PrePoMax. Najlepszy darmowy program do analiz MES? [O programie + TEST]

Na rynku dostępnych jest wiele środowisk do analiz numerycznych, głównie wykorzystujących metodę elementów skończonych. Większość z nich to płatne programy, które ze względu na swój poziom zaawansowania osiągają często zawrotne ceny. Istnieją jednak aplikacje bezpłatne, zwykle tworzone przez niewielkie zespoły i udostępniane na zasadach open-source, czyli wolnego oprogramowania z otwartym kodem umożliwiającym użytkownikom dowolne modyfikacje.

Spośród wartych uwagi środowisk tego typu należy wymienić przede wszystkim Code_Aster z pre- i postprocessorem Salome Meca, Elmer czy Z88 Aurorę. Wszystkie te programy pozwalają na dość szeroki zakres analiz, ale łączą je dwie bardzo istotne wady – ograniczone wsparcie ze strony twórców (większość nie jest już rozwijana) oraz, przede wszystkim, bardzo nieprzyjazny dla użytkownika interfejs.

Na naukę obsługi tych aplikacji trzeba poświęcić dużo czasu a praca w nich jest z reguły mozolna. Wynika to najczęściej z faktu, iż środowiska te wymagają znajomości języka programowania, w którym zostały stworzone lub oferują przestarzały, niewygodny interfejs graficzny. Wyjątkiem jest tu program PrePoMax, przedstawiony w kolejnych akapitach.

Bliżej o PrePoMax

PrePoMax to pre- i postprocessor do darmowego solvera Calculix opartego na Abaqusie, którego zna zapewne większość czytelników. Program stworzyła jedna osoba – dr Matej Borovinsek z Uniwersytetu w Mariborze. Największą zaletą tej aplikacji jest jej niezwykle przyjazny, nowoczesny i łatwy w obsłudze interfejs graficzny.

Patrząc na zdjęcie zamieszczone na początku artykułu można już zauważyć jak przystępne jest to środowisko. Program obsługuje się głównie za pomocą panelu po lewej stronie. Panel ten został podzielony na trzy zakładki – geometria, model MES i wyniki.

W każdej z nich znajduje się drzewko pozwalające w łatwy sposób dokonać niezbędnych ustawień. Pozostałe opcje, takie jak zmiana widoku, są dostępne na górnym pasku. Pozostaje jednak najważniejsze pytanie – jakie możliwości daje ten program? Obecnie można w nim wykonać trzy podstawowe typy symulacji – statyczną analizę naprężeń (liniową lub nieliniową), liniową analizę wyboczenia oraz analizę częstości drgań własnych.

Dla wielu użytkowników jest to wystarczający zakres, chociaż może tu brakować symulacji przepływu ciepła i naprężeń termicznych. Dostępny jest mesher wykorzystujący trzy rodzaje elementów skończonych – czworościenne dla modeli bryłowych oraz trójkątne i prostokątne dla modeli powłokowych. Tworzone przez niego siatki można lokalnie zagęszczać.

➡ Wsparcie dla powłok zostało dodane w najnowszej aktualizacji (11.10.2020). Poza tym, program oferuje dwa typy wiązań – rigid body oraz tie, służące odpowiednio do tworzenia ciał sztywnych (i przy okazji zadawania odległych obciążeń oraz przekazywania momentów obrotowych na elementy bryłowe) i łączenia ze sobą poszczególnych części złożenia. W jednej z poprzednich aktualizacji dodana została opcja definiowania kontaktu, bardzo istotna dla wielu użytkowników.

➡ Dostępna jest także baza materiałów do własnego zapełnienia i dwa modele materiałowe – sprężystość i plastyczność. Program oferuje również kilka rodzajów obciążeń (w tym napięcie wstępne śruby) i warunków brzegowych, których symbole są wyświetlane, a także zaawansowane opcje postprocessingu obejmujące m.in. tworzenie animacji, sond, odbić lustrzanych wyników czy przekrojów.

Część z obecnie niewspieranych opcji można łatwo dodać do modelu korzystając z edytora słów kluczowych Calculixa. Dotyczy to zwłaszcza właściwości materiałowych. Co ciekawe, PrePoMax wspiera jednostki, w przeciwieństwie do wielu programów MES, również tych płatnych. Solver Calculix oferuje jeszcze wiele możliwości dotychczas niezaimplementowanych w PrePoMax, ale jego twórca stale rozwija program i jest otwarty na propozycje nowych funkcjonalności.

Planowane są m.in. elementy belkowe, analizy 2D czy osiowosymetryczne, a także symulacje przepływu ciepła oraz nowe modele materiałów (hipersprężystość, pełzanie itp.). Warto również dodać, że choć program nie posiada dokumentacji, to łatwość obsługi, dostępność tzw. Advisora, czyli pomocy wbudowanej w interfejs i nagrania demonstrujące możliwości PrePoMax’a dostępne na kanale YouTube twórcy aplikacji, sprawiają, że tradycyjny „User Guide” staje się właściwie zbędny.

Program nie wymaga nawet instalacji – wystarczy pobrać odpowiedni folder zip, rozpakować go i od razu można przystąpić do pracy. W pakiecie są również przykładowe modele

Test programu PrePoMax

Na potrzeby artykułu przeprowadzony został test programu mający na celu sprawdzić zgodność wyników z obliczeniami analitycznymi, a przy okazji również zaprezentować niektóre możliwości PrePoMax’a.

➡ Do testu wybrana została analiza skręcania pręta eliptycznego. Przyjęto wymiar półosi wielkiej elipsy jako 0,1 m zaś półosi małej jako 0,05 m. Pręt miał długość 1 m i został utwierdzony na jednym końcu oraz poddany działaniu momentu skręcającego o wartości 1000 Nm na drugim końcu. Przyjęto stal o module Younga 210 GPa i współczynniku Poisson’a 0,3 jako materiał, z którego wykonany jest pręt.

➡ Obliczenia analityczne, w oparciu o podręcznik „Wytrzymałość materiałów” Jakubowicza i Orłosia, wskazały maksymalne naprężenia styczne o wartości ok. 2,547 MPa. Do przeprowadzenia analizy tego pręta wykorzystano wiązanie typu rigid body, pozwalające zadać moment skręcający na węzły elementów bryłowych.

Warto przy okazji wspomnieć, iż wiele darmowych programów do analiz MES nie posiada tego typu wiązań ani innych zbliżonych opcji, uniemożliwiając przeprowadzanie analiz skręcania. Utworzona w programie siatka była złożona z 155579 elementów czworościennych drugiego rzędu.

Model przygotowany do analizy został pokazany na poniższej ilustracji. Kolejny rysunek przedstawia uzyskane wyniki symulacji. Do odczytu wykorzystano funkcję przekroju i sondę pozwalającą zmierzyć naprężenia w dowolnym punkcie modelu. Przydatna okazała się również opcja wyświetlania adnotacji pokazujących węzły z maksymalną i minimalną wartością naprężeń. Wskazane przez program maksymalne naprężenia styczne wyniosły tu 2,553 MPa, a więc bardzo blisko wartości uzyskanej z obliczeń analitycznych (błąd na poziomie ok. 0,24%).

Podsumowanie

Przeprowadzony test pokazał, iż PrePoMax jest programem nie tylko łatwym w obsłudze, ale też skutecznym. Doskonale nadaje się do przeprowadzenia analizy MES nawet na skomplikowanych złożeniach – jeden z przykładów prezentowanych przez twórcę aplikacji to analiza bloku silnika spalinowego z zasymulowanym ruchem tłoków. Jego jedynym minusem, oprócz ograniczonych możliwości (które są jednak stale rozszerzane) jest stosunkowo długi czas obliczeń przy gęstych siatkach. Wynika to z użycia darmowego solvera Spooles zamiast np. Pardiso. Program wspiera jednak obliczenia równoległe – ustawienie maksymalnej liczby dostępnych wątków procesora pozwala znacznie przyspieszyć analizy.

Biorąc pod uwagę wszystkie wymienione zalety PrePoMaxa, można uznać, iż jest on najlepszą darmową aplikacją do obliczeń MES pod względem łatwości obsługi. Praca w tym programie jest bardzo przyjemna, zwłaszcza dla osób przyzwyczajonych do Abaqusa, w którym metodyka postępowania (w oparciu o sety – grupy węzłów i elementów oraz stepy – kroki analizy) jest bardzo podobna.