Bilim.techО проекте

Метод конечных элементов

Как компьютер находит самое нагруженное место детали? Дели стержень и пластину с отверстием на элементы, сгущай сетку и смотри, как расчет сходится к ответу.

01 Что это такое

Метод конечных элементов делит сложную деталь на множество простых кусочков, для каждого пишет простое уравнение и решает их все вместе. Так компьютер находит, где деталь нагружена сильнее всего.

Для бруска постоянного сечения напряжение легко посчитать формулой: сила делить на площадь. Но у кронштейна есть отверстия, скругления и переходы толщины, и формулы для него нет. Тогда деталь покрывают сеткой из треугольников или четырехугольников. Внутри маленького элемента деформацию можно считать простой, например постоянной. Соседние элементы связаны общими узлами. Получается система из сотен или миллионов линейных уравнений, и компьютер ее решает. Чем мельче сетка, тем ближе ответ к правде, но тем дольше счет.

1. Деталь2. Сетка3. Напряжениярастягивают за краяузлы и элементыу края отверстия втрое больше
Слева деталь, посередине ее сетка: узлы стоят в углах элементов. Справа результат расчета: чем темнее, тем сильнее растянут металл.
k
Жесткость элемента, Н/мм. Какой силой надо растянуть элемент, чтобы он удлинился на 1 мм. Из жесткостей всех элементов собирают общую матрицу K.
u
Перемещение узла, мм. Главное неизвестное метода. Зная, как сдвинулись узлы, находят деформации и напряжения в каждом элементе.
Kt
Коэффициент концентрации напряжений. Во сколько раз напряжение у отверстия, канавки или острого угла больше, чем в гладкой части детали.
02 Опыт
Сгущай сетку. Смотри, когда ответ перестанет меняться. РАСЧЕТ В БРАУЗЕРЕ
ПРОЧНОСТЬ

Где деталь нагружена сильнее всего?

Рис. 8.4

ГОТОВЫЕ СЛУЧАИ
σmax
Ошибка
Уравнений в системе
03 Формулы по буквам

Пружинки, система уравнений и пик у отверстия

Каждый конечный элемент стержня ведет себя как пружина. Из пружин собирают систему уравнений, решают ее и получают перемещения узлов. Числа ниже из опыта. Как растяжение и изгиб считают формулами для простых балок, разобрано в теме «Балка и прочность».

Насколько жесткий один элемент?

k = E · A / L

Это закон Гука для бруса. Чем больше площадь и жестче материал, тем труднее растянуть. Чем длиннее элемент, тем легче.

k
жесткость элемента, Н/мм
E
модуль упругости материала, МПа (Н/мм²). Сталь около 210 000
A
площадь сечения элемента, мм²
L
длина элемента, мм

Как найти перемещения всех узлов?

K · u = F

Матрицу жесткости K собирают из маленьких матриц элементов: каждый элемент добавляет k туда, где встречаются его узлы. Узлы с закреплением вычеркивают. Остается система линейных уравнений, ее решает компьютер.

K
матрица жесткости всей детали, Н/мм. Почти все ее числа нули
u
столбец неизвестных перемещений узлов, мм
F
столбец сил, приложенных к узлам, Н

Во сколько раз отверстие поднимает напряжение?

Kt = σmax / σ∞

У маленького круглого отверстия в широкой пластине Kt = 3: металл огибает отверстие, и у его краев напряжение втрое больше. Трещины усталости почти всегда начинаются именно там.

σmax
наибольшее напряжение у края отверстия, МПа
σ∞
напряжение вдали от отверстия, МПа. В опыте 100
d/W
диаметр отверстия к ширине пластины. Чем больше, тем больше Kt

Откуда берется матрица жесткости

Возьмем стержень из двух элементов и три узла: 0, 1, 2. Узел 0 закреплен в стене. Элемент 1 соединяет узлы 0 и 1, его растяжение u₁ − u₀ = u₁, сила в нем k₁·u₁. Элемент 2 соединяет узлы 1 и 2, сила в нем k₂·(u₂ − u₁).

Теперь условие равновесия каждого свободного узла: сумма сил равна нулю. На узел 1 тянут оба элемента, на узел 2 только второй и внешняя сила F. Получаем два уравнения, а в матричной записи как на рисунке. На диагонали стоит сумма жесткостей элементов, сходящихся в узле, рядом минус жесткость общего элемента.

Для пластины все так же, только у каждого узла два перемещения (по x и по y), а элемент треугольный. Матрица получается большой, но почти пустой, и для нее есть быстрые методы решения.

012k₁k₂Fk₁ + k₂−k₂−k₂k₂u₁u₂=0FK · u = F
Два элемента это две пружины подряд. Диагональ матрицы: сумма жесткостей в узле.
04 Где и зачем это применяют

Сначала посчитать, потом варить и гнуть

Допущения модели+

Материал упругий и одинаковый во всех направлениях: сталь, E = 210 000 МПа, коэффициент Пуассона 0,3. Стержень считается простейшими элементами с постоянным напряжением, площадь берется в середине элемента. Пластина плоская, тонкая (плоское напряженное состояние), ширина W, длина вдвое больше; считается четверть благодаря симметрии. Элементы треугольные с постоянной деформацией, поэтому пик напряжения берется по центру элемента у края отверстия, и он чуть занижен. Справочное значение Kt по формуле Хейвуда Kt = (2 + (1 − d/W)³) / (1 − d/W) отнесено к напряжению в полном сечении. В настоящих расчетах берут элементы точнее, учитывают пластичность и контакт, а сетку сгущают только в опасных местах.

Еще в направлении «Инженерия»

Все темы направления «Инженерия» →