Огородникова О.М. - Введение в компьютерный конструкционный анализ
Описание файла
Документ из архива "Огородникова О.М. - Введение в компьютерный конструкционный анализ", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "основы автоматизированного проектирования (оап)" из 7 семестр, которые можно найти в файловом архиве МГТУ им. Н.Э.Баумана. Не смотря на прямую связь этого архива с МГТУ им. Н.Э.Баумана, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "книги и методические указания", в предмете "основы автоматизированного проектирования (сапр)" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "Огородникова О.М. - Введение в компьютерный конструкционный анализ"
Текст из документа "Огородникова О.М. - Введение в компьютерный конструкционный анализ"
Министерство образования Российской Федерации
Уральский государственный технический университет - УПИ
ВВЕДЕНИЕ
В КОМПЬЮТЕРНЫЙ КОНСТРУКЦИОННЫЙ АНАЛИЗ
Методические указания по курсу "Компьютерная диагностика"
для студентов дневной формы обучения
специальности 210200 - Автоматизация
технологических процессов и производств
Екатеринбург
2001
УДК 621.787
Составитель доц., канд. физ.-матем. наук О. М. Огородникова
Научный редактор доц., канд. техн. наук С. С. Кугаевский
ВВЕДЕНИЕ В КОМПЬЮТЕРНЫЙ КОНСТРУКЦИОННЫЙ АНАЛИЗ: Методические указания по курсу "Компьютерная диагностика"/ О.М.Огородникова. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2001. 47 с.
Указания предназначены для студентов механико-машиностроительного факультета, обучающихся по специальности 210200 - Автоматизация технологических процессов и производств. Основная цель работы - дать общее представление о целях и возможностях компьютерных систем инженерного анализа конструкций. В указаниях дана краткая характеристика различных типов конструкционного анализа, описаны алгоритмы и программы решения конкретных задач, которые являются основой для выполнения лабораторных и домашних заданий по курсу "Компьютерная диагностика".
Рис. 35.
Подготовлено кафедрой "Электронное машиностроение".
Уральский государственный технический университет - УПИ, 2001
Оглавление
Введение 4
1. Статический конструкционный анализ 4
Пример статического анализа напряженного состояния 5
2. Нелинейный конструкционный анализ 13
2.1. Варианты нелинейного поведения конструкций 13
2.2. Консервативное и неконсервативное поведение конструкции 13
2.3. Моделирование пластической деформации и деформационного упрочнения материалов 14
2.4. Метод Ньютона-Рафсона 15
Пример нелинейного анализа остаточной пластической деформации при циклическом нагружении 16
3. Определение собственных колебаний 24
Пример анализа собственных колебаний 24
4. Анализ термических напряжений 28
Пример анализа температурных полей и термических напряжений 29
5. Расчет вынужденных колебаний 34
Пример расчета гармонических вынужденных колебаний 34
6. Динамический анализ переходных процессов 37
Пример динамического анализа начальной стадии нагружения 37
7. Вибрационный анализ 41
Пример определения сейсмической деформации 41
8. Определение изгиба 46
Пример линейного анализа вертикальной балки под действием изгибающей силы 46
Введение
Многие задачи, с которыми приходится в настоящее время сталкиваться исследователям и инженерам, не поддаются аналитическому решению либо требуют огромных затрат на экспериментальную реализацию. Зачастую единственной возможностью экспрессного анализа инженерной проблемы является компьютерное математическое моделирование. Прогресс в разработке численных методов позволил существенно расширить круг задач, доступных анализу. Полученные на основе этих методов результаты используются практически во всех областях науки и техники.
В анализе конструкций находит свое наиболее важное применение метод конечных элементов. Причем в конструкционном анализе под конструкциями понимаются мосты, здания, корпуса морских судов, узлы самолетов, детали машин, поршни, инструменты – словом, любые инженерные конструкции.
Первичными переменными, которые вычисляются в ходе конструкционного анализа, являются смещения. В дальнейшем, исходя из вычисленных смещений в узлах сетки, определяются и другие важные параметры – такие как напряжения, упругая или пластическая деформация и пр.
В данной работе основные положения компьютерного инженерного анализа конструкций рассмотрены в примерах, решенных с помощью программы ANSYS, которая относится к классу "тяжелых" систем и имеет расширенные вычислительные возможности.
Будут рассмотрены следующие виды конструкционного анализа.
-
Статический анализ используется для определения напряжений и деформаций в условиях статического нагружения конструкций. Статический анализ может быть линейным или нелинейным. В процессе нелинейного статического анализа можно имитировать пластичное и сверхпластичное поведение материалов, определять жесткость нагружения, задаваться большими деформациями и напряжениями, учитывать контактные поверхности, анализировать ползучесть.
-
Частотный анализ используется для вычисления собственных частот и типа колебаний конструкции.
-
Гармонический анализ используется для определения отклика конструкции на нагрузки, гармонически изменяющиеся во времени.
-
Переходный динамический анализ используется для определения отклика конструкции на нагрузки, изменяющиеся со временем произвольно; здесь можно учитывать все нелинейные эффекты, допустимые в статическом нелинейном анализе.
-
Вибрационный анализ является расширением частотного анализа и используется для вычисления напряжений и деформаций, возникающих в конструкции под действием индуцированных колебаний или произвольных вибраций.
Кроме перечисленных задач, анализируя конструкции, можно также моделировать механизм их разрушения, пластическую деформацию и усталостное разрушение, учитывать специфику композиционных материалов.
1. Статический конструкционный анализ
В процессе статического анализа прогнозируется результат воздействия на конструкцию установившихся, т.е. постоянных во времени, нагрузок без учета центробежных и демпфирующих эффектов или иных явлений, вызываемых изменяющимися во времени нагрузками. Исключение составляют, т.е. могут быть учтены в статическом анализе, такие параметры, как сила гравитации и скорость вращения, а также те изменяющиеся во времени нагрузки, которые могут быть аппроксимированы эквивалентными статическими нагрузками (например, сила ветра или сейсмические колебания - величина данных параметров обычно задается согласно строительным нормативным документам).
В процессе статического анализа определяются напряжения, деформации и силы, возникающие в конструкциях под действием нагрузок, не вызывающих значимых центробежных и вибрационных эффектов. В статическом анализе предполагается, что все нагрузки и реакции конструкции на нагрузки если и изменяются во времени, то очень медленно.
Нагрузками в статическом анализе могут быть:
-
внешние силы и моменты сил;
-
поверхностное давление;
-
постоянные центробежные силы, такие как гравитационные и обусловленные вращением с постоянной скоростью;
-
вынужденные ненулевые смещения - линейные и угловые;
-
температуры (при анализе термических напряжений);
-
потоки (для учета радиационного разбухания материалов).
Основные этапы статического конструкционного анализа:
-
в препроцессоре построить модель, задать свойства материалов, сгенерировать сетку;
-
в процессоре задать нагрузки и произвести вычисления;
-
в постпроцессоре просмотреть и проанализировать результаты расчетов.
Пример статического анализа напряженного состояния
Тип анализа: статический.
Цель анализа: расчет напряженного состояния.
Описание задачи: к концу ключа прикладывается сила 100 Н, а затем здесь же, но в другом направлении добавляется сила величиной 20 Н. Определить напряжения, возникающие в ключе под действием обеих сил.
| Пример 1 | ||
| Команда | Описание команды | Путь выполнения команды |
| /filename,stress | Дать название работе, данное название будут иметь различные файлы, создаваемые программой в процессе анализа; stress - название | Utility Menu> File> Change Jobname [Stress> OK] |
| /units,si | Использовать международную систему единиц | Эта команда не может быть выполнена с помощью меню |
| *afun,deg | Задать измерение углов в градусах | Utility Menu> Parameters> Angular Units [Degrees> OK] |
| *SET,exx,2.07e11 | Ввести параметр и его значение; exx - название параметра; 2.07e11 - величина параметра | Программа позволяет предварительно ввести скалярные величины, произвести несложные вычисления с введенными величинами и в дальнейшем использовать их буквенное обозначение. Utility Menu> Parameters> Scalar Parameters [Selection> exx=2.07e11> Accept> |
| *SET,w_hex,.01 | Ввести параметр и его значение; w_hex - название параметра; .01 - величина параметра | Selection> w_hex =.01> Accept> |
| *SET,w_flat,w_hex*tan(30) | Ввести параметр и его значение; w_flat - название параметра; w_hex*tan(30) - величина параметра | Selection> w_flat = w_hex*tan(30) > |
| *SET,l_shank,.075 | Ввести параметр и его значение; l_shank - название параметра; .075 - величина параметра | Selection> l_shank = .075 > Accept> |
| *SET,l_handle,.2 | Ввести параметр и его значение; l_ handle - название параметра; .2 - величина параметра | Selection> l_ handle = .2 > Accept> |
| *SET,bendrad,.01 | Ввести параметр и его значение; bendrad - название параметра; .01 - величина параметра | Selection> bendrad = .01 > Accept> |
| *SET,l_elem,.0075 | Ввести параметр и его значение; l_elem - название параметра; .0075 - величина параметра | Selection> l_elem = .0075 > Accept> |
| *SET,no_d_hex,2 | Ввести параметр и его значение; no_d_hex - название параметра; 2 - величина параметра | Selection> no_d_hex = 2 > Accept> |
| *SET,tol,25e-6 | Ввести параметр и его значение; tol - название параметра; 25e-6 - величина параметра | Selection> tol = 25e-6 > Accept> Close] |
| /prep7 | Начать работу в препроцессоре | |
| et,1,solid45 | Выбрать из библиотеки тип элемента; 1 – номер типа элемента; solid45 – название объемного элемента в библиотеке | Main Menu> Preprocessor> Element Type> Add/Edit/Delete [Add> Structural> Solid> Brick 8node 45> Apply> |
| Пример 1 | |||||
| et,2,plane42 | Выбрать из библиотеки тип элемента; 2 – номер типа элемента; plane42 – название плоского элемента в библиотеке | Structural> Solid> Quad 4node 42> OK> Close] | |||
| mp,ex,1,exx | Задать свойство материала; ex – модуль Юнга; 1 – номер материала; exx – величина модуля Юнга, определена раньше в таблице параметров | Main Menu> Preprocessor> Material Props [Constant> Isotropic> 1> OK> Young's modulus EX> exx > OK] | |||
| rpoly,6,w_flat | Создать полигон; 6 - число сторон; w_flat - длина стороны, определена раньше в таблице параметров | Main Menu> Preprocessor> Create> Areas> Poligon> By Side Length [Number of sides> 6> Length of each side> w_flat> OK] | |||
| k,7 | Задать точку; 7 - номер точки; по умолчанию координаты точки 0,0,0 | Main Menu> Preprocessor> Create> Keypoints> In Active CS [Keypoint number> 7> X,Y,Z Location in active CS> 0,0,0> Apply> | |||
| k,8,,,-l_shank | Задать точку; 8 - номер точки; ,,,-l_shank - координаты X, Y ,Z точки | Keypoint number> 8> X,Y,Z Location in active CS> 0,0, -l_shank > Apply> | |||
| k,9,,l_handle,-l_shank | Задать точку; 9 - номер точки; ,,l_handle,-l_shank - координаты X, Y ,Z точки | Keypoint number> 9> X,Y,Z Location in active CS> 0,l_handle, -l_shank > OK] | |||
| l,4,1 | Построить линию по двум точкам; 4 - начальная точка; 1 - конечная точка | Main Menu> Preprocessor> Create> Lines> In Active Coord [Выбрать точки> Apply> | |||
| l,7,8 | Построить линию по двум точкам; 7 - начальная точка; 8 - конечная точка. | Utility Menu> PlotCtrls> Main Menu> Preprocessor> | |||
| l,8,9 | Построить линию по двум точкам; 8 - начальная точка; 9 - конечная точка | Выбрать точки> OK] | |||
| lfillt,8,9,bendrad | Создать скругление на пересечении двух прямых линий; 8 - номер первой линии; 9 - номер второй линии; bendrad - радиус скругления, параметр задан раньше в таблице | Utility Menu> PlotCtrls> Numbering [Line Numbers> ON> OK] Utility Menu> Plot> Lines Main Menu> Preprocessor> | |||
| /view,,1,1,1 | Задать направление просмотра; ,, - по умолчанию команда применяется к окну с номером 1; 1,1,1 – координаты X,Y,Z точки в глобальной системе координат, определяющей вместе с центром координат направление просмотра; секущая плоскость будет перпендикулярна направлению просмотра | Выполнять необязательно Utility Menu> PlotCtrls> | |||
| /angle,,90,xm | Задать поворот изображения; ,, - по умолчанию команда применяется к окну с номером 1; 90 – угол поворота; xm - ось поворота x в глобальной системе координат | Выполнять необязательно Utility Menu> PlotCtrls> [Angle of degrees> 90> OK] | |||
| /pnum,line,1 | Проконтролировать присвоение номеров и окрашивание объектов при выводе изображения на экран; line – перечисляемыми и окрашиваемыми объектами являются линии; 1 – включить присвоение номеров и окрашивание объектов | Выполнять необязательно Utility Menu> PlotCtrls> Numbering [Line numbers> On> OK] | |||
| Пример 1 | |||||
| lplot | Построить линии на экране | Utility Menu> Plot> Lines | |||
| /pnum,line,0 | Проконтролировать присвоение номеров и окрашивание объектов при выводе изображения на экран; line – перечисляемыми и окрашиваемыми объектами являются линии; 0 – выключить присвоение номеров и окрашивание объектов | Выполнять необязательно Utility Menu> PlotCtrls> Numbering [Line numbers> Off> OK] | |||
| l,1,4 | Построить линию по двум точкам; 1 - начальная точка; 4 - конечная точка | Main Menu> Preprocessor> Create> Lines> In Active Coord [Выбрать точки> Apply> | |||
| asbl,1,7,,,keep | Разделить поверхность; 1 - номер поверхности; 7 - номер линии; ,,,keep - сохранить линию | Utility Menu> PlotCtrls> Numbering [Keypoint numbers> On> OK] Utility Menu> Plot> Areas Main Menu> Preprocessor> Utility Menu> Plot> Lines [Выбрать линию 7> OK> | |||
| cm,botarea,area | Сгруппировать геометрические объекты; botarea - название группы; line - тип сгруппированных геометрических объектов - поверхности | Utility Menu> Select> Comp/Assembly> Create Component [Component name> botarea> | |||
| lesize,1,,,no_d_hex | Задать разбиение линий для генерации сетки; 1 - номер линии; ,,, - делить линии на отрезки; no_d_hex - количество отрезков разбиения, параметр задан ранее | Main Menu> Preprocessor> Meshing> Size Cntrls> Picked Lines [Ввести в строке ввода 1,2,6> Enter> OK> Element Edge length> | |||
| lesize,2,,,no_d_hex | Задать разбиение линий для генерации сетки; 2 - номер линии; ,,, - делить линии на отрезки; no_d_hex - количество отрезков разбиения, параметр задан ранее | ||||
| lesize,6,,,no_d_hex | Задать разбиение линий для генерации сетки; 6 - номер линии; ,,, - делить линии на отрезки; no_d_hex - количество отрезков разбиения, параметр задан ранее | ||||
| type,2 | Выбрать элемент из списка; 2 - номер элемента (плоский). | Main Menu> Preprocessor> Create> Elements> Elem Attributes | |||
| mshape,0,2d | Выбрать форму элемента; 0 - четырехугольник; 2d - плоский | Main Menu> Preprocessor> Meshing> Mesher Opts [Mesher type> Mapped> OK> Shape key> Quad>OK] | |||
| mshkey,1 | Задать генерацию сетки по разметке | Main Menu> Preprocessor> | |||
| save | Сохранить информацию | Ansys Toolbar> Save_db | |||
| amesh,all | Сгенерировать узлы и разбить поверхностные объекты на поверхностные элементы; all - генерировать сетку на всех поверхностях | ||||
| eplot | Показать на экране сетку | Utility Menu> Plot> Elements | |||
| type,1 | Выбрать элемент из списка; 1 - номер элемента (объемный) | Main Menu> Preprocessor> Create> Elements> Elem Attributes [Element type number> 1 Solid 45> OK] | |||
| Пример 1 | |||||
| esize,l_elem | Задать число разбиений по ребру для генерации объемной сетки; l_elem - длина стороны элемента, параметр задан ранее | Main Menu> Preprocessor> [Element edge length> l_elem> OK] | |||
| vdrag,2,3,,,,,8,10,9 | Сгенерировать объемные элементы вытягиванием плоских элементов вдоль заданной линии; 2,3,,,,, - поверхности для вытягивания; 8,10,9 - номера линий в последовательности, задающей путь вытягивания | Utility Menu> PlotCtrls> Numbering [Line numbers> On> OK] Utility Menu> Plot> Lines Main Menu> Preprocessor> Operate> Extrude> Areas> Along Lines [Pick all> Выбрать мышью последовательно линии 8,10,9> OK] | |||
| /type,,hidp | Задать способ вывода на экран; ,, - по умолчанию в окне 1; hidp - точное | Utility Menu> Plot> Elements | |||
| eplot | Показать на экране сетку | ||||
|
| Рис.1.1. Результат генерации объемной сетки | ||||
| cmsel,,botarea | Выбрать группу; ,, - новый выбор; botarea - название группы | Utility Menu> Select> Comp/Assembly> Select Comp/Assembly [Comp/Assemb> botarea> OK] | |||
| aclear,all | Удалить узлы и элементы на выбранной поверхности (удалению подлежат элементы плоской сетки); all - удалить сетку для всей поверхности | Utility Menu> Select> Entities | |||
| asel,all | Выбрать группу поверхностей; all - восстановить полный набор | Utility Menu> Select> Entities | |||
| finish | Закончить работу в препроцессоре | Выполнять необязательно | |||
| /solu | Начать работу в процессоре | ||||
| antype,static | Определить тип анализа; static - статический | Main Menu> Solution> Analysis Type> New analysis [Static> OK] | |||
| cmsel,,botarea | Выбрать группу; ,, - новый выбор; botarea - название группы | Utility Menu> Select> Comp/Assembly> Select Comp/Assembly [Comp/Assemb> botarea> OK] | |||
| lsel,,ext | Выбрать группу линий; ,, - новый выбор; ext - название группы | Utility Menu> Select> > Entities [Lines> Exterior> Apply> | |||
| nsll,,1 | Выбрать узлы, связанные с выбранными линиями; ,, - новый выбор; 1 - все узлы | Nodes> Attached to> Lines,all> OK] | |||
| d,all,all | Задать степени свободы в узлах; all - во всех выбранных узлах; all - присвоить нулевые значения всем возможным смещениям | Main Menu> Solution> Loads> | |||
| lsel,all | Выбрать линии; all - все линии | Utility Menu> Select> > Entities [Lines> Sele all> Cansel] | |||
| /pbc,u,,1 | Показать граничные условия на экране; u - смещения; ,,1 - показать символами | Utility Menu> PlotCtrls> Symbols | |||
| nplot | Показать на экране узлы | Utility Menu> Plot> Nodes | |||
| Пример 1 | |||||
| asel,,loc,y,bendrad,l_handle | Выбрать поверхности; ,, - новый выбор; loc - по положению в активной системе координат; y - по координате y; bendrad - минимальная координата, параметр определен ранее; l_handle - максимальная координата, параметр определен ранее | Utility Menu> Select> Entities | |||
| asel,r,loc,x,w_flat/2,w_flat | Выбрать поверхности; r - повторный выбор для данных поверхностей; loc - по положению в активной системе координат; x - по координате x; w_flat/2 - минимальная координата, параметр определен ранее; w_flat - максимальная координата, параметр определен ранее | X coordinates> Reselect> Min,Max> w_flat/2,w_flat> Apply] | |||
| nsla,,1 | Выбрать узлы, связанные с выбранными поверхностями; ,, - новый выбор; 1 - выбрать все узлы | Nodes> Attached to> Areas,all> | |||
| nsel,r,loc,y,l_handle+tol,l_handle-(3.0*l_elem)-tol | Выбрать узлы, связанные с выбранными поверхностями; r - повторный выбор для данных поверхностей; loc - по положению в активной системе координат; y - по координате y; l_handle+tol - минимальная координата, параметр определен ранее; l_handle-(3.0*l_elem)-tol - максимальная координата, параметр определен ранее | Nodes> By Location> Y coordinates> Reselect> Min,Max> l_handle+tol,l_handle-(3.0*l_elem)-tol> OK] | |||
| *get,minyval,node,,mnloc,y | Определить значение; minyval - название нового параметра; node - для узлов; ,, - все узлы; mnloc - минимальное значение по координате; y - по координате y | Utility Menu> Parameters> Get Scalar Data [Model data>For selected set> OK> Name of parameter to be defined> minyval> Current node set> | |||
| *get,maxyval,node,,mxloc,y | Определить значение; maxyval - название нового параметра; node - для узлов; ,, - все узлы; mxloc - максимальное значение по координате; y - по координате y | Model data>For selected set> OK> | |||
| *SET,ptorq,100/(w_hex*(maxyval-minyval)) | Ввести параметр и его значение; ptorq - название параметра; 100/(w_hex*(maxyval-minyval)) - величина параметра | Utility Menu> Parameters> | |||
| sf,all,pres,ptorq | Задать нагрузки в узлах; all - во всех выбранных узлах; pres - давление; ptorq - величина давления | Main Menu> Solution> Loads> | |||
| allsel | Выбрать все | Utility Menu> Select> Everything | |||
| /psf,pres,,2 | Показать поверхностные нагрузки символами; pres - давление; ,,2 - стрелками | Utility Menu> PlotCtrls> Symbols | |||
| nplot | Показать на экране узлы | Utility Menu> Plot> Nodes | |||
