2.2 Лаб работа 2 (2 Материалы и сортаменты. Создание простых объектов)

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ
(НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

«УТВЕРЖДАЮ» Заведующий кафедрой 609

О.Л. Смирнов

« » 200

Кафедра 609

Тютюнников Н.П., Столярчук В.А.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2

«Материалы и свойства. Создание простых объектов »

по дисциплине «Программно-информационные комплексы»

8-ый семестр

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

по выполнению лабораторной работы

(рассчитана на 4 часа занятий)

Обсуждены на заседании кафедры 609

« » 20 г.

Протокол №

Тютюнников Н.П., Столярчук В.А.

Лабораторная работа № 2.

Материалы и свойства. Создание простых объектов

1. Материалы и свойства (Material & Property)

1.1. Введение

Здесь и в последующих лабораторных работах будет предложено некоторое подмножество инструментов и команд FEMAP, достаточных для того, чтобы можно было проводить расчеты самостоятельно. Остальные возможности, не описываемые здесь подробно, будут просто перечислены. Свободно владеть всеми инструментами программы, наверное, просто невозможно. Это относится не только к FEMAP, но и к любой другой программе (MATLAB, MathCAD, Word и т.д. до бесконечности). Обычно, пользователь выбирает для себя некоторое удобное для себя подмножество из необозримого моря имеющихся в программе инструментов, методов, средств и обходится им при решении своих задач. Однако, неплохо иметь хотя бы общее представление обо всех имеющихся возможностях.

Например, те средства FEMAP, которые подробно излагаются в настоящем пособии, позволяют эффективно решать задачи, полученные в рамках заданий на курсовую работу. Однако по окончании института, вам, быть может, придется столкнуться с совсем другими типами задач. Для этих задач более эффективными могут оказаться другие средства FEMAP-а. Чтобы иметь возможность их использовать, прежде всего, необходимо знать об их существовании. А изучить их самостоятельно можно с помощью HELP-а.

Поэтому далее везде после подробного рассмотрения основных средств обязательно будет приводиться перечень альтернативных возможностей.

Прежде, чем приступить непосредственно к созданию модели конструкции, следует описать свойства используемых в ней материалов, а также характерные формы и размеры заготовок из этих материалов – сортамент. Так, если используется листовой материал, следует указать толщины используемых листов, если используются стержни различных профилей (уголки, двутавровые балки и т.п.), надо указать форму и размеры их поперечных сечений.

Выделение этих работ в самый первый этап достаточно условно. В любой момент вы можете добавить новый материал или удалить оказавшийся ненужным сортамент из базы данных вашей модели.

1.2.Материалы

Запустите FEMAP и откройте файл созданный на первом лабораторном занятии.

В
ыполнив команду Model – Material, вызовем знакомое диалоговое окно:

Тогда мы ограничились вводом информации только в три окошка: Title (название), Youngs Modulus, E (модуль Юнга), Poisson’s Ratio, nu (коэффициент Пуассона). Теперь пришло время более подробно изучить содержимое этого окна.

Во-первых, отметим, что синяя титульная линейка содержит текст Define Isotropic Material (определение изотропного материала), а не просто Define Material (определение материала). Это наводит на подозрения, что кроме изотропных м атериалов можно описать и какие-то другие. Это действительно так, и, нажав на кнопку Type…, мы можем увидеть перечень доступных типов материалов. Пока будем обходиться в наших моделях изотропными материалами. К ортотропных двумерным (Orthotropic 2D) материалам относятся композиционные материалы, армированные волокнами (стеклоткань, углелента и т.п.), которые уже давно широко и успешно используются в конструкциях самолетов, вертолетов, автомобилей и пр.

Другие типы материалов

Orthotropic 3D – трехмерный ортотропный материал. Используется для материалов с пространственным армированием.

Anisotropic 2D – анизотропный двумерный материал. Пример, материал на тканевой основе с косоугольной укладкой волокон основы и утка.

Anisotropic 3D – анизотропный трехмерный материал. Необходимость в таких материалах обязательно возникнет при численном моделировании проблем ортопедии и протезирования (костная ткань, например).

Hyperelastic – сверхупругий материал. Материалы типа резины.

Other Types – другие типы. Сюда отнесены некоторые редкие типы материалов.

Кроме кнопки Type в верхней части окна, обведенной рамкой, находятся еще четыре текстовых окна и одна кнопка.

Первое окошко – ID содержит идентификационный номер материала. FEMAP сам заполняет это окошко, используя очередной свободный номер. Поскольку один материал был уже создан в файле LabRab1.MOD на прошлом занятии, сейчас очередному материалу предлагается присвоить номер 2. При желании можно задать любой другой номер.

Второе окошко Title (название) пользователь заполняет для себя. Если FEMAP для опознания материала использует его ID, то пользователю этот номер вряд ли что-то напомнит. А информативное название сразу напомнит, что за материал скрывается за этим номером, даже если пользователь работал с этой моделью несколько месяцев назад. Никогда не жалейте нескольких секунд на то, чтобы занести в поле Title понятный и информативный текст. В дальнейшем это сэкономит вам минуты, и даже часы. Этот совет относится не только к материалам. Всякий раз, когда FEMAP предлагает вам дать чему-либо название (нагрузкам, граничным условиям, сортаменту и т.д.), не отказывайтесь.

Следующее окошко Color (цвет) и кнопка Palette… (палитра) присутствует во всех окнах FEMAP, предназначенных для созданий каких-либо объектов (материалов, сортамента, элементов, точек и т.д.). Номер в окошке Color – это номер цвета, который присваивается данным объектам по умолчанию. Цвет вы можете изменить, набрав в окошке другой номер, либо раскрыв палитру кнопкой Palette и ткнув мышкой в любой понравившийся вам цвет. Без необходимости менять стандартные установки цветов не рекомендуется.

Layer (слой) – это номер слоя, в который будет помещен создаваемый объект. Пока что мы не будем пользоваться слоями, но необходимо пояснить этот термин. При создании сложных моделей разобраться в переплетении на экране линий, стрелок, точек, меток просто невозможно. Поэтому хорошая препроцессорная программа должна обеспечивать возможность рассмотрения вашей модели по частям.

FEMAP предусматривает для этого два различных средства – слои (Layers) и группы (Groups). Техника слоев заимствована из таких систем автоматического проектирования, как AutoCAD. Представьте, что чертеж какой-либо детали вы выполняете не на одном листе ватмана, а на нескольких листах прозрачной кальки. На одном листе вы вычерчиваете основные линии, на другом – размерные, на третьем наносите штриховку и т.д. Сложив все листы вместе, вы получите полный чертеж. Любой элемент может находиться только в одном из слоев. Хотя техника слоев по-прежнему сохраняется в FEMAP, однако, пожалуй, на практике гораздо удобнее техника использования групп. Ее идея напоминает принципы организации конструкторской документации. Предположим, вам надо построить модель планера самолета. Тогда вам имеет смысл выделить в отдельные группы фюзеляж, каждое крыло, киль. Крыло, например, также удобно разбить на подгруппы. Например, выделяя в отдельные подгруппы нервюры и отсеки крыла между нервюрами. Полученные подгруппы, если они остаются слишком сложными, в свою очередь можно разбить на подгруппы. При этом на экране FEMAP мы можем оставить любую из групп или подгрупп, с которой требуется работать в данный момент.

Остальные текстовые окна уже предназначены для задания свойств материала. Большая часть их выделена в три группы, обведенные рамками.

Первая группа Stiffness (жесткость) – содержит окна для модуля упругости (Youngs Modulus, E), модуля сдвига (Shear Modulus, G) и коэффициент Пуассона (Poisson’s Ratio, nu). Ещё раз напоминаем, что можно ввести значения только для двух этих величин, а третью NASTRAN определит автоматически, используя известную формулу . Пока, что достаточно будет задавать только эти значения. Дело в том, что в линейном статическом анализе моделей другие параметры не требуются. Поэтому можно оставить эти поля пустыми (или со значением 0). Рассмотрим остальные элементы окна.

Группа Thermal (тепловая) в соответствии со своим названием предназначена для задания коэффициента теплового расширения (Expansion Coeff, a), теплопроводности (Conductivity, k), теплоемкости (Specific Heat, Cp), коэффициент генерации тепла (Heat Generation Factor). Эти величины требуются при анализе процессов теплопередачи. NASTRAN может их решать.

Группа Limit Stress (предельные напряжения) содержит окна для пределов прочности материала, которые мы привыкли обозначать и (Shear). Причем для пределов нормальных напряжений предусмотрен случай, когда пределы при растяжении (Tension) и сжатии (Compression) различны.

Наконец, еще три окна не входят в группы. Это плотность (Mass Density), которая требуется при решении динамических задач; коэффициент демпфирования (Damping 2C/Co) и начальная температура.

Остается рассмотреть только 8 кнопок в правом нижнем углу. Самые главные и часто используемые это кнопки OK и Cancel. Кнопку OK нажимаем, когда убедимся, что все характеристики материала указаны правильно. После этого описание материала заносится в базу данных модели, а вам будет предложено описать следующий материал – все текстовые окно очистятся, а значение ID увеличится на единицу. Кнопка Cancel нажимается, если вы уже описали все материалы, или если вам это занятие надоело. После этого окно описания материала закроется и можно будет заняться другими делами.

Кнопка Load… позволяет использовать библиотеку материалов, имеющуюся в FEMAP. Вместо того чтобы набирать вручную все числа, можно выбрать из появившегося списка название материала и все значения будут занесены в окна автоматически. Вот только пользоваться этой библиотекой не рекомендуется. Создана эта библиотека не у нас, а там, где в качестве единиц измерения используются фунты и дюймы.

Другое дело, что вы можете занести в эту библиотеку свой собственный материал. Так, если, описав, например, сплав D16T и собираясь в последующем его использовать, то нажмите кнопку Save. Описание материала будет сохранено в библиотеке материалов под тем именем, которое вы набрали в окошке Title, и вы всегда сможете использовать его вновь.

Кнопка Copy… потребуется вам тогда, когда новый материал имеет свойства очень близкие свойствам какого-либо материала, уже имеющегося в модели. После нажатия этой кнопки вы увидите список имеющихся материалов. Указав нужный, вы заполните все окна его свойствами, включая название. После этого внесите нужные поправки и сохраните новый материал под новым названием.

Кнопка Functions используется при решении нелинейных задач, когда зависимость напряжений от деформаций нелинейна, и ее приходится задавать в виде функции. Сейчас эта кнопка имеет серый цвет, значит, она недоступна. Это естественно, так как никаких функций мы с вами не определяли.

То же самой относится к кнопке Nonlinear >>.

Наконец, кнопка Phase Change >> используется при решении задач термодинамики, когда надо учитывать возможность фазовых изменений материала (в курсе конструкционных материалов используется такие понятия, как аустенитная фаза, мартенситная фаза).