Dlaczego DIANA

Pierwszy argument jest prosty: bo mamy ją do dyspozycji . Po drugie, jest to pakiet MES specjalizujący się w zaawansowanych (nieliniowych) zastosowaniach w inżynierii lądowej, popularny w Holandii, gdzie jest tworzony, i w Japonii, a w krajach tych buduje się niestandardowe konstrukcje.

Wydaje się, że DIANA jest bardziej narzędziem naukowca i eksperta, niż inżyniera. Jej silne punkty to:

- szeroki wybór dostępnych elementów jedno-, dwu- i trójwymiarowych do dyskretyzacji continuum oraz elementów specjalnych (patrz poniżej);

- dostosowanie większości elementów do obliczeń zagadnień nieliniowych;

- dowolność wprowadzania obciażeń i warunków brzegowych, a także liniowych zależności pomiędzy stopniami swobody;

- szeroki zakres sprawdzonych modeli konstytutywnych dla metali, betonu, ośrodków gruntowych i innych materiałów, np. gumy;

- dostepność różnych algorytmów dla problemow nieliniowych, w tym dla problemów z niesymetrycznymi macierzami sztywności;

- jednolitość programu i czytelna dokumentacja użytkownika.

DIANA ma strukturę modularną. Najczęściej wykorzystywanymi modułami są:

- statyka liniowa (linear statics),

- problem własny (eigenvalue analysis),

- dynamiczne zagadnienie propagacji fal (dynamics),

- analiza nieliniowa (nonlinear analysis).

Istnieją poza tym niestandardowe moduły, np. do obliczeń przepływów potencjalnych (potential flow), analizy kolejnych faz wznoszenia konstrukcji, np. mostów (phased analysis), obliczeń rurociągów (pipelines), estymacji parametrów materiału (parameter estimation), które dają możliwość rozwiązywania skomplikowanych problemów (niekoniecznie z mechaniki konstrukcji) i dowodzą "zdolności adaptacyjnych" programu.

Oto rodziny elementów w DIANie:

- kratowe (truss), w tym do analizy kabli wiotkich;

- belkowe (beam), również zakrzywione i zgodne z teorią Timoszenki- Mindlina;

- dla płaskiego stanu naprężenia (plane stress);

- dla płaskiego stanu odkształcenia (plane strain);

- dla symetrii osiowej (axisymmetric), również dla powłok osiowosymetrycznych;

- dla płyt zginanych (plate bending);

- płaskie i zakrzywione do dyskretyzacji powłok (flat and curved shell);

- trójwymiarowe (solid);

- łączące elementy o niezgodnych stopniach swobody (transition);

- interfejsowe (interface) do modelowania połączeń strukturalnych, tarcia, poślizgu, rys dyskretnych;

- sprężyny i masy skupione (spring and mass) oraz

- zbrojenie w formie prętów i siatek (embedded reinforcements).

Pakiet obejmuje elementy klasyczne i udoskonalone .

DIANA może się przede wszystkim pochwalić implementacją różnych nieliniowych modeli konstytutywnych, choć możliwe jest też uwzględnienie dużych deformacji (nieliniowych związków kinematycznych). Do nieliniowych modeli materiału należą:

- nieliniowa sprężystość (nonlinear elasticity, hyperelasticity);

- plastyczność (plasticity) z klasycznymi i ortotropowymi funkcjami płynięcia ;

- lepkoplastyczność (viscoplasticity) oparta na teoriach Duvaut i Perzyny;

- zarysowanie (cracking);

- lepkosprężystość (viscoelasticity);

- pełzanie i skurcz (creep and shrinkage);

- nieliniowe zachowanie interfejsu (discrete cracking, bond-slip, friction).

Jak widać, wiele z tych modeli jest związanych z zaawansowaną analizą konstrukcji betonowych. Możliwe jest również wprowadzanie przez użytkownika własnych modeli kostytutywnych (user-supplied material model).

Dla zastosowania nieliniowego opisu niezbędne są sprawne (robust) procedury numeryczne. W DIANie dostępnych jest kilka metod rozwiązywania zadań nieliniowych, a także rozwiązywania układu równań liniowych powstającego w wyniku linearyzacji problemu dla przyrostu obciążenia. Zazwyczaj stosuje się jednak klasyczną metodę Newtona-Raphsona i algorytm eliminacji Gaussa. Oto możliwości algorytmów:

- adaptacyjne przyrostowanie obciążenia;

- wybór macierzy sztywności (liniowa, styczna, sieczna);

- metoda długości łuku (arc-length method);

- sterowanie wektorem przemieszczenia (indirect displacement control);

- poszukiwanie kierunku optymalnej zbieżności (line searches);

- trzy kryteria zbieżności z normą energii, sił residualnych lub przemieszczeń.

Oczywiście możliwe jest sterowanie przemieszczeniem, czyli wymuszanie rosnącego obciążenia kinematycznego.

Jak kontaktuje się użytkownik z DIANa? Wbudowany graficzny interfejs użytkownika (GUI) jest obecnie tworzony i będzie dostępny w następnej wersji DIANy (obecnie korzystamy z wersji 6.2 [1]). Interfejs standardowy jest tradycyjny: wejście jest realizowane przez dwa pliki tekstowe (zbiór danych o modelu MES i zbiór komend z informacjami o sposobie analizy, patrz przykład poniżej). Istnieje wbudowany generator siatek (ale nie dla wszystkich geometrii i elementow) . Wyjście z pakietu stanowią zbiory tekstowe, które mogą być potem przeskanowane np. skryptem napisanym przy pomocy narzędzia Unixa awk celem wyodrębnienia potrzebnych wyników i wykonania wykresów zmienności wybranych wielkości, oraz zbiory graficzne w formacie GKS .

Interfejs graficzny niezintegrowany z DIANą stanowią następujące pre-post-procesory: FEMGV (oferowany razem z DIANą i dostępny na komputerze alpha.twins.pk.edu.pl pod komendą femgvx), oraz bardziej zaawansowane I-DEAS i PATRAN. Pakiety te mają charakter uniwersalny, tj. służą do generacji danych i monitorowania wyników także przy innych pakietach MES. Przy zadaniach ze skomplikowaną geometrią modelu, wymagających zagęszczania siatki i reprezentacji wyników w postaci kolorowych map (contour plots) użycie pre-/post-procesora graficznego jest konieczne, choć opanowanie takiego narzędzia wymaga wysiłku i czasu.