Przedstawiamy informacje o elementach skończonych występujących w SOLIDWORKS Simulation, które pozwolą Ci wydajniej wykonywać analizy MES oraz interpretować otrzymane wyniki.

Elementy skończone dostępne w SOLIDWORKS Simulation bazują na podstawowych elementach, czyniąc w ten sposób oprogramowanie intuicyjnym i łatwym w obsłudze. Łącznie wyróżniamy 5 typów elementów w dodatku Simulation. Jednakże najważniejszy jest podział na trzy główne rodzaje: elementy bryłowe, elementy powierzchniowe oraz elementy belkowe.

ELEMENTY BRYŁOWE (SOLID)

Najpopularniejszy z elementów i najbardziej uniwersalny. Graficznie przedstawiany jest jako czworościan. Pozwala na dyskretyzowanie dowolnego modelu 3D. Im mniejsze elementy, tym bardziej szczegółową konstrukcję można uzyskać. Elementy bryłowe można jeszcze podzielić ze względu na ilość węzłów w elemencie.

1. Elementy bryłowe jakości roboczej

Elementy jakości roboczej nazywane elementami pierwszego stopnia posiadają 4 węzły w wierzchołkach czworościanu. Pole przemieszczenia w objętości elementu, a także na jego ścianach i krawędziach, jest zmienne liniowo. Uwzględniając, że odkształcenie jest pierwszą pochodną przemieszczenia, zarówno odkształcenie jak i naprężenia są stałe w obszarze elementu. Każdy węzeł elementu bryłowego jakości roboczej posiada trzy translacyjne stopnie swobody. W owym elemencie krawędzie są proste a ściany płaskie, i tak musi pozostać po deformacji. Jak się można domyślać, elementy te służą do szacunkowych obliczeń ze względu na umiarkowaną jakość obliczeń i możliwie szybkie uzyskanie rezultatów. Dodatkowo, ze względu na płaskość ścian, elementy jakości roboczej w słaby sposób odwzorowują obszary zaokrąglenia.

2. Elementy bryłowe wysokiej jakości

Element analogiczny do elementu bryłowego jakości roboczej, ale przy tym znacznie dokładniejszy. Nazywane są elementami drugiego stopnia. Posiadają 10 węzłów, 4 w wierzchołkach oraz 6 w środkach krawędzi. Pozwala to na lepsze odzwierciedlenie krzywizny przed oraz po deformacji. Elementy wysokiej jakości odwzorowują pole przemieszczeń w postaci funkcji parabolicznej. W konsekwencji pola naprężeń oraz odkształceń przybliżone są w sposób liniowy. W celu uzyskania wiarygodnych rezultatów należy stosować minimum dwa elementy na grubości modelu.

ELEMENTY POWIERZCHNIOWE (SHELL)

Elementy powierzchniowe służą do uproszczenia modeli o niewielkiej grubości (np. arkusze blach). Znacząco skraca to czas przeprowadzenia analizy w stosunku do elementów bryłowych. Graficznie elementy przedstawione są jako trójkąty. Elementy powierzchniowe można modelować zarówno w płaszczyźnie środkowej jak i płaszczyznach zewnętrznych. Naprężenia wyznaczone w badanej płaszczyźnie propagowane są po całej grubości elementu, z uwzględnieniem odsunięcia od osi obojętnej.

1. Elementy powierzchniowe jakości roboczej

Każdy element powierzchniowy jakości roboczej zwiera 3 węzły. Każdy węzeł ma po 6 elementów swobody (translacje w trzech kierunkach oraz obroty wokół trzech osi). Analogicznie do elementów bryłowych jakości roboczej, ściany pozostają płaskie, a krawędzie proste po deformacji. W związku z tym elementy te nieprecyzyjne odzwierciedlają zaokrąglenia. Pole przemieszczeń przybliżane jest liniowo, co w konsekwencji powoduje stałą wartość pola odkształceń oraz naprężeń.

2. Elementy powierzchniowe wysokiej jakości

Elementy powierzchniowe wysokiej jakości zawierają 6 węzłów. Dodatkowe 3 węzły znajdują się w środkach krawędzi. Ściany i krawędzie ulegają deformacji, co pozwala na uzyskanie lepszych wyników oraz dokładniejsze odwzorowanie krzywizn. Pole przemieszczeń obrazuje funkcja paraboliczna, a pole naprężeń i odkształceń – funkcja liniowa.

ELEMENTY BELKOWE (BEAM)

Elementy belkowe służą do uproszczonego modelowania belek o stałych przekrojach. Obrazowane są jako pocięta linia. W związku z tym każdy element zawiera 2 węzły, na początku i na końcu. Wyliczone naprężenie w danym punkcie propagowane jest na przekrój w tym miejscu poprzez uwzględnienie odsunięcia od osi obojętnej. Każdy z dwóch węzłów posiada sześć stopni swobody. Ugięcie belki przybliżane jest funkcją kubiczną, zaś osiowe przemieszczenie oraz obrót skrętny funkcją liniową.

PODSUMOWANIE

Analizując charakterystykę powyższych elementów przedstawiam następujące wnioski:
• Do analizy zgrubnej bądź analizy jakościowej wykorzystujemy elementy jakości roboczej.
• W celu uzyskania dokładnych wyników w pierwszej kolejności zmieniamy elementy na wysokiej jakości, a dopiero w kolejnych krokach zagęszczamy siatkę.
• Jeżeli nie jesteśmy w stanie zapewnić dwóch elementów bryłowych na grubości modelu, to wykorzystujemy elementy powierzchniowe.
• Elementy belkowe możemy wykorzystać tylko przy zapewnieniu odpowiedniej smukłości. Zalecane jest, aby długość belki była dziesięć razy dłuższa niż maksymalny wymiar przekroju.
• W celu odzwierciedlenia krzywizn modelu można wykorzystać elementy wysokiej jakości.
• Możliwe jest mieszanie różnych typów elementów w obrębie jednego złożenia.