ANSYS в примерах и задачах
..pdf
УДК 681.3 ББК 32.973 Б12
Басов К.А.
Б12 ANSYS в примерах и задачах / Под общ. ред. Д.Г.Красковского. — М: КомпьютерПресс, 2002. — 224 с.: ил.
ISBN 5-89959-092-0
Предлагаемая вниманию читателей книга написана сотрудником Московского Центра Сервисных услуг ANSYS в рамках программы Quick Start (быстрый старт) и является составной частью серии учебных пособий, предлагаемых компаний ЗАО «ЕМТ Р» для работе с программными продуктами, поставляемыми компанией.
Материалы, представленные в книге, созданы на основе курса обучения ANSYS, читавшегося автором на предприятиях авиационной и энергетической промыш ленности.
Книга предназначена для инженеров-конструкторов и инженеров-исследовате- лей, занимающихся проектированием и расчетом машиностроительных конструк ций, а также для студентов машиностроительных специальностей ВУЗов.
Все отзывы, вопросы и предложения по содержанию книги следует направлять по электронной почте: ansys@emt.ru
УДК 681.3 ББК 32.973
ISBN 5-89959-092-0 © Басов К.А., 2002
© ООО «КомпьютерПресс». Оформление, 2002
Содержание
Введение........................................................................................................................ |
7 |
Глава 1. Расчет консольной балки встроенным методом конечных |
|
элементов AutoCAD Mechanical Power Pack...................................... |
п |
Глава 2. Расчет пластины с центральным отверстием встроенным |
|
методом конечных элементов AutoCAD Mechanical Power Pack.... |
19 |
Глава 3. Применение встроенного метода конечных элементов |
|
Autodesk Mechanical Desktop Power Pack на примере расчета |
|
на прочность консольной балки................................................................... |
23 |
Раздел Loads and Supports (приложение нагрузок и закреплений)............. |
24 |
Приложение сосредоточенных усилий............................................................ |
24 |
Приложение распределенных по линии усилий........................................... |
26 |
Приложение давлений....................................................................................... |
27 |
Приложение шарнира в точке......................................................................... |
28 |
Приложение шарнирного закрепления по линии......................................... |
29 |
Приложение шарнирного закрепления по поверхности............................. |
29 |
Приложение плавающей опоры (катка) в точке........................................... |
29 |
Приложение плавающих опор (катков) по линии........................................ |
30 |
Приложение плавающих опор (катков) по поверхности............................. |
30 |
Раздел Material (определение механических характеристик |
|
материала и приложение силы тяжести)................................................ |
31 |
Раздел Run Calculation (создание сетки КЭ) и раздел Refining |
|
(изменение сетки КЭ)...................................................................................... |
31 |
Раздел Results (просмотр решения).................................................................... |
31 |
Расчет объемной консольной балки................................................................... |
34 |
Глава 4. Совместное применение AutoCAD и МКЭ ANSYS |
|
для расчета стержневой рамы....................................................................... |
37 |
Создание геометрической модели средствами AutoCAD............................. |
37 |
Использование геометрической модели для создания расчетной модели |
|
в препроцессоре МКЭ AN SYS........................................................................ |
38 |
Объединение геометрически совпадающих объектов................................... |
40 |
Сжатие нумерации объектов............................................................................ |
41 |
Определение типа применяемого конечного элемента............................... |
42 |
Определение характеристик (в частности, площади |
|
поперечного сечения) конечных элементов............................................. |
43 |
Определение применяемого материала........................................................... |
45 |
Присвоение геометрическим объектам (в данном случае — линиям) типа |
||
КЭ, материала и характеристик................................................................. |
|
45 |
Указание числа создаваемых конечных элементов на линиях, |
|
|
содержащихся в модели.............................................................................. |
|
46 |
Создание сетки К Э ............................................................................................ |
|
47 |
Приложение усилий и нагрузок....................................................................... |
|
48 |
Уменьшение ширины матрицы жесткости конечных элементов............... |
|
50 |
Просмотр геометрической и конечно-элементной моделей....................... |
|
51 |
Выполнение расчета.............................................................................................. |
|
52 |
Просмотр результатов........................................................................................ |
|
52 |
Глава 5. Расчет на прочность консольной б а л к и ....................................... |
|
55 |
Определение типа элемента, характеристик элемента, вида |
|
|
поперечного сечения и материала................................................................ |
|
55 |
Создание геометрической модели средствами A N SYS................................. |
|
57 |
Создание расчетной модели................................................................................. |
|
58 |
Приложение нагрузок и закреплений................................................................. |
|
59 |
Просмотр результатов........................................................................................ |
|
60 |
Глава 6. Создание расчетной модели и расчет на прочность |
|
|
пластины с центральным отверстием (задача К и рш а)............ |
.........63 |
|
Создание геометрической модели средствами AutoCAD............................. |
|
63 |
Передача построенной геометрической модели в препроцессор |
|
|
МКЭ A N SYS....................................................................................................... |
|
64 |
Окончательные работы по формированию геометрической модели, |
|
|
проводимые средствами МКЭ AN SYS................................................. |
|
65 |
Определение типа элемента, характеристик элемента и материала.. |
66 |
|
Создание сетки конечных элементов................................................................ |
|
67 |
Приложение нагрузок и закреплений................................................................. |
|
69 |
Просмотр и анализ результатов....................................................................... |
|
71 |
Повторный расчет при помощи элементов II порядка................................ |
|
72 |
Глава 7. Создание расчетных моделей и расчет на прочность тел |
|
|
вращ ения................................................................................................................. |
|
73 |
Определение типа элемента, характеристик элемента и материала |
74 |
|
Приложение нагрузок и закреплений к модели............................................... |
|
75 |
Выполнение расчета, просмотр и анализ результатов................................ |
|
76 |
Глава 8. Создание расчетной модели и расчет на прочность |
|
|
балок и оболочек (на примере водонапорной выш ки) |
|
79 |
Создание геометрической модели средствами AutoCAD............................. |
|
79 |
Определение типа элемента, характеристик элемента и материала .. |
81 |
|
Создание сетки конечных элементов на поверхностях и линиях.............. |
85 |
Приложение нагрузок и закреплений к модели............................................... |
87 |
Глава 9. Создание расчетной модели и расчет на прочность |
|
цилиндрического зубчатого колеса........................................................ |
91 |
Создание геометрической модели цилиндрического прямозубого зубчатого |
|
колеса средствами AutoCAD.......................................................................... |
91 |
Создание геометрической модели цилиндрического косозубого зубчатого |
|
колеса средствами Autodesk Mechanical Desktop...................................... |
95 |
Создание расчетной модели цилиндрического зубчатого колеса |
|
средствами ANSYS.......................................................................................... |
101 |
Глава 10. Создание расчетной модели и расчет на прочность |
|
корпусной детали...................................................................................... |
115 |
Создание геометрической модели корпусной детали средствами |
|
AutoCAD.............................................................................................................. |
115 |
Создание геометрической модели корпусной детали средствами |
|
Autodesk Mechanical Desktop |
120 |
Создание расчетной модели корпусной детали средствами ANSYS..... |
126 |
Глава 11. Контактная задача теории упругости |
131 |
Контакт двух тел сферической формы (задача Герца)............................. |
131 |
Построение геометрической модели средствами МКЭ ANSYS............... |
132 |
Контакт двух тел цилиндрической формы, имеющих |
|
перекрещивающиеся оси |
152 |
Глава 12. Создание расчетной модели и расчет на прочность |
|
лопатки........................................................................................................ |
157 |
Построение геометрической модели лопатки............................................... |
157 |
Построение расчетной модели лопатки |
163 |
Глава 13. Создание расчетной модели и расчет на прочность |
|
диска лопаточной машины |
167 |
Создание модели диска средствами Autodesk Mechanical Desktop........... |
167 |
Создание расчетной модели диска препроцессора МКЭ AN SYS.............. |
170 |
Глава 14. Создание расчетных моделей и расчет оболочек |
|
сложной формы......................................................................................... |
175 |
Создание твердотельной модели средствами AutoCAD............................. |
175 |
Подготовка расчетной модели средствами препроцессора |
|
МКЭ ANSYS |
176 |
Глава 15. Колебания упругих тел..................................................................... |
181 |
Создание геометрической модели средствами препроцессора МКЭ |
|
ANSY S ................................................................................................................ |
181 |
Расчет форм и частот собственных колебаний ненагруженной |
|
консольной балки |
185 |
Расчет форм и частот собственных колебаний предварительно |
|
нагруженной консольной балки.................................................................... |
192 |
Глава 16. Устойчивость упругих тел .............................................................. |
197 |
Устойчивость балки............................................................................................. |
197 |
Устойчивость тонкостенной оболочки.......................................................... |
206 |
Глава 17. Создание регулярных сеток конечных элементов.............. |
211 |
Регулярные сетки для плоски х расчетных моделей.................................... |
211 |
Регулярные сетки для объемных расчетных моделей.................................. |
214 |
Глава 18. Сравнение способов передачи моделей |
|
(IGES, STEP и т .п .)........................................................................................ |
217 |
Импорт модели в формате IGES и дальнейшая подготовка |
|
расчетной модели........................................................................................... |
217 |
Заключение............................................................................................................ |
221 |
Литература............................................................................................................. |
222 |
Введение
Метод конечных элементов (МКЭ) является мощным и надежным средством исследования поведения конструкций в условиях разнообразных воздействий.
В настоящее время на рынке программного обеспечения имеется большое количество комплексов МКЭ, в том числе ANSYS, NASTRAN, ABAQUS, COSMOS
идр. Традиционно эти продукты относятся к категории CAE (Computer Aided Engineering) программного обеспечения, применяемого при проектировании машиностроительных, строительных и других конструкций. Эта категория про граммного обеспечения занимает прочное место в списке CAD/CAM/CAE/GIS/ PDM, продуктами из которого в том или ином виде пользуется большинство инженеров во всем мире.
Метод конечных элементов ANSYS широко известен и пользуется популяр ностью среди инженеров-исследователей, занимающихся вопросами динамики
ипрочности. Средства МКЭ ANSYS позволяют проводить расчеты статического
идинамического напряженно-деформированного состояния конструкций (в том числе геометрически и физически нелинейных задач механики деформируемого твердого тела), форм и частот колебаний, анализа устойчивости конструкций, нелинейных переходных процессов и др.
Препроцессор МКЭ позволяет как импортировать, так и создавать заново достаточно сложные геометрические модели для дальнейших расчетов.
Бурное развитие средств компьютерного проектирования и расчета конст рукций породило возможность передачи информации, созданной в одной CAD- САМ-системе, в другие аналогичные системы. В результате объекты, созданные, например, средствами CAD, могут в дальнейшем использоваться при подготовке производства (то есть использоваться средствами из группы САМ), при расчете на прочность и на иные свойства (то есть использоваться средствами из группы САЕ) или учитываться при ведении корпоративного проекта (то есть обрабаты ваться продуктами из группы PDM).
Во многих случаях логически взаимосвязанное применение средств CAD и САЕ приводит к существенному ускорению подготовки расчетных моделей для исследования прочностных, динамических и иных рассчитываемых свойств и характеристик проектируемой конструкции. Практический опыт, накопленный автором, показывает, что технологическая цепочка — подготовка средствами CAD геометрической модели для последующего расчета при помощи МКЭ — умень шает время создания модели минимум в 3 раза.
Одними из наиболее распространенных и освоенных специалистами ком плексов CAD являются AutoCAD и созданный на его основе Autodesk Mechanical Desktop, средство для трехмерного моделирования деталей, поверхностей, сбо рок. Эти продукты имеют понятный и доступный интерфейс, а также обладают большими возможностями для моделирования как в двухмерном, так и в трех мерном пространствах. Дополнительным удобством является наличие литерату ры об этих комплексах на русском языке.
кнопка Apply позволяет выполнить текущую команду для уже выбран ных объектов и продолжить ее выполнение снова;
кнопка Cancel позволяет выйти из выполнения команды без соверше ния каких-либо действий;
кнопка Help вызывает справку по данной команде.
В дальнейшем пользователь будет регулярно встречаться с панелями подоб ного типа при работе с МКЭ ANSYS.
Фактически структура данной книги позволяет классифицировать ее как «прак тикум по решению задач динамики и прочности при помощи МКЭ», поскольку каждая ее глава посвящена разбору конкретной задачи.
Большинство примеров конструкций, рассмотренных в данной книге, осно ваны на инженерной практике автора или применялись им своей учебной и педагогической практике при преподавании применения модулей ANSYS и смеж ных вопросов, освещенных в книге, в частности, на предприятиях авиационной и энергетической промышленности.
Предполагается, что читатель книги имеет навыки работы в системах AutoCAD и Autodesk Mechanical Desktop. В противном случае рекомендуется предвари тельно ознакомиться с какой-либо литературой по данному вопросу.
Автор выражает глубокую признательность своим коллегам Л.А. Магеррамовой, Д.А. Протопоповой, В.В. Голованову, В.В. Жестовскому, Д.И. Николаеву, Ю.А. Ножницкому, В.К. Куевде и другим за помощь при написании этой книги.
Особую благодарность автор выражает компании ЗАО ЕМТ Р за помощь в получении временных лицензионно чистых копий программ ANSYS и Autodesk Mechanical Desktop.
В дополнение к сотрудничеству с Московским Центром Сервисных услуг ANSYS компании ЕМТ автор является координатором группы преподавателей и экспертов этого Центра.
Все отзывы, замечания и предложения по структуре, составу и изложению материала в данной книге автор просит направлять по электронной почте ansys@emt.ru.