Прочностной статический анализ

Методические указания

к лабораторной работе - “Моделирование статической нагрузки на конструкцию в САПР ANSYS”

 

Москва 2016

 

Введение

 

Сегодня ANSYS – это чрезвычайно мощная и удобная САПР. Каждая ее версия включает новые и расширяет прежние возможности пакета, что делает ее более быстродействующей, гибкой и удобной. Эти ее качества помогают пользователям справиться с непрерывно возрастающими запросами современного промышленного производства.

Программа ANSYS – это гибкое, надежное средство проектирования и анализа. Как новичкам, так и опытным пользователям эта программа предлагает непрерывно растущий перечень расчетных средств, которые могут:

– учесть разнообразные конструктивные нелинейности;

– дать возможность решить самый общий случай контактной задачи для поверхностей;

– допускать наличие больших (конечных) деформаций и углов поворота;

– позволять выполнить интерактивную оптимизацию и анализ влияния электромагнитных полей,

– получaть решение задач гидроаэродинамики и многое другое – вместе с параметрическим моделированием, адаптивным перестроением сетки, использованием р-элементов и обширными возможностями создания макрокоманд с помощью языка параметрического проектирования программы ANSYS (APDL).

Предлагаемое методическое пособие предназначено для изучения студентами интерфейса и организации расчетов механических и тепловых режимов конструкций на базе современной САПР ANSYS. ANSYS является универсальной конечно-элементной САПР, применяемой для автоматизированного решения прочностных, тепловых, акустических, электромагнитных, гидро и газодинамических задач. Данное методическое пособие представляет собой теоретический и практический материал по важнейшим разделам моделирования механических и тепловых процессов в САПР. Для эффективности и облегчения процесса обучения текст методического пособия иллюстрирован.

Лабораторная работа №4 посвящена основам работы в ANSYS, простейшим геометрическим построениям и решению прочностной статической задачи

ИНТЕРФЕЙС ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ

 

Несмотря на то, что программа ANSYS располагает богатыми и сложными возможностями, ее организационная структура и “дружеский” графический интерфейс пользователя (GUI) делают изучение и применение программы очень удобным (см. рис 1).

Система меню (на основе разработки фирмы Motif) обеспечивает ввод данных и выбор действий программы с помощью панелей диалога, выпадающих меню и окон списка, помогая пользователю управлять программой.

 

Рис. 1

 

С помощью этого интерфейса обеспечивается удобный интерактивный доступ к функциям, командам, документации и справочным материалам программы, создается своего рода путеводитель, обучающий пользованию программой шаг за шагом при проведении анализа. В то же время программой предоставляется полная документация в интерактивном режиме и самая современная система HELP на основе гипертекстового представления для помощи опытным пользователям при выполнении сложных видов работ. Система меню наделена “интуитивными” свойствами, помогая пользователю целесообразно управлять программой. Исходные данные можно вводить с помощью манипулятора “мышь”, клавиатуры или сочетая эти два варианта.

Существуют четыре общих метода ввода инструкций для программы, когда используются следующие возможности интерфейса:

· меню;

· панели диалога;

· линейка инструментов;

· непосредственный ввод команд.

Меню представляет собой перечень нескольких логически связанных процедур управления программой, которые расположены в отдельных окнах. К этим окнам, которые можно переместить или убрать с помощью мыши, доступ возможен в процессе работы. Команды программы объединены в отдельные функциональные группы для быстрого доступа в соответствующие моменты.

Меню утилит (1) – содержит набор часто используемых процедур, которые отображены здесь для доступа в любой момент работы программы. Выполнению этих процедур предшествует появление в каскадном порядке выпадающих меню, которые позволяют непосредственно выполнить нужное действие или перейти в панель диалога. Меню утилит не обладает жестким режимом работы, и пользователь может выполнить несколько действий за одно обращение (например, отказаться от прежнего намерения и перейти к выполнению другой операции).

Главное меню (2) – перечисляет основные функции программы, которые группируются в располагаемые сбоку всплывающие (динамические) меню, вид которых зависит от продвижения по программе.

Окно ввода (3) – представляет собой область для набора команд и показа сообщений-подсказок программы. Имеется возможность обратиться к списку введенных ранее команд. Команды можно извлекать из файла регистрации (log-файла) введенных ранее команд и/или входных файлов для последующего ввода.

Линейка инструментов (4) – дает возможность пользователю разместить обычно используемые процедуры, например, команды или написанные пользователем подпрограммы для быстрого их запуска щелчком мыши. Линейка инструментов является весьма эффективным средством для запуска команд программы, что определяется широкими возможностям ее конфигурирования. Предоставляет пользователю средства создавать кнопки с текстом и иметь немедленный доступ к часто исполняемым командам. Линейка инструментов может вместить до 200 кнопок.

Независимо от того, каким образом заданы команды, они, в конечном счете, используются для передачи всех данных и управления всеми действиями программы. Интерфейс пользователя организован так, чтобы осуществлять выбор и исполнение команд путем удобного и “интуитивного” использования меню, панелей диалога и линейки инструментов.

Интерактивный характер интерфейса и группирование команд по функциональной близости делают прозрачным смысл команд по их краткому синтаксису. Пользователи, знакомые с командами программы, могут вводить их непосредственно с клавиатуры.

Любая однажды выполненная команда записывается в файл регистрации сеанса работы. Доступ к этому файлу возможен из окна вывода, что позволяет обратиться к списку команд в случае ошибки или записать его в виде файла для исполнения в пакетном режиме.

Программа также использует графический индикатор в виде меняющего длину столбика при выполнении потенциально продолжительной процедуры (например, построение сетки). Пользователь имеет возможность остановить такую операцию простым щелчком мыши.

Графическое окно (5) – представляет собой область для вывода такой графической информации, как конечно-элементная модель или графики результатов анализа. Размеры окна можно устанавливать, уменьшая или увеличивая по своему усмотрению.

Окно вывода (не показано) – фиксирует отклик программы на команды и действия пользователя. Всегда доступно при работе интерфейса.

Панель диалога (не показана) – это окно, предоставляющее пользователю на выбор перечень действий для выполнения процедур и установки необходимых настроек. Такие панели подсказывают, какие данные следует вводить и какие решения принимать для определенных процедур.

 

Процессоры

Все функции, выполняемые программой ANSYS, объединены в группы, которые называются процессорами. Программа имеет один препроцессор, один процессор решения, два постпроцессора и несколько вспомогательных процессоров, включая оптимизатор. Препроцессор используется для создания конечно-элементной модели и выбора опций для выполнения процесса решения. Процессор решения используется для приложения нагрузок и граничных условий, а затем для определения отклика модели. С помощью постпроцессора пользователь обращается к результатам решения для оценки поведения расчетной модели, а также для проведения дополнительных вычислений, представляющих интерес.

 

База данных

В программе ANSYS используется одна, центральная, база данных для всего набора сведений, относящихся к модели и результатам решения. Сведения о модели (включая данные о геометрии твердотельной и конечно-элементной моделей, свойствах материалов и т.д.) записываются в базу данных на стадии препроцессорной подготовки. Нагрузки и результаты решения записываются процессором решения. Данные, полученные на основе результатов решения при их постпроцессорной обработке, записываются постпроцессором. Сведения, внесенные одним из процессоров, доступны, при необходимости, для других процессоров. Например, общий постпроцессор может считывать данные, относящиеся к решению и модели, а затем использовать их для постпроцессорных вычислений.

 

Подмножество программы:

ANSYS/Multiphysics, самый мощный, многоцелевой продукт компании, представляет собой программное средство анализа для широкого круга инженерных дисциплин, которое позволяет проводить расчетные исследования не только в таких отдельных областях знания, как прочность, распространение тепла, механика жидкостей и газов или электромагнетизм, но и решать связанные задачи. Эта программа обеспечивает оптимизацию проектных разработок на уровне, позволяющим моделировать инженерные проблемы в наиболее полной постановке.

ANSYS/Mechanical ä предоставляет широкие возможности для выполнения проектных разработок, анализа и оптимизации: решение сложных задач прочности конструкций, теплопередачи и акустики. Эта программа, обеспечивающая проверку правильности проектных работ, является мощным инструментом для определения перемещений, напряжений, усилий, температур и давлений, а также других важных параметров.

ANSYS/Structural ä выполняет сложный прочностной анализ конструкций с учетом разнообразных нелинейностей, среди которых геометрическая и физическая нелинейности, нелинейное поведение конечных элементов и потеря устойчивости. Используется для точного моделирования поведения больших и сложных расчетных моделей.

ANSYS/LinearPlus ä представляет собой более дешевый вариант пакетаANSYS/Mechanical для решения задач линейной статики (с нелинейными элементами зазора и большими прогибами балок и оболочек), динамики и устойчивости.

ANSYS/Thermal ä – это самостоятельная, отдельная программа, тоже отпочковавшаяся от пакета ANSYS/Mechanical, для решения тепловых стационарных и нестационарных задач.

ANSYS/PrepPost ä является программой, которая обеспечивает быстрое и удобное выполнение полностью параметризованного процесса создания конечно-элементных моделей. Постпроцессор позволяет обрабатывать результаты всех видов анализа, доступных программе ANSYS.

ANSYS/ED ä представляет собой программу, обладающую возможностью расчетного кода ANSYS/Multiphysics, но имеющую ограничения по размерам расчетной модели. Этот доступный пакет является идеальным для обучения и подготовки персонала.

Автономные программы:

ANSYS/FLOTRAN ä – это удобное программное средство для решения разнообразных задач гидродинамики, включая ламинарное и турбулентное течение несжимаемой или сжимаемой жидкости. Эта программа совместно с пакетом ANSYS/Mechanical образует уникальное расчетное средство с оптимизирующими возможностями, которое удовлетворяет самым разнообразным потребностям в области механики и физики.

ANSYS/EMAG ä – представляет собой самостоятельный пакет для численного моделирования электромагнитных полей и решения задач, связанных с явлениями электричества и магнетизма. В совокупности с другими пакетами фирмы ANSYS создает многообразные возможности для решения задач механики сооружений с учетом влияния гидродинамических и электромагнитных явлений.

ANSYS/DYNA ä – это вариант пакета с решателем явного типа, который предназначен для решения прочностных задач динамики при больших нелинейностях. Эта программа может быть добавлена к уже имеющейся лицензии или использоваться автономно для численного моделирования процессов формования материалов, анализа аварийных столкновений и ударов при конечных деформациях, нелинейном поведении материала и контактном взаимодействии большого числа тел.

Конструкторские пакеты:

ANSYS/ProFEA â представляет собой программное средство анализа проектных разработок с модернизированными версиями тех возможностей, которые характерны для пакетов фирмы ANSYS, что позволяет вести опережающий анализ и оптимизацию в составе пакета Pro/ENGINEER.

ANSYS/AutoFEA ä 3D – это безупречно интегрированная программа анализа проектных разработок, функционирующая целиком в среде пакетов AutoCAD версии 13 и Autodesk Mechanical Desktop и позволяющая оценить концептуальную полноту проекта.

 

ПРОЧНОСТНОЙ СТАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

 

Возможности статического прочностного анализа программы ANSYS используются для определения перемещений, напряжений, деформаций и усилий, которые возникают в конструкции или ее составных частях в результате приложения механических сил. Статический анализ пригоден для задач, в которых действие сил инерции или процессы рассеяния энергии не оказывают существенного влияния на поведение конструкции. Такой тип анализа можно использовать во многих приложениях, например, для определения концентрации напряжений в галтелях конструктивных элементов или для расчета температурных напряжений.

Конструкторы и специалисты в области прочности знакомы с этим видом анализа и, вероятно, решали многочисленные задачи статики, используя классические методы или соотношения из соответствующих справочников. В программе ANSYS для решения этих задач используются численные методы. Разрешающее уравнение статического анализа записывается в виде

 

[ K ]{ u } = { F },

 

где [ K ] – матрица жесткостей;

{ F } – вектор сил;

{ u } – вектор перемещений.

Компоненты вектора сил { F } могут представлять собой сосредоточенные силы, тепловые нагрузки, давления и силы инерции. Можно проводить расчеты по определению таких значений ускорений, которые обеспечивают статическое уравновешивание приложенных к системе нагрузок.

Статический анализ в программе ANSYS может включать такие нелинейности, как пластичность и ползучесть материала, большие прогибы, большие деформации и контактное взаимодействие. Нелинейный статический анализ обычно выполняется при постепенном возрастании нагрузок, чтобы можно было получить верное решение.

 

 

Лабораторная работа

“Моделирование статической нагрузки на конструкцию в САПР ANSYS”

 

Цель работы: построить и выполнить статический расчет уголка с отверстием (рис. 2). Уголок закреплен в зоне отверстия и на его левый край приложена сила.

 

Тип анализа	Статический
Тип используемого конечного элемента	Оболочка (Shell)
Тип граничных условий	Жесткое защемление, сосредоточенная сила
Возможности	Вывод полей перемещений и напряжений по Мизесу

Рис. 2

Порядок выполнения работы:

1. Задаем рабочее имя задачи:

UTILITI MENU => FILE => CHANGE JOBNAME … задаем переменной FILNAM свое значение латинскими буквами вместо указанного FILE, при этом изменяется имя проекта (группы файлов).

 

2. Определяем тип анализа:

MAIN MENU => PREFERENCES… => STRUCTURAL => ОК.

 

3. Выбираем тип используемого элемента и толщину пластин составляющих конструкцию:

MAIN MENU => PREPROCESSOR => ELEMENT TYPE => ADD/EDIT/DELETE… => ADD… => STRUCTURAL- SHELL- ELASTUC 4 NODE 63 => ОК => CLOSE - выбор 4-х угольного конечного элемента.

Определяем толщину пластин. Для этого:

M.M. => PREPROCESSOR => REAL CONSTANTS => ADD/EDIT/DELETE… => ADD… => ОК => SHELL THICKNESS AT NODE I TK(I) = 0.003метра => ОК => CLOSE. (в окне вводим 0.003)