A conversão e verificação de modelos FE no SkyCiv via API

Hoje em dia, FEM é a principal ferramenta para análise estrutural e projeto de diversos tipos de estruturas no mundo. Ao criar um modelo de estrutura FE, as três abordagens principais podem ser distinguidas. Ou seja, existe uma abordagem de modelagem de baixo nível, uma abordagem de modelagem de alto nível, e a geração de modelos FE através de comandos via API.

A abordagem de modelagem de baixo nível é baseada na modelagem passo a passo usando a funcionalidade do software FEM em cada etapa da modelagem. O modelo FE é criado manualmente. Engenheiro define manualmente nós no espaço, definir FE entre nós, definir materiais, definir cargas, definir condições de limite, etc. Esta abordagem de modelagem é a principal e amplamente utilizada entre engenheiros.

A abordagem de alto nível é baseada nos modelos especiais do software FEM, que são adaptados para certos tipos de estruturas. Esta pode ser uma caixa de diálogo na qual um engenheiro insere os dados estruturais. Em seguida, o software gera automaticamente um modelo FE pronto a partir desses dados. Esta abordagem pode ser considerada abstrata, uma vez que um engenheiro gasta tempo no modelo FE criando.

A terceira abordagem é uma das mais poderosas e flexíveis na criação de modelos FE de estruturas. Aqui o processo de criação do modelo FE pode ser realizado através de um script que inclui comandos especiais de execução.

Casos de uso de modelos FEM baseados em script

Isso significa que o engenheiro pode descrever a sequência de geração automática do modelo FE, análise, pós-processamento de resultados usando a forma de um texto. Tal ferramenta oferece capacidades na análise de estrutura com otimização em comparação com as duas abordagens anteriores. Abaixo estão as principais áreas de aplicação de API para análise e projeto estrutural:

1. O engenheiro pode criar um conjunto de seus próprios modelos para geração automática de modelos FE. Por exemplo, um engenheiro está lidando com um trecho de uma rodovia onde muitas pontes diferentes do mesmo tipo devem estar localizadas. A topologia da estrutura da ponte é a mesma, mas apenas alguns parâmetros básicos devem ser alterados, como a largura da estrada, o comprimento dos vãos, o número de vigas principais e seus tamanhos. De acordo, através da API, o engenheiro pode criar um script para geração automática de muitos modelos de ponte com as diferenças indicadas entre eles e realizar uma análise com posterior pós-processamento automático dos resultados e dimensionamento da barra.

2. Na fase de design do membro, um engenheiro pode selecionar automaticamente a solução construtiva de que necessita através de cálculo iterativo. Por exemplo, é necessário otimizar a estrutura da treliça com base em vários critérios, como deflexão ideal, peso ideal, altura ideal da treliça, a forma das diagonais e seções transversais dos elementos. Aqui, preparando um roteiro, através da API, um engenheiro pode criar e analisar automaticamente todas as opções possíveis de forma iterativa, e pare no mais ideal.

3. Outro exemplo importante de uso da API é a transferência (conversão) de um modelo FE pronto no SkyCiv de outro software. Por exemplo, várias empresas estão trabalhando em um projeto comum e há necessidade de realizar a análise estrutural em diferentes softwares. Tal necessidade pode surgir por vários motivos, seja para comparar os resultados quanto à confiabilidade, ou em um dos softwares não há funções de análise que estão no outro software. É demorado criar o modelo FE do zero em paralelo. A maneira mais eficaz é ter um modelo FE pronto em um dos softwares e depois transferi-lo para outro via API.

Exemplo de modelo API FEM para verificação: Ponte Banghwa, Coréia.

Neste artigo, como exemplo de aplicação API, um exemplo de transferência do modelo FE de um software para SkyCiv é descrito abaixo. Também é realizada uma análise comparativa. Um exemplo de estrutura cujo modelo FE é considerado é uma ponte rodoviária localizada em Seul, República da Coreia. A ponte tem o nome de Ponte Banghwa, atravessa o Ele Rio e foi construído em 2000 ano. A estrutura da ponte apresenta-se em esquema contínuo com cinco vãos. O vão central é feito em forma de treliça em arco. Os arcos de treliça fluem suavemente para as treliças principais em vãos adjacentes. Isto dá um contorno bastante bonito das formas da ponte vista de frente. O comprimento do vão do arco é de 180m. Os vãos adjacentes têm comprimento de 102m. Os vãos finais têm comprimento de 78m. O comprimento total da seção da ponte é de 540m. Os principais membros estruturais da ponte são feitos de aço e incluem seções em caixa e I.

O modelo FE da ponte será transferido para o SkyCiv a partir do software SIMULIA Abaqus. Aqui, o modelo FE é totalmente composto por viga 3D Tymoshenko FE com 6º DOF. O material de todos os elementos possui um Módulo Elástico é 210000 MPa, densidade é 76.98 kN / m3. A rigidez de todos os elementos é apresentada numericamente. Descrever o comportamento dos elementos sob compressão-tensão, curvatura, características definidas por cisalhamento e torção, como área da seção transversal, áreas efetivas, resistência à torção e momentos de inércia.

O software SIMULIA Abaqus permite salvar todos os dados do modelo FE como um arquivo de texto. Em que os dados como coordenadas do nó, FE, propriedades do material, condições de fronteira, etc. são exibidos como um conjunto de linhas de script. Abaixo está um exemplo de tal representação.

Como uma regra, uma representação textual dos dados por diferentes softwares é compilada de tal forma que pode ser facilmente lida e reconhecida usando qualquer linguagem de programação. Deste, é óbvio que todos os dados do modelo FE podem ser identificados e transferidos (convertido) em um formato que seja reconhecido no SkyCiv. Nesse caso, este é o formato JSON. Uma descrição detalhada deste formato e as regras para sua preparação podem ser estudadas aqui … (link). Abaixo estão os fragmentos do arquivo JSON convertido e a visualização do modelo convertido no SkyCiv.

Verificação de Resultados

Agora, uma comparação dos resultados da análise em dois softwares SIMULIA Abaqus e SkyCiv. A comparação é iniciada a partir de um cálculo estático com a ação da estrutura de peso próprio apenas. O peso próprio é aplicado pelo software automaticamente na forma de uma carga distribuída, que é determinado multiplicando a área do elemento pela densidade do seu material. Abaixo está um exemplo do contorno de deflexão vertical e a magnitude. O deslocamento máximo no SkyCiv é 68.12 milímetros. No SIMULIA Abaqus o deslocamento máximo é 67.85 milímetros. Como pode ser visto a discrepância é insignificante, Menor que 1%.

Resultados de deflexão

A seguir está uma comparação dos modos próprios e valores próprios de estruturas com base nas massas nodais dos elementos convertidas a partir de seu próprio peso. O primeiro modo próprio exibe a flexão das barras no plano da ponte. No SkyCiv a frequência é 0.991 Hz, ao mesmo tempo em SIMULIA Abaqus a frequência é 0.981 Hz. O segundo modo próprio é caracterizado pela curvatura transversal do tabuleiro da ponte no plano horizontal. No SkyCiv a frequência é 1.77 Hz e no SIMULIA Abaqus a frequência é 1.72 Hz. Pode-se ver que a estrutura dos modos próprios em ambos os softwares é a mesma. A discrepância entre os autovalores entre o software está dentro 3%.

Modo 8 Resultados

Modo 16 Resultados

O material apresentado acima mostra o processo de resolução efetiva de uma das tarefas de aplicação da API na prática. A criação de APIs de script oferece amplas oportunidades para a criação de modelo FE se estrutura, incluindo a transferência de modelos existentes de outro software para cálculos precisos e bem-sucedidos no SkyCiv. Os materiais a seguir irão mostrar outros exemplos de uso da API no SkyCiv.

Resumo dos resultados da verificação

Michael Malgin
Engenheiro estrutural, Desenvolvimento de Produto
MEng (Civil)
[email protected]