Расчёт с помощью программы ANSYS 3

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО
ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра «МЕХАНИКА»
РАСЧЁТ С ПОМОЩЬЮ ПРОГРАММЫ ANSYS
3-х МЕРНОЙ УПРУГОЙ ЗАДАЧИ
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №7 ПО КУРСУ
«ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ РАСЧЁТА В ИНЖЕНЕРНЫХ ЗАДАЧАХ»
Самара 2014г.
Составитель В.Г.Фокин
УДК 531
Расчёт с помощью программы ANSYS 3-х мерной упругой задачи. Лабораторная
работа №7 по курсу «Численные методы расчёта в инженерных задачах» / Самар. гос.
техн. ун – т; Сост. В.Г.Фокин, Самара, 2014. 8 с.
В лабораторной работе моделируется 3-х мерное напряжённое состояние объёмной детали в среде ANSYS.Даны 30 вариантов заданий. Приведен пример выполнения работы в интерактивном режиме. Работа предназначена для студентов, изучающих курс «Численные методы расчёта»
Ил.1.Табл. 1. Библиогр: 2 назв.
2
ВВЕДЕНИЕ
Цель лабораторной работы – дать навыки моделирования с помощью профессионального пакета программ ANSYS.задачи деформирования сложного
объёмного тела, имеющего сложное пространственное напряжённое состояние.
Метод конечных элементов – самый эффективный и универсальный метод
решения пространственных задач, когда напряженное состояние характеризуется всеми 6-ю компонентами: x, y, z, xy, xz, yz,. Тело в этом случае разбивается на объёмные конечные элементы. Форма их может быть различной, но чаще всего применяются тетраэдры, призмы и шестигранники. В данной работе
используется изопараметрический шестигранный конечный элемент с 8-ю узлами [2], в ANSYS это элемент SOLID45. Каждый узел имеет 3 степени свободы – 3 узловых линейных перемещения по направлению 3-х осей глобальной
декартовой ортогональной системы координат.
1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Исследуется напряжённое состояние объёмной детали, конструкция которой
показана на Рис.1. Размеры детали, нагрузки, закрепления и свойства материала
для разных вариантов заданий приведены в таблице 1. Коэффициент Пуассона
во всех вариантах заданий следует принимать 0.3.
Y
d
b
c
a
h
Z
X
Q
Рис.1
1
Требуется
1. Определить перемещения детали и найти наибольшее смещение.
2. Определить реакции.
3. Определить напряжённо – деформированное состояние детали.
4. Найти на поверхности детали опасную точку с наибольшей интенсивностью
напряжений.
5. Определить в опасной точке главные напряжения и их направления .
2. УКАЗАНИЯ К ПРОЦЕДУРЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ В ANSYS
Поставленная задача решается на ЭВМ с помощью программы ANSYS. Вычисления проводятся в интерактивном режиме, для чего используется графический интерфейс пользователя (GUI). В приложении 1. дан пример решения задачи.
Ниже при указании команд ANSYS в GUI используются следующие сокращения: M.M. – главное меню, U.M. – меню утилит, Tb.- линейка инструментов,
Pr. - препроцессор, Sl. – процессор-решатель, GP. – главный постпроцессор.
Порядок решения задачи:
Запуск программы ANSYS.
В оболочке Windows программа ANSYS запускается или с помощью соответствующего ярлыка на рабочем столе, или командами Пуск > Программы >
ANSUS > ANSYS Product Launcher.В появившейся панели нужно в окне Working Directory указать путь к рабочей папке, а в окне Job Name указать имя задачи.
Присвоение задаче нового имени.
U.M.>Change Jobnaim>[/FILNAM] = …..
(По умолчанию задача будет иметь имя, установленное в панели ANSYS Product Launcher).
Настройка программы в главном меню
M.M.> Preferens > Выбирается тип анализа – Structural.
Работа в препроцессоре.
Выбирается тип конечного элемента (рекомендуется элемент SOLID45).
Задаются свойства материала.
Строится 3-х мерное тело – заданная деталь.
Производится разбивка тела на конечные элементы.
Работа в процессоре-решателе.
Задаются граничные условия - силы и закрепления.
Производится установка типа задачи - статический расчёт.
Задача запускается на решение командой Сurrent LS.
Работа в постпроцессоре.
Выводится на экран дисплея деформированная под нагрузкой деталь и находится наибольшее перемещение.
2
Выводится на экран дисплея картина линий равного уровня интенсивности напряжений на поверхности детали. Определяется опасная точка на поверхности
детали и значение эквивалентного напряжения в этой точке.
Выводится на экран дисплея векторное поле главных напряжений детали и находится направление главных площадок в опасной точке.
Выводятся на экран дисплея картины линий равного уровня главных напряжений на поверхности детали и определяются значения этих напряжений в опасной точке.
3. ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЁТА.
Отчёт должен включать следующие пункты.
1. Постановка задачи.
1.1. Силовая схема (конструкция, закрепления, силы).
1.2. Исходные данные (величины сил, свойства материала).
1.3. Что требуется найти.
2. Короткое описание процедуры моделирования в ANSYS.
3. Результаты решения задачи.
3.1. Схема деформированной детали с указанием наибольшего смещения.
3.2. В опасной точке на поверхности требуется нарисовать кубик, ориентированный по главным направлениям, показать направления главных
напряжений и указать величины главных напряжений.
4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
.
1. Какие напряжения и деформации имеют в общем случае объёмные тела..
2. Какие конечные элементы используется для моделирования объёмных
тел.
3. Степени свободы узлов объёмных элементов..
4. Узловые силы объёмных элементов.
5. Основные операции (команды) моделирования в препроцессоре.
6. Основные операции моделирования в процессоре-решателе.
7. Основные операции моделирования в постпроцессоре.
8. Что такое «эквивалентные напряжения».
9. Как определяется опасная точка нагруженной детали..
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1..А.Б. Каплун, Е.М. Морозов, М.А. Олферьева. ANSYS в руках инженера.
Практическое руководство.- М.: Едиториал УРСС, 2003.-272 с.
2. Я.М. Клебанов, В.Г. Фокин, А.Н. Давыдов. Современные методы компьютерного моделирования процессов деформирования конструкций: Учеб. Пособие. / Самар. Гос. Техн. Ун-т, Самара, 2008.-100 с.
3
Приложение 1.
ПРИМЕР МОДЕЛИРОВАНИЕ В ANSYS.
Исходные данные
Геометрические параметры: a =30 мм, b=30 мм, c =30 мм, d =10 мм, h =10 мм
Распределённая нагрузка Q =10 Мпа приложена к нижней грани y= -10мм.
Закрепления: защемлена вся левая грань x = 0.
Свойства материала: модуль упругости Е = 2е5 МПа, коэффициент Пуассона
 = 0.3.
Моделирование в ANSYS.
Рабочая папка C:\ Ans _Work.
Присваивается новое имя задаче
U.M.> File > Change Jobnaim > [/FILNAM] = Ugolok > Newlog = Y >ok.
Выбирается тип анализа
M.M.>Preference >[KEYW][/PMETH] =Structural > ok
Работа в препроцессоре
Выбирается тип элемента – “кирпич” Brick 8node 45 ( solid 45 )
M.M.> Pr. > Element Type > Add/Edit/ > Add > Solid > Brick 8node 45 > ok > закрыть окно Elem. Type > close.
Задается тип материала и его свойства.
M.M.> Pr. >Material Props > Materials Models > Structural (2 click ) >Linear (2
click ) > Elastic (2 click) > Isotopic (2 click ) > EX=2e5 ( модуль упругости),>
PRXY = 0.3 (коэф. Пуассона) >ok.> Закрыть окно Define Mat…>Material > Exit.
Сохраняется модель в файле Ugolok.db в рабочей папке C:\ Ans _Work.
TB.> SAVE_DB.
Построение твердотельной геометрической модели.
Строится объем 1- горизонтальная плита.
M.M.> Pr. > Modeling > Create > Volumes > Block > ByDimens. >
X1= 0, X2 = 30; Y1 = -10, Y2 = 0; Z1 =-10, Z2 = 30 >Apply.
Строится 2-ой объем - вертикальная плита.
X1= 0, X2 = 30; Y1 = -10, Y2 = 30; Z1=0, Z2 = -10 > ok.
Показывается вся модель в изометрии.
U.M.> Plot > Volumes.
U.M.>Plotctrls>Pan, Zoom>Iso (оставляем панель Pan, Zoom открытой).
Наложение 2-х созданных объемов и образование 3-его объема.
M.M.> Pr.>Modeling > Operate > Overlap >Volumes > Pick 1-ый объем, Pick 2-ой
объем > на панели Overlap > ok.
Сохраняется модель в файле Ugolok.db.
T.B.> SAVE_DB.
Разбивка тела на конечные элементы и создание конечноэлементной модели
Объемы 1, 2, 3, разбиваются на регулярные конечные элементы.
M.M.> Pr. > Meshing > Size Cntrl > Lines > All Lines > SIZE = 5 > ok.
4
M.M.> Pr. > Meshing > Mesh > Volumes > Maped > 4 to 6 sided >
Pick объем 1, Pick объем 2, Pick объем 3 > ok.
Слияние 3-х разбитых на КЭ объемов.
M.M.> Pr.> Nambering Ctrls > Merge Items > Label = All > ok
Перенумерация объектов.
M.M.> Pr. > Numbering Ctrls > Compress Number > Label = All >ok.
Сохранение модели.
Tb. > SAVE_DB.
Работа в процессоре-решателе
Закрепление детали на левой грани.
С помощью панели Pan, Zoom поворачиваем модель: устанавливаем флаг V
Dynamic Mode, нажимаем правую кнопку мыши и вращаем модель, пока не откроется левая грань, отпускаем правую кнопку.
M.M.> Sl. > Loads > Apply > Displacement > On Areas >
Pick всю левую грань детали > на панели Apply… >ok > Lab2 = All DOF > ok.
Возвращаем вид модели в изометрии: на панели Pan, Zoom снимаем флаг V Dynamic Mode и нажимаем кнопку ISO.
Нагружение распределённой силой.
С помощью панели Pan, Zoom поворачиваем модель и открываем нижнюю
грань.
M.M.> Sl. > Loads > Apply > Pressure> On Areas >
Pick всю нижнюю грань > на панели Apply…>ok > Value = -10 > ok.
Возвращаем вид модели в изометрии.
Сохранение модели.
Tb. > SAVE_DB.
Решение задачи.
M.M. > Sl. > Solve > Current LS > закрывается окно /STATUS > file > close
> закрывается окно Solve > ok.
При успешном решении задачи появляется сообщение Solution done.
Закрывается окно Inform > Close.
Сохранение модели.
Tb. > SAVE_DB.
Просмотр результатов в постпроцессоре
Анализ перемещений.
M.M.> GP.> Plot Results > Deform Shape > KUND = Def + undef > ok
Наибольшее перемещение UY = 0.04 мм установлено в узле с
координатами 30,-10,30.
Анализ реакций.
M.M.> GP.> List Results > Reaction Solu > Lab = All item > ok.
По таблице анализируются реакции.
Анализ интенсивности напряжений и определение опасной точки.
M.M > GP.> Plot Results > Contour plot > Nodal. Solu. > Stress > Intensity >ok.
Находится опасная зона с максимальной интенсивностью напряжений.
5
M.M > GP.> Query Results > Subgrid Solu > Stress > Intensity > ok > pick узлы в
опасной зоне > на панели Query Subgrid > ok.
Опасная точка находится в узле с координатами 5,0,30. Интенсивность
напряжений в ней равна 143 Мпа.
Анализ главных напряжений в векторном представлении.
M.M > GP.> Plot Results > Vector Plot > Predifine > Item = Stress > Principal > ok.
Находится направление главных напряжений в опасной точке.
Анализ главных напряжений по картине линий равного уровня.
M.M > GP.> Plot Results > Contour plot > Nodal.Solu. > Stress > 1st prinsipal.. >ok.
Анализ главных напряжений в опасной точке.
M.M > GP.> Query Results > Subgrid Solu > Stress > 1st prinsipal > ok > pick
опасный узел > на панели Query Subgrid > ok..Находится S1 = 125.5 Мпа.
M.M > GP.> Query Results > Subgrid Solu > Stress > 2nd prinsipal > ok > pick
опасный узел > на панели Query Subgrid > ok.Находится S2 = - 1.9 Мпа.
M.M > GP.> Query Results > Subgrid Solu > Stress > 3rd prinsipal > ok > pick
опасный узел > на панели Query Subgrid > ok..Находится S3 = - 17.5 Мпа.
Таблица 1.
№
a
b
вар
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
c
d
h
Модуль
упругости Е
МПа
Защемление
плоскости
мм
Давление на
плоскость
мм
Величина
давления Q
МПа
10
5
10
8
10
10
15
8
10
10
15
12
14
8
16
9
15
5
11
15
20
5
5
10
20
15
15
8
15
8
15
12
12
10
12
12
16
6
14
16
2.0е5
1.0е5
1.5е5
1.1е5
1.3е5
2.1е5
2.2е5
1.5е5
1.7е5
1.8е5
1.9е5
1.3е5
1.0е5
0.8е5
0.9е5
0.7е5
1.2е5
1.7е5
1.8е5
2.1е5
X=0
X=b
Y=c
Z=a
X=b
X=0
X=b
Y=c
Z=a
Y=c
X=0
X=b
Y=c
Z=a
Y=c
Z=a
X=0
X=b
Y=c
X=0
Y=0
Y=-h
Y=0
Y=0
Y=0
Z=0
Z=-d
Y=-h
Z=-d
X=b
Y=0
Z=0
Z=a
Z=0
Y=-h
Y=c
Z=0
Z=-d
X=b
Y=0
10
5
8
12
-20
-15
16
-7
12
9
-19
14
13
12
-10
11
-6
12
16
20
мм
20
25
30
35
40
35
30
25
30
20
40
25
32
28
42
35
42
25
29
32
30
25
20
25
30
30
25
25
45
30
35
30
28
32
36
32
28
28
32
40
40
25
25
30
25
40
35
25
35
20
30
35
35
25
40
28
30
25
38
45
6
Расчёт с помощью программы ANSYS 3-х мерной упругой задачи
.Лабораторная работа №7 по курсу «Численные методы расчёта в инженерных
задачах»
Составитель Фокин Владимир Григорьевич
Редактор
Технический редактор
Подписано в печать
Формат 60x84 1/16. Бум. типогр. №2.
Печать офсетная.
Усл. П.л. 0,56 Усл. Кр. – отт. 0.56. Уч.- изд. Л. 0.6.
Тираж 50 экз. С –
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Самарский государственный технический университет»
443100 Самара, ул. Молодогвардейская, 244
7