Взаимодействие программных комплексов midas FEA NX и Civil

Рассказываем о взаимодействии программных комплексов из набора midas TSS Bridge: Civil + FEA NX — о том, как они дополняют функционал друг друга. Из пошаговых примеров вы узнаете не только, как переносить расчетные модели из одной программы в другую, но и как модернизировать их в процессе импорта-экспорта.

midas TSS Bridge

midas FEA NX позволяет удобно и быстро моделировать сложную геометрию конструкций, а затем разбивать сетку конечных элементов; КЭ модель можно далее экспортировать в комплекс для расчета мостовых сооружений midas Civil, и уже в нем выполнять расчет и проводить анализ модели.

Такой подход к моделированию позволяет одновременно использовать преимущества обоих продуктов, например, midas Civil можно использовать как препроцессор для FEA NX и экспортировать геометрию различных профилей в виде объемных элементов. Это упрощает процесс задания модели, экономит время инженера и улучшает качество получаемых результатов.

Подготовка КЭ модели в midas FEA NX

Рассмотрим подготовку КЭ модели конструкции, которая представлена на рисунке 1, для экспорта и последующего расчета в midas Civil.

Упрощенная визуализация конструкции
Рисунок 1. Упрощенная визуализация конструкции

Создание геометрии

Геометрию сложной конструкции можно задать двумя способами: средствами FEA NX или импортировать твердотельную геометрию (объемные элементы, поверхности и стержни), созданную в другом графическом редакторе. На рисунке 2 продемонстрированы поддерживаемые форматы геометрии. Подробно про импорт и экспорт твердотельной геометрии изложено в этом видео.

Поддерживаемые форматы при импорте твердотельной геометрии в midas FEA NX
Рисунок 2. Поддерживаемые форматы при импорте твердотельной геометрии в midas FEA NX

В данной статье будет рассмотрен именно импорт уже существующей геометрии в виде поверхностей и стержней из AutoCAD в midas FEA NX. Но такую геометрию легко создать и в midas FEA NX с помощью встроенных функций: все базовые опции для геометрического моделирования, которые есть в AutoCAD, реализованы и в midas FEA NX.

1. Создаем геометрию конструкции в AutoCAD в виде поверхностей для пластин и отрезков для стержней

На рисунках 3 и 4 продемонстрирована геометрия, созданная в AutoCAD. Можно использовать и любые другие редакторы, которые поддерживают форматы, указанные выше. Например, использовать софт производства российской компании Аскон: КОМПАС-3D и Renga.

Геометрия конструкции, созданная в AutoCAD
Рисунок 3. Геометрия конструкции, созданная в AutoCAD

Геометрия конструкции, созданная в AutoCAD без верхней пластины
Рисунок 4. Геометрия конструкции, созданная в AutoCAD без верхней пластины

2. Созданная геометрия была экспортирована в формат IGES

Можно экспортировать и в другой формат. Для выполнения этого нужно пройти в «Файл» — «Экспорт» — «Другие форматы» (см. рисунок 5), в открывшемся окне необходимо выбрать путь файла, имя файла и тип файла — IGES и подтвердить сохранение, см. рисунок 6. После сохранения необходимо выделить все объекты для экспорта и нажать «Enter», иначе не получится выполнить экспорт, многие пользователи забывают выполнить это последнее действие.

Экспорт геометрии из AutoCAD
Рисунок 5. Экспорт геометрии из AutoCAD

Экспорт геометрии из AutoCAD
Рисунок 6. Экспорт геометрии из AutoCAD

3. Созданный файл IGES был импортирован в midas FEA NX

Нажмите «File» — «Import» — «Import CAD File», см. рисунок 7. Далее в открывшемся окне выбрать предварительно созданный файл формата IGES и единицы измерения (параметр «Length Unit of the Model») в левом нижнем углу окна, в которых была выполнена геометрическая модель в графическом редакторе, см. рисунок 8. В AutoCAD геометрическая модель была реализована в мм, поэтому и в окне экспорта нужно указать мм. Если пользователь совершит ошибку — оставит по умолчанию единицы измерения метры, то это можно исправить средствами midas FEA NX, выполнив масштабирование геометрии. На рисунке 9 представлена импортированная геометрия модели.

Импорт твердотельной геометрии в midas FEA NX
Рисунок 7. Импорт твердотельной геометрии в midas FEA NX

Импорт твердотельной геометрии в midas FEA NX
Рисунок 8. Импорт твердотельной геометрии в midas FEA NX

Импортированная твердотельная геометрия в midas FEA NX
Рисунок 9. Импортированная твердотельная геометрия в midas FEA NX

Разбиение геометрии на конечные элементы

Перед началом разбивки геометрических объектов нужно, чтобы в КЭ модели соблюдалась узловая связь. Если начать разбивать сетку без этих предварительных действий, то у пластин, которые имеют смежные стороны, и в местах примыкания стержней к пластинам, не будет общих узлов. Поэтому для корректной разбивки на КЭ нужно сделать следующее:

1. Сшиваем все элементы оболочки

Нажимаем «Geometry» — «Boolean» — «Surface», во вкладке «Fuse2 открывшегося окна выбрать все оболочки и нажать «OK». После этого действия midas FEA NX увидит при разбиении сетки места примыкания оболочек, и при разбиении сетки узловая связь в зонах стыка будет обеспечена.

2. Расшиваем оболочки конструкции

Необходимо расшить оболочки конструкции для удобной в дальнейшем поочередной разбивки различных групп пластин с назначением разных свойств. Если не расшить геометрию на отдельные элементы, то невозможно будет выделить определенные пластины, которые скрыты за другими элементами внутри сшитой конструкции, и назначить им нужные свойства. Для расшивки требуется выполнить команду: «Geometry» — «Sub Shape» — «Explode», во вкладке «Explode» нужно активировать флажок для «Sub Shapes», выделить предварительно сшитый на предыдущем этапе объект и нажать «OK».

3. Отпечатываем точку примыкания на поверхность оболочки

Для реализации узловой связи стержня и пластины нужно отпечатать точку примыкания на поверхность оболочки: «Geometry» — «Surface & Solid» — «Imprint» и во вкладке в качестве «Target Object(s)» выбрать элемент оболочки, в которую приходит стержень, а в «Tool Object» требуется выбрать точку конца отрезка стержня, в «Direction» нужно активировать опцию «Direction of Shortest Path Line» (см. рисунок 10). Операцию повторяем нужное количество раз и отпечатать точки примыкания на пластины для всех стыков стержня и оболочки.

Создание отпечатка точки в месте примыкания стержня и пластины
Рисунок 10. Создание отпечатка точки в месте примыкания стержня и пластины

4. Разбиваем на отдельные отрезки в местах пересечения нижнего пояса с раскосами

Если нижний пояс фермы выполнен в виде одного отрезка, то его нужно разбить на отдельные отрезки в местах пересечения нижнего пояса с раскосами. Для этого нужно воспользоваться командой «Geometry» — «Point & Curve» — «Intersect» и выбрать все отрезки фермы.

После выполнения всех геометрических преобразований приступаем к созданию материалов: «Mesh» — «Prop./CSys./Func» — «Material». Для данной задачи был создан только один упругий материал для стали. Затем создаем свойства для элементов конструкции: «Mesh» — «Prop./CSys./Func.« — «Property». При задании свойства для элементов конструкции указываются геометрические характеристики сечения и материал. Все оболочки для данной задачи имеют тип «Shell», а стержневые элементы фермы — тип «Beam» (см. рисунок 11).

Созданные свойства в midas FEA NX
Рисунок 11. Созданные свойства в midas FEA NX

Разбивка элементов конструкции на конечные элементы

После выполнения всех подготовительных действий приступаем к разбивке элементов конструкции на КЭ: «Mesh» — «Generate» — «2D» вкладка «Auto-Face» — для оболочек (см. рисунок 12), а «Mesh» — «Generate» — «1D» — для стержней фермы (см. рисунок 13). При разбиении оболочки в «Size Method» при активированном «Size» нужно указать необходимый размер КЭ, в «Property» — требуемое свойство, а в «Mesh Set» — название создаваемого набора конечных элементов. При разбиении стержней соблюдается похожий принцип, но в «Size Method» нужно при активированном «Divison» ввести 1. На рисунке 14 продемонстрирована созданная итоговая сетка конечных элементов. Разные цвета означают принадлежность к разным наборам КЭ.

Окно создания сетки КЭ для поверхностей
Рисунок 12. Окно создания сетки КЭ для поверхностей

Окно создания сетки КЭ для стержней
Рисунок 13. Окно создания сетки КЭ для стержней

Итоговая сетка КЭ в midas FEA NX
Рисунок 14. Итоговая сетка КЭ в midas FEA NX

Проверяем качество сетки КЭ и условие выполнение узловой связи КЭ

При импорте из AutoCAD сложной геометрии легко ошибиться и, например, не состыковать элементы, поэтому после создания КЭ нужно обязательно проверить качество сетки КЭ (более подробно данный процесс изложен в данной статье) и условие выполнение узловой связи КЭ (этот пункт критически важен). Для проверки соблюдения узловой связи можно нагрузить модель распределенной нагрузкой, задать граничные условия и выполнить пробный расчет. Если узловая связь где-то не выполняется, то в большинстве случаев это будет видно на деформированном виде. При обнаружении нарушения узловой связи в каких-либо местах средствами midas FEA NX это можно легко исправить.

Экспорт КЭ модели из midas FEA NX в midas Civil

Нажимаем: «File» — «Export» — «midas Civil», см. рисунок 15.

Экспорт КЭ модели в midas Civil
Рисунок 15. Экспорт КЭ модели в midas Civil

Расчет импортированной конструкции в midas Civil

Импортировать полученный из midas FEA NX *.mct файл можно несколькими способами.

Первый способ через стандартный инструмент импорта. Нажимаете на «Файл» — «Импорт» — «Файл MIDAS/Civil MCT», после чего выбрать импортируемый файл и нажать на «Открыть». Таким образом, все содержимое файла будет перенесено в новую модель.

Перенос расчетной модели используя базовую команду импорта
Рисунок 16. Перенос расчетной модели используя базовую команду импорта

Второй способ гибкий, но может потребовать некоторых знаний о командах MCT. С ними можно импортировать не только содержимое файла целиком, но и отдельные его части, отдельные команды. Инструмент находится во вкладке «Инструменты» — «Командная оболочка» и позволяет импортировать как всю модель целиком, так и отдельные её части: узлы, элементы, нагрузки, опорные закрепления.

Перенос всей расчетной модели, используя командную оболочек
Рисунок 17. Перенос всей расчетной модели, используя командную оболочку

Перенос узлов расчетной модели, используя командную оболочку
Рисунок 18. Перенос узлов расчетной модели, используя командную оболочку

В нашем случае файл MCT содержит команды:

  • *UNIT

    Единицы измерения, в которых создан данный файл

  • *NODE

    Создание узлов

  • *ELEMENT

    Создание элементов: стержневых, пластинчатых или объемных

  • *MATERIAL

    Создание материалов

  • *SECTION

    Создание сечений для стержневых элементов

  • *THICKNESS

    Создание толщин для плитных элементов

Команды могут быть импортированы отдельно друг от друга, таким образом инженер может получить больше возможностей в процессе моделирования. Подробнее про команды MCT файла можно прочитать в справке к midas Civil или в этой статье.

Создадим модель опорной панели стального моста, используя любой из этих способов, и сохраним ее.

Импортированная модель в midasCivil
Рисунок 19. Импортированная модель в midasCivil

Как можно увидеть на рисунке 19, вместе с геометрией были перенесены материалы и жесткостные параметры для стержневых и пластинчатых элементов. Нам остается лишь задать опорные закрепления, нагрузки и можно производить расчет.

Если с опорными закреплениями все понятно, то с заданием нагрузок могут возникнуть сложности. Данная опорная панель находится в составе целого пролетного строения и находится в напряженно-деформированном состоянии от общей работы всей конструкции.

Первое, что может прийти в голову — это создать целиком всё пролетное строение таким же подробным, как данная панель. Но в таком случае, задача может оказаться очень «тяжелой» как для моделирования, так и для расчета с последующим анализом.

В качестве простого решения можно объединить более «легкую» стержневую модель, которая используется для оценки общей работы всего пролетного строения, с подробной пластинчатой моделью отдельной панели, для оценки местных воздействий. Делается это с использованием жестких связей.

Стержневая расчетная модель для оценки общей работы пролетного строения
Рисунок 20. Стержневая расчетная модель для оценки общей работы пролетного строения

Для этого из стержневой модели удалим опорную панель длиной 9 м. Затем, используя инструмент «Объединить файлы моделей», добавим импортируемую часть в общую стержневую. Заходим в «Файл» — «Объединить файлы моделей». В диалоговом окне клавишей «Обзор» выбираем добавляемый файл после задания параметров: тип переносимых данных (узлы, элементы, материалы, сечения, толщины), перенумерация узлов и элементов, координата точки вставки, углы поворота вставляемой модели вокруг трех глобальных осей.

Процесс объединения файлов моделей
Рисунок 21. Процесс объединения файлов моделей

В итоге опорная пластинчатая панель интегрирована в общую стержневую конструкцию, но не соединена с ней для совместной работы.

Результат объединения моделей
Рисунок 22. Результат объединения моделей

Теперь необходимо связать главные балки, аппроксимированные стержнями и пластинами, для обеспечения их совместности. Для этого используем жесткие связи. В качестве ведущего (мастер) выберем узел на стержневом конечном элементе, а подчиненными будут все узлы с торца балки аппроксимированной пластинами. Жесткие связи добавляются с обеих сторон опорной панели. Таким образом, сечения стержневых элементов, подчиняющиеся гипотезе плоских сечений, передадут все деформации на плитные элементы согласно этой же гипотезе. Внутри самой панели распределение деформаций и напряжений будет уже неравномерным.

Добавление жестких связей
Рисунок 23. Добавление жестких связей

Опорные закрепления добавляются аналогичным образом, но вначале создается одноузловая связь согласно схеме опор пролетного строения, а затем опорный узел будет являться ведущим для жесткой связи, объединяющей его и узлы участка опирания опорной части.

Создание опорных закреплений
Рисунок 24. Создание опорных закреплений

После приложения нагрузок можно запускать на расчет.

Но перед этим рассмотрим второй способ передачи воздействий от общей работы всей балки жесткости на опорную панель, без интеграции панели в стержневую модель. Имея стержневую модель, можно получить в табличном виде величины перемещений торцевых узлов на опорной панели от необходимых загружений или сочетаний (следует отметить, что значения всех узловых перемещений должны быть соответствующими).

Перемещения торцевых узлов опорной панели в стержневой модели
Рисунок 25. Перемещения торцевых узлов опорной панели в стержневой модели

После чего в подробной (плитной) модели можно приложить эти перемещения в качестве нагрузки используя инструмент «Нагрузки» — «Статические нагрузки» — «Заданные перемещения».

Назначение заданных перемещений торцевых узлов опорной панели в плитной модели
Рисунок 26. Назначение заданных перемещений торцевых узлов опорной панели в плитной модели

Результаты расчета

Пластинчатая модель может дать больше информации об НДС конструкции чем, стержневая. В отличие от стержневой модели, она позволяет оценить: неравномерность напряжений по сечению, положение и величину различного рода концентраторов напряжений, а так же оценить местную устойчивость элементов конструкции.

По общим деформациям объединенной модели видно, что совместная работа опорной панели со стержневым пролетным строением обеспечена.

Деформаций общей модели от постоянной нагрузки
Рисунок 27. Деформаций общей модели от постоянной нагрузки

Деформаций опорной панели от постоянной нагрузки
Рисунок 28. Деформаций опорной панели от постоянной нагрузки

Нормальные напряжения в опорной панели неравномерны за счет редукции и концентраторов напряжений.

Нормальные напряжения SigXX в. опорной панели
Рисунок 29. Нормальные напряжения SigXX в. опорной панели

В пластинчатых моделях можно детально оценить распределение касательных напряжений в элементах главных балок.

Касательные напряжения SigXZ в стенках опорной панели
Рисунок 30. Касательные напряжения SigXZ в стенках опорной панели

Во время анализа результатов можно детализировать необходимые элементы конструкции, скрывая те части, которые не интересны в данный момент.

Распределение напряжений Sig-eff в элементах узла опирания панели
Рисунок 31. Распределение напряжений Sig-eff в элементах узла опирания панели

Пластинчатые модели, в отличие от стержневых, позволяют оценивать местную устойчивость элементов конструкции, оценивая коэффициент критической силы (коэффициент к нагрузке, при которой теряется устойчивость элемента).

Одна из форм местной потери устойчивости отсека стенки в опорной панели
Рисунок 32. Одна из форм местной потери устойчивости отсека стенки в опорной панели

Подготовка геометрической модели в midas Civil с дальнейшим ее экспортом в FEA NX

При импорте моделей из midas Civil в midas FEA NX есть возможность преобразовывать стержневые элементы в объемные или пластинчатые. Разберем, как работают эти два инструмента.

Экспорт из стержневых в объемные элементы

Находится этот инструмент во вкладке «Файл» — «Экспорт» — «Стержневая модель в 3D модель». В появившемся диалоговом окне необходимо указать элементы для экспорта или все элементы в модели или номера отдельных элементов, в случае выборочного экспорта. При наличии пучков высокопрочной арматуры в ПНЖБ сечениях, есть возможность экспортировать и положение этих пучков. Для этого необходимо поставить галочку напротив «Профиль арматуры» и указать, какие пучки переносить: все или выбранные. После чего все данные будут сохранены в файле с расширением *.mcs.

Процесс экспорта из стержневых в объемные элементы
Рисунок 33. Процесс экспорта из стержневых в объемные элементы

Экспорт из стержневых в плитные элементы

Находится этот инструмент во вкладке «Файл» — «Экспорт» — «Стержневая модель в модель из пластин». В появившемся диалоговом окне необходимо указать элементы для экспорта или все элементы в модели или номера отдельных элементов, в случае выборочного экспорта. Раздел «1D субэлементы» позволяет постоянные поперечные сечения сохранять в виде объемных тел. «Заданное перемещение» позволяет от выбранного варианта нагружения сохранять перемещения узлов в расчетной модели, которые будут учитываться при создании геометрии пространственной модели. Данная функция работает после выполнения расчета модели.

Файл будет сохранен с расширением mcp. Тут так же следует учесть то, что данный инструмент работает только с сечениями ПНЖБ.

Процесс экспорта из стержневых в плитные элементы
Рисунок 34. Процесс экспорта из стержневых в плитные элементы

Работа с импортированной геометрией

Импорт в виде объемных элементов

Для импорта стержневой модели из midas Civil в midas FEA NX в. виде объемных элементов нужно воспользоваться инструментом «Geometry» — «Tools» — «Frame to Solid», далее в открывшемся окне необходимо нажать на «Select Midas section file» и выбрать предварительно созданный файл в midas Civil в формате *.mcs и далее нажать «OK» (см. рисунок 35). Импортированная геометрия в виде объемных тел представлена на рисунке 36. Далее для расчета нужно выполнить стандартные действия в midas FEA NX: задать материалы и свойства, разбить геометрию на конечные элементы, задать граничные условия и нагрузки, настроить параметры расчета.

Команда «Frame to Solid» позволяет сразу получить сетку конечных элементов: при импорте для реализации данного действия нужно активировать опцию «Generate Mesh» и выбрать форму разбиваемых КЭ (Tetra Mesher или Hybrid Mesher), размер КЭ и свойство КЭ (см. рисунок 37). На рисунке 38 представлена разбитая сетка КЭ с помощью «Frame to Solid». Предпочтительно таким способом разбивать 1 объемный элемент, если объемные элементы пересекаются, то крайне рекомендуется импортировать именно геометрию, и далее дорабатывать ее с целью соблюдения узловой связи КЭ и разбивать на КЭ классическими инструментами midas FEA NX.

Импорт геометрии в виде объемных тел из midas Civil
Рисунок 35. Импорт геометрии в виде объемных тел из midas Civil

Импортированная геометрия в виде объемных тел из midas Civil
Рисунок 36. Импортированная геометрия в виде объемных тел из midas Civil

Разбивка на КЭ с помощью «Frame to Solid»
Рисунок 37. Разбивка на КЭ с помощью «Frame to Solid»

Разбитая сетка КЭ с помощью «Frame to Solid»
Рисунок 38. Разбитая сетка КЭ с помощью «Frame to Solid»

Импорт в виде поверхностей

Для импорта стержневой модели из midas Civil в midas FEA NX в виде поверхностей нужно воспользоваться инструментом «Geometry» — «Tools» — «Frame to Shell», далее в открывшемся окне нужно проделать аналогичные действия из предыдущего пункта. Импортированная геометрия представлена на рисунке 39, а сетка КЭ, полученная по этой геометрии с помощью «Frame to Shell», на рисунке 40.

Импортированная геометрия в виде поверхностей из midas Civil
Рисунок 39. Импортированная геометрия в виде поверхностей из midas Civil

Разбитая сетка КЭ с помощью Frame to Shell
Рисунок 40. Разбитая сетка КЭ с помощью Frame to Shell

Заключение

midas TSS Bridge позволяет применять в связке взаимодополняющие продукты: midas Civil + midas FEA NX. В результате растет эффективность работы, повышается качество проектов и сокращаются сроки, а новая модель предоставления лицензий в виде подписок обеспечивает регулярную техническую поддержку и обновление ПО, унифицирует и упрощает процесс использования программ.

Преимущества Total Solution & Service:

  • Неограниченные возможности

    Набор гибких инструментов для решения разных инженерных задач

  • Меньшая стоимость

    По сравнению с приобретением дополнительных лицензий

  • Полные версии программ

    Максимальная конфигурация, набор модулей и опций

  • Организация работы отделов

    Использование из любой точки мира, не привязываясь к определенным компьютерам

  • Мониторинг использования программ

    Отображение пользователей – их подключение и использование ПО

  • Обучение и техническая поддержка

    Оперативные консультации пользователей и обучающие курсы

Если вы еще не используете набор программных продуктов midas TSS Bridge: Civil + FEA NX, то, пожалуйста, обращайтесь к своему персональному менеджеру за подробностями.