close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

73.Моделирование колебаний, нагружения и деформирования элементов двигателя под действием газовых, центробежных и силовых нагрузок с использованием CADCAE пакетов

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
П.В. БОНДАРЧУК, Д.П. ДАВЫДОВ, А.С. КОТОВ
Моделирование колебаний, нагружения и
деформирования элементов двигателя под
действием газовых, центробежных и силовых
нагрузок с использованием CAD/CAE пакетов
2010
8
САМАРА
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
имени академика С.П. КОРОЛЕВА»
(НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)
П.В. БОНДАРЧУК, Д.П. ДАВЫДОВ, А.С. КОТОВ
МОДЕЛИРОВАНИЕ КОЛЕБАНИЙ, НАГРУЖЕНИЯ И
ДЕФОРМИРОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ДВИГАТЕЛЯ ПОД ДЕЙСТВИЕМ
ГАЗОВЫХ, ЦЕНТРОБЕЖНЫХ И СИЛОВЫХ НАГРУЗОК С
ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ CAD/CAE ПАКЕТОВ
Учебное пособие
САМАРА
Издательство СГАУ
2010
2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
УДК 621.452.221.3.01(075)
Рецензенты: д-р техн. наук, профессор Фалалеев С.В.
гл. констр. ОАО ”КУЗНЕЦОВ” Кочеров Е.П.
Бондарчук П.В., Давыдов Д.П., Котов А.С.
Ф19 МОДЕЛИРОВАНИЕ КОЛЕБАНИЙ, НАГРУЖЕНИЯ И ДЕФОРМИРОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ
ДВИГАТЕЛЯ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ГАЗОВЫХ, ЦЕНТРОБЕЖНЫХ И СИЛОВЫХ НАГРУЗОК
C ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СAD/CAE ПАКЕТОВ: Учеб. пособие / Сост. П.В Бондарчук, Д.П.
Давыдов, А.С. Котов - Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2010. - 210 с.; 452 ил.
ISBN
В учебном пособии содержатся сведения об использовании программного продукта
Ansys Workbench при создании элементов конструкции газотурбинных двигателей, моделирования
происходящих в них процессов с использованием CAE/CAD – систем. Приведены алгоритмы
создания модели, конечноэлементной сетки, нагружения и анализа результатов.
Учебное пособие предназначено для студентов факультета двигателей летательных
аппаратов, обучающихся по специальности "Авиационные двигатели и энергетические установки".
Подготовлено на кафедре конструкции и проектирования двигателей летательных аппаратов.
УДК 621.452.221.3.01(075)
ISBN
© Самарский государственный
аэрокосмический университет, 2010
3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Содержание
Введение
6
1 Ведение в Ansys Workbench
8
2 Cтатическая прочность
21
3 Расчет устойчивости
35
4 Динамический анализ
43
5 Усталостная прочность
75
6 Расчет деформированного состояния фланцевого соединения с учетом
предварительной затяжки болта
103
7 Проектирование лопатки
124
8 Оптимизация и расчет надежности конструкции
150
9 Связанные газодинамический термический и прочностной расчеты (FSI)
174
10 Термо – структурный расчет
201
4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Введение
Современное направление развития авиадвигателестроения - это постоянное
улучшение удельных показателей, приводящее к росту рабочих параметров. Степень
сжатия в компрессоре, обороты роторов, температура газа за турбиной непрерывно
увеличиваются. Одновременно повышаются требования к надежности проектируемого
двигателя, возрастает ресурс изделия.
Таким
образом,
проектирование
конкурентоспособного
двигателя
является
сложнейшей задачей, в решении которой, нельзя обойтись без расчетных комплексов.
Причем применять их необходимо на самых ранних стадиях проектирования, при
принятии конструкторских решений. Сам конструктор должен принимать деятельное
участие в расчете и оптимизации конструкции. Но в текущей ситуации в конструкторских
отделах не хватает специфических знаний по прочностному анализу, а прочностной отдел
не в силах проделать потребный огромный объем работы.
Выходом является использование Ansys c интерфейсом WorkBench 2.0. Пакет
Ansys фактически является стандартным пакетом для двигателестроителей России и дефакто используется на всех предприятиях. На базе его расчетного ядра существуют два
интерфейса. Один традиционный, развивавшийся с момента появления программы и
интерфейс WorkBench 2.0 (WB) - жестко структурированный пошаговый интерфейс. WB
представляет из себя единую расчетную среду, позволяющую решать прочностные,
термические, газодинамические задачи как по отдельности, так и в совместной
постановке. Вместе с тем пакет легок в освоении и за счет пошагового интерфейса и
инструментов контроля не позволит пользователю допустить грубые ошибки. Кроме того,
пакет имеет интерфейс взаимодействия с основными CAD-программами и читает модели
напрямую из них.
Разработанное методическое пособие по применению этого расчетного комплекса
позволит научиться проводить расчеты деталей ГТД и решать вопросы:
•
Статической и динамической прочности;
•
Устойчивости;
•
Расчета колебаний;
•
•
Термических стационарных и нестационарных расчетов;
Связанных термо-прочностных расчетов;
•
Связанных расчетов прочность-гидрогазодинамика;
•
Расчетов малоцикловой усталости;
•
Расчетов многоцикловой усталости;
•
•
Расчетов надежности конструкции;
Учет различного рода нелинейностей;
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
•
Оптимизация конструкции по выбранным критериям.
В методическом пособии будет дана пошаговая методика работы с комплексом.
Освоение материала даст возможность решать задачи высокого уровня в рамках
обучения в университете. Студенты получат возможность на примерах освоить и
научится:
•
Проектированию элементов подвески двигателя;
•
Расчету устойчивости оболочек;
•
Проектированию дисков ГТД с учетом ползучести и пластичности, расчетом
малоцикловой усталости, расчетом разрушающих оборотов;
•
•
Оптимизации формы диска;
Проектированию лопаток. Построению резонансной диаграммы и отстройке от
опасных частот;
•
Нестационарному расчету корпусных изделий. Получению НДС по режимам работы
•
двигателя;
Расчету болтовых соединений;
•
Расчету усталости.
Получат представление о связанном гидрогазодинамическом и прочностном видах
анализа, анализе надежности, многоцикловой усталости на простых примерах.
6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1 Ведение в Ansys Workbench
Работа с интерфейсом Workbench(WB) имеет некоторые особенности по сравнению
с обычными прочностными пакетами. Сам интерфейс базируется на расчетном ядре Ansys
APDL. Предназначен для пользователей, которым расчет на прочность необходим и
является одним из этапов конструкторской работы. Поэтому, интерфейс простой и
интуитивно понятный, но обуславливающий пошаговую работу с постоянным контролем.
Рассмотрим ключевые этапы создания расчетного проекта. Начинается он с запуска WB.
1.1 Запуск Workbench
Запустить программный комплекс Workbench возможно двумя способами. Первый,
при работе с геометрической моделью, непосредственно из CAD пакета. Ansys, при
установке, встраивает в основные пакеты меню запуска (рисунок 1.1). Нажав на кнопку
Workbench автоматически загружаем текущую модель в Ansys.
Рисунок 1.1 – Интегрированное меню Ansys
Второй способ, через интерфейс Windows, с помощью меню “Пуск” (рисунок 1.2).
Рисунок 1.2 –Запуск Ansys через меню “Пуск”
1.2 Интерфейс Workbench и понятие о схеме проекта
Интерфейс самого WB, представляет из себя меню и два окна: The Toolbox
(панель инструментов) The Project Schematic (схема проекта) (рисунок 1.3).
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Меню
The Toolbox
(Панель инструментов)
The Project Schematic
(Схема проекта)
Рисунок 1.3 – Вид основного интерфейса WB
Первый шаг в формировании проекта это создание его схемы. Схема проекта –
графическое представление формирования расчетной модели,
этапов ее анализа и
взаимосвязей между ними.
Схема формируется с помощью панели инструментов. Панель содержит в себе
четыре группы (рисунок 1.4).
•
Рисунок 1.4 – Четыре группы панели инструментов
Analysis systems - системы анализа, содержит предопределенные расчетные
сценарии;
•
Component systems - компоненты систем, приложения, которые служат для
построения и расширения систем анализа;
•
Custom Systems - предопределенные системы, служат для связанных расчетов
таких как тепловой-прочностной и газодинамический-прочностной.
•
Design Exploration - анализ конструкции – является менеджером параметров и
утилитой обеспечивающей оптимизацию расчетов;
В дальнейшем по мере работы с системой подробно разберем все группы и их
функциональные возможности.
Разберем схему проекта подробнее на примере создания типового проекта
прочностного анализа. В Toolbox развернем первую вкладку - Analysis System и двойным
8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
щелчком ЛКМ (левой кнопкой мыши) на Static Structural поместим данную систему
анализа в схему проекта.
Рисунок 1.5 – Схема проекта статического анализа
На рисунке 1.5 представлен добавленный в схему проект. Проект в виде блока с
номером А содержит части, обозначенные построчно цифрами. 1 – Static Structural
(Ansys): тип анализа блока, 2 - Enginiring Data: задание материалов и их свойств, 3 Geomerty: построение либо импорт геометрии, 4 – Model: получение сетки конечных
элементов, 5 – Setup: задание нагрузок и начальных условий, 6 – Solution: проведение
расчета, 7 – Results: анализ результатов.
Проект можно создать, нажав на нужный вид анализа ЛКМ и не отпуская,
перетащить его на схему анализа (технология drag and drop).
Более сложные проекты создаются из типовых блоков. Между блоками анализа
устанавливаются связи для передачи данных. Некоторые данные могут быть общими для
разных блоков, например геометрия, некоторые последовательно передаются с одного
блока анализа на другой блок анализа. Рассмотрим пример. В случае последовательного
термо-структурного расчета сначала создаем блок термического расчета Steady-State
Thermal, добавляя его из Analysis systems. Затем ЛКМ, не отпуская, перетаскиваем новую
систему анализа, Static-Structural, в окно схемы проекта. Для того, чтобы между
элементами блоков создались связи, подводим (не отпуская!) курсор к существующему
блоку A. Если поместить курсор в любую ячейку блока А, справа от него появляется окно.
При курсоре находящемся в четвертой строке блока A, отображается Share A2:A4
(рисунок 1.6). Это означает, что во вновь образованный расчетный блок B, будут
переданы данные из строк блока A со второй по четвертую. При смешении курсора на
9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
шестую строку добавляется надпись Transfer A6, сигнализирующая о будущей передаче
результатов термического расчета в блок B структурного.
Рисунок 1.6 – Добавление блока статического анализа к блоку термического анализа
Завершив операцию, мы получаем на схеме проекта два блока анализа, которые
связаны между собой (рисунок 1.7).
Рисунок 1.7 – Добавленные связи между блоками анализа
Связи между частями блоков обозначены линиями. При полной передаче данных
линии оканчиваются квадратом, при трансферте данных - окружностью. Таким образом
получаем передачу данных о материалах, геометрии, конечно-элементной модели и
данных решения из блока А в блок B.
Справа от каждой части блока стоит значок - пиктограмма. По этим значкам
отслеживается правильность задания данных и текущее состояние задачи. Расшифровка
пиктограмм приведена ниже.
Невыполнимо - данные отсутствуют;
Внимание – проверить данные в этой, либо
вышележащей ячейке;
Требуется регенерация – данные вышележащей ячейке
изменены;
Требуется обновление – данные вышележащей ячейке
10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
изменены, и выходные данные этой ячейки необходимо
обновить;
Все в порядке – перейти на следующий шаг;
Все в порядке – ячейка ожидает изменения данных в
вышележащих ячейках.
1.3 Задание материалов в Workbench
После создания схемы проекта необходимо работать по строкам блока схемы
проекта (рисунок 1.5). Первая значимая строка имеет номер два и называется Engineering
Data. В ней задаются сведения о всех материалах, используемых в проекте. Свойства
материалов являются неотъемлемой частью любого проекта. Engineering Data можно
вставить в проект отдельным компонентом, но они являются непременной частью любого
расчетного блока (рисунок 1.8).
Рисунок 1.8 – Настройка систем единиц
Запуск внутренней утилиты задания материала производится двойным нажатием
мыши на Engineering Data, либо RMB на Engineering Data и выбрать (рисунок 1.9) в
всплывшем меню Edit.
Рисунок 1.9 – Запуск утилиты Engineering Data
После произведенных действий появится интерфейс задания материала (рисунок
1.10).
11
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Outline Filter
Toolbox
Properties for
material selected
Outline of “Filtered” Materials
Properties of
material selected
above
Property
Chart
Рисунок 1.10 – Запуск утилиты Engineering Data
Тoolbox – панель инструментов, фактически содержит свойства и модели
поведения материалов, которые можно задать. Outline Filter – панель выбора библиотеки
материалов, Outline of “Filtered” Materials – материалы, которые содержит выбранная
библиотека. Properties of material selected above – свойства конкретного материала из
активной библиотеки, Properties for material selected – отдельное отображение данных из
свойств материала, как табличных так и отдельных цифровых значений. Property Chart –
окно графического отображения с свойств материала. Табличные данные отображаются в
виде графиков, отдельные значения точками.
Если необходимо выбрать либо изменить свойства материала, который содержит
библиотека, то выбираем библиотеку, затем материал, затем свойство для редактирования
(рисунок 1.11).
Рисунок 1.11 – Выбор свойств материала для редактирования
12
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Разберем каждую панель интерфейса подробно. Тoolbox – панель с возможными
моделями поведения и свойствами, которые можно использовать для создания модели
поведения материала (рисунок 1.12).
Рисунок 1.12 – Вид Toolbox для инженерных данных
Отображаемые данные фильтруются в зависимости от задачи для которой будет
применятся материал. Все свойства можно увидеть, отжав кнопку фильтр на панели
(рисунок 1.13).
Рисунок 1.13 – Вид Toolbox для инженерных данных
Outline Filter – окно выбора библиотеки материалов (рисунок 1.14). Столбец A
содержит названия библиотек. Строка 2 столбца А - Engineering Data, библиотека
материалов текущего проекта, содержит материалы набранные из других библиотек и
заданные самостоятельно. Строки 3-7 – библиотеки материалов для разных видов анализа.
Favorites – наиболее востребованные материалы. Нажатие на строку Click here to add a new
library, приводит к созданию новой библиотеки в формате XML.
Флажок,
поставленный
в
столбце
B
переводит
библиотеку
в
режим
редактирования, при котором предварительно заданные данные возможно изменять. Это
касается не только материалов входящих в библиотеку, но и свойств каждого материала.
Затем, внеся дополнения и изменения, библиотеку возможно сохранить под своим либо
другим именем. Если библиотека не в режиме редактирования, то единственное, что
можно сделать с материалом – это добавить его в Engineering Data или в Favorites.
Столбец C отвечает за сохранение библиотеки под другим именем. При нажатии на
иконку дискеты, система попросит указать место и имя сохраняемой библиотеки.
Столбец D содержит краткое описание библиотеки.
13
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 1.14 – Outline Filter, библиотеки материалов
Выделение любой из библиотек, приводит к появлению содержимого данной
библиотеки в окне Outline of “Filtered” Materials. Для примера выделим в окне Outline
Filter библиотеку General Materials (рисунок 1.15).
Рисунок 1.15 – Содержание библиотеки Generаl Material материалов
В окне Outline of General Materials столбец A – название материала, столбец B
содержит знак плюс
, нажатие на который добавляет материал в Enginiring Data
проекта. Пиктограмма в столбце C -
, означает, что материал добавлен в Enginiring
Data. Столбец D показывает, какая библиотека содержит данный материал (эта функция
востребована при просмотре Enginiring Data). Столбец E – краткое описание материала.
Выделив материал Structural Steel в строке 12 (рисунок 1.15), посмотрим на окно Properties
of Outline (рисунок 1.16).
14
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 1.16 – Содержание набора свойств для материала Strutural Steel
Столбец A содержит названия физического параметра, а столбец B его значения.
Причем, если значение одно, оно сразу отображается в столбце, если задается таблицей, то
в столбце это обозначено кнопкой
. При нажатии на кнопку отображаются
данные в виде таблицы и графика (рисунок 1.17).
Рисунок 1.17 – Представление табличных данных зависимостей физических свойств
Постановка флажка в столбце D позволяет невостребованные, либо не нужные в
расчете свойства отключить. Постановка флажка в столбце Е позволяет использовать
физическую величину в качестве параметра в модуле Design Explorer при проведении
расчетов оптимизации и надежности.
Все материалы проекта содержатся в вкладке Enginiring Data. Выделив данную
библиотеку в Outline Filter, получим в Outline of Enginiring Data список материалов и, на
последней строке, обозначенной * (рисунок 1.18) Click here to add a new material –
добавление нового материала.
Рисунок 1.18 – Материалы проекта
Нажав на надпись, вводим название нового материала, например stal_3. Затем в
этот материал перетаскиваем с помощью LMB (левой кнопки мыши) необходимые
15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
свойства с окна Toolbox (рисунок 1.19), то есть наводим курсор на необходимое свойство,
нажимаем левую кнопку мыши, не отпуская ее переносим курсор на название нового
материала, отпускаем кнопку мыши. Добавленное свойство немедленно появляется в окне
Properties of Outline, а название материала помечается знаком вопроса
. Это
означает, что необходимо задать конкретные значения для новых физических величин. В
окошке Properties of Outline все ячейки с незаданными данными обозначаются желтым
цветом. Пока они не будут заполнены, система не позволит добавить новое свойство.
Рисунок 1.19 – Добавление свойств в новый материал
Добавление нового материала можно проводить в любую библиотеку, необходимо
только ее разблокировать для редактирования.
Зачастую, в процессе работы с библиотеками и материалами, пользователь
закрывает необходимые окна свойств или преобразует интерфейс так, что в нем
невозможно разобраться. Для возврата к исходному состоянию интерфейса есть кнопка в
меню View - Reset Workspace (рисунок 1.20).
Рисунок 1.20 – Перезагрузка интерфейса
Возврат в схему проекта осуществляется через кнопку Return to Project (рисунок
1.21). Рядом расположены кнопки Refresh Project – обновление входных данных, Update
Project – обновление входных и выходных данных (по сути полное исполнение всех
расчетных этапов проекта).
16
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 1.21 – Возврат к схеме проекта
1.4 Задание параметров геометрической модели в Workbench
После задания материала создается геометрическая модель. Но перед началом
работы с моделью необходимо настроить ее опции. Нажав правой кнопкой мыши на
ячейку А3 блока (Geometry) (рисунок 1.22), вызываем всплывающее меню. В меню
выбираем Propertis и в всплывшей таблице выставляем нужные флажки. Во вкладке Basic
Geometry Options определяем, какая геометрия будет использована твердотельная,
поверхностная, каркасная, будут ли считаны параметры, именованные виды, опции
материала. Вкладка Advanced Geometry Options отвечает за определения типа решаемой
проблемы 2D или 3D, чтение ассоциативности, координатных систем, рабочих точек и так
далее. Причем эти опции относятся как к импортированной геометрии, так и к геометрии
создаваемой средствами Аnsys WB.
Рисунок 1.22 – Настройка опций геометрической модели
1.5 Задание системы единиц в Workbench
Так же, необходимо сразу определится с системой единиц в которой будет
производится работа. Настройка производится в меню Units Ansys WB (рисунок 1.23).
Меню делится на три части. В верхней части можно выбрать одну из активных систем
единиц. В средней части выбираем, каким образом отображаются единицы измерений для
конкретной величины, так как она задана или в системе единиц проекта. Нижняя кнопка
Unit system вызывает меню, в котором можно активировать иную систему единиц из
набора Ansys или создать собственную. Столбец А меню – система единиц, флажок в
17
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
столбце B задает систему в качестве активной для проекта, флажок в столбце C задает
использование системы по умолчанию, флажок в столбце D исключает систему из
рассмотрения в меню Units.
Рисунок 1.23 – Настройка систем единиц
1.6 Файловая структура Workbench, сохранение и архивация проекта
При работе Ansys WB создает файл проекта и привязанную к нему систему
директорий (рисунок 1.24). Модифицировать ее нельзя!
Рисунок 1.24 – Структура каталогов Ansys
Как правило, базы данных и другие файлы Ansys занимают значительное дисковое
пространство, но хорошо сжимаются архиваторами. В Ansys WB появилось внутреннее
средство архивации, доступное из меню File (рисунок 1.25). Причем при архивации
указывается, архивировать ли файлы, содержащие результаты расчета.
18
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 1.25 – Настройка систем единиц
19
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2 Cтатическая прочность
Создадим проект Statiс Structural в схеме проекта. Создадим проект, вытащив
мышью соответствующую систему анализа в схему проекта.
Рисунок 2.1 – Создание схемы проекта
Данные материала изменять не будем, по умолчанию задается материал Struсtural
Steel. Геометрию создадим в модуле Design Modeler. Для этого нажмем правой кнопкой
мыши на строку 3 – Geometry. Нажимаем на кнопку New Geometry.
Рисунок 2.2 – Запуск Design Modeler
Загружается модуль моделирования. Первый шаг моделирования это выбор систем
единиц в которой производится моделирования. Выбираем миллиметры.
Рисунок 2.3 – Выбор системы единиц
Структура Design Modeler представлена на рисунке ниже.
20
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 2.4 – Окно Design Modeler
Tree Outline – дерево модели, как во всех CAD системах. Model View представляет
собой окно моделирования. Моделирование идет снизу вверх, то есть, строится эскиз
(Scetching), затем производится операция с ним (Modeling), приводящая к созданию
модели. Если выделен Modeling, то доступные инструменты представлены на меню
вверху экрана, в виде отдельных иконок, полный же список доступных операций
представлен в пункте меню Create.
Рисунок 2.5 – Операции Design Modeler
При операции со скетчем, необходимо переключить в режим Sketching, При этом
появляется окно операций с эскизом.
21
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 2.6 – Окно операций с эскизом
Draw – черчение, Modify – изменение элементов эскиза, Dimensions – постановка
размеров, Constrains – задание связей и взаимосвязей в эскизе, Settings - установки
привязки к сетке.
В дереве модели выделим плоскость XYPlane.
Рисунок 2.7 – Дерево модели, выделение плоскости
. Будет создан эскиз Scetch1.
Нажмем на кнопку создания эскиза
Рисунок 2.8 – Поворот эскиза параллельно экрану
Чтобы развернуть эскиз параллельно экрану, нажмем на Scetch1 правой
клавишей мыши и меню выберем Look at.
Переключимся в режим Sketching и выберем
, окружность по радиусу и
центру. Нарисуем две концентрические окружности и зададим на них размеры. Включаем
режим Dimensions и задаем диаметральные размеры. Как только установили размер, он
появляется в списке Details View.
22
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 2.9 – Задание размеров на эскизе
Внутренний диаметр делаем равным 20 мм, наружный – 30 мм. Переключаемся в
режим Modeling и нажимаем на кнопку
. Все настройки операции
сосредоточены в Details View.
Выбираем Direction Both - Symmetric, толщину FD1 задаем равной 8 мм.
Рисунок 2.10 – Операция выдавливания
Завершаем операцию нажатием кнопки
. Затем создаем еще один
эскиз, на той же плоскости XYPlane. На эскизе чертим произвольный прямоугольник.
Рисунок 2.11 – Второй эскиз
Затем заходим в режим задания связей Constrains и
горизонтальную
линию
прямоугольника
касательной
делаем верхнюю
к
внутренней
окружности, а точки, принадлежащие к линии, лежащими на наружной окружности
23
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
. Так же задаем размер
равный 40 мм между горизонтальными
линиями.
Рисунок 2.11 – Установка размеров и задание взаимосвязей
Производим операцию Extrude по вышеописанному образцу, с толщиной 5 мм.
Рисунок 2.12 – Результат второй операции
Полученную геометрию необходимо симметрично отобразить. Для этого создаем
вспомогательную плоскость, относительно которой произведем операцию. Команда
находится в меню Create.
Рисунок 2.13 – Создание новой плоскости
Все настройки опять же находятся в Details View. Тип создания выбираем from
Face, затем левой кнопкой мыши кликаем на Base Face в меню и выделяем грань, как на
рисунке.
24
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 2.14 – Задание местоположения плоскости
Любая операция в Design Modeler завершается нажатием кнопки Generate, не
является исключением и эта. Создается плоскость Plane4, которая появляется в дереве
модели.
Производим операцию отражения. Выбираем пункт меню Body Operation.
Рисунок 2.15 – Выбор операции
В меню Details View выбираем тип операции Mirror, Bodies – указываем твердое
тело, Mirror Plane указываем плоскость Plane4, созданную ранее. Ее выбираем в дереве
модели.
Рисунок 2.16 – Настройка отражения
Нажимая на Generate, создаем отражение.
25
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 2.17 – Полученная модель
На полученном теле создаем скругления. Путь выполнения команды Create-Fixed
Radius Blend.
Рисунок 2.18 – Задание скругления
Выделяем места перехода с цилиндрической части на параллелограмм с одной
стороны.
Рисунок 2.19 – Выбор зоны скругления
В Details View FD1 задаем 2 мм. Нажимаем кнопку generate. Такую же операцию
производим с противоположной стороны, задав радиус 1,5 мм. Получили геометрическую
модель элемента подвески.
26
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 2.20 – Готовая модель
Cохраняем проект через меню File – Save Projekt. Закрываем окно Design Modeler и
переходим в окно схемы проекта. Правой кнопкой мыши нажимаем на строку 4 проекта
Model и во всплывающем меню выбираем Edit.
Рисунок 2.21 – Запуск модуля Mechanical
Загружается расчетный модуль Mechanical. В графическом окне модуля можно
видеть созданную геометрическую модель.
Рисунок 2.22 – Модуль Mechanical
27
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Интерфейс Mechanical имеет графическое окно, Outline – дерево проекта, details of
…- индивидуальные настройки выделенного в Outline объекта и верхнее меню.
В расчетном модуле осуществляется анализ модели, который включает в себя
этапы: присваивание конкретного материала на геометрию (Geometry), подготовка сетки
(Mech), задание нагрузок и граничных условий (Static Struсtural, настройку решения и
анализ результатов (Solution). Обратите внимание, что элементы дерева модели имеют
нумерацию A4-A6, отражающую строчки проекта.
Первый шаг – создание сетки. Выделяем в дереве модели Mech. В Details of “Mech”
физику процесса (Physics Preference) оставляем Mechanikal. Это означает генерацию сетки
с учетом того, что модель для прочностного анализа. Включаем алгоритм генерации сетки
Use Advanced Side Function – On:Promoximity and Curvature и Relevance Center ставим
Medium.
Рисунок 2.23 – Установки генерации сетки
После создания установок, производим генерацию сетки. Правой клавишей
нажимаем на Mech и выбираем пункт Generate Mech.
Рисунок 2.24 – Запуск процесса генерации
Качество полученной сетки необходимо проанализировать. Вскрываем вкладку
Statistic в Details of “Mech” и в Mech Metric выбираем Skewness. Это интегральный
показатель, который учитывает отклонение элемента от идеальной формы.
28
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 2.25 – Проверка качества сетки
Так же в статистике можно посмотреть количество узлов и элементов на
полученной сетке.
Зададим силовое воздействие и граничные условия. Выделим правой клавишей
мыши в дереве модели А5 Static Structural. Внешний вид интерфейса немного меняется.
Появляются кнопки Inertial – инерционные нагрузки, Loads – силовые нагрузки, Supports –
граничные условия.
Рисунок 2.26 – Панель Mechanical
Произведем моделирования шарнирного закрепления на одной из внутренних
цилиндрических поверхностей.
Рисунок 2.27 – Задание цилиндрического суппорта
В меню Supports выбираем Cylindrical Support. В Details of ”Cylindrical Support”
качестве места применения указываем внутреннюю поверхность и освобождаем
тангенциальную степень свободы (Tangential Free).
29
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 2.28 – Задание цилиндрического суппорта
Так же добавляем Frictionless Support , на одну из торцовых поверхностей.
Рисунок 2.29 – Задание суппорта по плоскости
На противоположную сторону, на внутреннюю цилиндрическую поверхность
приложим силу 15000 Ньютонов.
Рисунок 2.30 – Задание силы
В Details of ”Force” способ задания силы (Define by) с Vector меняем на Component,
задаем значение по оси расположенной вдоль тяги – 15000 Н.
Рисунок 2.31 – Приложение силы
На этом задание нагрузок закончено. Произведем решение задачи нажатием кнопки
.
30
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Анализ результатов осуществляется в Solution (А6). Выделим эту строку правой
кнопкой. В всплывающем меню выбираем Insert – Stress – Intensity. Intensity – напряжения
по третьей теории прочности.
Рисунок 2.32 – Выбор отображаемого результата
Это действие добавляет соответствующие результаты в дерево проекта. Так же
добавим Insert – Deformation
– Total (суммарные деформации). Для активации
результатов необходимо выделить правой кнопкой любой результат и в всплывшем меню
нажать Evaluаte all Results.
Рисунок 2.33 – Считывание результата
После активации результатов можно просматривать поля напряжений и
деформаций на теле.
Рисунок 2.34 – Поля результатов
Управление видом отображения осуществляется кнопкой
. С помощью нее
можно, в том числе, отображать поля результатов на сетке конечных элементов.
31
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 2.35 – Поля результатов на сетке КЭ
В Ansys Worbench встроено средство дополнительного контроля качества
результатов, основанные на градиенте напряжений внутри отдельных элементов. Этот
элемент называется Convergence (сходимость). Активируется он добавлением к
результату. Выделим Intensity и нажмем на нем правой клавишей мыши Insert –
Convergence.
Рисунок 2.36 – Добавление сходимости
Convergence появляется в дереве проекта. Выделив его мышью, меняем установки
сходимости. Allowable Change – допустимое изменение, меняем на 10 процентов.
Рисунок 2.37 – Изменение процента сходимости
Запускаем повторный расчет. Он идет по следующей схеме: первый расчет, оценка
результата по градиенту внутри элемента, измельчение элементов на которых есть
превышение требований, новый расчет. И так по циклу, пока на всех элементах не будет
выполнен критерий сходимости. Если нажать на Convergence, то в графическом окне
появится таблица исполнения расчетного цикла.
32
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 2.38 – Показатели цикла сходимости
В таблице можно видеть, что расчет прошел в два цикла, отображены изменения
количества элементов и узлов и изменение максимального результата в абсолютных
цифрах и в процентах.
Если отобразить результаты с сеткой конечных элементов, то можно видеть
локальное сгущение сетки.
33
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3 Расчет устойчивости
Расчет устойчивости проведем на примере оболочки. Создадим проект для расчета
в схеме проекта.
Сначала в поле проекта помещаем систему анализа Static Structural. Затем
перетаскиваем на ячейку A6 Solution систему анализа Linear Bukling. Предварительно в
схеме проекта показывается, какие связи будут созданы.
Рисунок 2.1 – Создание схемы проекта
После создания проект должен выглядеть как на рисунке ниже.
Рисунок 2.2 – Проект
Создадим геометрическую модель непосредственно в Worbench. Двойным
щелчком по ячейке А3 Geometry открываем Design Modeler. Выделяем XYPlane и задаем
создание эскиза кнопкой
. На эскизе чертим окружность с центром в глобальной
системе координат диаметром два метра.
34
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 2.3 – Постановка размеров на эскизе
Выдавливаем эскиз операцией Extrude
. В настройках операции меняем
глубину выдавливания FD1 - делаем пять метров, для получения поверхности включаем
опцию As Thin/Surface – Yes, толщины поверхности в обе стороны FD1 и FD2 выставляем
на ноль.
Рисунок 2.4 – Настройка операции выдавливания
Для завершения операции всегда нажимаем кнопку Generate. Создадим фланец
оболочки. Выбираем снова плоскость XYPlane и создаем эскиз. На эскиз чертим фланец с
лыской. Диаметр внутренней окружности совпадает с диаметром оболочки, наружный
диаметр фланца два и три десятых метра, лыска на расстоянии 1,1 метра от оси оболочки.
Рисунок 2.5 – Создание фланца
Завершаем создание эскиза кнопкой Generate. И создаем на нем поверхность,
выполняя команду Concept – Surface from Sketches.
35
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 2.6 – Создание поверхности на основе эскиза
Получаем добавленный к модели фланец.
Рисунок 2.7 – Полученная модель
Отразим симметрично полученную модель. Выполним создание плоскости
отражения. Выделим плоскость XYPlane и выполним команду Create – New Plane.
Рисунок 2.8 – Создание плоскости
В Details View настраиваем параметры создания плоскости. Transform 1 берем Offset
Global Z и расстояние FD1 задаем 5 метров.
Рисунок 2.9 – Настройки создания плоскости
Плоскость отображается в виде триады системы координат.
36
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 2.10 – Вид созданной плоскости
Выполним само отражение командой Create Body Operation.
Рисунок 2.11 – Команда отражения тела
В Details View указываем тип операции Type - Mirror, в качестве объекта отражения
выделяем все тело, плоскость отражения для Mirror Plane берем Plane4.
Рисунок 2.12 – Настройка отражения
Получаем модель оболочки для расчета.
Рисунок 2.13 – Геометрическая модель
Проект сохраняем и закрываем Design Modeler.
Откроем двойным щелчком на ячейке A4 Model утилиту Mechaniсal. Зададим
толщину оболочки 2 мм.
37
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 2.14 – Задание толщины оболочки
Настроим опции генерации конечно-элементной сетки. Выделим в дереве модели
Mesh и в Details of 'Mesh’ значение Relevance Center ставим Medium.
Рисунок 2.15 – Задание опций генерации сетки
Производим генерацию сетки.
Рисунок 2.16 – Генерация сетки
Приложим в виде нагрузки ускорение свободного падения. Выделяем Static
Struktural (A5) и в меню выбираем Insert – Acceleration.
Рисунок 2.17 – Добавление ускорения в проект
В Details of ‘Acceleration’ выбираем задание по компонентам Define By –
Components, Y Component задаем десять метров на секунду в квадрате.
38
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 2.18 – Настройка ускорения
Ограничим перемещения модели в пространстве. Зададим Fixed Support через меню.
Рисунок 2.19 – Добавление фиксированного суппорта
В Details of ‘Fixed Support’ задаем в качестве геометрии Geometry две грани лысок.
Рисунок 2.20 – Настройки фиксированного суппорта
Дополнительно зададим Frictionless Support.
Рисунок 2.21 – Добавление скользящего суппорта
В качестве геометрии указываем две поверхности, моделирующие фланцы.
39
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 2.22 – Настройки скользящего суппорта
Настройка структурного анализа завершена. Настроим расчет устойчивости. В
дереве модели вскрываем вкладку Linear Bukling B5 и выделяем Analysis Settings. В Details of
'Analysis Settings' увеличиваем количество форм Max Modes to Find до пяти.
Рисунок 2.23 – Настройки скользящего суппорта
Производим расчет. Выделяем Solution (B6) и в меню нажимаем Solve.
Рисунок 2.24 – Запуск на решение
Просмотрим результаты расчета. В Tabular Data появилась таблица. Mode означает
номер формы потери устойчивости, Load Multipler – представляет собой коэффициент запаса по
устойчивости относительно текущей нагрузки. Выделим все результаты в таблице, в поле
результатов нажмем правой клавишей мыши и в меню выберем Create Mode Shape Results.
40
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 2.25 – Создание результатов для форм потери устойчивости
В дереве модели появятся результаты перемещений для каждой формы потери
устойчивости. Выделим правой кнопкой мыши один из них и в меню выберем Evaluate All
Result.
Рисунок 2.26 – Считывание результатов
Выделяя результат в дереве модели, получаем отображение формы на экране.
Рисунок 2.27 – Первая форма потери устойчивости
41
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1
4 Динамический анализ
Динамический анализ используется для определения реакции конструкции (в виде
перемещений, деформаций, напряжений и усилий) на действие произвольной нагрузки,
меняющейся во времени таким образом, что приходится
учитывать инерционные
эффекты и процессы рассеяния энергии.
Этот вид анализа гораздо более сложен, чем статический, поэтому, вообще говоря,
необходимо предварять выполнение анализа работой по изучению физики проблемы, что
может существенно сократить затраты инженерного труда и компьютерные ресурсы.
Такая работа может состоять из следующих этапов:
•
анализ более простых моделей (во многих случаях расчетные модели из пружин,
масс и балок оказываются достаточными для получения динамического отклика
сложной конструкции);
•
проведение статического анализа перед введением нелинейностей (иногда можно
убедиться, что в учете нелинейности нет необходимости);
•
выполнение модального анализа для оценки реакции системы и определения шага
решения по времени;
•
использование метода подконструкций для линейных частей системы.
Используются
три
метода
проведения
динамического
анализа:
полный,
сокращенный и метод суперпозиции форм колебаний. Полный метод является наиболее
мощным, так как допускает приложение нагрузок всех видов (в том числе задание
ненулевых перемещений, что рекомендуется делать с осторожностью) и позволяет
включать все виды нелинейностей (пластичность, большие деформации, смещения и т.д.).
Два других метода предполагают постоянство шага по времени в течение всего
переходного процесса и допускают использование нелинейности только в виде элементов
зазора для моделирования простого контакта типа "узел к узлу", но обычно работают
быстрее полного метода.
Точность решения определяется шагом интегрирования: чем меньше шаг, тем
выше точность. Слишком большой шаг приводит к ошибкам, влияющим на отклик
системы на высоких частотах (и, таким образом, на отклик в целом). Чрезмерно малый
шаг приводит к ненужным затратам времени.
При
выборе
оптимального
шага
по
времени
следует
руководствоваться
следующими соображениями:
1. Использовать примерно 20 точек на период наиболее высокой частоты из тех, что
представляют интерес.
42
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2. Шаг по времени должен быть достаточно малым, чтобы с приемлемой точностью
описывать функцию нагружения.
3.
При решении задач контактного взаимодействия шаг решения нужно выбирать
таким образом, чтобы правильно отобразить длительность импульса. Для
минимизации энергетических потерь необходимо разбивать время контакта, по
крайней мере, на 30 интервалов. Если время контакта и соударяющаяся масса
соответственно много меньше общего времени переходного процесса и массы
системы, то число интервалов может быть меньше 30, так как в этом случае потери
энергии незначительны. При использовании сокращенного метода и метода
суперпозиции таких интервалов не должно быть меньше 7, чтобы гарантировать
устойчивость решения.
4. Если представляет интерес распространение волны по конструкции, то на длине
волны должно быть не менее 20 элементов.
В приведенных рекомендациях есть исключения, связанные с изменением
жесткости системы при нагружении.
Использование процедуры автоматического выбора шага дает возможность
программе менять его величину в процессе решения в зависимости от частоты отклика и
влияния нелинейностей, что уменьшает общее число шагов и сберегает ресурсы
компьютера. Тем не менее, в ряде случаев (системы с доминирующим влиянием низких
частот, сейсмическое возбуждение, преобладание кинематического движения над
вибрационным и т.п.) применение этой процедуры не дает преимуществ.
Для
большинства
механических
систем
характерно
затухание
колебаний,
параметры которого должны быть заданы при проведении динамического анализа. В
программе ANSYS могут быть заданы следующие виды демпфирования:
•
альфа- и бета-демпфирование (рэлеевское затухание), когда матрица
демпфирования определяется как сумма произведений матрицы масс и матрицы
жесткости на коэффициенты a и b соответственно;
•
задание коэффициента затухания b как свойства материала конструкции;
•
постоянный коэффициент затухания в виде отношения расчетной величины
демпфирования к критической;
•
модальное демпфирование, т.е. задание различных коэффициентов демпфирования
для разных форм колебаний;
•
с помощью конечных элементов с вязким демпфированием.
43
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2
2.1 Описание задачи
Целью данного исследования является проведение сравнительного анализа
поведения системы «лопатка-замок» при стационарном и нестационарном нагружении.
Под стационарным нагружением будем понимать решение статическая задача при
постоянной во времени нагрузкой.
Под нестационарным нагружением будем понимать изменение нагрузки во
времени по синусоидальному закону.
В
свою
очередь
нестационарное
нагружение
может
быть
силовым
и
кинематическим.
При силовом возбуждении система «лопатка-замок» нагружается переменным во
времени давлением.
При кинематическом возбуждении переменным во времени является положение
заделки – замка.
44
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3
2.2 Построение геометрии
Рассмотрим последовательно этапы построения модели.
№
1
Наименование операции
Рисунок
Запустите Ansys
Workbench
Пуск> Программы> Ansys
12.1> Workbench
2
С
панели
Toolbox
из
раздела Analysis Systems
добавляем в окно проекта
Transient
Structural
(ANSYS).
3
Выберите из меню
Units систему измерений
проекта Si
4
Сохраните
отдельной
проект
папке
в
под
именем Lopatka
5
Создайте
геометрию
модели с помощью Desing
Modeler. Правой кнопки
мыши
вызовите
контекстное меню раздела
Geometry
проекта
и
выберете New Geometry.
45
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6
Задайте
систему
измерений
Unit
из
Use
Project
меню
Tool>
Options
7
В
плоскости
XYPlane
создайте эскиз Scetch1 с
параметрами
согласно
рисунку.
(Размеры
приведены
в
метрах)
8
Создайте
новую
плоскость
Plane4,
отстоящую на расстояние
0,5
м
от
плоскости
XYPlane
Create> New Plane
9
В
плоскости
Plane4
создайте эскиз Scetch2 с
параметрами
согласно
46
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
рисунку.
10
Используя
Skin/Loft
команду
по
эскизам
Scetch1 и Scetch2 создайте
перо лопатки
11
В
плоскости
YZPlane
создайте эскиз Scetch3 с
параметрами
согласно
рисунку.
47
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
12
Используя
команду
Extrude
постройте
хвостовик лопатки.
13
В
плоскости
YZPlane
создайте эскиз Scetch4 с
параметрами
согласно
рисунку.
Наложите
связи
с
необходимые
существующим
эскизом Scetch3 используя
инструменты
Constraints
из меню Scetching
48
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
14
Используя
команду
Extrude постройте замок
лопатки.
Для получения отдельного
тела замка необходимо в
опциях операции Extrude
выставить параметр Add
Frozen.
49
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
15
Используя команду Blend
постройте
скругление
замка с радиусом 1 мм.
16
Построение
геометрии
закончено
Сохраните
проект,
используя команду Save
Project из меню File
17
Закройте
приложение
DesignModeler
50
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4
2.3 Выполнение статического расчета
Для сравнительного анализа проведем предварительный статический расчет. Пусть
на перо лопатки действует внешнее давление.
№
1
Наименование операции
Рисунок
В окно Transient Structural
во
вкладку
Model
вставить Static Structural
(Ansys)
2
Правой
кнопки
вызовите
меню
мыши
контекстное
раздела
Model
проекта и выберете Edit
3
По умолчанию материал
тел - сталь. Убедитесь в
этом,
открыв
вкладку
каждой детали из меню
Geometry
51
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4
Дальнейшие действия будем проводить во вкладке Static Structural
5
Используя команду Fixed
Support вкладки Supports
провести
закрепление
трех поверхностей замка
52
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6
Используя
команду
Frictionless
Support
вкладки Supports провести
закрепление
двух
поверхностей замка
7
Используя
Pressure
команду
вкладки
приложить
Loads
давление
10 000 Па на поверхность
пера лопатки.
8
Обратить
внимание
на
вкладку Connections.
Между
хвостовиком
лопатки
и
замком
автоматически
создана
контактная пара.
По умолчанию установлен
тип
контакта
Bonded
(связанный).
Для
учета
эффектов,
проходящих в замке этот
тип контакта необходимо
изменить на Frictionless
для расчетов без учета
53
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
трения или Frictional для
расчетов с трением.
9
Для
добавления
результатов
вызовите
расчета
контекстное
меню раздела Solution и
выберите
вывод
суммарных перемещений
Insert> Deformation> Total.
Аналогичным
возможно
других
образом
добавление
интересующих
результатов
10
Запустите задачу на
решение
нажав
Solve
кнопку
на
инструментальной
панели.
Просмотр результатов расчетов
54
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
11
Выделите вкладку
Deformation в дереве
проекта. Вывод
суммарных перемещений
в конструкции произойдет
автоматически.
Как видно из рисунка, максимальные перемещения
наблюдаются на перефирии лопатки и составляют
величину 64,8 мм.
Вывод остальных
результатов проводиться
аналогично
12
Статический расчет закончен.
Сохраните проект, используя команду Save Project из меню File.
13
Закройте окно Multiple System
55
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5
2.4 Расчет собственных частот и форм колебаний
Для расчета нестационарных процессов необходимо провести предварительный
анализ частот и форм колебаний исследуемого объекта. Это позволит оценить
жесткостные
характеристики
системы
и
выбрать
шаг
по
времени,
согласно
рекомендациям, изложенным во введении.
№
1
Наименование операции
Рисунок
В окно Transient Structural
во
вкладку
Model
вставить Modal (Ansys)
2
Правой
кнопки
вызовите
меню
мыши
контекстное
раздела
Model
проекта и выберите Edit
3
Дальнейшие
будем
действия
проводить
во
вкладке Modal
56
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4
Используя команду Fixed
Support вкладки Supports
провести
закрепление
трех поверхностей замка
5
Используя
команду
Frictionless
Support
вкладки Supports провести
закрепление
двух
поверхностей замка
6
Выставить на вкладке
Analysis Settings число
рассчитываемых форм
равным 12
7
Для добавления результатов расчета вызовите контекстное меню раздела Solution и
выберите вывод суммарных перемещений Insert> Deformation> Total.
57
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
8
Запустите задачу на
решение
нажав
кнопку
Solve
на
инструментальной панели
Просмотр результатов расчетов
9
Выделите вкладку Total
Deformation
в
проекта.
дереве
Вывод
суммарных перемещений
в конструкции произойдет
автоматически.
Автоматически выводится
низшая по частоте форма
колебаний.
Для вывода отображения
остальных
форм
необходимо
выбрать
номер формы и нажав на
правую клавишу мыши в
контекстном
меню
выбрать
Mode
Create
Shape Results.
10
Как
видно
из
представленного расчета,
низшая
собственная
частота
системы
составляет 14,747 Гц.
58
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
11
Допустим, нас интересуют процессы, с частотами характерными первой низщей форме
колебаний 14,7 Гц. Период таких колебаний составляет 0,06 с.
Ориентировочный размер шага по времени, согласно рекомендациям, определится как
0,06 с / 20 = 0,003 с.
Для отыскания отклика в других частотных диапазонах оценка шага по времени
проводится аналогично.
12
Расчет собственных частот и форм закончен.
Сохраните проект, используя команду Save Project из меню File
13
Закройте окно Multiple System.
59
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6
2.5 Расчет динамического отклика системы при силовом
возбуждении
При статическом расчете при действии давления 10 000 Па максимальный прогиб
периферийного сечения лопатки составил 64 мм. Проведем сравнительный анализ при
циклическом изменении давления по синусоидальному закону при прохождении
резонанса по низшей собственной частоте системы.
№
1
Наименование операции
Правой
кнопки
вызовите
меню
Рисунок
мыши
контекстное
раздела
Model
проекта и выберете Edit
2
Дальнейшие
будем
действия
проводить
во
вкладке Transient (А5)
60
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3
Используя команду Fixed
Support вкладки Supports
провести
закрепление
трех поверхностей замка
4
Используя
команду
Frictionless
Support
вкладки Supports провести
закрепление
двух
поверхностей замка
5
Используя
Pressure
команду
вкладки
Loads
приложить давление на
поверхность пера лопатки.
61
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6
В меню для Pressure 2 во
вкладке
Magnitude
изменить на Function и
ввести следующее:
= 10 000*sin(2*3.14*
*2.2*time*time)
7
Результатом данной операции будет график изменения внешнего давления во времени с
амплитудой 10 000 Па.
8
Настройте параметры анализа на вкладке Analysis Settings.
Согласно предварительной оценке шаг по времени должен быть 0,003 с.
Зададим следующие параметры:
Время в конце шага нагружения (Step End Time): 5 c;
Начальный шаг по времени (Initial Time Step): 0.005 c;
Минимальный шаг по времени (Minimal Time Step): 0.005 c;
Максимальный шаг по времени (Maximal Time Step): 0.01 c.
62
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для добавления результатов расчета
вызовите контекстное меню раздела
Solution и выберите:
суммарных перемещений
•
Insert> Deformation> Total
вывод напряжений вдоль оси
•
Y
Insert> Stress> Normal
вывод перемещений вдоль
•
оси Y
Insert> Deformation> Directional>
8
Запустите
задачу
на
решение нажав кнопку Solve на
инструментальной
Расчет
может
панели.
занять
63
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
значительное время.
Просмотр результатов расчетов
9
Выделите вкладку Total Deformation в дереве проекта. Вывод суммарных перемещений
в конструкции произойдет автоматически.
64
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
10
Выделите вкладку Directional Deformation в дереве проекта. Вывод перемещений вдоль
оси Y произойдет автоматически.
11
Изменение перемещений зависит от частоты приложения нагрузки.
На графике явно наблюдается явление резонанса: совпадание частоты вынуждающей
нагрузки с собственной частотой системы.
На графике четко видны характерные зоны.
Рассмотрим перемещения в дорезонансной и резонансной зонах.
12
Выведите табличные
данные для расчета
суммарных
перемешений в
конструкции нажав
закладку Tabular Data.
Зафиксируйте
максимальное значений
перемещений для
первого периода
колебаний
(Дорезонансная зона).
65
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
(0,34 с – 65,5 мм)
13
Зафиксируйте
максимальное значение
суммарных
перемещений во всем
временном диапазоне.
(3,64 с – 861,6 мм)
14
На дорезонансном режиме масимальные суммарные перемещения составлили 65,5 мм,
что соизмеримо с прогбом при статическом действии нагрузки (64,8 мм).
На резонансе максимальные суммарные перемещения составляют 861,1 мм.
15
Найдите на графике перемещений вдоль оси Y точку со временем 3,64 с (соотвествует
максимальному прогибу)
16
Найдите на графике пермещений вдоль оси Y следующую точку с максимальными
пермещениями.
(точка 3,575 с с амплитудой перемещения вдоль оси Y 858 мм)
17
Рассчитайте период резонансных колебаний.
3,64 - 3,575 = 0,065 с.
Рассчитайте резонансную частоту системы.
1/0,065 с = 15,3 Гц.
66
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Сравните полученные данные с результатами, полученными с расчетом собственных
частот и форм.
18
Расчет динамического отклика системы при силовом возбуждении закончен.
Сохраните проект, используя команду Save Project из меню File
19
Закройте окно Multiple System.
67
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
7
2.6 Расчет динамического отклика системы при
кинематическом возбуждении
Покажем, что значение резонансной частоты не зависит от способа возбуждения.
Для этого проведем расчет при кинематическом возбуждение системы. Переменным во
времени для данного типа анализа является пространственное положение заделки – замка.
Нагружение происходит за счет переменных во времени инерционных сил.
№
Наименование операции
1
В окно Transient Structural
во
вкладку
Рисунок
Model
вставить
Transient
Structural (Ansys)
2
Правой
вызовите
меню
кнопки
мыши
контекстное
раздела
Model
проекта и выберете Edit
68
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3
Дальнейшие
будем
действия
проводить
во
вкладке Transient (D5)
4
Используя
команду
Frictionless
Support
вкладки Supports провести
закрепление
двух
поверхностей замка
5
Используя
команду
Displacement
вкладки
Supports
приложить
основанию
к
замка
перемещение.
В меню для Displacement
во
вкладке
Magnitude
изменить на Function и
ввести следующее:
= 0.001*sin(2*3.14*
*2.2*time*time)
69
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6
Результатом данной операции будет график изменения положения во времени замка с
амплитудой виброперемещения 1 мм.
7
Используя
команду
Frictionless
Support
вкладки Supports провести
закрепление
основания
замка
8
Настройте параметры анализа на вкладке Analysis Settings.
Согласно предварительной оценке, шаг по времени должен быть 0,003 с.
Зададим следующие параметры:
Время в конце шага нагружения (Step End Time): 5 c;
Начальный шаг по времени (Initial Time Step): 0.005 c;
70
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Минимальный шаг по времени (Minimal Time Step): 0.005 c;
Максимальный шаг по времени (Maximal Time Step): 0.01 c.
9
Для добавления результатов расчета
вызовите контекстное меню раздела
Solution и выберите:
•
суммарных перемещений
Insert> Deformation> Directional
В
появившемся
окне
выберите
направление Y.
10
Запустите задачу на решение
нажав
кнопку
Solve
на
инструментальной панели. Расчет
может занять значительное время.
Просмотр результатов расчетов
11
Выделите вкладку Directional Deformation в дереве проекта. Вывод перемещений в
направлении оси Y произойдет автоматически.
71
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
12
Во вкладке Tubular Data найдите
время, соответствующее
максимальной амплитуде
вибросмещения (3,6792 с).
Найдите время с максимальной
соседней амплитудой (3,7463 с)
72
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
13
Рассчитайте период резонансных колебаний.
3,7463 – 3,6792 = 0,067 с.
Рассчитайте резонансную частоту системы.
1/0,067 с = 14,9 Гц.
Сравните полученные данные с результатами, полученными с расчетом собственных
частот и форм.
14
Расчет динамического отклика системы при силовом возбуждении закончен.
Сохраните проект, используя команду Save Project из меню File
15
Закройте окно Multiple System.
73
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
8
9
5 Усталостная прочность
5.1 Расчет многоцикловой прочности шестерни зубчатой
передачи
5.1.1 Построение геометрической и конечно-элементной моделей
Запустите ANSYS Workbench. С панели Toolbox из раздела Analysis Systems
добавьте в окно проекта Static Structural (ANSYS) (Рисунок 5.1).
Рисунок 5.1
Сохраните в отдельной папке проект под именем Gear.
Создадим геометрию модели фланцевого соединения с помощью Desing Modeler.
Правой кнопкой мыши вызовите контекстное меню раздела Geometry проекта и выберите
New Geometry (Рисунок 5.2).
74
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 5.2
В открывшемся окне Desing Modeler установите единицы измерения Millimeter
(Рисунок 5.3).
Рисунок 5.3
Создадим профиль тела шестерни. В окне Tree Outline выберите плоскость XYPlane
и перейдите в закладку Sketching (Рисунок 5.4).
Рисунок 5.4
Установите вид Front view.
С помощью инструмента Circle создайте окружность центр, которой совпадает с
началом системы координат. Создайте размерное ограничение – диаметр окружности
43 мм (Рисунок 5.5).
75
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 5.5
Вытяните тело шестерни на глубину 4 мм с помощью операции Extrude. Нажмите
кнопку Generate (Рисунок 5.6).
Рисунок 5.6
Создадим профиль зуба. Выделите плоскость XYPlane и нажмите кнопку New
Sketch. Выберите в окне Tree Outline эскиз Sketch2 и перейдите в режим редактирования
эскиза. Создайте дугу окружности по трем точкам (Arc by 3 Points) (Рисунок 5.7).
Рисунок 5.7
Сделайте концентричными дугу и окружность D43 мм первого эскиза, с помощью
геометрического ограничения Concentric (Рисунок 5.8).
76
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 5.8
Создайте для дуги диаметральный размер 52 мм (Рисунок 5.9).
Рисунок 5.9
Создадим симметричное ограничение для конечных точек дуги. В разделе
Constraints выберете операцию Symmetry. Выделите ось Y в качестве оси симметрии.
Затем последовательно укажите концы дуги.
Задайте толщину вершины зуба 1.14 мм (Рисунок 5.10).
Рисунок 5.10
Для упрощения профиль боковой поверхности зуба заменим дугой окружности.
Постройте дугу, так чтобы один ее конец лежал на окружности D43, другой совпадал с
концом дуги вершины зуба. Задайте радиус R7.21 (Рисунок 5.11).
77
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 5.11
Аналогично постройте вторую дугу (Рисунок 5.12).
Рисунок 5.12
Примените геометрическое ограничение равенства радиусов (Equal Radius) для дуг
боковых поверхностей, а затем условие симметрии точек в основании зуба относительно
оси Y (Рисунок 5.13).
Рисунок 5.13
Задайте толщину основания зуба 3.74 мм. Соедините точки в основании зуба
прямым отрезком, чтобы получить замкнутый профиль (Рисунок 5.14).
78
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 5.14
Выдавите профиль зуба на 4 мм (Рисунок 5.15).
Рисунок 5.15
Выполните скругление кромок в основании зуба с помощью операции Blend –
Fixed Radius. Выделите кромки и подтвердите выбор в окне Details Veiw. Введите
значение радиуса скругления 0.7 мм. Нажмите кнопку Generate (Рисунок 5.16).
Рисунок 5.16
Создадим круговой массив зубьев. Выполните операцию Pattern из меню Create
(Рисунок 5.17).
79
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 5.17
В окне Details View укажите круговой тип массива (Circular) для параметра Pattern
Type. Выделите пункт Geometry для выбора копируемой геометрии и выберите пять
боковых поверхностей зуба. Подтвердите выбор (Рисунок 5.18).
Рисунок 5.18
Выделите пункт Axis для указания оси. Укажите плоскость ZXPlane в окне Tree
Outline и выберите ось Z. Подтвердите выбор (Рисунок 5.19).
80
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 5.19
Введите число копий 24 в окне параметра FD3 и нажмите кнопку Generate (Рисунок
5.20).
Рисунок 5.20
Выделите плоскость XYPlane и создайте в ней эскиз (New Sketch), состоящий из
двух концентрических окружностей диаметрами 18 мм и 39 мм. Центры окружностей
совпадают с началом системы координат (Рисунок 5.21).
Рисунок 5.21
81
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вырежем внутренний контур шестерни. Запустите операцию Extrude. Укажите тип
операции Cut Material и введите глубину выреза 3 мм. Нажмите кнопку Generate (Рисунок
5.22).
Рисунок 5.22
Выполните скругление кромок внутреннего контура шестерни с помощью
операции Blend – Fixed Radius. Выделите кромки и подтвердите выбор в окне Details
Veiw. Введите значение радиуса скругления 1 мм. Нажмите кнопку Generate (Рисунок
5.23).
Рисунок 5.23
В плоскости XYPlane создайте эскиз центрального отверстия. Диаметр окружности
– 12 мм, центр совпадает с началом системы координат (Рисунок 5.24).
82
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 5.24
Вырежьте центральное отверстие с помощью операции Extrude. Укажите тип
операции Cut Material, тип выреза (Extent Type) – Through All и нажмите кнопку Generate
(Рисунок 5.25).
Рисунок 5.25
Построим вторую часть шестерни с помощью зеркального копирования. Создадим
плоскость симметрии шестерни. Нажмите кнопку New Plane на инструментальной панели
(Рисунок 5.26).
Рисунок 5.26
Установите тип From Face и укажите в качестве базовой грани (Base Face) плоскую
грань шестерни. Подтвердите выбор и нажмите кнопку Generate (Рисунок 5.27).
83
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 5.27
Запустите операцию Body Operation из меню Create для создания зеркальной копии
шестерни (Рисунок 5.28).
Рисунок 5.28
Установите тип операции Mirror, выберите тело для копирования и подтвердите
выбор. Выделите пункт Mirror Plane, укажите созданную плоскость симметрии Plane1 в
окне Tree Outline и нажмите Apply. Нажмите кнопку Generate (Рисунок 5.29).
Рисунок 5.29
84
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для удобства приложения нагрузки рассечем боковые поверхности зубьев. В
плоскости XYPlane создайте эскиз, содержащий окружность диаметром 48 мм с центром в
начале координат (Рисунок 5.30).
Рисунок 5.30
Запустите операцию Extrude. Укажите тип операции Imprint Faces для рассечения
граней, направление рассечение (Direction) – симметрично в обе стороны от профиля
(Both – Symmetric), тип выреза (Extent Type) – Through All и нажмите кнопку Generate
(Рисунок 5.31).
Рисунок 5.31
Сохраните проект и закройте Design Modeler.
Определим свойства материала шестерни при переменных напряжениях. Вызовите
контекстное меню раздела Engineering Data и выберите пункт Edit (Рисунок 5.32).
85
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 5.32
Вызовите контекстное меню текущего материала модели Structural Steel и удалите
его (Рисунок 5.33).
Рисунок 5.33
Добавим из базы модель материала алюминиевого сплава с SN кривыми для
разных коэффициентов асимметрии цикла. В окне Outline Filter выберите библиотеку
General Materials. Затем в Outline of General Materials вызовите контекстное меню
материала Aluminum Alloy и выберите пункт Add to A2: Engineering Data (Рисунок 5.34).
86
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 5.34
Выделите раздел Engineering Data в окне Outline Filter. Вызовите контекстное меню
материала Aluminum Alloy в окне Outline of Schematic A2: Engineering Data и разорвите
связь с исходным материалом в библиотеке с помощью команды Break Link to Source
(Рисунок 5.35).
Рисунок 5.35
Внимательно рассмотрите свойства назначенного материала шестерни. Выберите
раздел Alternating Stress R-ratio, в котором заданы SN кривые алюминиевого сплава для
различных коэффициентов асимметрии цикла. Обратите внимание, что кривые задаются в
табличном виде в окне Table of Properties Row 12: Alternating Stress R-Ratio (Рисунок 5.36).
87
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 5.36
С помощью раздела Life в окне Toolbox можно задать усталостные характеристики
материала вручную. Существует два способа ввода SN кривых: Alternating Stress R-ratio и
Alternating Stress Mean Stress. В первом случае SN кривые задаются для различных
значений коэффициента асимметрии, во втором для различных значений средних
напряжений. Добавление усталостных свойств в модель материала осуществляется через
контекстное меню с помощью команды Include Property (Рисунок 5.37).
Рисунок 5.37
Вернитесь в окно проекта, нажав кнопку Return to Project (.Рисунок 5.38)
88
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 5.38
В окне проекта вызовите контекстное меню пункта Model и загрузите среду
Mechanical (Рисунок 5.39).
Рисунок 5.39
Создадим объемную конечно-элементную сетку болтового соединения.
Увеличьте область зуба направленного вдоль оси Y (Рисунок 5.40).
Рисунок 5.40
Настроим глобальный размер конечного элемента. Выделите раздел Mesh в окне
Outline и раскройте группу Sizing в окне Details of “Mesh”. Задайте параметр Element Size
0,0008 м.
89
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вызовите контекстное меню раздела Mesh и запустите операцию Mapped Face
Meshing для создания упорядоченной сетки конечных элементов на боковых поверхностях
зуба (Рисунок 5.41).
Рисунок 5.41
Выделите боковые поверхности зуба. Для выбора нескольких поверхностей
используйте клавишу Ctrl. Подтвердите выбор объектов (Рисунок 5.42).
Рисунок 5.42
Из контекстного меню раздела Mesh выберите операцию Sizing для определения
размера элементов на поверхностях исследуемого зуба (Рисунок 5.43).
Рисунок 5.43
90
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Выделите те же боковые поверхности зуба и подтвердите выбор. Задайте параметр
Element Size 0,0003 м (Рисунок 5.44).
Рисунок 5.44
Нажмите кнопку Update на инструментальной панели Mesh для создания сетки
конечных элементов (Рисунок 5.45)
Рисунок 5.45
5.1.2 Учет граничных условий и настройка решения
Ограничим перемещения шестерни в осевом и окружном направлениях. Выделите
раздел Static Structural (A5) в окне Outline и вызовите операцию Cylindrical Support из
раздела Supports панели Environment (Рисунок 5.46).
91
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 5.46
Укажите поверхность центрального отверстия и подтвердите выбор в окне Details
of ”Cylindrical Support”. Установите для переменной Radial значение Free, а для
переменных Axial и Tangential – Fixed (Рисунок 5.47).
Рисунок 5.47
Создадим нагрузку на зуб шестерни. Выделите две боковые поверхности
исследуемого зуба и выберите операцию Force из раздела Loads панели Environment
(Рисунок 5.48).
Рисунок 5.48
Установите параметр Define By в положение Components и введите значение силы
вдоль X -1000 Н, вдоль Y -150 Н (Рисунок 5.49).
92
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 5.49
Настроим вывод результатов расчетов. Вызовите контекстное меню раздела
Solution (А6) в окне Outline и выберите вывод суммарных перемещений Insert –
Deformation – Total (Рисунок 5.50).
Рисунок 5.50
Аналогичным образом добавьте вывод эквивалентных напряжений (Рисунок 5.51).
Рисунок 5.51
Вставьте из контекстного меню Solution инструмент обработки результатов
расчетов усталостной прочности Fatigue Tool (Рисунок 5.52).
Рисунок 5.52
Осуществим настройку модуля анализа усталостной прочности. В окне Details of
“Fatigue Tool” задайте значение коэффициента снижения усталостной прочности (Fatigue
Strength Factor (Kf)) 0,8. Выберите отнулевой (Zero-Based) цикл нагружения (Type).
Установите тип анализа (Analysis Type) – многоцикловая усталость (Stress Life). Параметр
Mean Stress Theory (теория средних напряжений) оставьте неизменным (None). В качестве
компонента напряжений (Stress Component), по которому будет проводиться анализ,
выберите Equivalent (Von Mises) (Рисунок 5.53).
93
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 5.53
Добавьте из контекстного меню раздела Fatigue Tool вывод числа циклов до
разрушения (Life) и чувствительности конструкции к усталостной долговечности (Fatigue
Sensitivity) (Рисунок 5.54).
Запустите
задачу
на
Рисунок 5.54
решение. Для этого
нажмите
кнопку
Solve
на
инструментальной панели (Рисунок 5.55).
Рисунок 5.55
94
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5.1.3 Просмотр результатов расчета
Для
просмотра
распределения
суммарных
перемещений
выберите
Total
Deformation в окне Outline (Рисунок 5.56).
Рисунок 5.56
Выберите Equivalent Stress для вывода распределений эквивалентных напряжений
по Мизесу (Рисунок 5.57).
Рисунок 5.57
Из раздела Fatigue Tool выведете распределение числа циклов до разрушения (Life)
в виде контуров (Рисунок 5.58).
95
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 5.58
Если действующие амплитуды напряжений меньше, чем самое низкое значение
амплитуд напряжений заданных в кривых усталости, тогда при выводе результатов будут
использованы значения числа циклов для последней точки SN кривой. Поэтому в данном
примере верхний предел равен 1e8.
Выведите
график
Fatigue
Sensitivity.
Кривая
показывает,
как
изменится
долговечность конструкции при пропорциональном изменении действующих на нее
нагрузок (Рисунок 5.59).
Рисунок 5.59
96
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
10
5.2 Расчет малоцикловой прочности шестерни зубчатой
передачи
Для расчета необходимо задать свойства материалов в малоцикловой области.
Данные свойства задаются в координатах «деформация-число циклов».
Правой кнопкой мыши вызовите контекстное меню раздела Engineering Data
проекта и выберите Edit (Рисунок 5.60).
Рисунок 5.60
В разделе Outline Filter выделите Engineering Data. Затем в разделе Outline of
Schematic A2: Engineering Data выделите Aluminum Alloy. Раскройте вкладку Life,
выберите Strain-Life Parameters. Нажав правую клавишу мышки в контекстном меню
выберите Include Property (Рисунок 5.61).
97
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 5.61
В появившейся вкладке Strain-Life Parameters окна Properties of Оutline Row 3:
Aluminum Alloy (Рисунок 5.62) ввести следующие числовые значения:
Strength Coefficient
Strength Exponent
Ductility Coefficient
Ductility Exponent
4.868E+8 Па
-0.07
0.209
-0.593
Рисунок 5.62
Таким образом задаются параметры кривой усталости в малоцикловой области.
Вернитесь в проект нажав иконку Return to Project (Рисунок 5.63).
Рисунок 5.63
98
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В окне проекта вызовите контекстное меню пункта Model и загрузите среду
Mechanical (Рисунок 5.64).
Рисунок 5.64
Осуществим настройку модуля анализа малоцикловой прочности прочности. В
окне Details of “Fatigue Tool” задайте значение коэффициента снижения усталостной
прочности (Fatigue Strength Factor (Kf)) 0,8. Выберите отнулевой (Zero-Based) цикл
нагружения (Type). Установите коэффициент масштабирования нагрузки (Scale Factor)
равным 2. становите тип анализа (Analysis Type) – малоцикловая усталость (Strain Life).
Параметр Mean Stress Theory (теория средних напряжений) оставьте неизменным (None).
В качестве компонента напряжений (Stress Component), по которому будет проводиться
анализ, выберите Equivalent (Von Mises) (Рисунок 5.65).
99
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 5.65
Добавьте из контекстного меню раздела Fatigue Tool вывод числа циклов до
разрушения (Life) и чувствительности конструкции к усталостной долговечности (Fatigue
Sensitivity) (Рисунок 5.66).
Запустите
задачу
на
Рисунок 5.66
решение. Для этого
нажмите
кнопку
Solve
на
инструментальной панели (Рисунок 5.67).
Рисунок 5.67
100
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5.2.1 Просмотр результатов расчета
Из раздела Fatigue Tool выведете распределение числа циклов до разрушения (Life)
в виде контуров (Рисунок 5.68).
Рисунок 5.68
Если действующие амплитуды деформаций меньше, чем самое низкое значение
амплитуд деформаций заданных в кривой усталости, тогда при выводе результатов будут
использованы значения числа циклов установленное в окне Infinite Life. Поэтому в данном
примере верхний предел равен 1е9.
Выведите
график
Fatigue
Sensitivity.
Кривая
показывает,
как
изменится
долговечность конструкции при пропорциональном изменении действующих на нее
нагрузок (Рисунок 5.69).
Рисунок 5.69
101
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
11
6 Расчет напряженно-деформированного состояния фланцевого
соединения с учетом предварительной затяжки болта
6.1 Построение геометрической и конечно-элементной модели
Запускаем ANSYS Workbench. С панели Toolbox из раздела Analysis Systems
добавляем в окно проекта Static Structural (ANSYS) (Рисунок 6.1).
Рисунок 6.1
Сохраните в отдельной папке проект под именем Flanec.
Создадим геометрию модели фланцевого соединения с помощью Desing Modeler.
Правой кнопки мыши вызовите контекстное меню раздела Geometry проекта и выберете
New Geometry (Рисунок 6.2).
Рисунок 6.2
102
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В открывшемся окне Desing Modeler установите единицы измерения Millimeter
(Рисунок 6.3).
Рисунок 6.3
Создадим профиль сечения элемента фланца. В окне Tree Outline выбираем
плоскость XYPlane и переходим в закладку Sketching (Рисунок 6.4).
Рисунок 6.4
Установите вид Front view.
С помощью инструмента Line закладки Draw в графическом окне создаем
горизонтальную линию, так чтобы левый ее конец располагался на оси Y (Рисунок 6.5).
103
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 6.5
Активируйте раздел Dimensions и с помощью инструмента General поставьте
размерное ограничение, последовательно указывая сначала ось X, затем линию. В окне
Detail View измените значение размера на 200. При необходимости скорректируйте
расположение размера, используя инструмент Move (Рисунок 6.6).
Рисунок 6.6
Вернитесь в раздел Draw и постройте вертикальную линию, совпадающую с осью
Y (Рисунок 6.7).
Рисунок 6.7
Достройте профиль. Затем перейдите в раздел Constrains и задайте геометрическое
ограничение Vertical на короткую линию справа (Рисунок 6.8).
104
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 6.8
В разделе Dimensions выберите функцию отображения размерного числа – Display.
Включите параметр Value и выключите – Name (Рисунок 6.9).
Рисунок 6.9
Используя инструменты раздела Dimensions, задайте размерные ограничения
между элементами профиля (Рисунок 6.10).
Рисунок 6.10
Перейдите в закладку Modeling для выхода из режима редактирования эскиза
(Рисунок 6.11).
105
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 6.11
В силу симметрии конструкции будем моделировать только ее часть. В окне Tree
Outline выберите Sketch1 и вызовите операцию Revolve (Рисунок 6.12).
Рисунок 6.12
Определите настройки операции вращения. В графическом окне укажите ось X в
качестве оси вращения и подтвердите выбор в окне Detail View, нажав кнопку Apply
параметра Axis. Для параметра Direction установите значение Reversed и введите значение
угла 5 (Рисунок 6.13).
Рисунок 6.13
В окне Tree Outline с помощью правой кнопки мыши вызовите контекстное меню
операции Revolve и создайте объемную модель элемента фланца, выбрав Generate
(Рисунок 6.14).
Рисунок 6.14
106
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вызовите с инструментальной панели операцию Blend Fixed Radius и выберите
ребро внутреннего угла (Рисунок 6.15).
Рисунок 6.15
Подтвердите выбор в окне Detail View, нажав кнопку Apply параметра Geometry, и
введите значение радиуса 2 (Рисунок 6.16).
Рисунок 6.16
Нажмите кнопку Generate на панели инструментов для выполнения скругления
(Рисунок 6.17).
Рисунок 6.17
Создадим профиль отверстия во фланце. В окне Tree Outline выберите плоскость
YZPlane и перейдите в закладку Sketching. Установите вид Left view. С помощью
операции Circle постройте окружность, центр которой лежит на ребре, совпадающем с
плоскостью XY (Рисунок 6.18).
107
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 6.18
Задайте два размерных ограничения: диаметр окружности 5 мм и расстояние от
горизонтальной оси эскиза до центра 209.5 мм (Рисунок 6.19).
Рисунок 6.19
Перейдите в закладку Modeling для выхода из режима редактирования эскиза.
Выберите эскиз профиля отверстия Sketch2 в окне Tree Outlline и нажмите кнопку Extrude
на инструментальной панели (Рисунок 6.20).
108
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 6.20
Настройте операцию Extrude (Рисунок 6.21).
Рисунок 6.21
Нажмите кнопку Generate на панели инструментов для выполнения отверстия.
Итак, один элемент фланцевого соединения построен. Для завершения работы над
телом необходимо выполнить операцию Freeze из меню Tools (Рисунок 6.22).
Рисунок 6.22
Создадим ответную часть фланца, зеркальным копированием. Выберите из меню
Create операцию Body Operation (Рисунок 6.23).
109
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 6.23
Укажите в графическом окне тело для копирования и подтвердите выбор в окне
Detail View, нажав кнопку Apply параметра Bodies. Установите значение параметра Type –
Mirror. Задайте плоскость отражения, выделив в окне Tree Outline плоскость YZPlane и
подтвердив выбор, нажатием кнопки Apply параметра Mirror Plane в окне Detail View
(Рисунок 6.24).
Рисунок 6.24
Нажмите кнопку Generate на панели инструментов для создания ответной части
фланца (Рисунок 6.25).
Рисунок 6.25
Построим упрощенную модель болта с гайкой.
Выберите плоскость XYPlane в окне Tree Outline, нажмите кнопку New Sketch на
панели инструментов и перейдите в закладку Sketching. Установите вид Front view
(Рисунок 6.26).
110
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 6.26
Используя инструмент Rectangle, постройте прямоугольник, одна вершина лежит
на вертикальной оси эскиза (Рисунок 6.27).
Постройте
второй
Рисунок 6.27
прямоугольник, так чтобы
одна
вершина
лежала
на
вертикальной оси эскиза, а вторая на линии торца фланца (Рисунок 6.28).
Рисунок 6.28
Перейдите в раздел Modify и с помощью операции Trim обрежьте профиль
(Рисунок 6.29).
111
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 6.29
Создайте размерное ограничение между горизонтальной осью эскиза и осью болта
209.5 мм. Проставьте остальные размеры (Рисунок 6.30).
Рисунок 6.30
Нажмите кнопку Revolve на панели инструментов. Укажите ось болта в качестве
оси вращения и подтвердите выбор в окне Detail view. Установите параметр Direction –
Reversed и введите значение угла 180.
Нажмите кнопку Generate на панели инструментов для создания половины болта.
Используя операцию Body Operation из меню Create постройте вторую половину
болта. В качестве зеркальной плоскости выберите YZPlane. Нажмите кнопку Generate
(Рисунок 6.31).
112
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 6.31
Для учета симметрии конструкции создадим плоскости симметрии.
Выберите из меню Create операцию New Plane (Рисунок 6.32).
Рисунок 6.32
Параметр Type установите From Face, выберите параметр Base Face и укажите
грань. Нажмите Apply, затем Generate (Рисунок 6.33).
Рисунок 6.33
Из меню Tools выберите Symmetry (Рисунок 6.34).
113
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 6.34
В окне Detail View выставите следующие параметры: Model Type – Partial Model,
Number Planes – 2. Выберите пункт Symmetry Plane1, укажите плоскость XYPlane в окне
Tree Outline и подтвердите выбор, нажав Apply. Выберите пункт Symmetry Plane2 и
аналогично укажите плоскость симметрии Plane4. Нажмите кнопку Generate.
Сохраните проект и закройте Design Modeler.
В окне проекта вызовите контекстное меню пункта Model и загрузите среду
Mechanical (Рисунок 6.35).
Рисунок 6.35
Создадим объемную конечно-элементную сетку болтового соединения.
Вызовите контекстное меню раздела Mesh и выберите операцию задания размеров
конечных элементов Sizing (Рисунок 6.36).
114
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 6.36
На инструментальной панели установите фильтр выбора объемных тел и выделите
все тела в графическом окне (Рисунок 6.37).
Рисунок 6.37
Нажмите кнопку Apply для подтверждения выбора объектов в окне Details of ”
Body Sizing” – Sizing. Параметру Element Size присвойте значение 0.002 (Рисунок 6.38).
Рисунок 6.38
Нажмите кнопку Update на инструментальной панели Mesh для создания сетки
конечных элементов (Рисунок 6.39).
Рисунок 6.39
115
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6.2 Учет граничных условий и настройка решения
Осуществим настройку решения. Выберите пункт Analysis Settings в разделе Static
Structural. В окне Details of “Analysis Settings” задайте два шага нагружения для
переменной Number of Steps (Рисунок 6.40).
Рисунок 6.40
Ограничим перемещения болта вдоль оси Y. Вызовите операцию Displacement из
раздела Supports панели Environment (Рисунок 6.41).
Рисунок 6.41
Укажите плоскость симметрии болта и подтвердите выбор геометрии. Для
параметра Y Component введите значение 0 (Рисунок 6.42).
Рисунок 6.42
116
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Добавим жесткое закрепление одного элемента фланца. Вызовите операцию Fixed
Support из раздела Supports панели Environment (Рисунок 6.43).
Рисунок 6.43
Выберите поверхность и подтвердите выбор (Рисунок 6.44).
Рисунок 6.44
Зададим затяжку соединения. Выделите боковую поверхность тела болта и
выберите операцию Bolt Pretension из раздела Loads панели Environment (Рисунок 6.45).
Рисунок 6.45
В окне Tabular Data для первого шага нагружения введите значение усилия затяжки
Preload 1000. На втором шаге в столбце Define By установите Lock для сохранения
условий предварительной затяжки на последующих шагах нагружения (Рисунок 6.46).
117
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 6.46
Создадим растягивающую нагрузку. Выделите торцевую поверхность фланца и
выберите операцию Force из раздела Loads панели Environment (Рисунок 6.47).
Рисунок 6.47
Установите параметр Define By в положение Components и в окне Tabular Data
введите значение 500 для силы вдоль оси X в конце второго шага нагружения (Рисунок
6.48).
Рисунок 6.48
Выполним настройку контактных алгоритмов. Раскройте раздел Connectons в окне
Outline и выделите все контактные пары. В окне Details of “Multiple Selection” поменяйте
тип контакта с неподвижного – Bonded, на контакт с проскальзыванием без трения –
Frictionless (Рисунок 6.49).
118
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 6.49
Настроим вывод результатов расчетов. Вызовите контекстное меню раздела
Solution в окне Outline и выберите вывод суммарных перемещений Insert – Deformation –
Total (Рисунок 6.50).
Рисунок 6.50
Аналогичным образом добавьте вывод эквивалентных напряжений (Рисунок 6.51).
Рисунок 6.51
Вставьте из контекстного меню Solution инструмент вывода результатов
контактных взаимодействий Contact Tool (Рисунок 6.52).
Рисунок 6.52
Добавьте через контекстное меню раздела Contact Tool вывод контактных давлений
(Рисунок 6.53).
119
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 6.53
Укажите контактную поверхность взаимодействия фланцев и подтвердите выбор.
При выделении, используйте инструмент перебора объектов (Рисунок 6.54).
Запустите
задачу
на
Рисунок 6.54
решение. Для этого
нажмите
кнопку
Solve
на
инструментальной панели (Рисунок 6.55).
Рисунок 6.55
4.3 Просмотр результатов расчета
Для просмотра распределения суммарных перемещений в соединении на втором
шаге нагружения в окне Outline выберите Total Deformation (Рисунок 6.56).
Рисунок 6.56
120
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
На панели Results из выпадающего меню установите отображение реального
масштаба деформации (Рисунок 6.57).
Рисунок 6.57
Выберите Equivalent Stress для вывода распределений эквивалентных напряжений
по Мизесу. В окне Graph выберите первый шаг нагружения (Рисунок 6.58).
Для
вывода
результатов
Рисунок 6.58
первого шага нагружения
необходимо
вызвать
контекстное меню и выполнить команду Retrieve This Results (Рисунок 6.59).
Рисунок 6.59
Из раздела Contact Tool выведете распределение контактного давления для первого
шага нагружения (Рисунок 6.60).
Рисунок 6.60
121
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Раскройте раздел Geometry и с помощью операции Hide Body из контекстного
меню скройте тело болта и одного из фланцев (Рисунок 6.61).
Покажите
распределение
Рисунок 6.61
эквивалентных напряжений
для
второго
шага
нагружения. Вызовите контекстное меню цветовой шкалы и выполните команду Adjust to
Visible для ее масштабирования, учитывая только выбранные тела (Рисунок 6.62).
Рисунок 6.62
122
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
12
7 Проектирование лопатки
7.1 Построение геометрической и конечно-элементной моделей
Запустите ANSYS Workbench. С панели Toolbox из раздела Component Systems
добавьте в окно проекта инструмент BlageGen, позволяющий создавать лопаточные
элементы турбомашин (Рисунок 7.1).
Рисунок 7.1
Сохраните проект в отдельной папке под именем Blade.
Создадим геометрическую модель пера компрессорной лопатки. Правой кнопкой
мыши вызовите контекстное меню раздела Blade Design и выберите Edit (Рисунок 7.2).
Рисунок 7.2
В открывшемся окне BladeGen нажмите кнопку New BladeGen File (Рисунок 7.3).
123
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 7.3
Выберите тип проточной части Normal Axial в окне Initial Meridional Configuration
Dialog. Введите координаты точек, определяющих меридиональную проекцию рабочей
лопатки ступени, установите режим создания лопатки Ang/Thk (углы / толщина) и
нажмите OK (Рисунок 7.4).
Рисунок 7.4
В окне Initial Angle / Thickness Dialog введите количество лопаток 50 (# Blades).
Задайте 3 сечения (# Layers) для определения углов (Ang:), толщин (Thk:) и вывода на
экран (Out). Начальные угол установки и толщину профиля оставьте без изменений.
Нажмите OK (Рисунок 7.5).
Рисунок 7.5
Отредактируем меридиональный профиль в левом верхнем окне экрана. Двойным
нажатием левой кнопки мыши вызовите меню редактирования координат втулочной
точки входа. Введите значения (Рисунок 7.6).
124
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 7.6
Вызовите меню редактирования координат периферийной точки входа и задайте
координаты -95, 280 (Рисунок 7.7).
Рисунок 7.7
Аналогично скорректируйте положение точек выхода. Координаты верхней точки
(95,275), нижней – (95,200) (Рисунок 7.8).
Рисунок 7.8
Зададим линейные законы изменения радиусов втулочного и периферийного
сечений. Выделите втулочное сечение лопатки и вызовите контекстное меню. Запустите
операцию преобразования точек сплайна Convert Points to – Spline Curve Points (Рисунок
7.9).
125
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 7.9
В окне Point Count Dialog задайте 2 управляющие точки и нажмите ОК (Рисунок
7.10).
Рисунок 7.10
Аналогично задайте линейный закон изменения радиуса периферийного сечения
(Рисунок 7.11).
Рисунок 7.11
Приступим к определению углов и толщин сечений лопатки. Выделите в окне
редактирования углов маркер втулочного сечения (Рисунок 7.12).
126
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 7.12
Вызовите выпадающее меню окна редактирования углов и установите Theta
Definition для управления кривой изменения угла установки от входной кромки к
выходной (Рисунок 7.13).
Рисунок 7.13
Двойным нажатием левой кнопки мыши вызовите меню редактирования угла
установки на выходе из ступени и введите значение 4 (Рисунок 7.14).
Рисунок 7.14
127
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вызовите контекстное меню окна редактирования углов и установите Beta
Definition для управления кривой углов касательных к средней линии профиля (Рисунок
7.15).
Рисунок 7.15
Еще раз вызовите контекстное меню и выберите команду Theta @ Beginning…
Введите значение угла установки на входе -2. Это приведет к смещению всей кривой
Theta (Рисунок 7.16).
Рисунок 7.16
Это приведет к смещению вниз всей кривой Theta. Из контекстного меню окна
выполните команду Zoom Fit (Рисунок 7.17).
Рисунок 7.17
Зададим линейный закон изменения угла Beta вдоль профиля. Вызовите
контекстное меню окна и запустите операцию преобразования точек сплайна Convert
Points to – Spline Curve Points (Рисунок 7.18).
128
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 7.18
В окне Point Count Dialog задайте 2 управляющие точки и нажмите ОК (Рисунок
7.19).
Рисунок 7.19
Двойным нажатием левой кнопки мыши вызовите меню редактирования угла Beta
на входе. Введите значение угла входа 30 и нажмите ОК (Рисунок 7.20).
Рисунок 7.20
Аналогично для правой точки графика введите значение угла выхода 15 (Рисунок
7.21).
129
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 7.21
Впишите оба графика в размер окна с помощью команды Zoom Fit из контекстного
меню (Рисунок 7.22).
Рисунок 7.22
Определим изменение толщины профиля от входной кромки к выходной. Вызовите
контекстное меню в окне редактирования толщины (правое нижнее окно) и запустите
операцию преобразования точек сплайна Convert Points to – Spline Curve Points (Рисунок
7.23).
130
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 7.23
В окне Point Count Dialog задайте 3 управляющие точки и нажмите ОК (Рисунок
7.24).
Рисунок 7.24
Двойным нажатием левой кнопки мыши вызовите меню редактирования толщины
входной кромки. Введите значение толщины 1.2 и нажмите ОК (Рисунок 7.25).
Рисунок 7.25
Для средней точки кривой задайте толщину 1.7 (Рисунок 7.26).
131
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 7.26
Задайте толщину выходной кромки 0.4 (Рисунок 7.27).
Рисунок 7.27
Выделите в окне редактирования углов маркер среднего сечения (Рисунок 7.28).
Рисунок 7.28
Задайте угол установки на выходе 4 градуса (Рисунок 7.29).
132
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 7.29
Вызовите контекстное меню и установите Beta Definition для управления кривой
Beta. Еще раз вызовите контекстное меню и выберите команду Theta @ Beginning…
Введите значение угла установки на входе -2. Это приведет к смещению всей кривой
Theta.
Вызовите контекстное меню и запустите операцию преобразования точек сплайна
Convert Points to – Spline Curve Points. В окне Point Count Dialog задайте 2 управляющие
точки и нажмите ОК.
Задайте угол входа 45 градусов, а на выходе 25 (Рисунок 7.30).
Рисунок 7.30
Измените кривую толщины среднего профиля так, чтобы толщина входной кромки
была 1 мм, в середине профиля 1.5 мм, а выходной кромки 0.4 мм (Рисунок 7.31).
133
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 7.31
Выделите в окне редактирования углов маркер периферийного сечения.
Аналогично задайте угол установки (Theta) на выходе 4 градуса. Затем вызовите
контекстное меню и установите Beta Definition. Еще раз вызовите контекстное меню и
выберите команду Theta @ Beginning… Введите значение угла установки на входе -2.
Запустите операцию преобразования точек сплайна и задайте угол входа (Beta) 55
градусов, а на выходе 35 (Рисунок 7.32).
Рисунок 7.32
Задайте толщины периферийного сечения: входная кромка – 0.6 мм, середина
профиля – 1 мм, выходная кромка 0.4 мм (Рисунок 7.33).
134
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 7.33
Настроим вид входной и выходной кромок. Выберите из меню Blade команду
Properties (Рисунок 7.34).
Рисунок 7.34
Выберите закладку LE/TE Ellipse и установите эллиптический вид кромок.
Отношения осей эллипса (LE/TE Elliptic Ratio) входной (LE) и выходной кромок (TE) во
втулочном (Hub) и периферийном (Shroud) сечениях оставьте без изменений. Установите
второй тип построения кромок. Нажмите ОК (Рисунок 7.35).
Рисунок 7.35
135
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Нажмите кнопку 3D view для отображения трехмерной модели пера. Для
управления визуализацией используйте контекстное меню (Рисунок 7.36).
Рисунок 7.36
Нажмите кнопку All Replicates в левом нижнем углу для отображения всех лопаток
в ступени (Рисунок 7.37).
Рисунок 7.37
Выполните центрирование сечений: Tools – Stack Blade on Centroid (Рисунок 7.38).
Рисунок 7.38
136
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Закройте окно BladeGen и вернитесь в менеджер проекта.
Настроим модель пера. Выделите пункт Blade Design и в окне Properties of
Schematic A2: Blade Design выберите направление вытягивания пера (Blade Loft Direction)
– по направлению закрутки (Spanwise). Снимите галочку напротив Create Fluid Zone,
чтобы не создавать межлопаточный канал (Рисунок 7.39).
Рисунок 7.39
Выполним статический расчет. Из раздела Analysis Systems окна Toolbox левой
кнопкой мыши возьмите пункт Static Structural (ANSYS) и наведите на Blade Design в окне
проекта (Рисунок 7.40).
Рисунок 7.40
Запустите Design Modeler. Вызовите контекстное меню пункта Geometry и
выберите Edit (Рисунок 7.41).
137
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 7.41
Используя инструменты моделировщика, можно достроить такие элементы
лопатки, как хвостовик, трактовая полка, антивибрационная и бандажная полки и т.п.
Сохраните проект и вернитесь в окно менеджера проекта.
Вызовите контекстное меню пункта Model и загрузите среду Mechanical (Рисунок
7.42).
Рисунок 7.42
Создадим объемную конечно-элементную сетку пера лопатки.
Выделите раздел Mesh в окне Outline и раскройте группу Sizing в окне Details of
“Mesh”. Установите для параметра Use Advanced Size Function – On: Curvature. Задайте
параметр Max Face Size – 0,002 (Рисунок 7.43).
Рисунок 7.43
138
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Из контекстного меню раздела Mesh выберите операцию Sizing для определения
размера элементов на поверхности втулочного сечения (Рисунок 7.44).
Рисунок 7.44
Выделите поверхность втулочного сечения пера и подтвердите выбор. Задайте
параметр Element Size 0,0008 м (Рисунок 7.45).
Рисунок 7.45
Из контекстного меню раздела Mesh запустите команду Method для настройки
вытягивания (вдоль оси лопатки) сетки конечных элементов (Рисунок 7.46).
Рисунок 7.46
139
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Выберите тело пера и подтвердите выбор. Укажите метод (Method) – вытяжка
(Sweep) (Рисунок 7.47).
Рисунок 7.47
Нажмите кнопку Update на инструментальной панели Mesh для создания сетки
конечных элементов (Рисунок 7.48).
Рисунок 7.48
7.2 Учет граничных условий и настройка решения статического
расчета
Запретим перемещения втулочного сечения лопатки. Выделите раздел Static
Structural в окне Outline и вызовите операцию Fixed Support из раздела Supports панели
Environment (Рисунок 7.49).
140
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 7.49
Выделите втулочное сечение и подтвердите выбор.
Нагрузим перо лопатки центробежной и газовой силами. Выберите операцию
Rotational Velocity из раздела Inertial панели Environment (Рисунок 7.50).
Рисунок 7.50
Установите параметр Define By в положение Components и введите значение
угловой скорости относительно Z 700 рад/с (Рисунок 7.51).
Рисунок 7.51
Выберите операцию Pressure из раздела Loads панели Environment для приложения
давления на корытце пера. Для простоты будем прикладывать равномерное давление
(Рисунок 7.52).
141
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 7.52
Выделите поверхность корытца и подтвердите выбор. Задайте величину давления
(Magnitude) 25000 Па (Рисунок 7.53).
Рисунок 7.53
Для приложения распределения давления по перу лопатки, как результат
газодинамического расчета существует операция Fluid Structural Interface (Рисунок 7.54).
Рисунок 7.54
Настроим вывод результатов расчетов. Вызовите контекстное меню раздела
Solution в окне Outline и выберите вывод суммарных перемещений Insert – Deformation –
Total (Рисунок 7.55).
Рисунок 7.55
142
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Аналогичным образом добавьте вывод эквивалентных напряжений (Рисунок 7.56).
Рисунок 7.56
Выполните расчет.
7.3 Просмотр результатов статического расчета
Для
просмотра
распределения
суммарных
перемещений
выберите
Total
Deformation в окне Outline. Включите отображение недеформированной модели. На
панели Results нажмите кнопку Edge и выберите пункт Show Undeformed Model (Рисунок
7.57).
Рисунок 7.57
Выберите Equivalent Stress для вывода распределений эквивалентных напряжений
по Мизесу (Рисунок 7.58).
143
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 7.58
7.4 Настройка решения модального расчета
При построении резонансной диаграммы лопатки необходимо учитывать эффект
влияния нагружения лопатки на собственные частоты и формы колебаний. Рассчитаем
первые шесть собственных частот и форм колебаний лопатки, находящейся в поле
действия центробежных и газовых сил.
Откройте окно менеджера проекта и через контекстное меню раздела Solution
добавьте связанный модальный расчет (Transfer Data To New – Modal (ANSYS)) (Рисунок
7.59).
Рисунок 7.59
Вернитесь в окно среды Mechanical. Выделите пункт Analysis Settings раздела
Modal и задайте число рассчитываемых собственных частот и форм колебаний (Max
Modes to Find) равное 6 (Рисунок 7.60).
144
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 7.60
Вызовите контекстное меню раздела Solution раздела Modal и выберите вывод
суммарных перемещений Insert – Deformation – Total (Рисунок 7.61).
Рисунок 7.61
Выполните расчет собственных частот.
7.5 Просмотр результатов модального расчета
Выберите Total Deformation раздела Modal для вывода первой формы колебаний.
Значения рассчитанных собственных частот колебаний представлены в таблице в окне
Tabular Data. Для анимации формы колебаний нажмите кнопку Play (Рисунок 7.62).
145
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 7.62
В окне Details of “Total Deformation” задайте параметр Mode равный 2 для вывода
второй формы колебаний. Вызовите контекстное меню пункта Total Deformation и
пересчитайте смещения (Retrieve This Results) (Рисунок 7.63).
Рисунок 7.63
Аналогичным образом просмотрите все рассчитанные формы (Рисунок 7.64).
146
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 7.64
Описанная модель позволяет осуществлять проектирование лопатки, изменяя
исходные параметры в модуле BladeGen. Последовательность проектировочного расчета
лопатки рабочего колеса выглядит следующим образом.
1) Анализ условий работы лопатки.
2) Выбор модели материала.
3) Построение параметрической КЭ модели лопатки.
4) Проектирование лопатки из условия обеспечения прочности по несущей
способности при минимальной массе лопатки. Лопатка нагружается только
центробежными силами.
• расчет на прочность исходной конструкции лопатки, рассчитываются
напряжения по сечениям, результаты сводятся в таблицу;
• рассчитываются запасы прочности по несущей способности в каждом
сечении;
• выводы по результатам расчета о прочности и массе;
• последовательный многократный расчет лопатки на прочность с
изменением профилей до достижения во всех сечениях условия –
коэффициент запаса по несущей способности Кb ≥ 2. При изменении
профиля сечения сохраняется неизменной форма срединной линии и
относительная толщина профиля;
• рассчитываются запасы прочности и масса.
147
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5) Проектирование лопатки из условия обеспечения местной прочности.
• расчет газовой нагрузки;
• расчет лопатки на изгиб от действия только газовых сил;
• сравнительная оценка напряжений растяжения и изгиба;
• выполняется расчет на растяжение и изгиб. Определяется сечение с
наибольшими суммарными напряжениями;
• проектировочный расчет лопатки на местную прочность. Многократный
расчет при последовательном увеличении линейно изменяющихся по
высоте лопатки выносов центров тяжести сечений до полной
компенсации напряжений изгиба в опасном сечении. Коэффициент
запаса по местной прочности Кm ≥ 1.8;
• выводы о местной прочности лопатки.
6) Расчет рабочего колеса на колебания.
• построение резонансной диаграммы рабочего колеса;
• исследование влияния толщин профилей на собственную частоту
первой изгибной формы;
• частотная отстройка.
7) Окончательный расчет лопатки на прочность.
148
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
13
8 Оптимизация и расчет надежности конструкции
14
8.1 Описание задачи
Целью данного исследования является сравнительный расчет напряженного
состояния модельного диска в осесимметричной постановке с упругой и упругопластической формулировкой материала.
Показана возможность параметризации модели с дальнейшей оптимизации
конструкции по выбранным критериям.
15
8.2 Построение геометрии
Рассмотрим последовательно этапы построения модели.
№
1
Наименование операции
Рисунок
Запустите Ansys
Workbench
Пуск> Программы> Ansys
12.1> Workbench
2
С
панели
Toolbox
из
раздела Analysis Systems
добавляем в окно проекта
Static Structural (ANSYS).
149
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3
Выберите из меню
Units систему измерений
проекта Si
4
Сохраните
проект
отдельной
папке
в
под
именем Disk_01
5
Правой
кнопки
вызовите
мыши
контекстное
меню раздела Geometry
проекта
и
выберете
Properties
6
Измените
значение
вкладки Analysis Type на
значение 2D.
Важно
сделать
данную
установку до построения
модели, так как от этого
будет
зависеть
формулировка
выбираемого
элемента.
конечного
После
построение
модели,
изменить
данную
настройку
будет
невозможно.
150
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
7
Создайте
геометрию
модели с помощью Desing
Modeler. Правой кнопки
мыши
вызовите
контекстное меню раздела
Geometry
проекта
и
выберете New Geometry.
8
Задайте
систему
измерений
Unit
из
Use
Project
меню
Tool>
Options
9
В
плоскости
XYPlane
создайте эскиз Scetch1 с
параметрами
согласно
рисунку.
(Размеры
приведены
в
метрах)
Обратите внимание, ось вращения диска совпадает с осью
Y глобальной системы координат
151
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
10
Используя
команду
Surface From Sketches из
вкладки Concept создайте
сечение диска.
11
Построение геометрии закончено.
Сохраните проект, используя команду Save Project из меню File
12
Закройте приложение DesignModeler
152
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
16
8.3 Выполнение расчета с упругой моделью материала
Проведем расчет диска с упругой моделью материала.
№
1
Рисунок
Наименование операции
Правой
кнопки
вызовите
меню
мыши
контекстное
раздела
Model
проекта и выберете Edit
2
По умолчанию материал сталь. Убедитесь в этом,
открыв вкладку детали из
меню Geometry.
По
используется
умолчанию
сталь
с
упругими свойствами.
153
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3
Выделите
Geometry
вкладку
и
выставите
значение 2D Behavior на
Axisymmetric.
4
Дальнейшие действия будем проводить во вкладке Static Structural
154
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5
Используя
команду
Rotational
Velocity
вкладки Inertial
задать
скорость вращения диска.
6
Пусть скорость вращения
прикладывается вдоль оси
Y, зависит от времени и
достигает
в
временного
конце
интервала
значение 2000 рад/с.
Нажав правой клавишей
мыши вкладки Rotational
Velocity
в
Component
значение
окошке
Y
изменить
Constant
на
Function.
Введите в поле выражение
= 1000*time.
7
Настройте параметры анализа на вкладке Analysis Settings.
155
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Зададим следующие параметры:
Время в конце шага нагружения (Step End Time): 2 c;
Обоатите внимание. В окне Weak Springs установлено значение Program Controled для
автоматического выбора жесткостных характеристик удерживаюших пружин.
8
Для
добавления
результатов
вызовите
расчета
контекстное
меню раздела Solution и
выберите
вывод
эквивалентных
упругих
деформаций
Strain>
Insert>
Equivalent
(von
Mizes).
Аналогичным
образом
добавьте вывод:
• Эквивалентных
пластических
деформаций;
• Нормальных
напряжений вдоль оси Z
(окружные напряжения)
• Эквивалентных
напряжений по Мизесу.
156
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
9
Запустите задачу на
решение
нажав
кнопку
Solve
на
инструментальной
панели.
Просмотр результатов расчетов
10
Выделите вкладку Normal
Stress в дереве проекта.
Вывод напряжений вдоль
оси Z (окружные
напряжения) произойдет
автоматически.
Как видно из рисунка, максимальные окружные
Вывод остальных
напряжения составляют 700 МПа.
результатов проводиться
аналогично.
11
Статический расчет закончен.
Сохраните проект, используя команду Save Project из меню File.
12
Закройте окно Multiple System
157
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
17
8.4 Выполнение расчета с упруго-пластической моделью
материала
Проведем расчет диска с упруго-пластической моделью материала.
№
1
Наименование операции
Правой
кнопки
вызовите
Рисунок
мыши
контекстное
меню раздела Engineering
Data и выберете Edit
2
Во вкладке Outline Filter
выбрать
General
Non-
Linear Materials.
В открывшейся вкладке
Outline of General Nonlinear
Materials
нажав
иконку с «+» добавить в
модель материал Structural
Steel NL.
158
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3
Вернитесь
на
вкладку
Engineering
Убедитесь
Data.
в
том,
что
новый материал добавлен
Structural Steel NL.
4
Убедитесь,
что
добавленная
модель
материала
обладает
свойствами
в
пластической области.
Предел
текучести
составляет
2,5Е+8
тангенциальный
Па,
модуль
1.45Е+9 Па.
5
Для
выбранного
материала
используется
билинейная
деформирования
кривая
с
изотропным упрочнением.
Доступны так же другие
модели
для
упруго-
пластических материалов.
159
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6
Нажмите иконку Return to
Project
для
выхода
из
модуля Engineering Data.
7
Правой
кнопки
вызовите
меню
мыши
контекстное
раздела
Model
проекта и выберете Edit
8
Выделите
тело
Surface
Body.
Замените
используемый
материал
Structural
Steel
на
Structural Steel NL.
Теперь
в
расчете
используется
упруго-
пластический материал.
9
Граничные условия, параметры вывода и нагрузки определены при расчете диска с
упругим материалом.
160
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
10
Запустите задачу на
решение
нажав
кнопку
Solve
на
инструментальной
панели.
Просмотр результатов расчетов
11
Выделите вкладку Normal
Stress в дереве проекта.
Вывод напряжений вдоль
оси Z (окружные
напряжения) произойдет
автоматически.
Как видно из рисунка, максимальные окружные
напряжения составляют 441 МПа.
Сравните напряжения, полученные при расчете диска с
упругой моделью материала.
Вывод остальных
результатов проводиться
аналогично.
12
Статический расчет закончен.
Сохраните проект, используя команду Save Project из меню File.
13
Закройте окно Multiple System
161
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
18
8.5 Оптимизация геометрии диска и расчет надежности
Проведем оптимизацию диска.
1
Правой
кнопки
мыши
вызовите контекстное меню
раздела Geometry проекта и
выберете Edit.
2
Перейдите
в
эскиз
поперечного сечения диска.
Установите
напротив
значениями
значок
размеров,
которых
требуется управлять.
3
«D»
Для представленного расчета выбраны размеры L1, L3 и
L6 в размеров, по которым будет проводиться
оптимизация.
Сохраните проект, используя команду Save Project из меню File.
Закройте приложение DesignModeler.
162
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4
Правой
кнопки
мыши
вызовите контекстное меню
раздела
Model
проекта
и
выберете Edit
5
Выведите
распределение
окружных напряжений.
Во вкладке Results в окошке
Maximum установите значок
«P».
Таким
образом,
первая
создана
результирующая
переменная,
будет
по
которой
проводится
оптимизация.
163
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6
Выведите
распределение
эквивалентных напряжений.
Во вкладке Results в окошке
Maximum установите значок
«P».
Таким
образом,
вторая
создана
результирующая
переменная,
будет
по
которой
проводится
оптимизация.
7
Сохраните проект, используя команду Save Project из меню File.
Закройте приложение Model.
8
Обратите внимание, в
проекте появилась новая
вкладка Parameters.
Откройте ее дважды нажав
клавишу мыши или из
контекстного меню выберите
Edit.
164
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
9
Убедись, что в Input
Parameters (Входные
параметры) имеются
значения выбранных ранее
размеров.
Во вкладке в Output
Parameters (Выходные
параметры) указаны
окружные и эквивалентные
напряжения.
В окне Parameter Name
возможно присвоить им
новые имена.
10
Выберите Return to Project
для возврата в меню проекта.
11
Вставьте в окно под
Parameter set из меню Design
Exploration вкладку Goal
Driven Optimization
165
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
12
Для Desing Experiments
выберите Edit.
13
Отредактируйте диапазон
варьируемых параметров
каждой переменной в окнах
Lower Bound (нижний
предел) и Upper Bound
(верхний предел).
14
Нажмите иконку Preview
Design of Experiments для
расчета количества
потребных численных
исследований.
Проанализируйте
15
предлагаемые варианты
конструкции диска.
Убедитесь, что напряжения
для предлагаемых
конструкций не рассчитаны.
166
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
16
Нажмите Update All Design
Points.
Проводится расчет
максимальных значений
окружных и эквивалентных
напряжений для
предложенных вариантов
конструкции.
Расчет может занять
значительное время.
17
Убедитесь, что напряжения
для предлагаемых
конструкций рассчитаны.
18
Сохраните проект, используя команду Save Project из меню File.
Выберите Return to Project для возврата в меню проекта.
19
В контекстном меню Response
Surface выберите Edit
167
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
20
Нажав иконку Refresh Project
обновите проект.
Постройте поверхность
распределения напряжений в
зависимости от выбранных
параметров.
Например, зависимость
максимума окружных
напряжений от толщины
втулочного сечения и радиуса
внутреннего отверстия диска.
Есть возможность
проанализировать другие
параметры.
21
Сохраните проект, используя команду Save Project из меню File.
Выберите Return to Project для возврата в меню проекта.
22
В контекстном меню
Optimization выберите Edit
23
Настройте параметры
оптимизации:
Минимизировать окружные
напряжения (Normal Stress
Maximum – Minimize) с
приоритетом Higher;
Минимизировать
эквивалентные напряжения
(Equivalent Stress Maximum –
168
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Minimize) с приоритетом
Default.
24
Нажмите иконку Update Project
25
Выберите закладку Samples
Убедитесь, что предложенные
варианты действительно
имеют минимум окружных и
эквивалентных напряжений.
26
Сохраните проект, используя команду Save Project из меню File.
Выберите Return to Project для возврата в меню проекта.
27
Выберите один из
предлагаемых вариантов.
В контекстном меню выберите
Insert as Design Points.
28
Откройте вкладку Parameters.
Убедитесь, что появилась
новая точка с
оптимизированными
параметрами по напряжениям.
169
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
29
Чтобы сделать эту точку
текущей для конструкции
диска выберите Copy inputs to
Current
30
Сохраните проект, используя команду Save Project из меню File.
Выберите Return to Project для возврата в меню проекта.
31
Перейдите в раздел Design
Modeler и убедитесь, что
оптимизированные параметры
применены к конструкции
диска.
32
Перейдите в раздел Model и
убедитесь, что обновлены
значения результирующих
параметров.
33
Оптимизация конструкции диска закончена.
Сохраните проект, используя команду Save Project из меню File.
170
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
34
Добавим
в
проект
расчет надежности Six
Sigma
из
Design
Exploration.
35
В Design of Experiments
для каждого параметра
задаем
размер
номинальный
и
отклонение
(используем
симметричное
допуска).
поле
Так
задается
же
закон
распределения
параметра внутри поля
допуска.
36
Для
проекта
надежности
расчета
строим
поверхность отклика. В
качестве
целевой
функции
используем
Максимальные
напряжения.
171
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
37
В
проекте
Update
Analysis.
нажимаем
Six
Sigma
Получаем
вероятностную
характеристику целевой
функции.
172
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
9 Связанные газодинамический термический и прочностной
расчеты (FSI)
Необходимо рассчитать Т-образный патрубок. В один конец патрубка втекает
горячая вода, в другой холодная. Вода смешивается и поступает на выход. На патрубке
мы имеем неравномерное поле температур и давлений. Дополнительно на патрубок
действуют силовые факторы. Проведем связанный расчет FSI расчет. Он заключается в
последовательном проведении газодинамического, теплового и структурного анализа.
Сформируем проект в Ansys Workbench. В поле схемы проекта помещаем Fluid
Flow (CFX). Берем проект Steady-State Thermal (Ansys) и помещаем его на ячейку A5
проекта CFX. На появившемся окне показывается, данные из каких ячеек будут
передаваться из проекта в проект.
Рисунок 9.1 Подготовка схемы проекта
Таким же образом берется проект Static Structural (Ansys) и перетаскивается на
кнопку B6 Steady-State Thermal. Также организовываем передачу давления из CFX в
прочностной проект. Нажимаем левой клавишей мыши на ячейку А5 и не отпуская
переносим курсор на ячейку С5. Формирование схемы проекта завершено.
Рисунок 9.2 Схема проекта
173
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Геометрию для расчета сформируем внутренними средствами, через Design
Modeler. Двойным щелчком по кнопке А2 запустим приложение. Выберем систему
единиц - миллиметры, в которой будем работать.
Рисунок 9.3 Выбор системы единиц
На плоскости XYPlane создадим эскиз из двух концентричных окружностей.
Размер D1 равен 50 мм, размер D2 равен 40 мм. После каждой операции для ее
завершения нажимаем кнопку
.
Рисунок 9.4 Размеры ескиза
Операцией
выдавим скетч. Параметры операции: Direction Both-
Asymmetric, расстояние FD1 равно 250 мм, расстояние FD2 равно 150 мм.
174
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 9.5 Настройки операции
Создадим
вспомогательную
плоскость
для
выдавливания
патрубка.
Выделяем плоскость XZPlane и выполняем команду Create-New Plane. Смещение
(Transform 1) выбираем Offset Z, величина смещения FD1 равна 150 мм.
Рисунок 9.6 Настройка смещенияплоскости
На плоскости создаем эскиз с концентричными окружностями диаметра 40 и 50 мм.
Окружности привязываем к системе координат.
175
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 9.7 Задание размеров на эскизе
Полученный эскиз выдавливается до поверхности уже полученной трубы.
Опции операции: Operation – Add Material, Direction – Reversed, Extend Type – To Surface.
Рисунок 9.8 Операция выдавливания
На соединении труб получили лишнюю стенку. Уберем ее. Для этого создадим
эскиз на плоскости Plane4. Нарисуем окружность совпадающую с внутренним диаметром
трубы.
Рисунок 9.9 Настройки эскиза
Эскиз выдавим внутрь тела с опциями: Operation – Cut Material, Direction Reversed,
расстояние FD1 равно 150 мм.
176
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 9.10 Операция выреза
В месте приварки труб моделируем усиление сварного шва, задав радиус
скругления. Команда Create-Fixed Radius Blend, радиус FD1 задаем равным 5
милиметров.
Рисунок 9.11 Построение скруглений
Твердое тело для анализа сформировано. Необходимо задать область жидкости.
На плоскости XYPlane создаем эскиз. На эскиз чертим окружность, совпадающую с
внутренним диаметром трубы.
Рисунок 9.12 Построение эскиза
Выдавливаем эскиз с опциями: Operation – Add Frozen, Direction Both-Asymmetric,
расстояние FD1 равно 250 мм, FD2 равно 150 мм.
177
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 9.13 Настройки выдавливания
Создаем эскиз на плоскости Plane 4, чертим окружность, совпадающую с
внутренним диаметром трубы.
Рисунок 9.14 Построение эскиза
Выдавливаем эскиз с опциями Operation – Add Frozen, Direction Both-Reversed,
расстояние FD1 равно 150 мм.
Рисунок 9.15Настройки выдавливания
Геометрическое место потока состоит из двух отдельных тел, объединяем их
командой Create – Boolean, указываем два тела, относящиеся к потоку.
В дереве модели выделяем тело – модель жидкости. Его формулировку меняем на
Fluid.
178
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 9.16 Готовая модель
Сохраняем проект под именем FSI.
Произведем двойной щелчок мышью на ячейке А3 Mech. Загрузится утилита
Meshing, в ней мы подготовим модель, создав именованные виды для приложения
граничных условий и сформируем конечно-элементную сетку для газодинамического
анализа. Создадим ряд именованных видов. Именованный вид -
Named Selection
создается по алгоритму – выделяем нужный объект мышью (с использованием фильтров
выбора), затем в поле объекта нажимаем правую клавишу мыши, в всплывшем меню
выбираем Create Named Selection.
Рисунок 9.17 Создание именованных видов
Объем трубы назовем Solid, объем жидкости назовем Fluid, наружную поверхность
трубы (без торцев) – Convection, внутреннюю поверхность трубы – FSI_Solid, наружную
поверхность жидкости FSI_fluid, два торца трубы называем Wall_hot и Wall_cold.
179
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 9.18 – Торцы входов
Торцы жидкости назовем Inlet_hot, Inlet_cold, Outlet.
Рисунок 9.19 Виды для граничных условий на жидкости
В дереве модели, в Geometry, соответствующие тела переименовываем на Solid и
Fluid.
В дереве модели выделяем Mesh и в Details of “Mesh” выставляем опции: Physics
Preference – CFD, Solver Preference – CFX, Relevance Center – Medium.
Рисунок 9.20 – Настройка разбиения
Добавим метод генерации сетки Mesh – Insert – Method.
180
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 9.21 Добавление метода
Метод применяем к обоим телам, в Geometry выбираем и жидкость и трубу.
Method – Tetrahedrons, Algorithm – Patch Conforming.
Рисунок 9.22 Настройка метода
Зададим опцию генерации сетки пристеночного слоя (Inflation).
Для этого скроем тело трубы. Правой кнопкой мыши выделяем тело Solid в дереве
модели и в меню выбираем Suppress Body.
Рисунок 9.23 – Убираем тело с графического экрана
Правой кнопкой выделяем Mesh и далее Insert – Inflation.
Рисунок 9.24 Добавление инфляции
181
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Правой кнопкой мыши выделим Inflation и в Details of “Inflation” Scoping Method
меняем на Named Selection, в Named Selection выбираем Fluid, в качестве Boundary
выбираем наружную поверхность жидкости, Maximum Layers – 3, Growth Rate -1,5.
Рисунок 9.25 Задание инфляционной поверхности
Выделяем Solid правой клавишей мыши и выбираем Unsuppressed Body.
Генерируем сетку. Правой клавишей мыши выделяем Mesh и выбираем в меню
Generate Mesh.
Рисунок 9.26 Генерация сетки
Проверяем наличие инфляционных слоев и качество сетки.
Рисунок 9.27 Сетка КЭ
В Details of “Mesh” вскрываем вкладку статистика и Mesh Metric берем
интегральный показатель Skewness. Он не должен быть более 0,99. У нас наихудший 0,93,
а средний 0,36.
182
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 9.28 Статистика разбиения
Сохраняем проект.
Запускаем препроцессор CFX двойным щелчком на ячейке A4. В меню CFX
заходим в Edit – Options и отключаем авто-формирование интерфейсов и доменов.
Рисунок 9.29 Отключение автонумерации доменов
Затем, если домены были созданы, удаляем их. Выделяем правой кнопкой мыши
Flow Analysis 1 и в меню выбираем Insert – Domain.
Рисунок 9.30 Задание домена
В появившемся окне меняем Domain 1 на Fluid.
Рисунок 9.31 Задание имени домена
Появляется
окно
настройки
домена.
В
Basic
Settings
выбираем
объем,
моделирующий домен Location – Fluid, Domain Type – Fluid Domain, Material – Water.
183
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 9.32 Опции домена жидкость
В следующей вкладке Fluid Models меняем опции трансляции тепла Heat Transfer
на Thermal Energy.
Рисунок 9.33 Опции домена жидкость
Нажимаем на OK. Домен сформирован. Добавляем следующий домен, называя его
Solid. В домене указываем моделирующий объем – solid, Domain Type – Solid Domain,
Material – Steel.
184
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 9.34 Опции домена твердое тело
Нажимаем на вкладку Initialization. Включаем Domain Initialization, Option
выбираем Automatic with Value, Temperature ставим 50 градусов Цельсия.
Рисунок 9.35 Опции домена твердое тело
Формирование домена завершено. Создадим интерфейс взаимодействия жидкость твердое тело.
Правой кнопкой нажимаем на Flow Analysis 1, затем Insert – Domain Interface.
Рисунок 9.36 Добавление интерфейса связи
185
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вводим название FSI. Во вкладке выставляем Interface Type – Fluid Solid.
Заполняем Interface Side 1: Domain - Fluid, Region List - FSI_fluid. Заполняем Interface Side
2: Domain – Solid, Region List - FSI_solid. Так же меняем Mesh Connection Method – GGI.
Рисунок 9.37 Настройки интерфейса связи
Нажимаем на OK, интерфейс сформирован. Задаем граничные условия на
жидкость. Все граничные условия добавляются напрямую к соответствующему домену.
Рисунок 9.38
Добавляем первое граничное условие Inlet_hot. Это патрубок в который поступает
горячая вода. Boundary Type – Inlet, Location – Inlet_hot.
186
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 9.39 Добавление граничных условий на вход
На вкладке Boundary Details выставляем скорость течения Normal Speed – 5 метров
в секунду и Static Temperature 85 градусов Цельсия.
Рисунок 9.40 Настройка граничных условий
Так же формируем граничные условия на входе в патрубок с холодной водой
Inlet_cold. Температура задается 20 градусов Цельсия, скорость 3 метра в секунду. По
изложенному алгоритму формируем граничные условия на выходе. Boundary называем
Outlet и Boundary Type, соответственно outlet.
Рисунок 9.41 Добавление граничных условий на выход
В Boundary Details ставим давление 0 Паскалей.
Рисунок 9.42 Настройка граничных условий
187
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Сформируем граничные условия для трубы. Добавим условия конвекции на
внешней поверхности трубы. Присоединим
Boundary к домену Solid и назовем его
Convection. В Basic Settings выставим Boundary Type – Wall, Location – Convection.
Рисунок 9.43 Настройка граничных условий на стенках трубы
В Boundary Detail меняем: Option - Heat Transfer Coeffitient, зададим его значение
равное 10. Outside Temperature зададим равной 15 градусов Цельсия.
Рисунок 9.44 Задание конвективного теплообмена
Зададим температуры на торцы входных труб. Температуру на них необходимо
задавать жестко. Добавляем два граничных условия Wall_hot и Wall_cold. Указываем
соответствующие им области и Boundary Details. Задаем температуры, на холодный торец
20 градусов, на горячий 85 градусов Цельсия.
Рисунок 9.45 Задание фиксированной температуры на торцах
На торец выходного патрубка также задаем Boundary, называем его Wall_outlet и
делаем его адиабатическим.
Рисунок 9.46 Задание адиабатических граничных условий
Граничные условия заданы. Зададим опции решателя. Вызовем их двойным
щелчком на Solver Control.
188
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 9.47 Настройка решателя
В контроле решения меняем количество итераций в Convergence Control.
Минимальное значение десять, максимальное двести. Length Scale Option меняем на
Aggressive.
Рисунок 9.48 Настройка решателя
На этом подготовка модели для решения закончена. Закрываем CFX-Pre. Двойным
щелчком по ячейке А5 запускаем решатель CFX.
189
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 9.49 Окно решателя
Нажимаем на кнопку Start Run.
На экране монитора решения показываются графики сходимости.
Рисунок 9.50 График сходимости
После решения, открываем CFD-Post двойным щелчком в строке А6. Чтобы
просмотреть результаты, в дереве модели выделяем правой кнопкой мыши User Location
and Plots, вставляем поле результатов Insert – Countur.
190
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 9.51 Добавление контура в результаты
В Details of ”Countur” выбираем домен для отображения результатов Domain Fluid, область отображения результатов Location – FSI Side 1, отображаемое поле Variable
– Temperature.
Рисунок 9.52 Выбор геометрии для отображения
В графическом окне получаем поле температур.
Рисунок 9.53 Поля температур на граничной зоне
Точно так же добавляем еще один контур результатов и отображаем поле давлений.
191
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 9.54 Поля давлений на граничной зоне
Убеждаемся в достоверности полученных результатов и переходим к расчету
термо-структурной задачи.
Двойным щелчком мыши на строке B5 запускаем утилиту Mechanical. Обратите
внимание, что сетка, созданная в CFX в Mechanical не передалась. Ее необходимо делать
заново. Погасим (Suppressed Body) тело жидкости (Fluid).
Рисунок 9.55 Убираем тело из графического окна
Левой клавишей мыши выделяем Mesh и в Details of ”Mesh” меняем установки.
Включаем использование дополнительных алгоритмов контроля: Use Advanced Side
Function – On: Promoxity and Curvature, центр значимости Relevance Center – Coarse.
Значения минимального размера элемента меняем на Min Side 3 мм, Максимального,
лежащего на поверхности: Max Face Side – 8 мм.
192
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 9.56 Настройки алгоритма сеткогенератора
Нажимаем правой кнопкой мыши на Mesh – Generate Mesh и генерируем сетку.
Рисунок 9.57 Генерация сетки
Оцениваем сетку по статистическим данным. В Details of ”Mesh” вскрываем
вкладку Statistic и Mesh Metric меняем на Skewness.
Зададим
Рисунок 9.58 Статистика разбиения
граничные условия для теплового анализа.
Добавим
условия
конвективного теплообмена на поверхность трубы. Выделяем правой кнопкой мыши
Steady-State Thermal (B5) и затем выполняем Insert – Convection.
Рисунок 9.59 Задание конвекции
В Details of 'Convection' меняем Scoping Method на Named Selection, в качестве
Name Selection выбираем Convection. Задаем Film Coeffitient равный десяти, Ambient
Temperature 15 градусам Цельсия.
193
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 9.60 Настройка конвекции
Таким же образом задаем температуры на соответствующие торцы. На торец
патрубка холодной воды двадцать градусов, на торец патрубка горячей воды 85 градусов
Цельсия.
Рисунок 9.61 Задание температур на торцы
Произведем импорт температур из гидродинамического расчета.
В дереве модели выделяем правой клавишей мыши Imported Load (Solution) и в
меню выполняем команду Insert – Temperature.
Рисунок 9.62 Импорт температур
В дереве модели выделяем Imported Temperature и задаем опции импорта. В Details
of 'Imported Temperature' меняем Scoping Method на Named Selection, в качестве Name
Selection выбираем FSI_solid. Также выбираем CFD Surface, берем FSI Side 1.
194
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 9.63 Выбор поверхности импорта
Убеждаемся в правильности импорта температур.
Рисунок 9.64 Поля температур в виде нагрузки
Производим расчет термического состояния. Выделяем правой кнопкой мыши
Steady-State Thermal (B5) и в меню выбираем Solve.
Рисунок 9.65 Решение задачи
После расчета добавляем результаты для просмотра. Выделяем правой кнопкой
Steady-State Thermal (B5) и в меню выбираем Insert – Thermal и добавляем Temperature.
Рисунок 9.66 Добавление результата
Произведем вычисление результата.
195
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 9.67 Вычисление результата
Выделяем добавленную температуру правой клавишей мыши и в меню выбираем
Evaluate All Results. На графическом экране отображаются поля температур на трубе.
Рисунок 9.68 Поля температур на модели
Переходим к решению прочностной задачи. В дереве модели вскрываем вкладку
Static Structural.
Рисунок 9.69 Вкладка импорта
Добавляем в качестве граничных условий температуры из термического расчета.
Правой клавишей мыши выделяем Imported Load (Setup1) и выполняем команду Insert –
Body Temperature.
Рисунок 9.70 Импорт полей температур
Затем, настраиваем импорт. В Details of 'Imported Body Temperature' в качестве
Geometry выбираем тело трубы
196
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 9.71 Выбор тела для импорта
Выполняем команду Import Load в меню Imported Body Temperature.
Рисунок 9.72 Импорт
На теле в качестве нагрузки появляется температура.
Рисунок 9.73 Температура на теле в виде нагрузки
Приложим поля давлений из газодинамического расчета. Выделяем Imported Load
Solution и в меню выбираем Insert – Pressure.
Рисунок 9.74 Импорт давлений
Выполняем импорт давлений. Выделяем Imported Pressure в Details выбираем
Scoping Method – Named Selection, в качестве Named Selection берем FSI_solid, в CFD
Surface выбираем FS_Interface Side 1.
197
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 9.75 Настройка импорта давлений
И выполняем импорт. В меню Imported Pressure выбираем Import Load.
Рисунок 9.76 Импорт
После импорта вектора давлений отображаются на модели.
Рисунок 9.77 Давление в виде нагрузки
Зададим ограничения перемещений. Добавим в модель Frictionless Support
Рисунок 9.78 Добавление скользящего суппорта
Support добавим на торцы входа горячей и холодной воды.
198
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 9.79 Области для скользящего суппорта
Произведем решение модели. Выделим Solution (C6) и в меню выберем Solve.
Рисунок 9.80 Решение
Добавим в дерево модели результаты. Выделим Solution (C6) и в меню выполним
команду Insert – Stress – Intensity.
Рисунок 9.81 Добавление результатов
Выделяем добавленное напряжени правой клавишей мыши и в меню выбираем
Evaluate All Results. На графическом экране отображаются поля напряжений на трубе.
Рисунок 9.82 Поля напряжений
199
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
10 Термо структурный расчет корпуса
Проведем термо-структурный динамический расчет корпуса турбины. Создадим
схему проекта. В схему проекта помещаем систему анализа Transient Thermal (Ansys).
Правой кнопкой мыши перетаскиваем в схему проекта Transient Struсtural (Ansys) и не
отпуская кнопку мыши подводим его строке А6 Solution.
Рисунок 1 Моделирование схемы проекта
При отпускании кнопки создается связанный проект.
Рисунок 2 Готовая схема проекта
Создадим расчетную геометрию непосредственно в Ansys. Задачу будем решать в
осесимметричной постановке, поэтому необходимо поменять установки геометрии.
Правой клавишей мыши щелкаем на ячейку A3 и в меню выбираем Properties.
Рисунок 3 Меню опций геометрии
В Properties меняем формулировку задачи с 3D на 2D.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 4 Окно смены формулировки задачи
Запускаем Design Modeler двойным щелчком мыши на ячейке A3 Geometry.
Выделим плоскость XYPlane и создадим на ней эскиз по представленному ниже образцу.
Рисунок 5 Эскиз сечения корпуса
Нажатием кнопки
завершаем построение эскиза. На основе эскиза
создается поверхность. В меню выбираем Concept и Surface From Sketches.
Рисунок 6 Создание поверхности на эскизе
В Detail View в качестве базового объекта Base Objekts выбираем созданный эскиз
1 Sketch и нажимаем на кнопку Generate.
Рисунок 7 Опции создания поверхности
Сохраняем проект и закрываем Design Modeler, геометрическое моделирование
закончено.
В схеме проекта производим двойной щелчок мышью на ячейке A4. После загрузки
утилиты Mechanical выделяем в дереве проекта Geometry и меняем формулировку проекта
2D Behavior на Axisymmetric.
201
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 8 Задание осесимметричности задачи
В Details of ‘Mesh’ Relevance Center меняем на Medium.
Рисунок 9 Опции разбиения
Генерируем сетку конечных элементов: нажимаем правой кнопкой мыши на Mesh
и в меню выбираем Generate.
Кратко опишем тепловые и силовые нагрузки. Они представлены на графике.
Рисунок 10 График нагрузок
На внутреннюю стенку действует тепловая нагрузка в виде условий конвективного
теплообмена. На первом этапе нестационарного процесса она растет от нуля до 300
градусов Цельсия и коэффициента конвективной теплоотдачи тысяча двести за
шестьдесят секунд. На втором этапе нагрузка снижается за 60 секунд до температуры сто
градусов Цельсия и коэффициента конвективной теплоотдачи двести. Силовая нагрузка на
первом этапе растет до десяти МПа и затем снижается до одного. Все нагрузки
202
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
изменяются линейно. При этом наружная стенка подвержена действию неизменных
нагрузок.
Зададим условия конвекции на внутреннюю стенку. Правой кнопкой мыши
выделяем Transient Thermal и выбираем в меню Insert - Convection.
Рисунок 11 Добавление конвекции
В меню нажимаем на Convection и смотрим Details of ‘Convection’.
В качестве геометрии Geometry выбираем внутреннюю линию. Затем помещаем
курсор в окно задания Film Coeffitient. В нем нажимаем на кнопку появившуюся справа. И
выбираем пункт Tabular Time.
Рисунок 12 Добавление таблицы нагрузок
В таблице Tabular Data задаем Time -60 и 120, Convection Coeffitient 1200 и 200,
Ambient Temperature 300 и 100. В строке 1 меняем Ambient Temperature на 20.
Рисунок 13 Заполнение таблицы
Задаем
условия
конвекции
на
наружную
стенку
корпуса.
теплоотдачи равный ста, температуру равную двадцати двум градусам.
203
Коэффициент
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 14 Стенки для задания конвекции
Стенки, на которые не заданы граничные условия, считаются решателем
адиабатическими. Произведем настройку решателя для расчета динамического процесса.
В дереве модели выделим Analysis Settings.
Рисунок 15 Выбор в дереве настроек анализа
Задаем настройки в Details of ‘Analysis Settings’.
Указываем количество шагов нагрузки Number of Steps равное трем. Первый шаг,
расчет до одной секунды, служит для инициации процесса расчета. Указываем текущий
шаг Current Step Number – 1. Время окончания шага Step End Time – 1 секунда.
Автоматическое управление подшагами нагрузки Auto Time Stepping – On. Количество
подшагов задается Define By – Substeps, подшагами. Далее задаем количество подшагов
по десять, как на рисунке.
Рисунок 16 Настройка анализа
204
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Затем меняем Current Step Number на 2. Время окончания шага Step End Time – 60
секунд. Далее по аналогии с предыдущим случаем. Количество подшагов как на рисунке
ниже.
Рисунок 17 Настройка второго шага
Затем меняем Current Step Number на 3. Время окончания шага Step End Time – 120
секунд. Далее по аналогии с предыдущим случаем. Количество подшагов как на рисунке
ниже.
Рисунок 18 Настройка третьего шага
Далее выполняем расчет, нажав на кнопку
.
После успешного завершения работы решателя появляются два результата расчета:
глобальный расчетный минимум и максимум.
Рисунок 19 Посчитанные результаты
При выделении их мышью в графическом окне отображается график
результат – время.
205
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 20 График максимальной температуры
Добавим к проекту результат – температурные поля. Выделим Solution (A6) и далее
Insert – Thermal – Temperature.
Рисунок 21 Добавление результата
В рабочем поле одновременно отображается поле температур и график
результатов. Если необходимо посмотреть поле температур в определенное время, курсор
ставится на график, левый клик мышью и выбираем в меню Retrieve this Result.
Рисунок 22 Выбор времени и соответствующего температурного поля
Термическая часть расчета закончена. Зададим полученные температурные поля в
качестве нагрузок в структурном анализе. В дереве модели вскрываем вкладку Transient
206
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
(B5) и Imported Load (Solution). Нажимаем правой кнопкой на Imported Body Temperature и
в меню выполняем Import Load.
Рисунок 23 Импорт температур
Температуры приложены в виде нагрузки.
Рисунок 24 Температуры в виде нагрузки
Добавляем Frictionalless Support на две боковые грани фланцев.
Рисунок 25 Добавление скользящего суппорта
Добавляем нагрузку в виде давления.
Рисунок 26 Добавление давления
Давление также прикладываем в виде таблицы Nabular Data. На первой секунде
расчета нуль Па, на второй секунде 1 МПа, на шестидесятой 10 МПа на сто двадцатой 1
МПа.
207
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 27 Задание таблицы давлений
Производим настройку опций решения. Отличие от термического анализа в том,
что появляется еще один шаг инициализации.
Рисунок 28 Задание опций анализа
Выбираем в дереве модели Analysis Settings в расчете Transient(B5). Настраиваем
шаги как на рисунках. Количество шагов Number of Steps – 4. Время окончания первого
шага 1 секунда.
Рисунок 29 Настройка первого шага
Время окончания второго шага вторая секунда.
Рисунок 30 Настройка второго шага
Время окончания третьего шага шестидесятая секунда.
208
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 31 Настройка третьего шага
Время окончания четвертого шага сто двадцатая секунда.
Рисунок 32 Настройка четвертого шага
Запускаем решение задачи, нажимая кнопку Solve. После окончания работы
решателя добавляем результаты: интенсивные напряжения Stress Intensity и деформации
по оси X (радиальные перемещения) Directional Deformation.
Рисунок 33 Добавленные в дерево результаты
На экране также отображаются результаты расчета в виде полей, а на графике
результатов можно выбрать поля для интересующего времени.
Рисунок 34 Результаты расчета
209
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Учебное издание
Бондарчук Пётр Владимирович
Давыдов Данила Петрович
Котов Антон Сергеевич
Учебное пособие по моделированию колебаний, нагружения и
деформирования элементов двигателя под действием газовых,
центробежных и силовых нагрузок с использованием CAD/CAE
пакетов
Учебное пособие
Научный редактор
Редакторская обработка
Корректорская обработка
Компьютерная верстка П.В. Бондарчук
Самарский государственный
аэрокосмический университет.
443086, Самара, Московское шоссе, 34
Изд-во Самарского государственного
Аэрокосмического университета
443086, Самара, Московское шоссе, 34
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа