Статический анализ уголкового кронштейна

    Процесс технического  перевооружения ведущих промышленных  предприятий, головных отраслевых  НИИ, имеющих место в настоящее  время, а также отсутствие альтернативы  по причине жесткой конкуренции  на отечественном и мировом  рынках, требует в числе прочего  и обновления материального обеспечения для задач инженерного моделирования. Это системы автоматизированного проектирования (САПР), главная задача которых это снижение издержек и сжатия сроков проектирования и производства, за счет замены реальных процессов прототипирования, макетирования – их виртуальными аналогами. Рост штата САПР на предприятиях, невзирая на финансовые трудности, есть объективное обстоятельство, из которого вытекает факт востребованности на рынке труда специалистов, владеющих подобными технологиями – в данном случае технологией проведения инженерного анализа с помощью САЕ – системы ANSYS

                       Краткие сведения об ANSYS

1. Этапы расчета  в программе ANSYS

Программа ANSYS обладает многими возможностями конечно-

элементного анализа – от простого линейного статического до сложного

нелинейного динамического (нестационарного). Процедура типового рас-

чета может быть разделена на три основных этапа:

• построение модели;

• приложение нагрузок (включая и граничные условия) и получение

решения;

• просмотр и анализ результатов.

1.1. Построение  модели

Этот этап требует наибольших затрат времени (имеется в виду время

пользователя, а не время работы компьютера). Он включает задание типов

конечных элементов, свойств материала, геометрии модели и генерацию

конечно-элементной сетки.

1.1.1. Задание типов  элементов

Библиотека конечных элементов программы ANSYS содержит более

80 типов, каждый из которых  определяет, среди прочего, применимость

элемента к той или иной области расчетов (прочностной, тепловой, маг-

нитный и электрический анализы, движение жидкости или связанные за-

дачи), характерную форму элемента (линейную, плоскую, в виде бруска и

т.д.), а также двумерность (2-D) или трехмерность (3-D) элемента как гео-

метрического тела.

Все элементы разделяются на следующие типы:

• BEAM Elements

• FLUID Elements

• INFIN Elements

• MATRIX Elements

• PLANE Elements

• SOLID Elements

• TARGE Elements

• CIRCU Elements

• FOLLW Elements

• INTER Elements

16

• MESH Elements

• PRETS Elements

• SOLSH Elements

• TRANS Elements

• COMBIN Elements

• HF Elements

• LINK Elements

• MPC Elements

• ROM Elements

• SOURC Elements

• VISCO Elements

• CONTAC Elements

• HYPER Elements

• MASS Elements

• PIPE Elements

• SHELL Elements

• SURF Elements

В пособии будут использоваться элементы SOLID и FLUID, которые

будут описаны ниже.

1.1.2. Задание свойств  материалов

Свойства материала требуются для большинства типов элементов

(исключение составляют  элементы течения жидкости в  средах FLUID141

и FLUID142). В зависимости от постановки задачи свойства могут быть

линейными, нелинейными и/или анизотропными. Линейные свойства мо-

гут зависеть или не зависеть от температуры, быть изотропными или орто-

тропными. Зависимость свойств от температуры имеет форму полинома

(вплоть до четвертой  степени) или задается таблично. Нелинейные соот-

ношения, такие как кривые деформирования материала для различных ви-

дов упрочнения, кривые ползучести, описание гиперупругих свойств,

обычно задаются в виде таблицы. Анизотропные свойства для упругих ма-

териалов задаются в матричном виде.

Примечание. В настоящем руководстве рассматриваются только идеаль-

но упругие изотропные (linear isotropic) элементы.

1.1.3. Создание геометрической  модели

Геометрическую модель можно получить двумя способами – задать

вручную или импортировать уже готовую модель. Задание вручную позво-

ляет строить относительно простые модели, для создания моделей с более

17

сложной геометрией рекомендуется использовать трехмерные графические

редакторы.

1.1.4. Генерация  конечно-элементной сетки

Конечно-элементная сетка автоматически генерируется двумя спосо-

бами: заданием вручную размеров элементов для отдельных участков мо-

дели либо полностью автоматически с указанием степени точности раз-

биения.

1.2. Задание нагрузок  и получение решения

На этом этапе выбирается тип анализа, устанавливаются его пара-

метры, прикладываются нагрузки, определяются параметры выбора шага

нагружения и инициируется решение.

1.2.1. Выбор типа  анализа и его опций

Тип анализа выбирается на основе условий нагружения и реакции

системы, которую предполагается получить. Так, например, если нужно

найти собственные частоты и формы колебаний, то следует выбрать мо-

дальный анализ. В программе ANSYS доступны следующие виды расче-

тов: статический (или стационарный), динамический (или нестационар-

ный), гармонический, модальный, спектральный и расчет устойчивости.

Опции анализа дают возможность уточнить параметры проводимого

расчета. Типичным является выбор метода решения, учет или отказ от уче-

та влияния напряженного состояния конструкции на ее жесткость (stress

stiffness), а также опций применения метода Ньютона-Рафсона.

Примечание. В настоящем руководстве рассматриваются только ста-

тический (static) и динамический (transient) типы анализа.

1.2.2. Приложение  нагрузок

Под нагрузками понимаются граничные условия в виде условий за-

крепления, а также задание внешних и внутренних усилий. Большинство

этих нагрузок может быть приложено или к твердотельной модели (в клю-

чевых точках, по линиям и поверхностям), или к конечно-элементной мо-

дели (в узлах и к элементам).

Необходимо различать термины шаг нагружения и шаг решения.

Шаг нагружения . это та конфигурация нагрузок, для которой получено

18

решение. Например, к конструкции можно приложить ветровую нагрузку

на первом шаге нагружения, а на втором . гравитационную нагрузку. При

нестационарном анализе полную последовательность нагрузок полезно

разбить на несколько шагов нагружения. Шаг решения . это изменение

счетного шага внутри шага нагружения; используется главным образом

при нестационарном и нелинейном анализе для улучшения точности и

сходимости. Шаг решения также называют шагом по времени, т.е. шагом,

выполняемым в течение некоторого промежутка времени.

Примечание. В программе ANSYS понятие время используется как при не-

стационарном, так и при стационарном анализе. В первом случае - это

обычная длительность процесса в секундах, минутах или часах. При ре-

шении статических задач время используется как указатель на тот или

иной шаг нагружения или шаг решения.

1.2.3. Указание опций для шага нагружения

Опциями шага нагружения являются такие опции, которые могут

быть изменены при переходе от одного шага нагружения к другому: число

шагов решения, время окончания шага нагрузки или выбор выходных па-

раметров решения. В зависимости от типа выполняемого анализа указание

опций может требоваться или не требоваться.

1.2.4. Запуск на  счет

По команде /SOLVE программа обращается за информацией о моде-

ли и нагрузках к базе данных и выполняет вычисления. Результаты запи-

сываются в специальный файл и в базу данных. При этом в базе данных

может храниться только один набор результатов, тогда как в файл могут

быть записаны результаты для всех шагов решения.

1.3. Просмотр результатов (Постпроцессинг)

Программа ANSYS обладает широкими возможности для просмотра

полученных результатов. Для каждого узла на любом шаге нагружения

ANSYS позволяет получить значения искомых физических величин, для

модели в целом – картину деформированного состояния, выводить на эк-

ран изолинии, линии тока, создавать анимационные ролики и т. д.

19

1.4. Графические  возможности ANSYS

Полностью интерактивная графика (т.е. средства и системы ввода,

отображения и редактирования изображений) является составной частью

программы ANSYS. Графика важна для проверки исходных данных и про-

смотра результатов решения на этапе постпроцессорной обработки.

Модуль PowerGraphics обладает значительной скоростью построе-

ния геометрических объектов и графиков результатов. Высокая скорость

достигается за счет сохранения геометрии как некоторого “готового” объ-

екта в памяти машины, а не построением ее всякий раз заново. Средства

визуализации этого модуля пригодны для изображения элементов сетки и

областей равных значений напряжений как при использовании p-

элементов (p-порядок полинома аппроксимирующей функции), так и h-

элементов (h-длина стороны конечного элемента).

Возможности модуля PowerGraphics позволяют быстро выдавать

изображения: изоповерхностей (т.е. поверхностей равного значения какой-

либо величины); графических объектов, разделенных на составные части, в

виде одной сборки или совокупности так называемых Q-разрезов (в виде

тонких “ломтиков”); Q-разрезов с топологическими деталями. Графиче-

ские средства программы ANSYS включают следующее:

• отображение граничных условий на твердотельных и конечно-

элементных моделях;

• представление результатов цветными областями равных значений;

• графики зависимостей полученных результатов от времени или от

некоторого расстояния в пределах расчетной модели;

• преобразование изображений общего характера (смена направления

взгляда, распахивание окна до максимального размера, укрупнение

плана, вращение);

• растягивание твердотельных примитивов;

• многооконный режим работы;

• показ невидимых линий, сечений и перспективных изображений;

• программное средство для Z-буферирования (плавное затенение и

быстрая “отрисовка” объекта);

• изображение теней на объекте от источника света;

• повышение ясности изображения (удаление внутренних линий, раз-

деление смежных линий элемента и выбор независимого масштаба

изображения по вертикали и горизонтали);

• создание композиции из нескольких объектов (например, дополне-

ние твердотельной модели);

• наличие палитры до 256 цветов;

• трехмерная визуализация, включающая изображение градиентов,

изоповерхностей, траекторий частиц потока и разрезов объемов;

20

• аппроксимация графиков X-Y с помощью широкого набора кривых,

их двумерное и объемное представление; выбор цветовой гаммы

графиков, фона и линий сетки, выбор толщин линий;

• графическое отображение длительности процедур построения сетки,

подготовки листинга и процесса решения задачи;

• средства дополнения графических изображений текстом, размерны-

ми линиями, фигурами, символами, круговыми диаграммами и т.п.;

• средства анимации для отображения изменений деформированной

формы, результатов счета в зависимости от времени, “оживления”

Q-разрезов и изоповерхностей;

• цветовая индикация большинства графических объектов (элементов

сетки, линий, областей, объемов, граничных условий, окраски экра-

на, контурных линий и индексов) в зависимости от их ранга или ти-

па;

• полупрозрачные изображения для элементов, твердотельных объек-

тов, составных частей группы объектов и изоповерхностей;

• показ истинной формы и поперечного сечения трубопроводов, пат-

рубков, балок и магнитов;

• показ отдельных слоев композитных материалов и их пространст-

венной ориентации;

• разделение окон по цвету фона;

• сохранение в файле спецификаций вывода на экран для повторного

обращения к ним;

• средства получения твердых копий графики, включая системы

Postscript, HPGL, TIFF и др.

21

2. Прочностной, гидродинамический  и смешан-

ный анализ в ANSYS

Пакет ANSYS состоит из множества модулей, каждый из которых

позволяет решать узкоспециализированные задачи, в том числе гидроди-

намические, прочностные, термические, магнитные и др. В последних вер-

сиях пакета поддерживается решение смешанных задач, что значительно

расширяет возможности пользователя.

В этом пособии мы подробно рассмотрим три модуля пакета: ANSYS

FLOTRAN, ANSYS Structural U и ANSYS Multiphysics, которые позволяют

решать гидродинамические, прочностные и смешанные задачи соответст-

венно. Отметим, что ANSYS Multiphysics является наиболее “полным” мо-

дулем пакета, содержащим практически все возможные компоненты. С од-

ной стороны, он может служить универсальным инструментом для реше-

ния поставленных нами задач, с другой . его использование для более про-

стых задач может стать довольно трудоемким и запутанным. В связи с

этим дадим краткую характеристику каждого из перечисленных модулей.

ANSYS FLOTRAN предназначен для моделирования двух и трех-

мерных потоков (ламинарных, турбулентных) жидкости, обладающих раз-

личными свойствами (сжимаемая, несжимаемая, ньютоновская, неньюто-

новская). В качестве элементов для моделирования течения жидкости (или

газа) используются FLUID141 (для двумерных течений) и FLUID142 (для

трехмерных течений) элементы. В уравнениях используются переменные

Эйлера, а не Лагранжа, как в прочностном анализе. Стоит отметить, что в

CFD FLOTRAN исследуется не  поведение конкретного объема  жидкости

или газа, а поведение той области пространства, в которой жидкость или

газ находятся или через которую протекают.

Некоторые отличия модуля FLOTRAN от остальных модулей ANSYS:

• невозможно одновременно использовать элементы FLOTRAN

и другие типы элементов;

• команда /CLEAR (очистить) не стирает существующий файл

результатов .rfl;

• модуль FLOTRAN не поддерживает автоматическое изменение

шага по времени.

Для решения только гидродинамических задач достаточно создать

геометрическую модель, состоящую целиком из FLOTRAN-элементов, за-