פתרון בעיות היפראלסטיות בתוכנת SIMULIAworks
מאמר זה יעסוק ביכולות המתקדמות של SIMULIAworks, תכנת האנליזות החדשה של SOLIDWORKS בענן, המאפשרת לבצע סימולציות לחומרים היפראלסטיים בקלות ובמהירות.
מאמר זה יעסוק באחד האתגרים הקשים ביותר בעולם האנליזות באלמנטים סופיים שהוא חקירה ובדיקה של מוצרים המורכבים מחומרים היפראלסטיים.
בעוד שקשת המוצרים והחומרים רחבה למדי, וכוללת לדוגמא: ריפוד לרהיטים, סוליות לנעליים, מזרני שינה, כריות לאוזניות וכו', רק מספר מצומצם של תכנות אנליזה מצליח להתמודד ב100% עם בעיות לא לינאריות מורכבות אלה.
נדבר כאן על היכולות המתקדמות של SIMULIAworks, תכנת האנליזות החדשה של SOLIDWORKS בענן, המאפשרת לבצע סימולציות לחומרים היפראלסטיים בקלות ובמהירות.
נתחיל בהגדרה, על קצה המזלג:
היפראלסטיות = היכולת של חומר להתעוות באופן משמעותית גבוה תחת עומס יחסית נמוך.
החומר ההיפראלסטי הנפוץ ביותר הוא כמובן הגומי, אשר באינטואיציה שלנו (וגם פרקטית במציאות) יכול להימתח, להתכווץ, להתפתל ולהידחס בקלות ניכרת מאשר חומרים פלסטיים ומתכות.
המבחן בו יעסוק מאמר זה יהיה בדיקת מידת קשיות ואופן ההתכווצות של מזרן (או מזרון, אבל לא של פולירון 😊), כך שבהינתן שקיעה של כ-40 מ"מ נמדוד את כוח הריאקציה המתקבל חזרה מהמזרן, בדיוק כמו בעולם האמיתי:
כאמור בעיות מהסוג הנ"ל, המשלבות אי-לינאריות על רקע דפורמציה גדולה, מגע מתמשך וחומרים היפראלסטיים, קשות לפתרון ולכן מהוות דוגמא מעולה להשוואת יכולות בין תוכנות הסימולציה השונות.
כיאה למתכננים ב-SOLIDWORKS, נתחיל את הבדיקה מתוך SIMULATION:
מבחינת תנאי גבול לאנליזה, הוגדרו התנאים הבאים:
- מודל – באנליזה שלושה גופים: שתי פלטות מתכתיות ובינהן בלוק ספוגי.
- סימטריה – על מנת לחסוך בכמות אלמטים וזמן ריצה, המודל הנבדק הינו רבע מהמודל השלם. במישורי החיתוך הוגדרו תנאי סימטריה.
- עומס – בפאה המסומנת בוורוד הוגדרה שקיעה של 37.5 מ"מ כנגד הבלוק הספוגי.
במהלך הפתרון ב-SIMULATION הפותרן (SOLVER) התריע מספר פעמים על קשיים בהגעה להתכנסות, עד שלקראת 50% מסך השקיעה הוא פסק:
התכנסות חלקית היא אינה תופעה שכיחה אך עלולה לקרות כאשר נדרש רישות עדין יותר או כשמדובר בבעיה מורכבת מבחינת דפורמציה עבור יכולות התוכנה.
במקרה זה בוצעו מספר איטרציות לטיוב הרישות אך תקרת ההתכנסות לא עלתה על 50%:
צפו בסרטון – התכנסות חלקית
בדיוק למצבים אלו (ולעוד מספר תרחישים שפורטו ויפורטו בוובינרים ומאמרים נוספים) SOLIDWORKS מרחיבה את קשת פתרונות הסימולציה שלה לתוכנת SIMULIAworks, המאפשרת אינטגרציה מעולה עם SOLIDWORKS ו- SIMULATION.
תנאי הגבול והגדרות האנליזה ב-SIMULATION מועברים ישירות לפלטפורמת 3DEXPERIENCE דרך ה-Connector, אל תוך אפליקציית SIMULIAworks:
בביצוע האנליזה ב- SIMULIAworksהשתמשנו במספר יתרונות משמעותיים:
-
רישות 3D-SWEEP
ב- SIMULIAworksקיימות אפשרויות רישות מתקדמות וסוגי אלמנטים שמקלים מאוד על פתרון בעיות מסויימות.
באנליזה זו, למבנה הספוג המלבני ואופן המעיכה שלו בין שני הגופים המתכתיים, מתאים במיוחד רישות שכבתי של אלמנטים מלבניים:
-
הגדרת החומר ההיפראלטי
ב- SIMULIAworksניתן להגדיר חומרים במגוון התנהגויות מכאניות (אלסטיים, היפראלסטיים, אלסטופלסטיים וכו'), כמו גם תכונות איזוטריות ומקדמים מגישות חישוב שונות.
ספציפית באנליזה זו הוגדר חומר מסוג Hyper-foam עם המקדמים הבאים:
-
פותרן ABAQUS
מנוע החישוב ABAQUS של SIMULIAworks מבית SIMULIA הינו הפותרן המתקדם ביותר טכנולוגית בשוק האלמנטים הסופיים.
הפותרן סיים ב-100% התכנסות בתוך 5 דקות בלבד:
תוצאות ומסקנות
את אופן ההתכווצות של המזרן ניתן לראות בסרטון הבא:
מהרישות המוצג על גבי המודל ותוצאת הדפורמציה נראה כי סוג האלמנט שנבחר לבעיה אידיאלי במבחני מעיכה כדוגמת זה.
את מידת קשיות המזרן ניתן לבחון בכל נקודה במודל ע"י הפקת גרף של כוח הריאקציה כפונקציה של זמן התקדמות השקיעה:
הגרף מתאר במדויק את התנהגות החומר ההיפראלסטי, כפי שהיינו מצפים שיתנהג במציאות.
לסיכום, במבחני מעיכה היפראלסטית קיימת עדיפות משמעותית לשימוש ב- SIMULIAworks.
