A Siemens PLM Software (korábban UGS) termékei a kis- és középvállalatok, valamint nagyvállalatok szintjén egyaránt kínálnak megoldásokat a gépiparban tevékenykedő mérnökök számára, a tervezéstől az analízisen át a gyártásig. A hazai iparvállalatoknál is közkedvelt szoftver az NX, a Solid Edge és a Teamcenter. Alábbi áttekintésünkben a fejlesztő végeselemes megoldását mutatjuk be, betekintést adva lehetőségeinek tárházába. A témát főként a Femap v10 verziójában megjelenő újdonságok kihangsúlyozásának szenteljük.

A hazai ipari gyakorlatban a végeselemes technika (FEM vagy FEA) alkalmazása korántsem annyira elterjedt, mint a tervezőrendszereké (CAD). Ez többek között annak tudható be, hogy az iparvállalatok inkább gyártásorientáltak, és kevésbé jellemző a teljesen új fejlesztés. A meglévő konstrukciók módosításához, továbbfejlesztéséhez elengedhetetlen ugyan a tervezőrendszer, de a fejlesztők többnyire a tapasztalatra hagyatkozva lépnek előre, és rendszerint nem tartják szükségesnek a komolyabb elemzések elvégzését. A végeselemes technika alkalmazását – azon kívül, hogy eszközt (számítógép, szoftver) és speciális mérnöki szakismeretet igénylő tevékenység – az eljárás hiányos ismerete és az ezt erősítő felületes és nem körültekintő tájékoztatás nehezíti. Ezért néhány megállapítással kívánunk objektíven rávilágítani a technikára, és formálni az általános szemléletet.


Geometriai megjelenés problémái

A mai korszerű tervezőrendszerekkel szinte korlátozás nélkül készíthetünk testmodellezés segítségével konstrukciót anélkül, hogy a legkisebb részletet is kihagynánk. Joggal merül fel az ötlet, hogy ha már részleteiben ennyire precízen előállítottuk a modellünket, akkor nosza, „toljuk át” egy végeselemes rendszerbe, hogy néhány gombnyomást követően kapjunk egy „színes ábrát”. Sajnos vagy szerencsére, ez működik ilyen egyszerűen.

A végeselemes modell legfontosabb adata maga a végeselemes háló, amely a konstrukció geometriájának diszkrét felbontása. Más szavakkal: a végeselemeken van a hangsúly, mivel azok típusának helyes megválasztásával kaphatunk egyáltalán elfogadható pontosságú eredményt, és ebben az összefüggésben a geometriai modell másodlagos. A geometriai modell egyben elengedhetetlen is, mert ennek felhasználásával tudunk hatékonyan bonyolult alakzatokat automatikusan behálózni, de ennek jellegét a végeselemes igényeknek kell alávetnünk, hiszen a számítást az elemekkel végezzük, és nem a geometriával. Ellentmondás abban az esetben alakul ki, amikor a térfogati modellezéstől eltérő geometriai reprezentációra lenne szükség.

Nagyon kevés a tervezés fázisában kialakított olyan konstrukció, amely változtatás nélkül alkalmas végeselemes háló-készítésre. Legnagyobb esélye ennek természetesen akkor van, ha a végeselemes modellnél térfogati hálózásra van szükségünk. Ebben az esetben is gyakran kell a hálózhatóság érdekében olyan részleteket eltávolítanunk, amelyek mérete a háló felbontásához viszonyítva elhanyagolható, és nagy valószínűséggel nincs hatással az eredményekre.

Tovább bonyolódik a helyzet, ha a konstrukció lemezszerű (például tartályok). A végeselemes technika ilyenkor szinte kötelező jelleggel a héjelemek használatát írja elő. A héjelemek felületi hálózással hozhatók létre. A felület jellemzően a térfogat középfelülete. A középfelület bonyolult, összetett geometriájú térfogati modelleknél számos áthatással, metszéssel állítható elő. Ezek automatizálása csak részben megoldott, és csak „egyszerűbb” modelleknél működik utómunkálatok igénye nélkül. Ha van is ilyen funkciónk, akkor is szükségünk lehet általunk végzett felületmodellezésre egy korrekt felületi modell kialakításához.



Csak mérnöki ismeretekkel

Itt kell felhívnunk a figyelmet, hogy lemezszerű alkatrészek is hálózhatók formálisan térfogati (tetraéder) elemekkel. Az így előállított végeselemes modell is „lefuttatható”, viszont az eredmények tekintetében nagyon nagy (akár nagyságrendi) eltérések lehetnek ugyanazon feladat héjelemekkel korrekt módon megoldott eredményeihez képest. Ez nem a végeselemes technikát vagy a szoftvert minősíti, hanem annak használóját.

Alapvető probléma tehát az, hogy a végeselemes technikát elviekben kevésbé ismerő felhasználó is tud modellt alkotni és számítási eredményt produkálni. Ha formálisan a rendszer képes a modellt lefuttatni, abból még nem következik automatikusan, hogy az eredmény jó. A végeselemes rendszer tehát csak eszköz, és nem helyettesíti a mérnöki ismereteket. A számítási eredmények elfogadása minden esetben a felhasználó felelőssége. A modellt ő alkotta, a számítógép és a szoftver „csak” választ ad egy általunk feltett bonyolult kérdésre. Ha a feltett kérdés rossz, ha van is válasz, akkor nyilván kicsi az esélye, hogy jó legyen.

Végeselemes szempontból a geometriai megjelenés egy harmadik típusa a tartószerkezetek (például rácsos tartók) modellezésére alkalmas drótváz-modell. A drótváz a tartók inercia-középpontján haladó térbeli vonalak összessége, amelyek csomópontokban futnak össze. E geometriai modell előállítására a középkategóriás tervezőrendszerek nincsenek felkészítve, és ezért szinte kizárólag önálló végeselemes rendszert alkalmazva tudunk ilyen esetben gondolkodni.


Középpontban a hálókészítés

A Siemens PLM Software Femap v10 verziójának legfőbb újdonságai is jellemzően a hálókészítésre koncentrálnak. Az eddig is számos opcióval rendelkező hálózó algoritmusban új funkciók jelennek meg. A háló generálása minden eddiginél hatékonyabb módon és minőségben teszi lehetővé bonyolult geometriájú felületek és térfogatok automatikus hálózását. Az újdonságok egyike a már generált hálót interaktívan módosító funkció. Ezzel a felhasználó a képernyőn az általa kiválasztott csomópontokat egyenként, illetve csoportosan képes elmozgatni a geometrián, miközben azzal szinkronban az elemek torzulását jellemző paraméterek a háló kiszínezésével folyamatosan nyomon követhetők.

A Femap rendszerben eddig is meglévő, a középfelület meghatározására szolgáló algoritmus megfelelő eszköz a felületi modellek előállítására. Ezzel együtt a továbbfejlesztett felületi hálózás a geometriai átmenetek környezetében rendkívül rugalmasan teszi lehetővé a felhasználó számára kis torzulású és méretű elemek generálását és átmenet képzését. A térfogati hálózó algoritmus új funkciója segítségével beágyazott felületek és vonalak figyelembevételével képes hálót generálni.