Расчет на прочность методом конечных элементов

Расчет на прочность — обязательное условие при проектировании и изготовлении ответственных изделий. Важно знать, как поведет себя деталь в реальных условиях эксплуатации под воздействием всех нагрузок.

Определить выдержит ли изделие условия эксплуатации можно на натурном образце экспериментальным способом при проведении испытаний, но не всегда у разработчика есть такая возможность. Иногда изготовление детали является слишком дорогостоящим, занимает много времени или сложно смоделировать нагрузку, в таких случаях инженеру приходит на помощь метод конечных элементов.

Суть метода конечных элементов

Метод конечных элементов — способ представления непрерывного тела с помощью большого количества элементов конечно малого размера. Такой способ упрощает существующую модель, за счет этого даёт возможность произвести все необходимые расчеты с помощью компьютера, при этом результаты имеют лишь небольшое отклонение от реальных данных.

Сама геометрия детали разбивается на малые треугольники, в зависимости от их расположения они могут иметь разные размеры. Таким образом мы сводим дифференциальную задачу к системе уравнений для заданных точек, связанных друг с другом. Чем на более мелкие элементы мы разобьем исследуемую модель, тем с большей точностью получим результаты расчета.

Задача расчета на прочность методом конечных элементов решается специализированными инженерными программами. В настоящий момент их есть большое множество. Некоторые программы универсальны, некоторые рассчитаны на определенные виды расчетов. Инженером данная задача решается заданием твердотельной 3D модели правильных граничных условий, разбивкой модели на конечные элементы с учетом предполагаемых проблемных мест. Далее программа выполняет все необходимые расчеты. Процесс компьютерной симуляции требует большое количество системных ресурсов и времени работы, поэтому выполнять эти работы желательно на мощных компьютерах.

Последним этапом является анализ полученных компьютерных данных, установление слабых мест в конструкции и решение с помощью изменения геометрии или подбора материала.

Применение метода конечных элементов

• Расчет конструкций на прочность под действием статических нагрузок.
• Модальный анализ — расчет частот собственных колебаний, анализ вибраций.
• Расчет на прочность от воздействия циклических нагрузок (количество циклов до разрушения).
• Тепловой анализ. Установление теплового потока, градиента температур.
• Гидродинамика. Решение задач механики жидкости.

Прочностные расчеты могут применяться не только для установления и исправления слабых мест в конструкции, но и для прохождения различных проверок и сертификаций, чтобы контролирующие органы удостоверились в надежности уже существующего изделия.

Компаниям, занимающимся проведением прочностных и других видов расчетов для машиностроения, не нужно получать специальные лицензии и допуски, как это необходимо в области строительства или атомной энергетики.