Техноцентр компьютерного инжиниринга

О. М. Огородникова КОНСТРУКЦИОННЫЙ АНАЛИЗ В СРЕДЕ ANSYS Министерство образования и науки Российской Федерации ГОУ ВПО ...

Author: Огородникова О.М

153 downloads 172 Views 1MB Size Report

This content was uploaded by our users and we assume good faith they have the permission to share this book. If you own the copyright to this book and it is wrongfully on our website, we offer a simple DMCA procedure to remove your content from our site. Start by pressing the button below!
Report copyright / DMCA form

DOWNLOAD PDF

О. М. Огородникова КОНСТРУКЦИОННЫЙ АНАЛИЗ В СРЕДЕ ANSYS

Министерство образования и науки Российской Федерации ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ»

О. М. Огородникова КОНСТРУКЦИОННЫЙ АНАЛИЗ В СРЕДЕ ANSYS Учебное пособие Научный редактор – канд. техн. наук, доц. И. Н. Тихонов

Екатеринбург 2004 Екатеринбург · УГТУ-УПИ · (343) 375 94 03 [email protected] · http://cae.ustu.ru © О.М.Огородникова

· · · Техноцентр компьютерного инжиниринга

1 · · ·

2008

УДК 004.4:621.01 ББК 32.973.26-012.2+34.42 О-39 Рецензенты: кафедра «Мультимедиа технологии» Института образовательных информационных технологий (зав. кафедрой д-р. физ.-матем. наук, профессор, членкорреспондент РАЕН А. Н. Красовский); технический директор компании «Делкам-Урал» канд. техн. наук, доц. В. Н. Власов Автор: О. М. Огородникова О-39 КОНСТРУКЦИОННЫЙ АНАЛИЗ В СРЕДЕ ANSYS: Учебное пособие / О.М.Огородникова. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2004. 68 с. ISBN 5-321-00533-8 Учебное пособие предназначено для студентов механико-машиностроительного факультета. Основная цель работы – дать общее представление о возможностях компьютерных систем инженерного анализа конструкций в области прочностных расчетов. Дана краткая характеристика программного обеспечения для конструкторских расчетов, описаны алгоритмы и программы решения конкретных задач на языке APDL. Приведенные примеры являются основой для выполнения лабораторных и домашних заданий. Подготовлено кафедрой "Электронное машиностроение и автоматизация технологических процессов". ANSYS® is a registered trademark of SAS IP, Inc. УДК 004.4:621.01 ББК 32.973.26-012.2+34.42 © ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ», 2004 © О. М. Огородникова, 2004

ISBN 5-321-00533-8

Екатеринбург · УГТУ-УПИ · (343) 375 94 03 [email protected] · http://cae.ustu.ru © О.М.Огородникова


2 · · ·

2008

СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................................... 4 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОГРАММЕ ANSYS ................ОШИБКА! ЗАКЛАДКА НЕ ОПРЕДЕЛЕНА. 1.1. Модульная структура и расчетные возможности Ошибка! Закладка не определена. 1.1.1. Препроцессор .....................................................Ошибка! Закладка не определена. 1.1.2. Процессор ...........................................................Ошибка! Закладка не определена. 1.1.3. Постпроцессор....................................................Ошибка! Закладка не определена. 1.1.4. Графические возможности................................Ошибка! Закладка не определена. 1.2. Интерфейсы и практика компьютерного анализа.................... Ошибка! Закладка не определена. 1.2.1. Открытость .........................................................Ошибка! Закладка не определена. 1.2.2. Интерактивный и пакетный режимы работы ..Ошибка! Закладка не определена. 1.2.3. Связь ANSYS с другими CAЕ-системами .......Ошибка! Закладка не определена. 1.2.4. Файлы и команды...............................................Ошибка! Закладка не определена. 1.2.5. Последовательность решения задач.................Ошибка! Закладка не определена. 2. ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ ЗАДАЧ В САЕ-СИСТЕМЕ ANSYS 8.................................................................................................................. 6 2.1. Статический анализ напряженного состояния.............................................................6 2.2. Оптимизация конструкций.............................................................................................25 2.3. Тепловые напряжения в сборке .....................................................................................39



3 · · ·

2008

ВВЕДЕНИЕ Многие задачи, с которыми приходится в настоящее время сталкиваться исследователям и инженерам, не поддаются аналитическому решению либо требуют огромных затрат на экспериментальную реализацию. Зачастую единственной возможностью экспрессного анализа инженерной проблемы является компьютерное моделирование. Прогресс в разработке численных методов позволил существенно расширить круг задач, доступных анализу. Полученные на основе этих методов результаты используются практически во всех областях науки и техники. В анализе конструкций находит свое наиболее важное применение метод конечных элементов. Причем в конструкционном анализе под конструкциями понимаются мосты, здания, корпуса морских судов, узлы самолетов, детали машин, поршни, инструменты – словом, любые инженерные конструкции. Первичными переменными, которые вычисляются в ходе конструкционного анализа, являются перемещения. В дальнейшем, исходя из вычисленных перемещений в узлах сетки, определяются и другие важные параметры – такие как напряжения, упругая или пластическая деформация и пр. В данной работе основные положения компьютерного инженерного анализа конструкций рассмотрены в примерах, решенных с помощью программы ANSYS (версии 8), которая относится к классу "тяжелых" систем и имеет расширенные вычислительные возможности. Программа ANSYS представляет собой компьютерную систему для проектирования и выполнения связанного междисциплинарного анализа методом конечных элементов. Она используется на этапе проектирования, чтобы выяснить, как выполняемая проектная разработка (например, блок цилиндров автомобильного двигателя или зажимное приспособление фрезерного станка) будет вести себя в эксплуатационном режиме нагружения. Также программу ANSYS можно использовать для оптимизации геометрии, описанной в параметрическом виде. Программа ANSYS работает в среде всех популярных операционных систем (WindowsХХ, UNIX) и на всех распространенных компьютерных платформах: от PC до суперкомпьютеров. Особенностью программы является файловая совместимость продуктов семейства ANSYS для всех используемых платформ. Многоцелевая направленность программы (т. е. реализация в ней средств для расчета отклика системы на воздействия различной физической природы) позволяет использовать одну и ту же сеточную модель для решения таких междисциплинарных задач, как прочность при тепловом нагружении, взаимодействие потока с конструкцией и др. Модель, созданная на PC, может использоваться на суперкомпьютере и рабочей станции. Это обеспечивает всем пользоЕкатеринбург · УГТУ-УПИ · (343) 375 94 03 [email protected] · http://cae.ustu.ru © О.М.Огородникова


4 · · ·

2008

вателям программы удобные возможности для решения широкого круга инженерных задач. Программа предлагает широкий перечень расчетных средств, которые учитывают разнообразные конструктивные нелинейности; дают возможность решить самый общий случай контактной задачи для поверхностей; допускают наличие больших деформаций и углов поворота; позволяют выполнить оптимизацию и анализ влияния электромагнитных полей, получить решение задач гидрогазодинамики и многое другое - включая параметрическое моделирование, адаптивную перестройку сетки. ANSYS имеет средства связи со всеми CAD-системами с помощью импорта файлов в собственных форматах CAD, в стандартных и универсальных графических форматах. Имеются также версии ANSYS, интегрированные со всеми основными CAD-системами (включая Pro-Engineer, CADDS, Unigraphics, AutoCAD и др.), где расчетная технология ANSYS применяется для анализа и оптимизации проектных разработок.



5 · · ·

2008

2. ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ ЗАДАЧ В САЕ-СИСТЕМЕ ANSYS 8 2.1. Статический анализ напряженного состояния Цель работы Для выполнения работы используется программа ANSYS. Следует освоить создание параметрической модели конструкции, в препроцессоре задать свойства материалов, сгенерировать сетку; в процессоре задать нагрузки и произвести вычисления; в постпроцессоре просмотреть и проанализировать результаты расчетов. Изучаемые функции: • параметрическое описание геометрической модели; • задание нового параметра формулой, связывающей ранее заданные параметры; • построение геометрической модели средствами препроцессора от точек к объему; • вытягивание плоской сетки в сечении вдоль заданной линии для получения объемной сетки; • выбор узлов, связанных с выбранной поверхностью, по допуску, заданному параметрически; • пошаговое нагружение с раздельной записью расчетных результатов по шагам; • просмотр в главном постпроцессоре распределения напряжений по сечению; • управление графическим представлением расчетных результатов в постпроцессоре; • вращение, перемещение и масштабирование изображения с помощью панели, вызываемой из меню утелит. Описание конструкции и нагружения К концу стального ключа прикладывается сила 50 Н, а затем, здесь же, но в другом направлении добавляется сила величиной 10 Н. Определить напряжения, возникающие в ключе под действием обеих сил. Свойства материала Сталь: Е=207 Г Па, μ=0,28. Основные обозначения написать открыть список и выбрать Екатеринбург · УГТУ-УПИ · (343) 375 94 03 [email protected] · http://cae.ustu.ru © О.М.Огородникова


6 · · ·

2008

поставить галочку Команда /filename, stress

/units,si

Описание команды Дать название проекту, данное название будут иметь различные файлы, создаваемые программой в процессе анализа; stress – название Использовать международную систему единиц

*afun,deg

Задать измерение углов в градусах

*SET,exx, 2.07e11

Ввести параметр и его значение; exx – название параметра; 2.07e11 – величина параметра

*SET, w_hex,.01

Ввести параметр и его значение; w_hex – название параметра; .01 – величина параметра Ввести параметр и его значение; w_flat – название параметра; w_hex*tan(30) – величина параметра Ввести параметр и его значение;

*SET,w_flat, w_hex *tan(30)

*SET, l_shank,.075

Путь выполнения команды Utility Menu> File> Change Jobname> [ Stress> New log and error file> Yes > OK] Эта команда не может быть выполнена с помощью меню Utility Menu> Parameters> Angular Units [ Degrees> OK] Программа позволяет предварительно ввести скалярные величины, произвести несложные вычисления с введенными величинами и в дальнейшем использовать их буквенное обозначение. Utility Menu> Parameters> Scalar Parameters [Selection> exx=2.07e11> Accept> Selection> w_hex =.01> Accept>

Selection> w_flat = w_hex*tan(30) > Accept>

Selection> = .075 >

l_shank



7 · · ·

2008

l_shank – название па- Accept> раметра; .075 – величина параметра l_ handle *SET, Ввести параметр и его Selection> = .2 > l_handle,.2 значение; Accept> l_ handle – название параметра; .2 – величина параметра bendrad *SET, Ввести параметр и его Selection> = .01 > bendrad,.01 значение; Accept> bendrad – название параметра; .01 – величина параметра l_elem *SET, Ввести параметр и его Selection> = .0075 > l_elem,.0075 значение; l_elem – название паAccept> раметра; .0075 – величина параметра no_d_hex *SET, Ввести параметр и его Selection> =2> no_d_hex,2 значение; no_d_hex – название Accept> параметра; 2 – величина параметра tol = 25e-6 > *SET,tol,25e-6 Ввести параметр и его Selection> Accept> Close] значение; tol – название параметра; 25e-6 – величина параметра /prep7 Начать работу в препроцессоре Main Menu> et,1,solid45 Выбрать из библиотеки Preprocessor> тип элемента; 1 – номер типа элемента; Element Type> solid45 – название Add/Edit/Delete [Add> Strucобъемного элемента в tural> Solid> Brick 8node 45> библиотеке Apply> et,2,plane42 Выбрать из библиотеки Structural> Solid> Quad Екатеринбург · УГТУ-УПИ · (343) 375 94 03 [email protected] · http://cae.ustu.ru © О.М.Огородникова


8 · · ·

2008

mp,ex,1,exx

rpoly,6,w_flat

тип элемента; 2 – номер типа элемента; plane42 – название плоского элемента в библиотеке Задать свойство материала; ex – модуль Юнга; 1 – номер материала; exx – величина модуля Юнга, определена раньше в таблице параметров Создать полигон; 6 – число сторон; w_flat – длина стороны, определена раньше в таблице параметров

4node 42> OK> Close]

Main Menu> Preprocessor> Material Props> Material models> Structural> Linear> Elastic> Isotropic> EX> exx > PRXY> 0.3> OK] Main Menu> Preprocessor> Modeling> Create> Areas> Poligon> By Side Length [Number of sides> 6> Length of each side> w_flat> OK]

1 AREAS NOV 25 20 17:04:

TYPE NUM

Y Z

k,7

X

Задать точку; 7 – номер точки; предыдущие 6 точек заданы при создании шестиугольника; по умолчанию координаты точки 0,0,0

Рис.2.1. Результат построения параметрически заданного полигона

Main Menu> Preprocessor> Modeling> Create> Keypoints> In Active CS [Keypoint number> 7> X,Y,Z Location in active CS> 0,0,0> Apply>



9 · · ·

2008

k,8,,,-l_shank

k,9,, l_handle,l_shank l,4,1

Задать точку; 8 – номер точки; ,,,-l_shank – координаты X=0, Y=0 ,Z точки Задать точку; 9 – номер точки; ,,l_handle,-l_shank – координаты X=0, Y ,Z точки Построить линию по двум точкам; 4 – начальная точка; 1 – конечная точка

l,7,8

Построить линию по двум точкам; 7 – начальная точка; 8 – конечная точка.

l,8,9

Построить линию по двум точкам; 8 – начальная точка; 9 – конечная точка Создать скругление на пересечении двух прямых линий; 8 – номер первой линии; 9 – номер второй линии; bendrad – радиус скругления, параметр задан раньше в таблице

lfillt,8,9, bendrad

/view,,1,1,1

Задать направление просмотра; ,, – по умолчанию команда применяется к окну

Keypoint number> 8> X,Y,Z Location in active CS> 0,0, -l_shank > Apply> Keypoint number> 9> X,Y,Z Location in active CS> 0,l_handle, -l_shank > OK] Main Menu> Preprocessor> Modeling> Create> Lines> Lines> In Active Coord [Выбрать точки мышью или ввести в строке ввода интерактивного окна> 4,1> Enter> Apply> Utility Menu> PlotCtrls> Pan-Zoom-Rotate [+Y] Main Menu> Preprocessor> Modeling> Create> Lines> In Active Coord [Выбрать точки или написать в строке ввода интерактивного окна> 7,8> Enter> Apply> In Active Coord> Выбрать точки или написать в строке ввода интерактивного окна> 8,9> Enter> > OK] Utility Menu> PlotCtrls> Numbering [Line Numbers> ON> OK] Utility Menu> Plot> Lines Main Menu> Preprocessor> Modeling> Create> Lines> Line Fillet [Выбрать линии L8, L9 мышью> OK> Fillet Radius> bendrad> OK] Выполнять необязательно Utility Menu> PlotCtrls> View Settings> Viewing Direction



10 · · ·

2008

/angle,,90,xm

/pnum,line,1

lplot

с номером 1; 1,1,1 – координаты X,Y,Z точки в глобальной системе координат, определяющей вместе с центром координат направление просмотра; секущая плоскость будет перпендикулярна направлению просмотра Задать поворот изображения; ,, – по умолчанию команда применяется к окну с номером 1; 90 – угол поворота; xm – ось поворота x в глобальной системе координат Проконтролировать присвоение номеров и окрашивание объектов при выводе изображения на экран; line – перечисляемыми и окрашиваемыми объектами являются линии; 1 – включить присвоение номеров и окрашивание объектов Построить линии

[XV, YV, ZV Coords of view point> 1,1,1> OK]

Выполнять необязательно Utility Menu> PlotCtrls> View Settings> Angle of Rotation [Angle of degrees> 90> OK]

Выполнять необязательно Utility Menu> PlotCtrls> Numbering [Line numbers> On> OK]

Utility Menu> Plot> Lines



11 · · ·

2008

1 LINES NOV 25 17:08

LINE NUM L10

L8 L9

Рис.2.2. Результат скругления с радиусом дуги, заданным параметрически

L4L5 L3 L7L6

YL2L1X Z

/pnum,line,0

l,1,4

asbl,1,7,,,keep

Проконтролировать присвоение номеров и окрашивание объектов при выводе изображения на экран; line – перечисляемыми и окрашиваемыми объектами являются линии; 0 – выключить присвоение номеров Построить линию по двум точкам; 1 – начальная точка; 4 – конечная точка

Разделить поверхность; 1 – номер поверхности; 7 – номер линии; ,,,keep – сохранить линию

Выполнять необязательно Utility Menu> PlotCtrls> Numbering [Line numbers> Off> Keypoint numbers> On> OK]

Main Menu> Preprocessor> Modeling> Create> Lines> Lines> In Active Coord [Выбрать точки мышью или написать в строке ввода интерактивного окна> 1,4> Enter> OK] Utility Menu> PlotCtrls> Numbering [Line numbers> On> Keypoint numbers> Off> OK] Utility Menu> Plot> Areas Utility Menu> PlotCtrls> Pan-Zoom-Rotate [Увеличить масштаб просмотра] Main Menu> Preprocessor> Modeling> Operate> Booleans>



12 · · ·

2008

cm,botarea, area

lesize, 1,,,no_d_hex



type,2

Сгруппировать геометрические объекты; botarea – название группы; area – тип сгруппированных геометрических объектов - поверхности Задать разбиение линий для генерации сетки; 1 – номер линии; ,,, – делить линии на отрезки; no_d_hex – количество отрезков разбиения, параметр задан ранее Задать разбиение линий для генерации сетки; 2 – номер линии; ,,, – делить линии на отрезки; no_d_hex – количество отрезков разбиения, параметр задан ранее Задать разбиение линий для генерации сетки; 6 – номер линии; ,,, – делить линии на отрезки; no_d_hex – количество отрезков разбиения, параметр задан ранее Выбрать элемент из списка; 2 – номер элемента

Divide> With Options> Area by Line [Выбрать полигон> OK] > написать в строке ввода интерактивного окна> 7> Enter> OK > Subtracted lines will be> Kept> OK] Utility Menu> Select> Comp/Assembly> Create Component [Component name> botarea> Component is made of> areas> OK] Main Menu> Preprocessor> Meshing> Size Cntrls> Manual Size> Lines> Picked Lines [Ввести в строке ввода 1,2,6> Enter> OK> Element Edge length> no_d_hex> OK]

Main Menu> Preprocessor> Modeling> Create> Elements> Elem Attributes



13 · · ·

2008

(плоский)

[Element type number> 2 Plane42> OK] Main Menu> Preprocessor> Meshing> Mesher Opts [Mesher type> Mapped> OK> Shape key> Quad>OK] Main Menu> Preprocessor> Meshing> Mesh> Areas> Mapped> 3 or 4 sided [Pick all] Ansys Toolbar> Save_db

mshape,0,2d

Выбрать форму элемента; 0 – четырехугольник; 2d – плоский

mshkey,1

Задать генерацию сетки по разметке

save

Сохранить информацию в базу данных Сгенерировать узлы и разбить поверхностные объекты на поверхностные элементы; all – генерировать сетку на всех поверхностях Показать на экране Utility Menu> Plot> сетку Elements

amesh,all

eplot 1 ELEMENTS

NOV 25 2 17:13

Рис.2.3. Результат построения плоской сетки в сечении Y

type,1

Z

X

Выбрать элемент из списка; 1 – номер элемента (объемный)

esize,l_elem

Задать число разбие-

Main Menu> Preprocessor> Modeling> Create> Elements> Elem Attributes [Element type number> 1 Solid 45> OK] Main Menu> Preproces-



14 · · ·

2008

vdrag,2,3,,,,,8, 10,9

/type,,hidp

eplot

ний по ребру для генерации объемной сетки; l_elem – длина стороны элемента, параметр задан ранее Сгенерировать объемные элементы вытягиванием плоских элементов вдоль заданной линии; 2,3,,,,, – поверхности для вытягивания; 8,10,9 – номера линий в последовательности, задающей путь вытягивания

Задать способ вывода на экран; ,, – по умолчанию в окне 1; hidp – точное Показать на экране сетку

sor> Meshing> Size Cntrls> Global> Size [Element edge length> l_elem> OK] Utility Menu> PlotCtrls> Numbering [Line numbers> On> OK] Utility Menu> Plot> Lines Utility Menu> PlotCtrls> Pan-Zoom-Rotate [Уменьшить масштаб просмотра] Main Menu> Preprocessor> Modeling> Operate> Extrude> Areas> Along Lines [Pick all> Выбрать мышью последовательно линии 8,10,9> OK] Utility Menu> Plot> Elements

1 ELEMENTS NOV 25 2 17:16

Y

cmsel,,botarea

Z

X

Выбрать группу; ,, – новый выбор; botarea – название

Рис.2.4. Результат генерации объемной сетки

Utility Menu> Select> Comp/Assembly> Select Comp/Assembly > OK>



15 · · ·

2008

aclear,all

asel,all

finish /solu antype,static cmsel,,botarea

lsel,,ext

nsll,,1

d,all,all

lsel,all /pbc,u,,1

группы [Comp/Assemb> botarea>OK] Utility Menu> Select> Удалить узлы и элементы на выбранной поEntities верхности (удалению [ Lines> Exterior> подлежат элементы пло- Apply> ской сетки); Nodes> Attached to> Lines,all> OK] all – удалить сетку для всей поверхности Выбрать группу поUtility Menu> Select> верхностей; Entities all – восстановить [ Lines> Sele all> Cansel] полный набор Закончить работу в препроцессоре Начать работу в процессоре Определить тип анаMain Menu> Solution> лиза; Analysis Type> New analysis static - статический [ Static> OK] Выбрать группу; Utility Menu> Select> ,, - новый выбор; Comp/Assembly> Select botarea - название Comp/Assembly> OK > группы [Comp/Assemb> botarea>OK] Выбрать группу лиUtility Menu> Select> ний; Entities [ Lines> Exterior> Apply> ,, – новый выбор; ext – название группы Выбрать узлы; Nodes> Attached to> ,, – новый выбор; Lines,all> OK] 1 – все узлы на выделенных линиях Main Menu> Solution> Ограничить степени Define Loads> Apply> свободы в узлах; Structural> all – во всех выбранDisplacement> ных узлах; all – присвоить нуле- On Nodes [Pick all> DOFs to be constrained> вые значения всем возAll DOF> OK] можным смещениям Выбрать линии; Utility Menu> Select> all – все линии Entities [ Lines> Sele all> Cansel] Показать граничные Utility Menu> PlotCtrls> условия на экране; Symbols [Surface Load Екатеринбург · УГТУ-УПИ · (343) 375 94 03 [email protected] · http://cae.ustu.ru

© О.М.Огородникова


16 · · ·

2008

nplot asel,,loc,y, bendrad, l_handle

asel,r,loc,x, w_flat/2, w_flat

nsla,,1

nsel,r,loc,y, l_handle+tol, l_handle(3.0*l_elem)-tol

u – смещения; ,,1 – показать символами Показать узлы Выбрать поверхности; ,, – новый выбор; loc –- по положению в активной системе координат; y – по координате y; bendrad – минимальная координата, параметр определен ранее; l_handle – максимальная координата, параметр определен ранее Выбрать поверхности; r – повторный выбор; loc – по положению в активной системе; x – по координате x; w_flat/2 – минимальная координата, параметр определен ранее; w_flat – максимальная координата, параметр определен ранее Выбрать узлы, связанные с вделенными поверхностями; ,, – новый выбор; 1 – выбрать все узлы Выбрать узлы; r – повторный выбор для данных поверхностей; loc – по положению в активной системе; y – по координате y; l_handle+tol – минимальная координата, па-

Symbols> Pressures> Show pres and convect as> Arrows> OK] Utility Menu> Plot> Nodes Utility Menu> Select> Entities [ Areas> By location> Y coordinates> Min,Max> bendrad,l_handle> Apply>

X coordinates> Reselect> Min,Max> w_flat/2,w_flat> Apply

Nodes> Attached to> Areas,all> From full> Apply Nodes> By Location> Y coordinates> Reselect> Min,Max> l_handle+tol,l_handle(3.0*l_elem)-tol> OK]



17 · · ·

2008

*get,minyval, node,, mnloc,y

*get,maxyval, node,, mxloc,y

*SET,ptorq,50/ (w_hex* (maxyvalminyval))

sf,all,pres,ptorq

allsel /psf,pres,,2

раметр определен ранее; l_handle-(3.0*l_elem)tol – максимальная координата, параметр определен ранее Определить значение; minyval – название нового параметра; node – для узлов; ,, – все узлы; mnloc – минимальное значение по координате; y - по координате y Определить значение; maxyval – название нового параметра; node – для узлов; ,, – все узлы; mxloc – максимальное значение по координате; y – по координате y Ввести параметр и его значение; ptorq – название параметра; 50/(w_hex*(maxyvalminyval)) – величина параметра; 50 Н – величина приложенной силы Задать нагрузки в узлах, первый шаг нагружения; all – во всех выбранных узлах; pres – давление; ptorq – величина давления Выбрать все Показать поверхностные нагрузки символами;

Utility Menu> Parameters> Get Scalar Data [ Model data> For selected set> OK> Name of parameter to be defined> minyval> Current node set> Min Y coordinates> Apply> Model data> For selected set> OK> Name of parameter to be defined> maxyval> Current node set> Max Y coordinates> OK] Utility Menu> Parameters> Scalar Parameters [Selection> ptorq =50/(w_hex*(maxyvalminyval)) > Accept> Close] Main Menu> Solution> Define Loads> Apply> Structural> Pressure> On nodes [Pick all> Load pres valu> ptorq> OK] Utility Menu> Select> Everything Utility Menu> PlotCtrls> Symbols [Surface Load



18 · · ·

2008

pres – давление; ,,2 – стрелками nplot

Symbols> Pressures> Show pres and convect as> Arrows> OK] Utility Menu> Plot> Nodes

Показать на экране узлы

1 NODES NOV 25 17:25

U PRES 456140

Y

lswrite

Z

X

Записать нагрузки и шаги нагружения в файл, первый шаг нагружения

*SET,pdown, Ввести параметр и его 10/ значение; (w_flat*(maxyv pdown – название паal-minyval)) раметра; 10/(w_flat*(maxyvalminyval)) – величина параметра; 10 Н – величина приложенной силы asel,,loc,z, Выбрать поверхности; (-l_shank+ ,, – новый выбор; loc – по положению в (w_hex/2)) активной системе координат; z – по координате z; -(l_shank+(w_hex/2)) – минимальная координата, параметр вычисляется по определенным ранее

Рис.2.5. Нагрузки, приложенные к конструкции на первом шаге: торец закреплен, к противоположному концу приложено давление

Main Menu> Solution> Load Step Opts> Write LS File [Load step file number> 1> OK] Utility Menu> Parameters> Scalar Parameters [Selection> pdown =10/(w_flat*(maxyvalminyval)) > Accept> Close] Utility Menu> Select> Entities [ Areas> By location> Z coordinates> Min,Max> -(l_shank+(w_hex/2))> Apply>



19 · · ·

2008

nsla,,1

Выбрать узлы, связанные с выбранными поверхностями; ,, – новый выбор; 1 – выбрать все узлы nsel,r,loc,y, Выбрать узлы, связанl_handle+tol,l_ ные с выбранными поверхностями; handler – повторный выбор; (3.0*l_elem)loc – по положению в tol активной системе координат; y – по координате y; l_handle+tol – минимальная координата, параметры определены ранее; l_handle-(3.0*l_elem)-tol – максимальная координата, параметры определены ранее sf,all,pres,pdo Задать нагрузки в узwn лах, второй шаг нагружения; all – во всех выбранных узлах; pres – давление; pdown – величина давления allsel Выбрать все объекты nplot

Показать на экране уз-

Nodes> Attached to> Areas,all> From full> Apply> Nodes> By Location> Y coordinates> Reselect> Min,Max> l_handle+tol,l_handle(3.0*l_elem)-tol> OK]

Main Menu> Solution> Define Loads> Apply> Structural> Pressure> On nodes [Pick all> Load pres valu> pdown > OK] Utility Menu> Select> Everything Utility Menu> Plot> Nodes

лы lswrite

save lssolve,1,2

Записать нагрузки и Main Menu> Solution> шаги нагружения Load Step Opts> Write LS в файл, второй шаг нагру- File [Load step file number> 2> OK] жения Сохранить информаAnsys Toolbar> Save_db цию Прочитать шаги нагруMain Menu> Solution> жения, приложить нагрузки Solve> From LS Files Екатеринбург · УГТУ-УПИ · (343) 375 94 03 [email protected] · http://cae.ustu.ru



20 · · ·

2008

finish /post1 set,1

prrsol

/pbc,defa

/psf,defa

/edge,,1

pldisp,2

[Starting LS file number> и провести решение; 1> Ending LS 1 – первый шаг нагруfile number> 2> жения; 2 – последний шаг наFile number increment> гружения 1> OK] Закончить работу в процессоре Начать работу в постпроцессоре Main Menu> Определить, какие данные следует прочитать General Postproc> из файла результатов; Read Results> 1 – первый шаг нагруFirst Set жения Распечатать на экране Main Menu> результаты расчетов по General Postproc> List Results> Reaction Solu> узлам [All items> OK] Не показывать граничUtility Menu> PlotCtrls> ные значения на экране; Symbols [Boundary conditions None> defa – деформация по- simbols> верхностей Не показывать поверх- Surface load symbols> None> OK] ностные нагрузки символами; defa – деформация поверхностей Utility Menu> PlotCtrls> Показать конструкцию Style> Edge Options на экране в виде каркаса, [Element outlines for вывести деформированnon-contour/contour plots> ную и недеформированEdge Only/ All> OK] ную геометрию одновременно; ,, – по умолчанию в окне 1; 1 – показать общие линии граней элементов Main Menu> Показать на экране деформированную констGeneral Postproc> рукцию; Plot Results> Deformed 2 – одновременно с не- Shape [Items to be plotted> Def + undef edge> OK] деформированной Екатеринбург · УГТУ-УПИ · (343) 375 94 03 [email protected] · http://cae.ustu.ru



21 · · ·

2008

1 DISPLACEMENT NOV 25 17:34

STEP=1 SUB =1 TIME=1 DMX =.004904

Рис.2.6. Результат деформации конструкции под действием приложенных сил Y

X Z

/gsave,pldisp, gsav

Сохранить установки графического изображения в файл; pldisp – название файла; gsav – расширение /plopts,info,on Задать графические опции изображения; info – колонку легенды; on – вывести на экран /plopts,leg1,off Задать графические опции изображения; leg1 – шапку колонки легенды; off – отключить /angle,,120, Задать поворот изображения; ym,1 ,, – по умолчанию команда применяется к окну с номером 1; 120 – угол поворота; ym – ось поворота y в глобальной системе координат; 1 – поворот относительно предыдущего положения конструкции plnsol,s,int Представить результаты в виде непрерывных контуров;

Utility Menu> PlotCtrls> Save Plot Ctrls [Save plot ctrls on file> pldisp.gsa> OK] Utility Menu> PlotCtrls> Window Controls> Window Options [Display of legend> Auto legend> Legend header> Off> OK]

Utility Menu> PlotCtrls> View Settings> Angle of Rotation [Angle of degrees> 120> Relative/ absolute> Relative angle> Axis of rotation> Global Cartes Y> OK]

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



22 · · ·

2008

s – компоненты напряжений; int – интенсивность напряжений (данный параметр характеризует максимальные касательные напряжения, которые обусловливают сдвиговую деформацию пластичных материалов) 1

X Z MX

Y

ANSYS 7.0 NOV 25 2002 17:35:56 421709 .302E+08 .599E+08 .896E+08 .119E+09 .149E+09 .179E+09 .209E+09 .238E+09 .268E+09

Nodal Solu [ Stress> Intensity SINT> OK]

Рис.2.7. Распределение напряжений, возникающих в конструкции под действием приложенных сил

MN

/gsave,plnsol,gsav

set,2

prrsol

Сохранить установки графического изображения в файл; plnsol – название файла; gsav – расширение файла Определить, какие данные следует прочитать из файла результатов; 2 – второй шаг нагружения Распечатать на экране результаты расчетов по узлам

/gresume,pldisp,

Восстановить уста-

Utility Menu> PlotCtrls> Save Plot Ctrls [Save plot ctrls on file > plnsol.gsa> OK]

Main Menu> General Postproc> Read Results> Next Set

Main Menu> General Postproc> List Results> Reaction Solu> [ All items> OK] Utility Menu> PlotCtrls>



23 · · ·

2008

gsav

pldisp,2

/gresume,plnsol, gsav

plnsol,s,int

wpof,,,-0.067

/type,1,5

новки графического изображения из файла; pldisp – название файла; gsav – расширение файла Показать на экране деформированную конструкцию; 2 – одновременно с недеформированной Восстановить установки графического изображения из файла; plnsol – название файла; gsav – расширение файла Представить результаты в виде непрерывных контуров; s – компоненты напряжений; int – интенсивность эквивалентного напряжения Переместить центр координат рабочей плоскости; -0.067 – величина смещения центра координат вдоль оси z Задать тип изображения; 1 – в окне 1; 5 – в сечении

Restore Plot Ctrls [File name> pldisp.gsa> OK]

Main Menu> General Postproc> Plot Results> Deformed Shape [Items to be plotted> Def + undef edge> OK] Utility Menu> PlotCtrls> Restore Plot Ctrls [Restore plot ctrls on file > plnsol.gsa> OK]

Main Menu> General Postproc> Plot Results> Contour Plot> Nodal Solu [ Stress> Intensity SINT> OK] Utility Menu> Work plane> Offset WP by Increments [Snaps x,y,z Offsets> 0,0,-0.067> OK] Utility Menu> PlotCtrls> Style> Hidden Line Options> Type of Plot>



24 · · ·

2008

/cplane,1,wp

Задать плоскость сечения; 1,wp – рабочая плоскость Задать направление просмотра; 1 – в окне 1; wp – рабочая плоскость Задать увеличение при просмотре изображения в окне; 1 – в окне 1; .01 – масштаб изображения Представить результаты в виде непрерывных контуров; s – компоненты напряжений; int – интенсивность напряжений

/view,1,wp

/dist,1,.01

plnsol,s,int

1

ANSYS 7.0 NOV 25 2002 18:16:00 204853 .161E+08 .319E+08 .478E+08 .637E+08 .795E+08 .954E+08 .111E+09 .127E+09 .143E+09 Y Z

finish

Capped hidden> Cutting plane> Working plane> OK] Использовать меню CAD для масштабирования и поворота изображения в рабочем окне.

Main Menu> General Postproc> Plot Results> Contour Plot> Nodal Solu [Stress> Intensity SINT> OK]

Рис.2.8. Распределение напряжений в сечении

X

Закончить работу в постпроцессоре

2.2. Оптимизация конструкций Цель работы Екатеринбург · УГТУ-УПИ · (343) 375 94 03 [email protected] · http://cae.ustu.ru © О.М.Огородникова


25 · · ·

2008

Для выполнения работы используется программа ANSYS. Следует освоить создание параметрической модели конструкции и параметрическое описание задач оптимизации, провести оптимизацию конструкции и минимизировать ее массу, исходя из заданного уровня напряжений. Описание конструкции Балка прямоугольного сечения длиной 1 м нагружена вертикальной силой. Напряжения в балке не должны превышать 100 МПа. Найти такие линейные размеры сечения балки, которые удовлетворяют условию прочности при наименьшей массе. Свойства материала Сталь: Е=200 Г Па, μ=0,28. Схема нагружения Балка нагружена вертикальной силой 1000Н. Левый конец закреплен в горизонтальной плоскости. Правый конец закреплен по вертикали. Основные обозначения написать открыть список и выбрать поставить галочку Команда

Описание команды

/units,si

Использовать международную систему единиц Ввести параметр и его значение; w – название параметра (ширина балки); 0.02 – исходная величина параметра Ввести параметр и его значение; h – название параметра (высота балки); 0.02 – исходная величина параметра

*SET,w,0.02

*SET,h,0.02

Путь выполнения команды Эта команда не может быть выполнена с помощью меню Utility Menu> Parameters> Scalar Parameters [Selection> w=0.02> Accept> Selection> h=0.02> Accept> Close]



26 · · ·

2008

/PREP7 K,1

K,2,1

LSTR,1,2

HPTCREATE,LINE, 1,0, RATI,0.75

ET,1,BEAM3

Начать работу в препроцессоре Построить точку; Main Menu> Preprocessor> Modeling> 1 – номер точки; Create> Keypoints> In по умолчанию коорActive CS [Keypoint динаты точки 0,0,0 number> 1> X,Y,Z Location in active CS> 0,0,0> Apply> Построить точку; Keypoint number> 2 – номер точки; 2> 1,0,0 – координаты X,Y,Z Location точки in active CS> 1,0,0> OK] Построить линию по Main Menu> двум точкам; Preprocessor> 1 – начальная точка; Modeling> 2 – конечная точка Create> Lines> Lines> Straight line [Выбрать точки мышью или написать в строке ввода интерактивного окна> 1,2> Enter> OK] Main Menu> Построить точку для приложения нагрузки; Preprocessor> Modeling> LINE – на линии; Create> 1 – номер линии; RATI – по отношению Keypoints> отрезков; Hard PT on line> 0 – номер создавае- Hard PT by ratio мой точки по умолчанию, [Выбрать линию мышью или написать в назначается затем при создании автоматически; строке ввода интерак0.75 – отношение от- тивного окна> резков, точка должна 1> Enter> OK> написать в строке ввобыть создана на расда интерактивного окстоянии 0.75 от начала на> линии 0.75> OK] Выбрать из библиоMain Menu> Екатеринбург · УГТУ-УПИ · (343) 375 94 03 [email protected] · http://cae.ustu.ru



27 · · ·

2008

R,1,w*h,(w*h**3)/12,h

MP,EX,1,200e9

теки тип элемента; 1 – номер типа элемента; BEAM3 – название элемента в библиотеке (двухмерная упругая балка имеет 3 степени свободы – перемещение вдоль осей x и y, поворот вокруг оси z) Назначить реальную константу (реальная константа содержит величины, которые превращают линию при расчетах в реальную балку); 1 – номер реальной константы; w*h – площадь сечения балки, здесь задана как произведение указанных выше параметров – линейных размеров сечения балки; (w*h**3)/12 – момент инерции сечения балки. Также задается вычислениями с ранее заданными параметрами; h – высота балки, считывается по значению параметра, введенного выше Задать свойство материала; EX – модуль Юнга; 1 – номер материала; 200e9 – величина модуля Юнга

MP,PRXY,1,0.28

Задать свойство ма-

Preprocessor> Element Type> Add/Edit/Delete [Add> Structural> Beam> 2D elastic 3> OK> Close] Main Menu> Preprocessor> Real constants> Add/Edit/Delete> Add [Type 1 Beam3> OK> OK> Number of real constant> 1 Cross-sectional area> w*h Area moment of inertia> (w*h**3)/12 Total beam height> h> OK> Close]

Main Menu> Preprocessor> Material Props> Material models> [ Structural> Linear> Elastic> Isotropic> EX> 200e9 > PRXY>



28 · · ·

2008

LESIZE,ALL, 0.1, , , ,1, , ,1

LMESH,1

NPLOT

FINISH /SOL ANTYPE,0

DK,1,UX DK,1,UY

териала; PRXY – коэффициент Пуассона; 1 – номер материала; 0.28 – величина коэффициента Задать разбиение линий для генерации сетки; ALL – для всех линий; 0.1 – длина элемента в метрах Сгенерировать узлы и элементы

0.28> OK> Закрыть окно свойств]

Main Menu> Preprocessor> Meshing> Size Cntrls> Manual Size> Lines> All Lines [Element Edge length> 0.1> OK] Main Menu> Preprocessor> Meshing> Mesh> Lines > [Pick all] Показать в рабочем Utility Menu> Plot> окне расчетные узлы Nodes Рис. 2.9. Результат построения сетки (обратите внимание: построен расчетный узел в дополнительной точке) Закончить работу в препроцессоре Начать работу в процессоре Определить тип анаMain Menu> Solution> лиза; Analysis Type> 0 – статический New analysis [ Static> OK] Main Menu> Ограничить степени Solution> свободы в точке; Define Loads> 1 – номер точки; Apply> UX,UY – присвоить Structural> нулевое значение переDisplacement> мещениям узла вдоль On Keypoints осей X,Y [Выбрать мышью точку 1 или набрать в строке окна диалога > Екатеринбург · УГТУ-УПИ · (343) 375 94 03 [email protected] · http://cae.ustu.ru



29 · · ·

2008

DK,2,UY

FK,3,FY,-1000

1> OK> DOFs to be constrained> UX UY> Displacement value> 0> OK] [Выбрать мышью точку Ограничить степени 2 или набрать в строке свободы в точке; 2 – номер точки; окна диалога > 2> OK> DOFs UY – присвоить нулевое значение переме- to be constrained> щениям узла вдоль оси Y UY> Displacement value> (по вертикали) 0> OK] Main Menu> Приложить силу в точке; Solution> Define Loads> 3 – номер точки; Apply> Structural> FY – сила приложена Force/Moment> в направлении Y (по вер- On Keypoints [Выбрать тикали вниз); мышью точку 3 или на-1000 – величина си- брать в строке окна лы в Н диалога > 3> OK> Direction of Force > FY> Value of Force> -1000> OK] Рис. 2.10. Приложенные нагрузки

SOLVE FINISH /POST1 AVPRIN,0,0

Провести решение для Main Menu> одного шага нагружения Solution> Solve> Current LS Files] по текущим опциям Закончить работу в процессоре Начать работу в постпроцессоре Main Menu> Определить способ вычисления суммы; General Postproc> Element Table> 0 – по умолчанию Define Table> Add> считаются средние значения компонент по эле- [Eff NU for EQU strain> ментам в общих узлах, затем вычисляется сумЕкатеринбург · УГТУ-УПИ · (343) 375 94 03 [email protected] · http://cae.ustu.ru



30 · · ·

2008

ETABLE,evolume, VOLU

SSUM

ма векторов или главных компонент по усредненным значениям; 0 – эффективный коэффициент Пуассона при вычислении эквивалентных деформаций в линейных элементах Заполнить таблицу элементными значениями (объем элементов); evolume – назначенное пользователем название переменной; VOLU – элементные объемы Вычислить сумму объемов по элементам

*GET,volume,SSUM, , Найти и присвоить ITEM,EVOLUME значение параметру, добавить его в таблицу параметров; volume – название параметра (объемы); SSUM – суммирование; ITEM выбранных величин; EVOLUME – назначенное пользователем название табличной пе-

0> User label for item> evolume> Results data item> Geometry> Elem volume> OK> Close] Main Menu> General Postproc> Element Table> Sum of Each Item> OK [В появившемся листинге вычисленная сумма: параметр evolume, значение 0.4e-3] Utility Menu> Parameters> Get Scalar Data> Results Data> Elem table sums> OK> [Name of parameter to be defined> volume> element table item> evolume> OK]



31 · · ·

2008

ременной AVPRIN,0,0

Определить способ вычисления суммы; 0 – по умолчанию считаются средние значения компонент по элементам в общих узлах, затем вычисляется сумма векторов или главных компонент по усредненным значениям; 0 – эффективный коэффициент Пуассона при вычислении эквивалентных деформаций в линейных элементах

Main Menu> General Postproc> Element Table> Define Table> Add> [Eff NU for EQU strain> 0>

ETABLE,smax_i, NMISC, 1

Заполнить таблицу элементными значениями (напряжение в i-узле каждого элемента); smax_i – назначенное пользователем название переменной; NMISC – элементные значения; 1 – присвоенный пользователем номер суммы

ESORT,ETAB, SMAX_I,0,1

Сортировать таблицу элементов; ETAB – таблица элементов; SMAX_I – название

User label for item> smax_i> By sequence num> nmisc> nmisc,1> OK> Close] Main Menu> General Postproc> List Results> Sorted Listing> Sort Elems> [Order in which to sort> Descending order> Sort on absolute vale> Yes> Sort elems based on> smax_i> OK] Utility Menu> Parameters> Get Scalar Data> Results Data> Other operations> OK>



32 · · ·

2008

*GET,smaxi, SORT,,MAX

AVPRIN,0,0

ETABLE,smax_j, NMISC, 3

параметра; 0 – сортировать в порядке убывания параметра; 1 – сортировать по абсолютным значениям параметра Найти и присвоить значение параметру, добавить его в таблицу параметров; smaxi – название параметра (максимальное напряжение); SORT – сортировка; MAX – поиск максимального значения параметра при сортировке элементов в таблице Определить способ вычисления суммы; 0 – по умолчанию считаются средние значения компонент по элементам в общих узлах, затем вычисляется сумма векторов или главных компонент по усредненным значениям; 0 – эффективный коэффициент Пуассона при вычислении эквивалентных деформаций в линейных элементах Заполнить таблицу элементными значениями (напряжение в j-узле каждого элемента), чтобы надежно найти максимальное значение на-

[Name of parameter to be defined> smaxi> Data to be retrieved> From sort oper’n> Maximum value> OK]

Main Menu> General Postproc> Element Table> Define Table> Add> [Eff NU for EQU strain> 0>

User label for item> smax_j> By sequence num> nmisc> nmisc,3> OK> Close]



33 · · ·

2008

ESORT,ETAB, SMAX_J,0,1

*GET,smaxj, SORT,,MAX

*SET,smax, smaxi>smaxj

пряжений; smax_j – назначенное пользователем название переменной; NMISC – элементные значения; 3 – присвоенный пользователем номер суммы Сортировать таблицу элементов; ETAB – таблица элементов; SMAX_J – название параметра; 0 – сортировать в порядке убывания параметра; 1 – сортировать по абсолютным значениям параметра Найти и присвоить значение параметру, добавить его в таблицу параметров; smaxj – название параметра (максимальное напряжение); SORT – сортировка; MAX – поиск максимального значения параметра при сортировке элементов в таблице Выбрать наибольшее значение и присвоить его параметру; smax – название параметра; smaxi>smaxj – произвести сравнение двух

Main Menu> General Postproc> List Results> Sorted Listing> Sort Elems> [Order in which to sort> Descending order> Sort on absolute vale> Yes> Sort elems based on> smax_j> OK] Utility Menu> Parameters> Get Scalar Parameters> Results Data> Other operations> [Name of parameter to be defined> smaxj> Data to be retrieved> From sort oper’n> Maximum value> OK] Набрать в командной строке> smax=smaxi>smaxj Enter



34 · · ·

2008

параметров Закончить работу в постпроцессоре

FINISH

/OPT OPANL,'optimize', 'lgw',' '

OPVAR,H, DV,0.01,0.05,0.001

Utility Menu> File> Write DB Log File> [Name> optimize.lgw> OK] Запустить модуль оптимизации Main Menu> Назначить командный Design Opt> файл оптимизации Analysis File> (предварительно этот Assign> текстовый файл, содерBrowse> жащий команды APDL, optimize.lgw> OK> нужно создать и редактировать в блокноте, за- OK менив все опции графического выбора P51X в командах выбора на номера точек); optimize – название файла; lgw – расширение файла Определить проектные параметры; H – название проектного параметра (высота балки в метрах), параметр введен в таблицу параметров до запуска препроцессора, параметру присвоено исходное значение; DV – проектный параметр; 0.01 – минимальное значение проектного параметра; 0.05 - максимальное значение проектного па-

Main Menu> Design Opt> Design Variables> Add> [Parameter> H> Minimum value> 0.01> Maximum value> 0.05> Convergence tolerance> 0.001> Apply>



35 · · ·

2008

раметра; 0.001 – критерий сходимости OPVAR,W, DV,0.01,0.05,0.001

Определить проектные параметры; W – название проектного параметра (ширина балки в метрах), параметр введен в таблицу параметров до запуска препроцессора, параметру присвоено исходное значение; DV – проектный параметр; 0.01 – минимальное значение проектного параметра; 0.05 - максимальное значение проектного параметра; 0.001 – критерий сходимости

Parameter> W> Minimum value> 0.01> Maximum value> 0.05> Convergence tolerance> 0.001> OK> Close]

OPVAR,SMAX,SV, 98e6,100e6,0.001

Определить условный параметр (условный параметр выбирается, исходя из поставленного условия прочности) SMAX – название условного параметра (максимальное напряжение в балке, условный параметр в табличном виде был вычислен и отсортирован с целью поиска максимума ранее); SV – параметр является условным;

Main Menu> Design Opt> State Variables> Add> [Parameter> SMAX > Minimum value> 98e6> Maximum value> 100e6> Convergence tolerance> 0.001> OK>Close]



36 · · ·

2008

98e6 – минимальное значение условного параметра; 100e – максимальное значение условного параметра; 0.001 – критерий сходимости OPVAR,VOLUME, OBJ,200e-9

Определить целевой параметр (целевая функция является функцией проектных параметров, по ее минимальному значению – целевому параметру – выявляются оптимальные значения проектных параметров); VOLUME – название целевого параметра (объем конструкции); OBJ – целевой параметр; 200e-9 – критерий сходимости

Main Menu> Design Opt> Objective> Add> [Parameter> VOLUME > Minimum value> Convergence tolerance> 200e-9> OK]

OPTYPE,FIRS

Назначить метод оптимизации; FIRS – метод первого порядка Назначить опции оптимизации; 30 – максимальное число итераций; 100 – величина каждого шага в %; 0.2 – интервал проектного параметра при вычислении градиента

Main Menu> Design Opt> Method/Tools> Method> First-Order> OK> [Maximum iterations> 30> Persent step size> 100> Percent forward diff> 0.2> OK]

OPFRST,30,100,0.2



37 · · ·

2008

OPEXE KEYW,BETA,0

Выполнить оптимизационные расчеты Служебная команда интерфейса [в листинге представлены оптимальные значения проектных параметров и соответствующие целевые и условные параметры]

XVAROPT,' '

Задать параметр на графике по оси X; ,, – по умолчанию номер итерации

PLVAROPT,H,W

Представить проектные параметры в виде графика; H,W – название параметров

Main Menu> Design Opt> Run Utility Menu> Parameters> Scalar Parameters> (оптимальные значения проектных параметров H=0.031 м, W=0.012 м; условный параметр – максимальное напряжение SMAX=99,966, целевой параметр – объем VOLUME=37e-3) > Close Main Menu> Design Opt> Design Sets> Graphs/Table> [X-variable parameter> Set number> Y-variable parameter> H W> Graph> OK]

Рис. 2.11. Изменение проектных параметров в процессе итераций (всего выполнено 29 итерационных шагов)

FINISH

Завершить работу



38 · · ·

2008

2.3. Тепловые напряжения в сборке Цель работы Для выполнения работы используется программа ANSYS. Расчет термических напряжений с учетом предварительных напряжений в сборке. Описание задачи Две алюминиевые пластинки стянуты болтом из углеродистой стали; известно предварительное усилие, приложенное при сборке; определить деформацию и распределение напряжений в конструкционном узле после сборки и последующего нагрева до температуры 150 градусов. Основные обозначения написать открыть список и выбрать поставить галочку /prep7 et,1,solid92

mp,EX,1,70e9 mp,PRXY,1,0.34

Начать работу в препроцессоре Main Menu> Выбрать из библиотеки Preprocessor> тип элемента; 1 – номер типа элемента Element Type> в данной работе; Add/Edit/Delete solid92 – название и по- [Add> Structural> рядковый номер элемента в Solid> библиотеке (твердотельный Tet 10 node 92> трехмерный 10-узловой тетOK> Close] раэдр) Main Menu> Задать свойства материала; Preprocessor> Material Props> EX – модуль Юнга; Material Models> 1 – номер материала (алюминиевые пластинки); [ Structural> 70e9 – величина модуля Linear> Юнга; Elastic> Isotropic> 1> PRXY – коэффициент OK> Пуассона; Young's modulus EX> 0.34 – величина коэф70e9> фициента PRXY> 0.34> OK>



39 · · ·

2008

Задать свойство материала; ALPX – коэффициент линейного расширения для изотропного материала; 1 – номер материала; 19e-6 – величина коэффициента линейного расширения Задать свойство материала; EX – модуль Юнга; 2 – номер материала (болт); 200e9 – величина модуля Юнга; PRXY – коэффициент Пуассона; 0.28 – величина коэффициента

Thermal expansion> Secant coefficient> Isotropic> 19e-6> OK >

mp,ALPX,2,12e-6

Задать свойство материала; ALPX – коэффициент линейного расширения; 2 – номер материала; 12e-6– величина коэффициента линейного расширения

Thermal expansion> Secant coefficient> Isotropic> 12e-6> OK]

tref,70

Задать базовую температуру, относительно которой проводится расчет термических напряжений; 70 – значение базовой температуры

Main Menu> Preprocessor> Loads> Define Loads> Settings> Reference Temp [ 70> OK]

mp,ALPX,1,19e-6

mp,EX,2,200e9 mp,PRXY,2,0.28

Material> New Material> 2> OK> [ Structural> Linear> Elastic> Isotropic Young's modulus EX> 200e9> PRXY> 0.28> OK>



40 · · ·

2008

/pnum,volu,1

/num,1

cylind,0.015, , -0.0075,0,0,180

Проконтролировать присвоение номеров и окрашивание объектов при выводе изображения на экран; volu – перечисляемыми и окрашиваемыми объектами являются объемы; 1 – включить присвоение номеров и окрашивание объектов Обозначить на экране указанные объекты номерами или цветом; 1 – обозначить на экране указанные объекты цветом; не выводить на экран номера объектов Создать цилиндр; 0.015 – радиус цилиндра в метрах; ,, - не полый цилиндр; -0.0075 – координата Z, определяющая длину цилиндра в метрах; 0 – вторая координата Z, определяющая длину цилиндра, находится в рабочей плоскости; 0 – начальная угловая координата, определяющая создание цилиндрического сектора; 180 – конечная угловая координата определяет создание половины цилиндра

Выполнять не обязательно Utility Menu> PlotCtrls> Numbering [Volume numbers> On> OK]

Main Menu> Preprocessor> Modeling> Create> Volumes> Cylinder> By Dimensions [Outer radius> 0.015> Z-coordinates> -0.0075,0> Starting angle> 0> Ending angle> 180> Apply>



41 · · ·

2008

cylind,0.015, ,0.03, 0.0375,0,180

cylind, 0.0075, ,0,0.03,0,180

wpoff,0.0015

wpstyle,,,,,,,,0

Создать цилиндр; 0.015 – радиус цилиндра; ,, - не полый цилиндр; 0.03 – первая координата Z, определяющая длину цилиндра; 0.0375 – вторая координата Z, определяющая длину цилиндра; 0 – начальная угловая координата, определяющая создание цилиндрического сектора; 180 – конечная угловая координата Создать цилиндр; 0.0075 – радиус цилиндра; ,, - не полый цилиндр; 0 – координата Z, определяющая длину цилиндра, находится в рабочей плоскости; 0.03 – вторая координата Z, определяющая длину цилиндра; 0 – начальная угловая координата, определяющая создание цилиндрического сектора; 180 – конечная угловая координата определяет создание половины цилиндра Переместить центр координат рабочей плоскости; 0.0015 – величина смещения центра координат вдоль оси X Не показывать сетку при отображении рабочей плоскости на экране

Outer radius> 0.015> Z-coordinates> 0.03, 0.0375> Starting angle> 0> Ending angle> 180> Apply>

Outer radius> 0.0075> Z-coordinates> 0,0.03> Starting angle> 0> Ending angle> 180> OK

Utility Menu> WorkPlane> Offset WP by Increments [Snaps X,Y,Z offset> 0.0015> OK] Utility Menu> WorkPlane> Display Working Plane [Убрать



42 · · ·

2008

cylind,0.03,0.0105,0, 0.0225,0,180

wpoff,-0.0015

wpstyle,,,,,,,,0 cylind,0.03,0.0105, 0.0225,0.03,0,180

Создать цилиндр; 0.0105 – внутренний радиус цилиндра; 0.03 – внешний радиус; 0 – координата Z, определяющая длину цилиндра, находится в рабочей плоскости; 0.0225 – вторая координата Z, определяющая длину цилиндра; 0 – начальная угловая координата, определяющая создание цилиндрического сектора; 180 – конечная угловая координата определяет создание половины цилиндра Переместить центр координат рабочей плоскости; -0.0015 – величина смещения центра координат вдоль оси X Не показывать сетку при отображении рабочей плоскости на экране Создать цилиндр; 0.0105 – внутренний радиус цилиндра; 0.03 – внешний радиус; 0.0225 – координата Z, определяющая длину цилиндра; 0.03 – вторая координата Z, определяющая длину цилиндра; 0 – начальная угловая координата, определяющая

галочку в данной позиции] Main Menu> Preprocessor> Create> Cylinder> By Dimensions [Outer radius> 0.03> Optional inner radius> 0.0105> Z-coordinates> 0, 0.0225> Starting angle> 0> Ending angle> 180> OK]

Utility Menu> Work plane> Offset WP by Increments [Snaps X,Y,Z offset> -0.0015> OK] Utility Menu> Working Plane> Display Working Plane Main Menu> Preprocessor> Create> Cylinder> By Dimensions [Outer radius> 0.03> Optional inner radius> 0.0105> Z-coordinates> 0.0225,0.03> Starting angle> 0>



43 · · ·

2008

vglue,all

создание цилиндрического сектора; 180 – конечная угловая координата определяет создание половины цилиндра Связать созданные объемные объекты, объединив граничные поверхности пересечения; all – связать все объемные объекты

Ending angle> 180> OK]

Main Menu> Preprocessor> Operate> Booleans> Glue> Volumes [Pick all]

Рис.2.12. Результат построения конструкционного узла средствами ANSYS (построена половинка геометрической модели)

numcmp,all

vplot

mat,1

Main Menu> Preprocessor> Numbering Ctrls> Compress Numbers [Label Items to be compressed> All> OK] Показать на экране все объMain Menu> емные объекты Preprocessor> Modeling> Check Geom> Show Degeneracy> Plot Degen Volus [OK] Последующие команды выMain Menu> Preполнять, обращаясь к свойствам processor> Modeling> материала с номером 1; Create> Elements> 1 – номер материала Elem Attributes [OK]

Заново провести и сжать нумерацию узлов, элементов, линий, поверхностей, объемных объектов и т.п.; all – сжать нумерацию всех перечисленных объектов



44 · · ·

2008

smrt,off

vmesh,4,5

mat,2

vmesh,1,3

/pnum,mat,1

Задать условия генерации сетки; off – отключить задание размеров элементов сетки в ручном режиме, задавать локальные размеры элементов в автоматическом режиме Сгенерировать узлы и разбить объемные объекты на объемные элементы; 4,5 – генерировать сетку в объемных объектах от номера 4 до номера 5 с шагом 1

Main Menu> Preprocessor> Meshing> Size Cntrls> SmartSize> Basic [OK]

Main Menu> Preprocessor> Meshing> Mesh> Volumes> Free [Выбрать мышью пластинки> OK] Последующие команды выMain Menu> полнять, обращаясь к свойствам Preprocessor> материала, промаркированного Modeling> Create> номером 2; Elements> 2 – номер материала Elem Attributes [Material number> 2> OK] Main Menu> Сгенерировать узлы и разбить объемные объекты на объ- Preprocessor> емные элементы; Meshing> Mesh> Volumes> 1,3 – генерировать сетку в объемных объектах от номера 1 Free [Выбрать элементы болта (следует до номера 3 с шагом 1 кликнуть мышью, изображение выбранных элементов появится на экране)> OK] Выполнять не обяПроконтролировать присвоение номеров и окрашивание зательно Utility Menu> объектов при выводе изображеPlotCtrls> Numbering ния на экран; mat – перечисляемыми и ок- [Node numbers> рашиваемыми объектами являOn> ются материалы; Elem/Attrib number1 – включить присвоение но- ing> Material numbers> меров и окрашивание объектов Екатеринбург · УГТУ-УПИ · (343) 375 94 03 [email protected] · http://cae.ustu.ru



45 · · ·

2008

eplot

Показать на экране сетку

Numbering shown with> Colors only> OK] Выполнять не обязательно Utility Menu> Plot> Elements

Рис.2.13. Результат автоматической генерации сетки

psmesh ,,, 20001, volu, 1,0,Z, 0.015,,,, epts, npts

Разбить первоначально непрерывную группу элементов на две независимые группы, связанные между собой предварительно напряженными элементами PRETS179; команда psmesh задает предварительно напряженное сечение, нормальное направлению предварительной нагрузки, разделив сетку вдоль границ существующих элементов и вставив вдоль сечения элементы PRETS179; 20001 – номер первого предварительно напряженного узла, равен наибольшему номеру плюс единица; volu – сгенерировать предварительно напряженные узлы в объемных объектах; 1 – номер объемного объекта, в котором следует генерировать предварительно напряженные узлы; 0 – номер координатной системы для разделяющей поверхности и нормали к ней; z – направление нормали к разделяющей поверхности в координатной системе под номером 0; 0.015 – точка на оси z, в которой следует расположить разделяющую поверх-

Main Menu> Preprocessor> Modeling> Create> Elements> Pretension> Pretension Mesh> With Options> Divide at Valu> Elements in Volu [Выбрать объем – резьбовую часть болта> OK> Pretension node> 20001> Separation coord system> Global Cartesian> Separation surface norml to> z-axis> Coord value> 0.015> Elem component>



46 · · ·

2008

cm, lines, line

cmplot

ность (расстояние задается в метрах); epts – название компоненты, объединяющей новые предварительно напряженные элементы и существовавшие ранее элементы, преобразованные данной командой; npts – название компоненты, объединяющей предварительно напряженные узлы Сгруппировать геометрические объекты в компоненту; lines – название компоненты; line – тип геометрических объектов линии Построить на экране объекты, объединенные в компоненту, по умолчанию – все компоненты

epts> Node component> npts> OK]

Utility Menu> Select> Comp/Assembly> Create Component > [ Lines> Lines> OK] Utility Menu> Plot> Components> Selected Components

Рис.2.14. Выделенное сечение (элементы и узлы сетки), в котором предварительно будет приложена сила

finish /solu eqslv,pcg,1e-8

asel,s,loc,y

Завершить работу в препроцессоре Начать работу в процессоре Main Menu> Выбрать тип решателя; Solution> Analysis pcg – итерационный метод Type> Sol'n Control> сопряженных градиентов; 1e-8 – допуск, данное знаSol'n Options чение по умолчанию задается [ Pre-Condition CG> для симметричных матриц при Accuracy> OK] статическом анализе Выделить совокупность поUtility Menu> Select> Entities верхностей; s – выделить новую сово[ Areas> купность; By location> Екатеринбург · УГТУ-УПИ · (343) 375 94 03 [email protected] · http://cae.ustu.ru



47 · · ·

2008

da,all,symm

loc – по координате; y – по координате y в активной системе координат Задать ограничения степеней свободы на поверхностях; all – для всех выделенных поверхностей; symm – сгенерировать условия симметрии

Y coordinates> 0> OK] Main Menu> Solution> Define loads> Apply> Structural> Displacement> Symmetry B.C.> On Areas [Pick all]

Рис.2.15. Плоскость симметрии, промаркированная соответствующими символами

asel,all

Выделить совокупность поверхностей; all – все поверхности

dk,1,ux

Задать ограничения степеней свободы в точках; 1 – номер точки; ux – нулевое смещение вдоль оси x

Utility Menu> Select> Entities [ Areas> By num/pick> From full> OK> Pick all] Main Menu> Solution> Define loads> Apply> Structural> Displacement> On Keypoints [Ввести в командной строке> 1> Enter> OK> DOFs to be constrained> UX>



48 · · ·

2008

dk,12,ux

Задать ограничения степеней свободы в точках; 12 – номер точки; ux – нулевое смещение вдоль оси x

dk,1,uz

Задать ограничения степеней свободы в точках; 1 – номер точки; uz – нулевое смещение вдоль оси z

f,20001,fx,100

Задать силы, приложенные в узлах; 20001 – номер узла; fx – сила, направленная вдоль оси x; 400 – величина приложенной силы в Н

Displacement value> 0> Apply> Ввести в командной строке> 12> Enter> OK> DOFs to be constrained> UX> Displacement value> 0> Apply> Ввести в командной строке> 1> Enter> OK> DOFs to be constrained> UX , UZ (обе позиции высвечиваются)> Displacement value> 0> OK] Main Menu> Solution> Define loads> Apply> Structural> Force/Moment> On Nodes [Ввести в командной строке> 20001> Enter> OK> Direction of force/mom> FX> Force/moment value> 400> OK> Close]



49 · · ·

2008

Рис.2.16. Схема приложения нагрузок. Ограничены степени свободы (в точке с номером 1 запрещены смещения по осям x и z, в точке с номером 12 запрещены смещения по оси x), и приложена сила в выделенном сечении /title,first

solve finish /post1 /cont,1, 9,-10e6, ,10e6

plnsol,s,z

Дать название при отображении результатов расчета на экране; first – название Начать вычисления

Utility Menu> File> Change Title [Enter new title> first> OK] Main Menu> Solution> Solve> Current LS [OK] Завершить работу в процессоре Начать работу в постпроцессоре Utility Menu> Определить изолинии при PlotCtrls> Style> отображении напряжений; 1 – номер окна; Contours> 9 – количество изолиний; Uniform Contours User specified> -10e6 – минимальное значе- [ Min contour value> ние напряжений; ,, – шаг, вычисляется авто-10e6> матически; Max contour value> 10e6 – максимальное значе10e6> OK] ние напряжений Main Menu> Представить результаты расчетов в виде замкнутых изо- General Postproc> линий; Plot Results> s – представить компоненты Contour Plot> напряжений; Nodal Solu [Item to be contoured> z – вдоль оси z Stress> Z-direction SZ> OK] Екатеринбург · УГТУ-УПИ · (343) 375 94 03 [email protected] · http://cae.ustu.ru



50 · · ·

2008

Рис.2.17. Результат расчета предварительных нагрузок – распределение нормальных осевых напряжений в узле: на болт действуют растягивающие нормальные осевые напряжения, на пластины – сжимающие finish /solu antype,,restart

fdele,20001,fx

d,20001, ux,%_fix%

Закончить работу в препроцессоре Вернуться в процессор Main Menu> Определить тип анализа и Solution> статус старта (новый или поAnalysis Type> вторный); ,, – по умолчанию принимаRestart [OK] ется ранее заданный тип анализа (статический); restart – повторный старт Удалить силы, приложенные Main Menu> в узлах; Solution> Define Loads> Delete> 20001 – номер узла; fx – сила, направленная Structural> вдоль оси x Force/Moment> On Nodes [Ввести в командной строке> 20001> Enter> OK> Force/moment to be deleted> FX> OK] Main Menu> Задать ограничения степеней свободы в узлах; Solution> Define Loads> Apply> 20001 – номер узла; Structural> ux – смещение вдоль оси x; %_fix% – название таблицы, Displacement > On Nodes содержащей значения смещеЕкатеринбург · УГТУ-УПИ · (343) 375 94 03 [email protected] · http://cae.ustu.ru



51 · · ·

2008

ний, данное название по умолчанию резервируется за таблицей внешних фиксированных смещений, о чем программа сообщает в окне диалога /title,second

solve finish /post1 plnsol,s,z

finish /solu antype,,restart

tunif,150

/title,third

Дать название при отображении результатов расчета на экране; second – название Начать вычисления

[Ввести в командной строке> 20001> Enter> OK> DOFs to be constrained> UX> Apply as> Fix to Current> OK] Utility Menu> File> Change Title [Enter new title> second> OK] Main Menu> Solution> Solve> Current LS [OK]

Закончить работу в процессоре Перейти в постпроцессор Представить результаты расчетов в виде замкнутых изолиний; s – представить компоненты напряжений; z – вдоль оси z

Main Menu> General Postproc> Plot Results> Contour Plot> Nodal Solu [Item to be contoured> Stress> Z-direction SZ> OK] Закончить работу в постпроцессоре Вернуться в процессор Main Menu> Определить тип анализа и Solution> Analysis статус старта (новый или поType> Restart [OK] вторный); ,, – по умолчанию принимается ранее заданный тип анализа (статический); restart – повторный старт Задать одинаковую темпераMain Menu> туру во всех узлах; Solution> Define 150 – значение температуры Loads> Apply> Structural> Temperature> Uniform Temp [Uniform temperature> 150> OK] Дать название при отобраUtility Menu> File> Екатеринбург · УГТУ-УПИ · (343) 375 94 03 [email protected] · http://cae.ustu.ru



52 · · ·

2008

жении результатов расчета на экране; third – название Начать вычисления

solve finish /post1 /cont,1, 9,-50e6, ,50e6 plnsol,s,z

Закончить работу в процессоре Перейти в постпроцессор Представить результаты расчетов в виде замкнутых изолиний; s – представить компоненты напряжений; z – вдоль оси z

Change Title [Enter new title> third> OK] Main Menu> Solution> Solve> Current LS [OK] Utility Menu> PlotCtrls> Style> Contours> Uniform Contours [ User specified> Min contour value> -50e6> Max contour value> 50e6> OK] Main Menu> General Postproc> Plot Results> Contour Plot> Nodal Solu [Item to be contoured> Stress> Z-direction SZ> OK] Рис.2.18. Результат расчета напряженного состояния узла после нагрева до температуры 150 градусов: напряжения выросли, поскольку термическое расширение алюминиевых пластин превышает расширение стального болта при нагреве



53 · · ·

2008

finish

Закончить работу в постпроцессоре



54 · · ·

2008

Учебное издание

Ольга Михайловна Огородникова КОНСТРУКЦИОННЫЙ АНАЛИЗ В СРЕДЕ ANSYS

Редактор О. С. Смирнова Компьютерная верстка О. М. Огородниковой

ИД № 06263 от 12.11.2001 г. Подписано в печать 03.11.2004 Бумага писчая Плоская печать Уч.-изд. л. 4,1 Тираж 50 экз. Заказ

Формат 60х84 1/16 Усл. печ. л. 4,12 Цена «С»

Издательство ГОУ ВПО УГТУ-УПИ 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19 Ризография НИЧ ГОУ ВПО УГТУ-УПИ 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19



55 · · ·

2008

Техноцентр компьютерного инжиниринга

Recommend Documents