MES 4. 1 Przykłady błędów MES. 2 Proces V&V. Weryfikacja i walidacja. Czy MES jest nieomylny?

Podobne dokumenty
MES 4. 1 Przykłady błędów MES. 2 Proces V&V. Weryfikacja i walidacja. Czy MES jest nieomylny?

MES Przykłady błędów MES. 2 Proces V&V. Weryfikacja i walidacja. Czy MES jest nieomylny?

Zbieżność. Wskaźniki błędu MES Przykłady błędów MES. 2 Proces V&V. Weryfikacja i walidacja. Czy MES jest nieomylny?

Modelowanie w MES. Kolejność postępowania w prostej analizie MES w SWS

F + R = 0, u A = 0. u A = 0. f 0 f 1 f 2. Relację pomiędzy siłami zewnętrznymi i wewnętrznymi

Kilka spraw praktycz-

Najprostszy element. F+R = 0, u A = 0. u A = 0. Mamy problem - równania zawierają siły, a warunek umocowania - przemieszczenia

Modelowanie w MES. Kroki analizy Zakładamy, że model już jest uproszczony, zdefiniowane są materiał, obciążenie i umocowanie (krok 0).

Kolejność postępowania w prostej analizie MES w SWS

[ P ] T PODSTAWY I ZASTOSOWANIA INŻYNIERSKIE MES. [ u v u v u v ] T. wykład 4. Element trójkątny płaski stan (naprężenia lub odkształcenia)

Metoda elementów skończonych

Sieci obliczeniowe poprawny dobór i modelowanie

8. PODSTAWY ANALIZY NIELINIOWEJ

Pierwsze komputery, np. ENIAC w 1946r. Obliczenia dotyczyły obiektów: o bardzo prostych geometriach (najczęściej modelowanych jako jednowymiarowe)

8. Metody rozwiązywania układu równań

Zastosowanie MES do rozwiązania problemu ustalonego przepływu ciepła w obszarze 2D

Kilka spraw prak- Uproszczenia, cd. Symetria konstrukcji. Zasada nr 1. Uwzględniamy symetrię. Nawet jeżeli jej nie ma:-)

gruparectan.pl 1. Silos 2. Ustalenie stopnia statycznej niewyznaczalności układu SSN Strona:1 Dla danego układu wyznaczyć MTN metodą sił

7. ELEMENTY PŁYTOWE. gdzie [N] oznacza przyjmowane funkcje kształtu, zdefinować odkształcenia i naprężenia: zdefiniować macierz sztywności:

Spis treści. Przedmowa... XI. Rozdział 1. Pomiar: jednostki miar Rozdział 2. Pomiar: liczby i obliczenia liczbowe... 16

IX. Rachunek różniczkowy funkcji wielu zmiennych. 1. Funkcja dwóch i trzech zmiennych - pojęcia podstawowe. - funkcja dwóch zmiennych,

Symulacja Analiza_wytrz_kor_ra my

METODY NUMERYCZNE. Wykład 3. Plan. Aproksymacja Interpolacja wielomianowa Przykłady. dr hab.inż. Katarzyna Zakrzewska, prof.agh. Met.Numer.

Egzamin z Metod Numerycznych ZSI, Grupa: A

Materiały pomocnicze do wykładów z wytrzymałości materiałów 1 i 2 (299 stron)

Nazwisko i imię: Zespół: Data: Ćwiczenie nr 11: Moduł Younga

4. ELEMENTY PŁASKIEGO STANU NAPRĘŻEŃ I ODKSZTAŁCEŃ

Symulacja Analiza_wytrz_os_kol o_prz

Symulacja Analiza_moc_kosz_to w

Materiały do wykładu na temat Obliczanie sił przekrojowych, naprężeń i zmian geometrycznych prętów rozciąganych iściskanych bez wyboczenia.

Wzór Żurawskiego. Belka o przekroju kołowym. Składowe naprężenia stycznego można wyrazić następująco (np. [1,2]): T r 2 y ν ) (1) (2)

Wyłączenie redukcji parametrów wytrzymałościowych ma zastosowanie w następujących sytuacjach:

Podstawy opracowania wyników pomiarów z elementami analizy niepewności pomiarowych

Obszary sprężyste (bez możliwości uplastycznienia)

Podstawowe przypadki (stany) obciążenia elementów : 1. Rozciąganie lub ściskanie 2. Zginanie 3. Skręcanie 4. Ścinanie

Metody numeryczne Technika obliczeniowa i symulacyjna Sem. 2, EiT, 2014/2015

Metody numeryczne. Sformułowanie zagadnienia interpolacji

MODELOWANIE ZA POMOCĄ MES Analiza statyczna ustrojów powierzchniowych

Analiza stateczności zbocza

STATYCZNA PRÓBA ROZCIĄGANIA

Analiza Matematyczna MAEW101 MAP1067

Egzamin z Metod Numerycznych ZSI, Egzamin, Gr. A

Wytrzymałość Materiałów

Projektowanie elementów z tworzyw sztucznych

Siły wewnętrzne - związki różniczkowe

Analiza osiadania terenu

gruparectan.pl 1. Metor Strona:1 Dla danego układu wyznaczyć MTN metodą przemieszczeń Rys. Schemat układu Współrzędne węzłów:

{H B= 6 kn. Przykład 1. Dana jest belka: Podać wykresy NTM.

WSKAZÓWKI DO WYKONANIA SPRAWOZDANIA Z WYRÓWNAWCZYCH ZAJĘĆ LABORATORYJNYCH

Ćwiczenia nr 7. TEMATYKA: Krzywe Bézier a

1. Silos Strona:1 Dla danego układu wyznaczyć MTN metodą sił Rys. Schemat układu ...

Iteracyjne rozwiązywanie równań

Drgania poprzeczne belki numeryczna analiza modalna za pomocą Metody Elementów Skończonych dr inż. Piotr Lichota mgr inż.

STATYSTYKA MATEMATYCZNA

Symulacja Analiza_stopa_plast

Ilustracja metody Monte Carlo do obliczania pola obszaru D zawartego w kwadracie [a, b] [a, b].

DOPASOWYWANIE KRZYWYCH

Pytania przygotowujące do egzaminu z Wytrzymałości Materiałów sem. I studia niestacjonarne, rok ak. 2015/16

MES1 Metoda elementów skończonych - I Finite Element Method - I. Mechanika i Budowa Maszyn I stopień ogólnoakademicki

Symulacja Analiza_belka_skladan a

Osiadanie kołowego fundamentu zbiornika

LABORATORIUM Z FIZYKI

INFORMATYKA ELEMENTY METOD NUMERYCZNYCH.

Podstawy opracowania wyników pomiarów

przybliżeniema Definicja

Laboratorium 5 Przybliżone metody rozwiązywania równań nieliniowych

Metody numeryczne. materiały do wykładu dla studentów. 7. Całkowanie numeryczne

Aproksymacja funkcji a regresja symboliczna

Symulacja Analiza_rama

Statystyka i opracowanie danych Podstawy wnioskowania statystycznego. Prawo wielkich liczb. Centralne twierdzenie graniczne. Estymacja i estymatory

METODY NUMERYCZNE. Wykład 4. Numeryczne rozwiązywanie równań nieliniowych z jedną niewiadomą. prof. dr hab.inż. Katarzyna Zakrzewska

Obliczenia Naukowe. Wykład 12: Zagadnienia na egzamin. Bartek Wilczyński

pt.: KOMPUTEROWE WSPOMAGANIE PROCESÓW OBRÓBKI PLASTYCZNEJ

DWUWYMIAROWE ZADANIE TEORII SPRĘŻYSTOŚCI. BADANIE WSPÓŁCZYNNIKÓW KONCENTRACJI NAPRĘŻEŃ.

Za pierwszy niebanalny algorytm uważa się algorytm Euklidesa wyszukiwanie NWD dwóch liczb (400 a 300 rok przed narodzeniem Chrystusa).

Metody numeryczne I Równania nieliniowe

WYZNACZANIE PRACY WYJŚCIA ELEKTRONÓW Z LAMPY KATODOWEJ

FLAC Fast Lagrangian Analysis of Continua. Marek Cała Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki

ĆWICZENIE 13 TEORIA BŁĘDÓW POMIAROWYCH

Defi f nicja n aprę r żeń

Wewnętrzny stan bryły

Wykład Matematyka A, I rok, egzamin ustny w sem. letnim r. ak. 2002/2003. Każdy zdający losuje jedno pytanie teoretyczne i jedno praktyczne.

Używanie nowego modelu statycznego w TrussCon zgodnego z Eurokodem 5.

STATYKA Z UWZGLĘDNIENIEM DUŻYCH SIŁ OSIOWYCH

Materiały do laboratorium Przygotowanie Nowego Wyrobu dotyczące metody elementów skończonych (MES) Opracowała: dr inŝ.

Podstawowe pojęcia wytrzymałości materiałów. Statyczna próba rozciągania metali. Warunek nośności i użytkowania. Założenia

CECHOWANIE TERMOELEMENTU Fe-Mo I WYZNACZANIE PUNKTU INWERSJI

Statystyka matematyczna dla leśników

Zarysowanie ścian zbiorników żelbetowych : teoria i projektowanie / Mariusz Zych. Kraków, Spis treści

REPREZENTACJA LICZBY, BŁĘDY, ALGORYTMY W OBLICZENIACH

KADD Minimalizacja funkcji

Podstawy opracowania wyników pomiarów z elementami analizy niepewności pomiarowych

Wprowadzenie układu ramowego do programu Robot w celu weryfikacji poprawności uzyskanych wyników przy rozwiązaniu zadanego układu hiperstatycznego z

Metody numeryczne Wykład 4

Stateczność ramy - wersja komputerowa

Funkcja kwadratowa. f(x) = ax 2 + bx + c = a

STATYCZNA PRÓBA ROZCIĄGANIA

Podstawy opracowania wyników pomiarów z elementami analizy niepewności statystycznych

Transkrypt:

MES 4 błędu Zbieżność. Wskaźniki 1 Przykłady błędów MES Czy MES jest nieomylny? Katastrofa platformy Sleipner A 23.08.1991. Skutki: kompletne zniszczenie konstrukcji o wadzę 97K ton, trzęsienie ziemi (3 stopnie w skali Richtera), straty finansowe ok. 1G USD (w cenach 1991 roku). Przyczyna: zaniżenie wartości naprężeń stycznych w jednym z elementów konstrukcji o 47% w wyniku błędu w modelu MES. A jak z tą dokładnością jest teraz? Wyniki testów NAFEMS 2 Proces V&V. Weryfikacja i walidacja Czym są weryfikacja i walidacja? Uproszczona definicja Weryfikacja to proces porównania rozwiązania MES do dokładnego lub umownie dokładnego rozwiązania matematycznego. Umownie dokładnym nazywamy albo rozwiązanie ze znaną wysoką dokładnością, albo rozwiązanie, które przyjmuje się za dokładne w wyniku umowy (np. normy). Walidacja to proces porównania rozwiązania MES z danymi doświadczalnymi. Dokładna definicja: jest to proces sprawdzenia w jakim stopniu nasz model reprezentuje realny świat z punktu widzenia przyszłego zastosowania w praktyce. Czy jedno nie oznacza drugiego? 1. Pyt: Czy matematyczna poprawność modelu nie oznacza automatycznie zgodności z eksperymentem? Odp: Nie zawsze 2. Pyt: Czy zgodność z eksperymentem nie oznacza, że teoria jest poprawna? Odp: Nie zawsze Czy sam program MES jest sprawdzony? 1. Do sprawdzenia poprawności matematycznej (czyli weryfikacji) programów MES służą standardowe testy (ang. benchmark, dosłownie punkt odniesienia lub wzorzec ). Autorem większości testów jest NAFEMS (National Agency for Finite Element Methods and Standards brytyjska ale de facto międzynarodowa organizacja zajmująca się wprowadzeniem norm i zasad bezpiecznego używania MES w praktyce). 2. Ilość testów, którą jest w stanie zaliczyć program stanowi o jego wartości i wiarygodności. Kilka najbardziej sprawdzonych programów (nie SWS) na podstawie testów można używać w energetyce jądrowej. 3. Każda wersja SWS zawiera opis zaliczonych testów.

Walidacja główne przyczyny rozbieżności pomiędzy wynikami numerycznymi a doświadczalnymi W odróżnieniu od dokładnych wyników matematycznych, dane doświadczalne zawsze zawierają mniejsze lub większe błędy (np. pomiarowe). Dlatego ich zgodność z wynikami obliczeń w 100% jest zwykle niemożliwa. Geometria Stopień niepewności lub zagrożenia: mały. Źródła: odchyłki, błędy produkcyjne. Sposoby eliminacji: sprawdzenie możliwie dużej ilości niekorzystnych konfiguracji konstrukcji Materiał Stopień niepewności: od małego do dużego. Źródła: ograniczenia modeli konstytutywnych, technologia produkcji, starzenie się materiału, rozrzut statystyczny wyników badań. Sposoby eliminacji: używanie zaawansowanych modeli konstytutywnych, bardzo duża ilość obliczeń dla różnych parametrów materiałowych. Obciążenie Stopień niepewności: duży. Źródła: brak informacji o wszystkich możliwych scenariuszach eksploatacji konstrukcji. Sposoby eliminacji: w prostych sytuacjach próba oszacowania maksymalnego możliwego obciążenia, w skomplikowanych duża ilość obliczeń dla różnych wariantów obciążenia. Umocowanie i złącza Stopień niepewności: największy. Źródła: skomplikowana natura warunków kontaktu detali konstrukcji, brak możliwości stworzenia powtarzalnych warunków w złączach przy montażu, zużycie materiału w złączach. Sposoby eliminacji: metoda superelementów (w SWS nazywana "Tworzeniem podkonstrukcji"), duża ilość obliczeń dla różnych wariantów złącz. Prymitywna, ale skuteczna metoda ogólna Całą niepewność lub brak informacji na temat tych 4 parametrów ukrywamy we współczynnikach bezpieczeństwa Metody weryfikacji: badanie zbieżności Wynik Rozbieżność Zbieżność Zbieżność polega na uniezależnieniu wyniku od gęstości siatki. Siatka tylko narzędzie i nie może wpływać na wynik Rozbieżność naprężeń zwykle świadczy o istnieniu karbu Gęstość siatki (ilość węzłów) Często występuje zbieżność po jednemu parametru (np. przemieszczeniom) i rozbieżność po innemu (np. naprężeniom) Zbieżność nie zawsze oznacza osiągnięcie matematycznie dokładnego wyniku. Oznacza tylko to, że więcej z modelu niczego nie da się wycisnąć. Przykład: prędkość, którą osiąga Maluch po tuningu będzie niższą od maksymalnie możliwej dla samochodu w ogóle Pytania bez odpowiedzi Gdzie najlepiej zagęścić siatkę? Jaki jest poziom błędu dla obecnej siatki? Czy muszę dalej ją zagęszczać? 3 Wskaźniki błędu Łatwizna: błędy w miejscach przyłożenia siłowego obciążenia Wartości naprężeń na granicy badanego modelu zwykle są częściowo znane. 5.1.0 12-4-2016 I.Rokach, 2005 2016 2

y p x Na ścianach bocznychσ xx = 0,τ xy = 0 Na górnej krawędzi też τ xy = 0. Pośrodku σ yy = p, na końcach σ yy = 0 Na dolnej krawędzi brak przyłożonych naprężeń. Nic konkretnego o dokładności rozwiązania nie da się powiedzieć. Można tylko zsumować reakcje. Zasada maksimum W zagadnieniach statycznych, przy braku obciążenia wewnątrz konstrukcji, ekstremalne wartości naprężeń są osiągane zawsze na granicach ciała. Ekstremalne wartości błędu obliczeniowego też. Realnie porównanie obciążenia i wartości naprężeń na granicach jest łatwe tylko jeżeli granicy modelu są równolegle do osi układu współrzędnych. Nie da się stosować tego podejścia dla obciążeń w postaci sił skupionych lub przemieszczeń. 3.1 Gdzie najlepiej liczyć naprężenia? Przybliżenie funkcji i jej pochodnej 1 Funkcja, sin(x) Aproksymacja Pochodna funkcji, cos(x) Pochodna łamanej Aproksymacja funkcji jest (czasami) dokładna tylko w węzłach Pochodna łamanej ma skoki. Przybliża pochodną funkcji bardzo niedokładnie i nie jednoznacznie (na granicach). Ale w 1 punkcie wewnątrz elementu (zwykle) mamy dokładną wartość pochodnej. Magiczne punkty znajdują się obok środku każdego z odcinków linii prostej (dla liniowej pochodnej dokładnie pośrodku) Przybliżenie funkcji i jej pochodnej 2 Funkcja, sin(x) Krótka historia tematu: 1. Barlow (1976) zauważył zjawisko doświadczalnie 2. Herrmann (1972) twierdzenie Pochodna funkcji, cos(x) Pochodne 2 paraboli Programy MES obliczają pochodne rozwiązania (np. odkształcenia, naprężenia) tylko w punktach całkowania numerycznego. W pozostałych punktach uśrednianie, interpolacja, itp. Krótkie podsumowanie 5.1.0 12-4-2016 I.Rokach, 2005 2016 3

W programach MES mamy dwa zasadniczo różniące się rodzaje wyników: 1. Wyniki węzłowe (ang. nodal results), np. przemieszczenia. Są obliczane w węzłach na podstawie rozwiązania układu równań równowagi. Mają najwyższą dokładność właśnie w węzłach, wewnątrz elementów błąd generalnie jest wyższy. 2. Wyniki elementowe (ang. elemental results), np. odkształcenia i naprężenia. Są wyznaczane poprzez różniczkowanie danych węzłowych. Mają najwyższą dokładność w punktach Barlowa. Dla najprostszych liniowych elementów, takich jak pręt 2-węzłowy, trójkąt 3-węzłowy lub czworościan 4- węzłowy w środku ciężkości. Na granicach elementów błąd jest największy (jest widoczny jako skoki). 3. Punkty Barlowa dla elementów w kształcie trójkąta (2D) lub czworościanu (3D), czyli używanych w SWS, nie są magiczne Każdy program MES oblicza wyniki węzłowe tylko w węzłach, a wyniki elementowe tylko w punktach Barlowa. Wyniki pokazywane na wykresach lub wyprowadzane do pliku np. wartości naprężeń w węzłach powstają po dodatkowym uśrednianiu, wygładzaniu, itp. Gdzie są te cudowne punkty w 2D? 3.2 Wskaźniki błędu Pojęcie wskaźniku błędu Max? Max? MES oblicza naprężenia tylko w punktach całkowania numerycznego. Wszytko reszta interpolacja. Błąd Skoki naprężeń na granicach elementów (wskutek interpolacji) pozwalają oszacować błąd obliczeń na tych granicach. W wielu programach wskaźnik błędu = skok naprężeń / maksymalna ich wartość. Po mnożeniu przez 100% można uważać, ze jest to błąd względny na tej granicy Podstawa wszystkich wskaźników musimy mieć dwa rozwiązania w jednym punkcie 5.1.0 12-4-2016 I.Rokach, 2005 2016 4

Uwagi praktyczne 1. Realnie wskaźnik błędu wyznacza się tylko dla wybranej komponenty naprężeń (np. σ xx lub naprężeń efektywnych). Praktyka pokazuje, że dla różnych komponent dokładność obliczeń jest różna. Najgorsze wyniki zwykle mamy dla naprężeń stycznych. Który z tych błędów musimy zminimalizować? Ten, który dotyczy naprężeń, na których nam zależy najbardziej: dla materiałów kruchych maksymalnych rozciągających, dla materiałów plastycznych naprężeń efektywnych. 2. SolidWorks Simulation postanowił obejść problem zależności wielkości wskaźniku błędu od wybranej komponenty naprężeń lub odkształceń przez porównanie energii odkształceń na granicach elementów. Zaletą tego rozwiązania jest uniwersalność (pozwala zlecić automatyczne zagęszczanie siatki programowi, wadą brak konkretnego przełożenia otrzymanej wartości wskaźnika błędu po energii na błąd po naprężeniom. SolidWorks Simulation, podejście praktyczne Uśrednianie elementowe 100 100 Uśrednianie węzłowe 80 110 120 105 100 95 80 100 120 Krok 1 Policz zagadnienie i wyświetl rozkład wybranych naprężeń (głównych lub efektywnych) elementowo i węzłowo. Pierwsza metoda zwykle daje wartości lekko zawyżone, druga wyraźnie zaniżone. Krok 2 Porównaj maksymalne wartości naprężeń w obydwu przypadkach. Jeżeli różnica jest większa 10%, zagęść siatkę i idź do kroku 1. Równolegle warto sprawdzić wartość błędu energii w interesującym nas obszarze. Czy to działa? 1 1 1 0.8 0.8 0.8 0.6 0.6 0.6 0.4 0.4 0.4 0.2 0.2 0.2 0 0 0-0.2-0.2-0.2-0.4-0.4-0.4-0.6 1/(x 2 +1) pochodna aproksymacja -0.6 1/(x 2 +1) pochodna aproksymacja -0.6 1/(x 2 +1) pochodna aproksymacja -3-2 -1 0 1 2 3-3 -2-1 0 1 2 3-3 -2-1 0 1 2 3 Wnioski 1. Bezmyślne zagęszczanie siatki w całej konstrukcji obniża błąd obliczeń w najbardziej obciążonych częściach bardzo powolnie. 5.1.0 12-4-2016 I.Rokach, 2005 2016 5

2. Bardziej opłaca się zagęszczać siatkę lokalnie w okolicach stref z dużymi błędami. 3. Zagęszczenie siatki N razy powoduje N-krotny spadek błędu dla elementów liniowych i N 2 -krotny spadek błędu dla elementów kwadratowych (domyślne w SWS). 4. Jest to droga zabawa N-krotne zwiększenie ilości węzłów siatki skutkuje co najmniejn 3 -krotnym wydłużeniem czasu obliczeń. 5. Wskaźnik błędu pozwala nie tyle oszacować prawdziwą wartość błędu obliczeniowego, ile określić w jakich miejscach konstrukcji on jest stosunkowo większy. Dobrze zaprojektowana siatka (ostatni rys.) ma wszędzie mniej-więcej ten sam poziom błędu (np. poniżej 5%). Siatki z samoadaptacją przykład 1 Siatki z samoadaptacją przykład 2 W tym przykładzie (element turbiny) program działa wyjątkowo inteligentnie: zagęszcza siatkę w strefach wysokich naprężeń i robi ją rzadką w strefach naprężeń niskich lub stałych. Samoadaptacja w SWS 1. Samoadaptacja w SWS jest dostępna tylko w najprostszych przypadkach 2. Samoadaptacja typu h polega na zagęszczaniu siatki bez zmiany typu elementu 3. Samoadaptacja typu p polega zwiększeniu stopnia aproksymacji w elemencie (liniowa, kwadratowa, itp.) bez zagęszczania siatki 5.1.0 12-4-2016 I.Rokach, 2005 2016 6

4. Najbardziej efektywną jest metoda mieszana (nie jest dostępna w SWS), następną jest p-metoda Podsumowanie praktyczne Wszystkie wyniki analizy MES są wynikami przybliżonymi Najdokładniejsze wartości przemieszczeń są w węzłach, naprężeń w tzw. punktach Barlowa. Dla elementów dobrych (czworokąt, sześcian) pokrywają się oni z punktami całkowania numerycznego. Do uzyskania dobrego wyniku w SWS zaleca się rozwiązać zagadnienie na kilku siatkach o różnej gęstości oraz używając dwie metody wygładzania i porównać wyniki. Stabilizacja poziomu naprężeń i spadek różnicy pomiędzy nimi poniżej 10% (zwykle) świadczy o tym, że wynik jest w okolicach dokładnego rozwiązania. Do oceny (zwykle mało precyzyjnej) dokładności wyniku na jednej siatce służą wskaźniki błędu. W niektórych prostych sytuacjach SWS sam zapewnia zbieżność i wystarczającą dokładność wyniku używając procedurę samoadaptacji Wykład został opracowany w LATEXe za pomocą klasy BEAMER, graficznego pakietu PGF/TikZ i pakietu do tworzenia wykresów PGFPLOTS. 5.1.0 12-4-2016 I.Rokach, 2005 2016 7