką edycję i modyfikację modeli różnych formatów. Narzędziem takim jest ANSYS SpaceClaim DM.

 

Podstawowe operacje za pomocą narzędzia "Pull" w ANSYS SpaceClaim DM
> Odtwórz większy w nowym oknie
 


   Modelowanie bezpośrednie


          We wprowadzeniu powiedziano, że ANSYS SpaceClaim DM pozwala na szybką edycję i modyfikację modeli różnych formatów celem ich wykorzystania w analizie. Pozwolono sobie na takie stwierdzenie ponieważ w SCDM zastosowano nowatorskie podejście polegające na zastąpieniu tradycyjnego drzewka historii (występującego klasycznych w systemach CAD) możliwością modyfikacji geometrii techniką przeciągnij/puść wykonywaną w czasie rzeczywistym. Pracę w programie przyśpiesza również możliwość wykorzystania skrótów klawiszowych oraz zmniejszenie liczby przycisków dostępnych w oknie programu. Oczywiście ich zmniejszenie nie wpłynęło negatywnie na funkcjonalność programu, ponieważ czynności dostępne po kilkoma przyciskami w tradycyjnym programie CAD tutaj zostały skumulowane i są dostępne w praktyczny sposób pod jednym narzędziem.

 

Podstawowe operacje za pomocą narzędzia "Move" w ANSYS SpaceClaim DM
> Odtwórz większy w nowym oknie

          Ogólna zasada działania programu jest trywialna, łapiąc za punkt, przytrzymując i przeciągając tworzy się linię, następnie łapiąc za linię i przeciągając tworzy się powierzchnię a po złapaniu za powierzchnię (jak można się domyślić) i jej przeciągnięciu powstaje bryła. Oczywiście jeśli zaczynamy nasz rysunek od "zera" i nie posiadamy żadnych brył, powierzchni, linii czy punktów, wtedy (jak w każdym programie CAD) zaczynamy od szkicu 2D. Po skończeniu szkicowania w SCDM i przejściu do edycji 3D, program automatycznie zamieni zamknięte krzywizny szkicu na powierzchnie a linie szkicu na linie 3D. Powyższa operacja funkcjonuje również w drugą stronę, jeśli zaczniemy szkicować na płaszczyźnie w której znajdują się jakieś linie lub powierzchnie to zostaną one tymczasowo zamienione na linie naszego szkicu i udostępnione do edycji. Innym przykładem praktyczności modelowania bezpośredniego jest możliwość powielania elementów jak w edytorach tekstu. Po zaznaczeniu interesujących nas obiektów (np.: kilka powierzchni z bryły) i naciśnięciu kombinacji klawiszy "Ctrl+C", elementy te zostaną skopiowane a po kliknięciu w innym miejscu rysunku i użyciu kombinacji "Ctrl+V" zaznaczone wcześniej elementy zostaną wstawione w miejscu kliknięcia. Operację można oczywiście wykonywać wielokrotnie. Bardzo przydatną cechą modelowania bezpośredniego jest jego uniwersalność. Ze względu na brak drzewka historii, każda nowo dodana do rysunku głównego geometria (np.: z Inventora, Catii itd) jest zamieniana na rodzimy obiekt ANSYS SpaceClaim DM i traktowana tak jakby przed chwilą została narysowana całkowicie w SCDM, a co za tym idzie wszystkie opcje i narzędzia SCDM są dla niej dostępne. Ponieważ prawie każdą operację przeciągnij/puść można zdefiniować jako parametr, a jak powiedziano przed chwilą program wszelką importowaną geometrię zamienia na rodzimą, w SCDM bardzo łatwo można sparametryzować geometrię która oryginalnie nie posiada parametrów (zdefiniowane są tylko dane geometryczne, np. format: STEP). Na koniec należy powiedzieć, że wymienione przed chwilą działania są jednymi z wielu uproszczeń mającymi za zadanie ułatwić i przyśpieszyć użytkownikowi pracę.

 


Wybór wielokrotny za pomocą narzędzia "Powerselect" oraz kopiowanie za pomocą "Move"
> Odtwórz większy w nowym oknie

 



    Sprawdzenie jakości i naprawa geometrii


          Kiedy tworzymy geometrię, nie ważne czy będzie wykorzystana w analizie czy tylko do dokumentacji, warto jest co pewien czas sprawdzić jej jakość. To znaczy zbadać czy: nie występują w układzie nadmiarowe linie lub powierzchnie, nie powstały małe powierzchnie, zachowana jest spójność i ciągłość elementów itd. ANSYS SCDM posiada wszystkie niezbędne narzędzia do wykrycia i naprawy wspomnianych wad (a nawet i więcej). Poza klasycznymi narzędziami do: zszywania linii i powierzchni, wypełniania mały dziur i szczelin, upraszczania topologii itd. posiada inne rzadziej spotykane. W przypadku badania modelu pod kątem danej wady program wyświetla wszystkie potencjalnie wadliwe obszary, natomiast ich naprawa może odbyć się w sposób automatyczny wszystkich jednocześnie lub ręczny gdzie użytkownik po kolei wybiera miejsca do naprawienia. Z dodatkowych narzędzi do weryfikacji modelu, przytoczyć warto te ważniejsze pozwalające na:

-    sprawdzenie i poprawa kierunków normalnych powierzchni (dla elementów skończonych typu: shell),
-    badanie gładkości powierzchni i ciągłości ich krzywizn (w celu wykrycia nie tylko ostrych połączeń, ale również w celu znalezienia potencjalnych obszarów dla wystąpienia osobliwości w analizie numerycznej),
-    określenie pochylenia wszystkich ścian brył względem danego kierunku, bardzo przydatne gdy analizowany element będzie odlewany w formie, ponieważ narzędzie to umożliwia sprawdzenie czy będzie możliwe wyciągnięcie danego obiektu z formy po odlaniu,
-    uzyskanie informacji na temat zaznaczonych obiektów, w zależności od tego jakie elementy zostaną wybrane to są to informacje w postaci ich: długości/odległości, pola powierzchni, masy, objętości i momentów bezwładności.

 
Dodawanie nowych obiektów do rysunku metodą "Przeciągnij i upuść"
> Odtwórz większy w nowym oknie

 

          Jeżeli chodzi o naprawę geometrii może się zdarzyć, że nie będzie możliwości naprawienia pewnego obszaru w bryle czy powierzchni i wymagane okaże się usunięcie problematycznych elementów. Aby nie tracić czasu na usunięcie całego elementu i jego wykonanie od nowa, ANSYS SCDM umożliwia stopniową dekompozycję modelu. Oznacza to dokładnie, że po zaznaczeniu jednej lub kilku powierzchni bryły i naciśnięciu przycisku "Del"program usunie "wnętrze" bryły i skasuje wybrane powierzchnie, natomiast pozostałe pozostawi. Po wstawieniu w miejsce usuniętych powierzchni nowych (narysowanych lub zaimportowanych) można je dodać do siebie tworząc nową naprawioną bryłę.

 



    Przygotowanie modelu do analizy i eksport danych

          Omówiono zastosowanie, możliwości i działanie ANSYS SCDM należałoby powiedzieć parę słów na temat jego współpracy ze środowiskiem ANSYS Workbench. Otóż ANSYS SCDM został w dużym stopniu zintegrowany z ANSYS WB. To znaczy, przygotowując geometrię do analizy można w nim zdefiniować wiele cech/elementów niemożliwych do określenia w innych programach CAD. Do najważniejszych należą:
-    możliwość automatycznego "wyciągnięcia" powierzchni środkowych z brył i przypisanie im grubości dla shelli,

-    tworzenie elementów belkowych poprzez przypisanie przekroju poprzecznego liniom,

-    istnieje również możliwość automatycznej zamiany brył w belki, klikając na bryłę program ją bada i jeśli jest to możliwe odczytuje: przekrój poprzeczny i środek ciężkości a następnie wstawia w miejsce bryły linię i przypisuje tej linii właściwości odczytanego przekroju poprzecznego,
-    tworzenie "component/part", to jest pocięcie jednej bryły na kilka składowych i połączenie w taki sposób, że różne bryły w miejscach styku będą posiadać spójną siatkę MES w ANSYS, wykonuje się to celem ułatwienia tworzenia siatki mesherowi lub zadania różnych danych materiałowych w różnych obszarach modelu,
-    dwukierunkowa asocjatywność z ANSYS WB - możliwość zdefiniowania parametrów w ANSYS SCDM które będą odczytywane przez ANSYS Workbench, a po zmianie ich wartości z poziomu ANSYS WB i odświeżeniu modelu, program SCDM zostanie otworzony w tle, geometria zaktualizowana w oparciu o nowe wartości parametrów i wczytana z powrotem do analizy w WB.

 

 
Tworzenie modelu 3D z istniejącego rysunku 2D pochodzącego z innego programu CAD
> Odtwórz większy w nowym oknie

 



    Przygotowanie dokumentacji technicznej

          Biorąc pod uwagę przeznaczenie analizy numerycznej, jakim jest sprawdzenie konstrukcji pod zadanym obciążeniem i ewentualne jej wzmocnienie aby spełniała założone wymagania, należy udokumentować wszelkie znaczące zmiany wykonane na modelu. ANSYS SpaceClaim DM jak każdy profesjonalny program CAD posiada rozbudowany moduł do wykonania rysunków złożeniowych i wykonawczych zawierających rzuty, przekroje, wycięcia i wszelkie wymagane parametry jak np.: wymiary, tolerancje, pasowania, wykończenie powierzchni itd. Poza wspomnianym modułem jeszcze jedno narzędzie pozwalające podkreślić i w wyraźny sposób przedstawić wprowadzone znaczące zmiany. Mianowicie istnieje możliwość wczytania na jednym ekranie modelu sprzed i po wprowadzeniu zmian i porównania ich ze sobą. Program odpowiednimi różnymi kolorami zaznaczy te elementy (linie, powierzchnie, bryły) zostały zmodyfikowane. Zostanie zobrazowane który element wydłużono, przesunięto, usunięto lub dodano, różnice te można przygotować w postaci slajdów i zapisać jako prezentację Microsoft PowerPoint.
          Wspomniane narzędzia do przygotowania dokumentacji technicznej są bardzo przydatne ze względu na możliwość szybkiego i dokładnego przedstawienia wprowadzonych zmian w postaci prezentacji oraz ze względu na możliwość przygotowania rysunków technicznych z wykorzystaniem modelu końcowego.

 

 
Automatyczna zamiana brył na belki (linia + przekrój)
> Odtwórz większy w nowym oknie

 



    Podsumowanie

Najważniejsze cechy ANSYS SpaceClaim DM:

  • szybkie tworzenie i modyfikowanie obiektów poprzez uchwycenie i przeciągnięcie ich elementów składowych (punktów, linii, krawędzi, powierzchni),
  • automatyczna i pół-automatyczna naprawa geometrii (usuwanie zaokrągleń, błędnych krawędzi, nadmiarowych linii, punktów, tworzenie brakujących powierzchni itd.),
  • możliwość tworzenia parametrów bezpośrednio na obiektach nie posiadających zdefiniowanych zależności ani historii działań (np.: modele zaimportowane z nie rodzimych formatów: STEP, IGS, Parasolid, Inventor itd.),
  • wyciąganie powierzchni środkowych z brył i automatyczne przypisanie im "grubości",
  • tworzenie elementów belkowych poprzez przypisanie przekroju poprzecznego liniom, istnieje również możliwość automatycznej zamiany brył w belki,
  • tworzenie "part-ów" - różne bryły mogą posiadać inne dane materiałowe ale spójną siatkę MES w ANSYS,
  • dwukierunkowa asocjatywność z ANSYS WB,
  • tworzenie dokumentacji technicznej,
  • brak drzewka historii występującego w tradycyjnych systemach CAD.
 
Parametryzacja otworu i eksport do ANSYS
> Odtwórz większy w nowym oknie