Comparação entre 1D, 2Elementos D e 3D em Análise Estrutural

Introdução

Os engenheiros estruturais usam uma grande variedade de membros desde a fase conceitual de um edifício ou projeto de infraestrutura. Modelagem precisa de tais membros usando software de elementos finitos, como SkyCiv, é de grande importância no processo de design, já que a modelagem precisa dos membros pode reduzir custos e garantir um design seguro. Existem vários métodos de modelagem para simular o comportamento estrutural de colunas, feixes, paredes, ou lajes usando 1D, 2Elementos D e 3D. Este artigo explica as principais diferenças entre as várias técnicas de modelagem usadas em um ciclo regular de projeto de engenharia. Especificamente, focando na modelagem, estado de tensão e deformação, e resultados.

Fase de modelagem (pré-processando)

Geometria

1Abordagens de modelagem D são usadas para modelar membros do tipo linha, como colunas / cais, vigas ou pilhas. A representação da linha é auto-definida pelo usuário por meio de uma seção e todas as propriedades geométricas do membro (largura, altura, etc.).

2As técnicas de modelagem em D são comumente usadas para membros do tipo placa, como paredes, lajes, cartuchos, pilares da ponte, tanques, silos ou cúpulas. Para todos esses membros, as duas dimensões perpendiculares à espessura são consideradas muito maiores do que a espessura. Portanto, é apenas a espessura da laje que deve ser definida como propriedade da seção pelo usuário antes da análise. Contudo, existem limitações ao usar técnicas de modelagem 2D, pois regras estritas devem ser seguidas, a fim de obter os resultados mais precisos. As principais regras a seguir são a relação entre a espessura e a área da própria placa, já que o uso de uma espessura muito alta para uma placa de relação de área entrará no reino da modelagem 3D, onde todas as suposições feitas usando elementos 2D não são mais verdadeiras.

3Os elementos D podem ser usados ​​para modelar qualquer membro estrutural. Nesse caso, cada membro do modelo é comumente dividido em elementos 3D volumétricos iguais. Como está, Programas CAD (como SolidWorks) são usados ​​para criar esses modelos 3D, dá a oportunidade de criar modelos 3D mais complexos usados ​​para análise estrutural. Por exemplo, o mesmo quadro de bicicleta visto com os elementos 1D pode ser replicado usando elementos 3D, com o seguinte resultado:

Fonte: SimScaleUma grande desvantagem de usar elementos 3D, é sua modelagem (o modelo acima pode demorar até 10 vezes mais do que a modelagem 1D ) e tempo de solução. 3Os elementos D tentam capturar totalmente a física do modelo, interna e externamente, utilizando cálculos pesados ​​de computação necessários para resolver a análise ao custo de mais tempo gasto no próprio modelo.

Malha

Como a malha é uma etapa crucial em qualquer análise estrutural, é importante que os usuários estejam cientes do impacto que a malha desempenha em 1D, 2D, e elementos 3D em um modelo.

Como mencionado anteriormente, 1Elementos D são comumente usados ​​para representar membros de linha e podem fornecer comportamento de flexão preciso de um membro. 1A malha do elemento D é a divisão do membro em vários segmentos, isso não afeta o resultado geral, mas mais segmentos permitem uma visualização mais suave e melhor dos resultados.

2Os elementos D e 3D apresentam características semelhantes em termos de malha. Cada membro dentro do modelo é dividido em várias partes de uma determinada forma, o tamanho da malha do modelo afeta os resultados finais e quanto mais fina a malha (formas menores usadas) quanto mais tempo leva para resolver o modelo. Existem duas formas que são usadas para ambos os elementos 2D na geração de malha, elementos quadriláteros e triangulares. 3As formas dos elementos D são variações que se originam das formas dos elementos 2D, formas comumente usadas são hexaedros, tetraedros, cunhas e pirâmides com cada uma oferecendo benefícios diferentes para melhor modelar a física do próprio modelo.

Resultado (pós-processamento)

Os resultados da análise para barras modeladas usando elementos 1D são geralmente dados em termos de força de cisalhamento e momento de flexão sobre os dois eixos principais das barras, bem como força axial e momento de torção sobre o eixo que conecta ambas as extremidades da barra.

Exemplo de diagrama de força de momento de flexão em software de análise 1DPara elementos 2D, a saída é ilustrada como força axial, força de cisalhamento, momento de flexão e momento de torção por unidade de comprimento.

Esses resultados podem incluir:

• • Forças da membrana
  • Forças de cisalhamento / momento no plano
  • Deslocamentos (x,Y,com, soma)
  • Cisalhamento (Von Mises, direto, tesoura, principal / menor principal)

Quando, elementos de tijolo são adotados, os resultados são dados em termos de tensões. Portanto, as forças internas e reações de suporte dos membros, como paredes de cisalhamento, cascas ou lajes modeladas usando elementos 2D ou elementos de tijolo são obtidas através da integração de forças / momentos internos por unidade de comprimento ou tensões sobre o comprimento ou área de interesse, respectivamente.