Vergelijking tussen 1D, 2D- en 3D-elementen in Structural Analysis

Invoering

Bouwkundig ingenieurs gebruiken al een grote verscheidenheid aan leden vanaf de conceptuele fase van een bouw- of infrastructuurproject. Nauwkeurige modellering van dergelijke leden met behulp van eindige-elementensoftware, zoals SkyCiv, is van groot belang in het ontwerpproces, aangezien nauwkeurige modellering van de leden zowel de kosten kan verlagen als een veilig ontwerp kan garanderen. Er bestaan ​​verschillende modelleermethoden om het structurele gedrag van kolommen te simuleren, balken, muren, of platen met 1D, 2D- en 3D-elementen. Dit artikel legt de belangrijkste verschillen uit tussen de verschillende modelleertechnieken die worden gebruikt in een reguliere technische ontwerpcyclus. Concreet, gericht op het modelleren, staat van spanning en vervorming, en resultaten.

Modelleringsfase (voorbewerking)

Geometrie

1D-modelleringsbenaderingen worden gebruikt voor het modelleren van lijntype-leden zoals kolommen / pieren, balken of palen. De weergave van de lijn wordt door de gebruiker zelf bepaald via een sectie en alle geometrische eigenschappen van de staaf (breedte, hoogte, enz.).

2D-modelleertechnieken worden vaak gebruikt voor plaatvormige elementen zoals wanden, platen, schelpen, bruggenhoofden, tanks, silo's of koepels. Voor al deze leden, de twee afmetingen loodrecht op de dikte worden als veel groter beschouwd dan de dikte. Het is daarom alleen de plaatdikte die voorafgaand aan de analyse door de gebruiker als sectie-eigenschap moet worden gedefinieerd. Echter, er bestaan ​​beperkingen bij het gebruik van 2D-modelleringstechnieken aangezien strikte regels moeten worden nageleefd, om de meest nauwkeurige resultaten te verkrijgen. De belangrijkste regels die volgen, zijn de verhouding tussen de dikte en het oppervlak van de plaat zelf, omdat het gebruik van een plaat met een zeer hoge dikte / oppervlakte-verhouding het rijk van 3D-modellering zal binnendringen, waar alle aannames gemaakt met behulp van 2D-elementen niet langer waar zijn.

3D-elementen kunnen worden gebruikt voor het modelleren van elk structureel element. In dit geval, elk lid van het model is gewoonlijk verdeeld in gelijke volumetrische 3D-elementen. Zoals het er nu uitziet, CAD-programma's (zoals SolidWorks) worden gebruikt om deze 3D-modellen te maken, het biedt de mogelijkheid om meer complexe 3D-modellen te maken die worden gebruikt voor structurele analyse. Bijvoorbeeld, hetzelfde fietsframe als met de 1D-elementen kan worden gerepliceerd met 3D-elementen, met het volgende resultaat:

Bron: SimScaleEen groot nadeel van het gebruik van 3D-elementen, is zijn modellering (het bovenstaande model kan tot 10x langer duren dan 1D-modellering ) en het oplossen van tijd. 3D-elementen proberen de fysica van het model volledig vast te leggen, intern en extern door gebruik te maken van zware berekeningen die nodig zijn om de analyse op te lossen ten koste van meer tijd besteed aan het model zelf.

Meshing

Meshing is een cruciale stap in elke structurele analyse, het is belangrijk dat gebruikers zich bewust zijn van de impact die meshing speelt op 1D, 2D, en 3D-elementen op een model.

Zoals eerder gezegd, 1D-elementen worden vaak gebruikt om lijnleden weer te geven en kunnen een nauwkeurig buiggedrag van een staaf geven. 1D-element meshing is de verdeling van het lid in meerdere segmenten, dit heeft geen invloed op het algehele resultaat, maar meer segmenten zorgen voor een vloeiendere en betere visualisatie van de resultaten.

2D- en 3D-elementen vertonen vergelijkbare eigenschappen in termen van meshing. Elk lid in het model is verdeeld in meerdere delen met een bepaalde vorm, de maaswijdte van het model is van invloed op de uiteindelijke resultaten en des te fijner de maas (kleinere vormen gebruikt) hoe langer het duurt om het model op te lossen. Er zijn twee vormen die worden gebruikt voor beide 2D-elementen in meshing, vierhoekige en driehoekige elementen. 3D-elementvormen zijn variaties die voortkomen uit de 2D-elementvormen, veelgebruikte vormen zijn hexahedrons, tetraëders, wiggen en piramides die elk verschillende voordelen bieden om de fysica van het model zelf beter te modelleren.

Uitvoer (nabewerking)

De analyseresultaten voor staven gemodelleerd met 1D-elementen worden meestal gegeven in termen van afschuifkracht en buigmoment rond de twee hoofdassen van de staven, evenals axiale kracht en torsiemoment om de as die beide uiteinden van de staaf verbindt..

Voorbeeld van buigmomentkrachtdiagram in 1D-analysesoftwareVoor 2D-elementen, de output wordt geïllustreerd als axiale kracht, dwarskracht, buigmoment en torsiemoment per lengte-eenheid.

Dergelijke resultaten kunnen zijn::

• • Membraankrachten
  • Afschuifkrachten / momentkrachten in het vlak
  • Verplaatsingen (X,j,z, som)
  • Schuintrekken (Von-mises, direct, schuintrekken, grote / kleine opdrachtgever)

Wanneer, baksteenelementen worden overgenomen, de resultaten worden gegeven in termen van spanningen. Daarom, de interne krachten en ondersteuningsreacties van leden zoals schuifwanden, schalen of platen gemodelleerd met 2D-elementen of baksteenelementen worden verkregen door integratie van interne krachten / momenten per lengte-eenheid of spanningen over de lengte of het interessegebied, respectievelijk.