Что такое программное обеспечение для анализа напряжений?

Программное обеспечение для анализа напряжений — это программное обеспечение, которое моделирует напряжение на объекте.

Напряжение — это сила на единицу площади, приложенная к внутренней части объекта (внутренняя сила на единицу площади). Когда объект подвергается деформации, к объекту применяется напряжение, чтобы деформировать или разорвать его. Однако невозможно визуально проверить напряжение, приложенное к внутренней части объекта во время этого процесса.

Поэтому программное обеспечение для анализа напряжений используется для анализа напряжения в объекте с помощью компьютера и для проверки того, может ли объект выдержать это напряжение.

Использование программного обеспечения для анализа напряжений

Программное обеспечение для анализа напряжений в первую очередь служит для оценки и подтверждения прочности конструкции. Например, при проектировании машины оно используется для определения сил, действующих на конструкцию, чтобы оценить ее устойчивость. Структура и материалы машины пересматриваются и перепроектируются для более высокой прочности.

В те дни, когда программное обеспечение для анализа напряжений было недоступно, спроектированная машина фактически изготавливалась, а анализ напряжений проводился экспериментально. Однако время и стоимость проведения экспериментов каждый раз были слишком велики. Программное обеспечение для анализа напряжений сократило время и стоимость таких экспериментов.

Принцип программного обеспечения для анализа напряжений

Основной принцип программного обеспечения для анализа напряжений состоит в методе конечных элементов (МКЭ). Метод конечных элементов — это «математический метод решения дифференциальных уравнений приближенным образом».

При анализе объекта на компьютере необходимо представить (смоделировать) свойства объекта математическими уравнениями, так как компьютеры могут обрабатывать только математические уравнения. Метод моделирования структуры и свойств объекта приближенным образом называется методом конечных элементов. В методе конечных элементов объект со сложной структурой и свойствами разбивается на конечное число элементов.

Например, в Токийской башне сложная структура может быть легко аппроксимирована путем деления каждой красной полосы. Один конечный элемент может быть представлен относительно простой математической формулой. Каждая микрообласть, которая разделена, представлена математической формулой, и путем их соединения вместе аппроксимируются свойства всего объекта. Другими словами, сложная структура делится на конечное число малых элементов, и определяются напряжения и смещения каждого элемента. Затем вся структура соединяется вместе.

Метод конечных элементов (анализ конечных элементов) — это метод анализа смещения и напряжения объекта путем моделирования структуры и свойств каждого конечного элемента и их сложения, рассматривая единый сложный объект как единое целое.

Дополнительная информация о программном обеспечении для анализа напряжений

Силы можно в целом разделить на внешние и внутренние. Внутренняя сила на единицу площади называется напряжением.

1. Внешняя сила, внутренняя сила и напряжение

Внешняя сила
Внешние силы — это силы, действующие снаружи объекта. Например, внешняя сила — это сила, которая тянет элемент, например, брус, снаружи за поверхность, контактирующую с ним. Поскольку внешняя сила — это сила, приложенная снаружи объекта, она создается актом вытягивания вручную или сжатия машиной.

Внутренняя сила
Внутренняя сила — это сила, действующая внутри объекта. Когда элемент, к которому приложена внешняя сила, гипотетически разрезается, генерируется внутренняя сила, чтобы уравновесить внешнюю силу. В то время как внешняя сила является видимой концепцией посредством таких действий, как вытягивание рукой, внутренняя сила важна для оценки деформации и разрушения объектов.

Стресс
Напряжение — это сила на единицу площади, приложенная к внутренней части объекта. В результате единицей измерения напряжения является не единица силы [Н], а [Па], что совпадает с единицей измерения давления. Объект, подверженный воздействию внешней силы, генерирует внутреннюю силу, чтобы уравновесить внешнюю силу. Следовательно, чем больше приложенная внешняя сила, тем большую внутреннюю силу он генерирует.

При рассмотрении деформации или разрыва объекта внимание уделяется внутренней силе. Однако, поскольку размеры элемента нельзя учитывать только по внутренней силе, напряжение, представляющее собой силу на единицу площади, рассчитывается путем деления внутренней силы на площадь. Используя напряжение, можно проверить нагрузку на объект независимо от размера объекта.

2. Типы напряжения

Напряжение можно в целом разделить на два типа: растягивающее напряжение и касательное напряжение.

Растягивающее напряжение — это напряжение, возникающее при вытягивании объекта и равномерно распределенное по гипотетической поверхности разреза объекта. Касательное напряжение — это напряжение, которое действует при сдвиге объекта. Например, при разрезании картона ножницами касательное напряжение возникает в ножницах и картоне, поскольку сдвиг разрезает картон.

Объединение растягивающих и касательных напряжений может решать сложные проблемы. Например, если вы держите оба конца моркови обеими руками и делаете сгибающее движение, растягивающие и сдвигающие напряжения применяются к центру, заставляя морковь ломаться около центра.

Если бы то же самое произошло в конструкции, такой как мост, это привело бы к крупной аварии. Чтобы избежать такой ситуации, следует использовать программное обеспечение для анализа напряжений, чтобы проверить, какие напряжения применяются к объекту.