Изучение метода конечных элементов на базе програмно-методического комплекса ANSYS (AnSYS)

Трудоношин В. А.trudonoshin@wwwcdl.bmstu.ruМетодические указания к лабораторной работеИзучение метода конечных элементов на базе программно-методическогокомплекса ANSYSЦель работы: изучение основ метода конечных элементов и основных принципов работыпрограммно-методического комплекса ANSYS.Теоретическая частьИсследование проведения объекта с помощью ANSYS предполагает выполнение следующихдействий:1. формирование облика объекта с помощью препроцессора;2.

выбор типов конечных элементов, на которые будут разбиваться области объекта;3. задание параметров материала, из которых состоит объект;4. разбиение области на конечные элементы;5. задание краевых условий и нагрузок;6. решение;7. просмотр результатов решение с помощью постпроцессора.Препроцессор ANSYS выполняет большинство своих операций на основе ключевых точек(keypoints), которые могут формироваться непосредственно пользователем как самостоятельные элементы или автоматически при формировании таких элементов как прямоугольник или окружность. При этом для окружности ключевыми точками, сформированными поумолчанию, будут ее центр и четыре точки, делящие окружность на четыре равные линии.Следует отметить, что в ANSYS нет возможности отмены последней операции, поэтому после правильно полученного результата рекомендуется запоминать его в рабочей базе данных.Порядок выполнения работыВ некоторых залах лабораторных работ запуск ANSYS происходит автоматически при входепользователя в систему.

Если этого не произошло, выполните следующие два пункта.1. Запуск программы: Пуск -> Программы -> ANSYSS_ED_5.4 -> Interactive2. После этого появляется окно начального диалога, в котором необходимо указать имя работы (Initial jobname), например Lab1 и нажать кнопку RUN. В следующем появившемся окненажать кнопку OK.После этого появятся основные рабочие окна ANSYS:Utility Menu - содержит набор утилит для работы с файлами, контроля, выбора, графическогоконтроля, задания общих параметров.Input - окно, позволяющее задавать команды (или только ее параметры) с клавиатуры.Main Menu - основное меню первичных ANSYS-функций.Toolbar - окно наиболее общих функций ANSYS, из которых необходима функция SAVE_DB- сохранение базы данных и, возможно, восстановление базы данных RESUM_DB - восстановление базы данных.Output - окно вывода сообщений, которое необходимо для контроля.Graphics - окно формирования графических изображений пре- и постпроцессора.Описание задачиИсследовать напряженное состояние швеллера, изображение которого представлено на следующем рисунке.Размеры на рисунке указаны в метрах, т.е.

в системе СИ, с которой по умолчанию работаетANSYS.Швеллер изготовлен из стали с модулем Юнга 2Е11 и коэффициентом Пуассона 0.25. Толщина - 0,005 м.Последовательность действий в тексте будет отображаться следующим образом:<тип меню :> <пункт меню> <тип подменю> <пункт подменю >…> <тип подменю><пункт подменю >Жирным шрифтом выделяются пункты, которые выбираются мышью.Построение геометрии объектаЗадаем ключевые точки:Main menu: Preprocessor -> Modeling-Create->Keypoints->On Working PlaneПоявляется следующее меню:В окне Input задаем парами (Х и Y), через запятую координаты ключевых точек.

Заканчиваемввод для каждой пары нажатием клавиши Enter. Список пар значений :0,00.2,00.2,0.020.02,0.020.02,0.180.18,0.180.18,0.20,0.2После последней пары нажимаем ОК в вышеприведенном меню. Аналогичным образом заканчиваются все операции при наличии выпадающего меню. Если в процессе ввода ключевая точка не отобразилась в окне Graphics, следует выполнить команды:Utility Menu: Plot -> Replot .В результате выполнения в окне Graphics будем иметь следующий результат:Соединяем ключевые точки прямыми линиями:Main menu: Preprocessor-> Modelinig - Create -> Lines -Lines -> Straight LineПоявляется меню создания линий.

В окне Graphics c помощью мыши указываем начало и конец каждой линии с помощью соответствующих ключевых точек, начиная с точки с координатами (0,0). Заканчиваем операцию нажимая ОК в выпавшем меню.Результат действий должен иметь вид:Если результат совпадает с данным рисунком, то сохраняем его в базе данных.

Для этого вокне Toolbar нажимаем SAVE_DB, если нет, то необходимо его исправить с помощью удаления неправильно построенных элементов. Для этого смотри пункт удаление элементов.Выполняем скругления во внутренней части швеллера:Main menu: Preprocessor-> Modelinig - Create -> Lines - Line FilletПоявляется выпадающее меню. В окне Graphics с помощью мыши указываем 2 линии, на которых должно быть выполнено скругление и нажимаем ОК в выпавшем меню. Появляетсяменю, в котором указаны номера линий. В оконе RAD этого меню необходимо задать радиусскругления.

Операцию Line Fillet необходимо выполнить дважды для нижнего и верхнегоскруглений. После выполнения операции окно Graphics будет иметь вид:Создаем окружность:Main menu: Preprocessor-> Modelinig - Create -> Lines - Arcs -> Arcs - Full CircleПоявляется выпадающее меню. В окне Input задаем через запятую координаты центра окружности 0.02,0.18 - нажимаем Enter. Задаем координаты точки на окружности 0.025,0.18 нажимаем Enter. Заканчиваем ввод нажимая ОК в выпавшем меню.Создаемдвеобласти.Одна образуется внешним контуром детали, вторая окружностью. Затем вычтем из первойвторую, получив таким образом нужную область.Main menu: Preprocessor-> Modelinig - Create -> Areas - Arbitrary -> Bye LinesПоявляется выпадающее меню. С помощью мыши указываем все линии внешнего контура.Нажимаем ОК в выпавшем меню.

Область закрашивается монотонным цветом. В UtilytesMenu выполняем команды Plot -> Lines, для того чтобы увидеть окружность. Повторяем команду создания областиMain menu: Preprocessor-> Modelinig - Create -> Areas - Arbitrary -> Bye Linesуказывая, в качестве линий образующих область, четыре дуги окружности. Нажимаем ОК ввыпавшем меню.Выполняем команду:Main menu: Preprocessor-> Modelinig - Оperate -> Booleans - Subtract -> Areasпоявляется выпадающее меню. С помощью мыши указываем на произвольную точку вбольшой области и нажимаем ОК в выпавшем меню, указываем точку внутри окружности инажимаем ОК в выпавшем меню. В результате окно Graphics будет иметь вид:На этом формирование облика изделия заканчивается.Удаление элементовВ тех случаях, когда необходимо удалить неправильно построенный элемент, выполните команду:Main Menu: Preprocessor -> Modeling - Delete ->и далее можно выбрать ключевые точки (keypoints) , линии(lines), области (areas), которыемогут удаляться, как автономно, так и с подчиненными элементами.

Например выбор пунктаменю "Area and Below" вызовет удаление линий и ключевых точек, связанных с этой областью. Если подчиненные элементы принадлежат не только данному элементу, они не будутудалены, о чем будет выдано предупреждение. После выбора соответствующего пункта меню появляется выпадающее меню и после этого мышью можно отметить элементы, подлежащие удалению (при этом они будут выделены) . Заканчивается операция нажатием накнопку ОК в меню (или Cancel в случае, если элементы указаны неправильно, при этом элементы удалены не будут).Восстановление из базы данныхВ любой момент может быть восстановлено состояние, которое было запомнено в базе данных.Для этого в окне Toolbar необходимо нажать RESUM_DB, при этом все действия, выполненные после последнего сохранения будут потеряны.Выбор типа конечного элементаВыполняем команду:Main Menu:Preprocessor -> Element Type -> Add/Edit/DeleteПоявляется выпадающее меню, в котором нажимаем Add.

Появляется еще одно меню с библиотекой типов элементов. Выбираем с помощью мыши Structural Solid (вид анализа) и Quad8node(тип элемента - четырехугольный восьмиузловой), нажимаем ОК в этом меню, т.е. выбран 8-ми узловой элемент для анализа напряжений. В предыдущем меню появляется первый тип элемента - PLANE82. Нажимаем в этом меню Options… , появляется меню с параметрами элемента К3, К5, К6.

Устанавливаем значение параметра К3 "Plane strs w/thk" , чтоозначает анализ напряжений с учетом толщины материала. Нажимаем ОК в этом меню иClose в предыдущем.Задание свойств материалаВыполняем команду:Main Menu:Preprocessor -> Material Props -> Constant - IsotropicПоявляется окно с указанием типа материала, в котором нажимаем ОК и выпадает окно сосвойствами материала. В нем задаем модуль Юнга (Young's Modulus EX) 2e11 и коэффициент Пуассона (Poisson's ratio <minor> NUXY) 0.25. Нажимаем ОК в этом меню.Задаем толщину швеллера, для этого выполняем команду:Main Menu:Preprocessor -> Real Constants…выпадает меню, в котором нажимаем Add, во вновь выпавшем меню нажимаем ОК, в результате появляется еще одно меню, в котором задаем толщину (THK) 0.005 и нажимаем ОК.

Воставшемся окне нажимаем Close.Разбиение области на конечные элементыВыполняем командуMain Menu:Preprocessor ->Mesh Tool…Появляется окно Mesh Tool создания и модификации конечно-элементной сетки. Наиболеепростой вариант создания сетки автоматический. Для этого выделяем с помощью мышиSmart size и устанавливаем его значение с помощью горизонтально лифта равным 5.