Confronto tra 1D, 2Elementi D e 3D nell'analisi strutturale

introduzione

Gli ingegneri strutturali utilizzano una grande varietà di membri già dalla fase concettuale di un progetto di edificio o infrastruttura. Modellazione accurata di tali membri utilizzando software agli elementi finiti, come SkyCiv, è di grande importanza nel processo di progettazione, in quanto la modellazione accurata delle aste può sia ridurre i costi sia garantire un design sicuro. Esistono vari metodi di modellazione per simulare il comportamento strutturale dei pilastri, travi, pareti, o lastre che utilizzano 1D, 2Elementi D e 3D. Questo articolo spiega le principali differenze tra le varie tecniche di modellazione utilizzate in un normale ciclo di progettazione ingegneristica. In particolare, concentrandosi sulla modellazione, stato di stress e deformazione, e risultati.

Fase di modellazione (pre-elaborazione)

Geometria

1Gli approcci alla modellazione D vengono utilizzati per modellare membri di tipo linea come le colonne / moli, travi o pali. La rappresentazione della linea è auto definita dall'utente tramite una sezione e tutte le proprietà geometriche dell'asta (larghezza, altezza, ecc.).

2Le tecniche di modellazione D sono comunemente utilizzate per elementi di tipo piatto come i muri, lastre, conchiglie, monconi per ponti, carri armati, silos o cupole. Per tutti questi membri, le due dimensioni perpendicolari allo spessore sono considerate molto maggiori dello spessore. È quindi solo lo spessore della soletta che deve essere definito come proprietà della sezione dall'utente prima dell'analisi. Tuttavia, esistono limitazioni quando si utilizzano tecniche di modellazione 2D in quanto è necessario rispettare regole rigorose, per ottenere i risultati più accurati. Le regole principali che seguono sono il rapporto tra lo spessore e l'area della lastra stessa, poiché l'uso di una piastra con rapporto spessore / area molto elevato entrerà nel regno della modellazione 3D dove tutte le ipotesi fatte utilizzando elementi 2D non sono più valide.

3Gli elementi D possono essere utilizzati per modellare qualsiasi elemento strutturale. In questo caso, ogni membro del modello è comunemente suddiviso in elementi 3D volumetrici uguali. Così com'è, Programmi CAD (come SolidWorks) vengono utilizzati per creare questi modelli 3D, offre l'opportunità di creare modelli 3D più complessi utilizzati per l'analisi strutturale. Ad esempio, lo stesso telaio della bici visto con gli elementi 1D può essere replicato utilizzando elementi 3D, con il seguente risultato:

fonte: SimScaleUn grosso svantaggio dell'utilizzo di elementi 3D, è la sua modellazione (il modello sopra potrebbe richiedere fino a 10 volte più tempo rispetto alla modellazione 1D ) e risolvendo il tempo. 3Gli elementi D tentano di catturare completamente la fisica del modello, internamente ed esternamente utilizzando calcoli pesanti necessari per risolvere l'analisi al costo di più tempo speso sul modello stesso.

Meshing

Poiché la mesh è un passaggio cruciale in qualsiasi analisi strutturale, è importante che gli utenti siano consapevoli dell'impatto che la mesh gioca su 1D, 2D, ed elementi 3D su un modello.

Come menzionato prima, 1Gli elementi D sono comunemente usati per rappresentare i membri della linea e possono fornire un comportamento di flessione accurato di un membro. 1La mesh dell'elemento D è la divisione dell'elemento in più segmenti, ciò non influisce sul risultato complessivo, ma più segmenti consentono una visualizzazione più fluida e migliore dei risultati.

2Gli elementi D e 3D presentano tratti simili in termini di mesh. Ogni membro all'interno del modello è diviso in più parti di una certa forma, la dimensione della maglia del modello influisce sui risultati finali e che più fine è la maglia (forme più piccole utilizzate) maggiore è il tempo necessario per risolvere il modello. Ci sono due forme che vengono utilizzate per entrambi gli elementi 2D nella mesh, elementi quadrilateri e triangolari. 3Le forme degli elementi D sono variazioni che derivano dalle forme degli elementi 2D, le forme comunemente usate sono esaedri, tetraedri, cunei e piramidi con ciascuno che offre vantaggi diversi per modellare meglio la fisica del modello stesso.

Produzione (post produzione)

I risultati dell'analisi per le aste modellate utilizzando elementi 1D sono solitamente forniti in termini di forza di taglio e momento flettente sui due assi principali delle aste, nonché forza assiale e momento torsionale attorno all'asse che collega entrambe le estremità dell'asta.

Esempio di diagramma della forza del momento flettente nel software di analisi 1DPer elementi 2D, l'uscita è illustrata come forza assiale, forza di taglio, momento flettente e momento torcente per unità di lunghezza.

Tali risultati possono includere:

• • Forze di membrana
  • Forze di taglio / momento nel piano
  • Spostamenti (x,y,z, somma)
  • cesoia (Von-mises, diretto, cesoia, preside maggiore / minore)

quando, vengono adottati elementi in mattoni, i risultati sono forniti in termini di stress. Pertanto, le forze interne e le reazioni di supporto di elementi come pareti di taglio, gusci o lastre modellate utilizzando elementi 2D o elementi in laterizio è ottenuto mediante integrazione di forze / momenti interni per unità di lunghezza o tensioni sulla lunghezza o area di interesse, rispettivamente.