Статический анализ плоской прямоугольной пластины с отверстием (1051252)

СТАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПЛОСКОЙ ПРЯМОУГОЛЬНОЙ ПЛАСТИНЫ С ОТВЕРСТИЕМ

Автор:

• Белобородов А.В. mailto:anatol@pisem.net

Наименования продуктов ANSYS, в которых данный пример может быть выполнен:

• ANSYS/Multiphysics

• ANSYS/Mechanical

• ANSYS/Structural

• ANSYS/University

• ANSYS/ED

Дисциплина:

Прочность

Тип анализа:

Линейный статический

Демонстрируемые возможности:

• Твердотельное моделирование методом "снизу-вверх"

• Логические операции над геометрическими объектами

• Приложение нагрузок к геометрической модели

• Расчет напряжений и деформаций

• Визуализации результатов в постпроцессоре

Уровень пользователя:

Начинающий

Предполагаемое время выполнения:

45-60 минут.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Рисунок 1. Расчетная схема задачи

К свободному краю консольно закрепленной плоской прямоугольной пластины с отверстием приложена растягивающая нагрузка F=5000 H. Расчетная схема задачи представлена на рисунке 1, свойства материала пластины приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Физико-механические свойства материала

ПОШАГОВОЕ ОПИСАНИЕ РЕШЕНИЯ

1. Построение геометрической модели

Существует два пути построения геометрии в системе ANSYS "снизу-вверх" и "сверху-вниз", ни один из них не является преимущественным, а использование того или иного определяется геометрической моделью, которую необходимо построить. В данном примере мы будем строить геометрию пластины "снизу-вверх".

1.1. Построение пластины

Рисунок 2. Диалоговое окно построения ключевых точек

Рисунок 3. Окно выбора при построении поверхности по ключевым точкам

1.1.1. Построение ключевых точек (keypoints) пластины

Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Keypoints > In Active CS

В открывшемся диалоговом окне (Рисунок 2) введите координаты первой ключевой точки (0;0;0). Номер ключевой точки (NPT) можно не вводить – ANSYS может автоматически подставить его. Нажмите Apply.

Аналогичным образом введите координаты следующих точек: (200;0;0), (200;50;0) и (0;50;0). После ввода координат четвертой точки нажмите OK.

1.1.2. Построение поверхности по ключевым точкам

Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Areas > Arbitrary > Through KPs

Последовательно выберете мышкой ключевые точки будущей поверхности или введите номера точек в окне выбора (1, 2, 3 и 4 нажимая клавишу "Enter"). По окончании выбора нажмите OK.

1.2. Построение вспомогательной поверхности отверстия

Рисунок 4. Окно выбора при построении дуги по ключевым точкам и радиусу.

Рисунок 5. Параметры дуги

Рисунок 6. Окно предупреждения

Рисунок 7. Отображение построенных поверхностей

1.2.1. Построение ключевых точек

Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Keypoints > In Active CS

В открывшемся диалоговом окне (Рисунок 2) введите координаты точек, лежащих на диаметре отверстия (175;10;0) и (175;40;0). Нажмите OK.

1.2.2. Построение дуг окружности

Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Lines > Arcs > By End KPs & Rad

Укажите мышкой ключевые точки концов дуги или введите номера точек в окне выбора (рисунок 4) (5 и 6 нажимая клавишу "Enter"). По окончании выбора нажмите OK. Далее необходимо выбрать точку, определяющую ориентацию дуги, или ввести ее номер в окне выбора (точка 2) после чего нажать OK. В открывшемся диалоговом окне можно проверить введенные номера ключевых точек, и ввести значение радиуса дуги (15). Нажмите OK. ANSYS выдаст окно с предупреждением (Рисунок 6), которое необходимо закрыть.

Аналогично строится вторая дуга между точками 5 и 6, точкой ориентации для которой служит ключевая точка 4.

1.2.3. Построение поверхности по линиям

Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Areas > Arbitrary > By Lines

Укажите мышкой линии ограничивающие поверхность или введите их номера в окне выбора (линии 5 и 6), после чего нажмите ОК.

1.2.4. Отображение построенных поверхностей

Utility Menu > Plot > Areas

1.3. Построение отверстия

Рисунок 8. Окно выбора при логических операциях над поверхностями

Main Menu > Preprocessor > Modeling > Operate > Booleans > Subtract > Areas

Укажите мышкой поверхность пластины или введите ее номер в окне выбора (Рисунок 8) (поверхность 1), после чего нажмите ОК. Укажите мышкой вспомогательную поверхность отверстия или введите ее номер в окне выбора (поверхность 2). Нажмите ОК.

Примечание: Приведенный алгоритм построения геометрической модели не является оптимальным. Он приведен с целью демонстрации возможностей ANSYS.

2. Построение конечноэлементной модели

2.1. Определение типа элемента

Рисунок 9. Выбор типа элемента

Рисунок 10. Задание опций элемента

Рисунок 11. Задание реальных констант

2.1.1. Выбор типа элемента

Main Menu > Preprocessor > Element Type > Add/Edit/Delete

В открывшемся окне "Element Type" нажмите Add… и в появившейся библиотеке элементов выберите Structural > Solid > Triangle 6node 2 (Рисунок 8). Нажмите OK.

В окне "Element Type" нажмите Options… и в открывшемся диалоговом окне в раскрывающемся списке Element Behavior выберите Plane strs w/thk (Рисунок 9) и нажмите ОК.

Закройте окно "Element Type" нажав Close.

2.1.2. Определение реальных констант

Main Menu > Preprocessor > Real Constants

В открывшемся списке "Real Constants" нажмите Add… и выберите тип элемента PLANE2. Нажмите OK. В диалоговом окне задайте толщину элементов (Thickness) равную 10. Нажмите OK.

Закройте список "Real Constants" нажав Close.

2.2. Задание свойств материала

Рисунок 12. Задание свойств материала

Main Menu > Preprocessor > Materials Props > Material Models

В окне "Define Material Model Behavior" выберите Structural > Linear > Elastic > Isotropic и в открывшемся диалоговом окне (Рисунок 12) введите свойства материала согласно таблице 1. Нажмите ОК. После этого окно "Define Material Model Behavior" можно закрыть.

2.3. Дискретизация модели

Рисунок 13. Задание параметров автоматической генерации сетки

2.3.1. Задание параметров автоматической генерации конечноэлементной сетки

Main Menu > Preprocessor > Meshing > Size Cntrls > SmartSize > Basic

В диалоговом окне выберите уровень дискретизации (по степени точности): 6 (default). Нажмите ОК.

Рисунок 14. Конечноэлементная модель пластины с отверстием

2.3.2. Генерация конечноэлементной сетки

Main Menu > Preprocessor > Meshing > Mesh > Areas > Free

Укажите мышкой поверхность пластины или введите ее номер в окне выбора (поверхность 3), после чего нажмите ОК. Результат построения конечноэлементной сетки представлен на рисунке 14.

Примечание: Для получения более точных результатов требуется более мелкая разбивка.

2.4. Приложение нагрузок к геометрической модели

Рисунок 15. Задание перемещений на линии

Рисунок 16. Задание растягивающей нагрузки

2.4.1. Задание перемещений

Main Menu > Solution > Define Loads > Apply > Structural > Displacement > On Lines

Укажите мышкой линию, по которой закреплена пластина, или введите ее номер в окне выбора (линия 4), после чего нажмите ОК. В открывшемся окне (Рисунок 15) выберите ALL DOF и нажмите ОК.

2.4.2. Приложение растягивающей силы

Main Menu > Solution > Define Loads > Apply > Structural > Force/Moment > On Keypoints

Укажите мышкой ключевую точку, к которой приложена растягивающая сила, или введите ее номер в окне выбора (точка 2), после чего нажмите ОК. В открывшемся окне (Рисунок 16) в поле VALUE введите значение растягивающей силы 5000, остальные поля, определяющие направление вектора силы и его характер остаются без изменения, т.к. нам требуется постоянная сила действующая по оси Ox.

3. Запуск решения

Рисунок 17. Подтверждение запуска решения

Рисунок 18. Решение завершено

Main Menu > Solution > Solve > Current LS

При запуске решения ANSYS выдает окно статуса, в котором приводит краткую характеристику задачи. Также выводится диалоговое окно (Рисунок 17) для подтверждения запуска решения. Нажмите ОК.

После завершения решения будет выведено окно с сообщением "Solution is done!". Нажмите Close. Закройте окно статуса.

4. Просмотр результатов

4.1. Просмотр перемещений

Рисунок 19. Диалоговое окно вывода результатов

Рисунок 20. Поле распределения суммарных перемещений

Main Menu > General Postproc > Plot Results > Contour Plot > Nodal Solu

В открывшемся диалоговом окне (Рисунок 19) выберите тип интересующего нас результата – DOF Solution и его обозначение – Translation USUM (суммарные перемещения). Нажмите ОК.

Результат отображения поля суммарных перемещений в пластине представлен на рисунке 20.

4.2. Просмотр напряжений

Рисунок 21. Поле распределения эквивалентных

(по Мизесу) напряжений

Main Menu > General Postproc > Plot Results > Contour Plot > Nodal Solu

В открывшемся диалоговом окне (Рисунок 19) выберите тип интересующего нас результата – Stress и его обозначение – von Mises SEQV (эквивалентные напряжения по Мизесу). Нажмите ОК.

Результат отображения поля эквивалентных напряжений в пластине представлен на рисунке 21.

5. Сохранение данных

Рисунок 22. Сохранение данных

Utility Menu > File > Save as

В открывшемся диалоговом окне (Рисунок 22) в списке "Drivers" выберите логический диск, а в списке "Directories" путь к каталогу в котором вы хотите сохранить данные. В поле "Save Database To" введите имя файла – example1.db. Нажмите ОК.

6. Выход из ANSYS

Рисунок 23. Выход из программы

Utility Menu > File > Exit

В открывшемся диалоговом окне (Рисунок 23) установите переключатель на позицию Quit – No Save! (выход без сохранения данных) и нажмите OK.

Вопросы, замечания и предложения по представленному учебному примеру направляйте по адресу: anatol@pisem.net

CAE: Компьютерный анализ http://cae.tgngu.tyumen.ru

Страница 6 из 6