close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Smirnov

код для вставкиСкачать
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМПЛЕКСА ANSYS
ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ПРИБОРОВ
И ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
Методические указания
к лабораторным работам
Санкт-Петербург
2014
1
Составитель: О.Л. Смирнов
Рецензент: доцент, кандидат технических наук Н. В. Соловьёв
Методические указания предназначены для студентов специальностей «Проектирование и технология электронных средств», «Лазерные системы в ракетной технике»,
«Информатика и вычислительная техника», «Радиотехника», «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети», выполняющих лабораторный практикум на дневном
и вечернем факультетах, а также слушателей факультета повышения квалификации
преподавателей.
Подготовлены к публикации кафедрой микро- и нанотехнологий аэрокосмического приборостроения по рекомендации методической комиссии института радиотехники, электроники и связи Санкт-Петербургского Государственного университета аэрокосмического приборостроения.
Печатается в авторской редакции
Компьютерная верстка Н. Н. Караваевой
Сдано в набор 14.03.13. Подписано к печати 14.05.14. Формат 60×84 1/16.
Бумага офсетная. Усл. печ. л. 8,1. Тираж 100 экз. Заказ № 229.
Редакционно-издательский центр ГУАП
190000, Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67
2
ПРЕДИСЛОВИЕ
В методических указаниях рассматривается применение комплекса
метода конечных элементов ANSYS для моделирования балочных и плоских конструкций в приборах и электронных средствах и выполнения расчетов их статической прочности, виброустойчивости, ударопрочности и
теплоустойчивости, а также проведения анализа электромагнитных полей,
создаваемых при работе электрических схем на этих конструкциях.
Структурно лабораторный практикум состоит из 11 лабораторных
работ, каждая из которых содержит порядок выполнения работы и оформления результатов. Результаты работы представляются, как правило, в виде
файла в формате DOC, содержащего рисунки с отображениями рабочего
стола промежуточных и конечных результатов выполнения лабораторной
работы. Каждая работа заканчивается контрольными вопросами, позволяющими провести самоконтроль и укрепить теоретические знания и практические навыки.
В основу содержания лабораторных работ были положены примеры
применения ANSYS из справочника Басова К.А. [1], примеры расчёта
электромагнитных полей из книги Вишнякова С.В., Гордюхиной Н.М.,
и Фёдоровой Е.М. [2] и примеры лабораторных работ из методического
пособия Шалумова А.С., Ваченко А.С., Фадеева О.А. и Багаева Д.В. [3].
Библиографический список включает учебные пособия и научнотехническую литературу, предназначенные для более глубокого изучения
дисциплины.
3
ВВЕДЕНИЕ
Программный комплекс ANSYS имеет интуитивно понятный графический интерфейс пользователя (GUI), приведенный на рис. В.1.
Рис. В.1. Окно графического интерфейса пользователя (GUI)
Состав окна графического интерфейса пользователя (GUI):
1. Меню утилит (Utility Menu) – набор часто используемых процедур.
2. Главное меню (MM) – набор основных функций программы, которые группируются в располагаемые сбоку всплывающие (динамические)
меню.
3. Окно ввода команд (ANSYS input) – область для набора команд и
показа сообщений-подсказок программы.
4. Линейка инструментов (ANSYS toolbar) – область для размещения
команд или написанных подпрограмм для быстрого запуска щелчком мыши. Линейка инструментов может вместить до 200 кнопок.
5. Графическое окно – окно для вывода моделей конструкций или
графиков результатов расчётов.
6. Панель диалога – окно для подсказки действий пользователя.
4
За окном графического интерфейса находится текстовое окно вывода
(Output Widow) файла регистрации сеанса работы пользователя с комплексом. Это окно позволяет обратиться к списку команд пользователя в случае
ошибки или записать этот список в виде файла для автоматического исполнения расчёта в пакетном режиме.
Меню утилит (Utility Menu) состоит из следующих разделов.
File – содержит пункты для работы с файлами.
Select – позволяет выбирать компоненты модели, используемые
в работе.
List –выводит списки компонентов модели и числовые результаты
расчета.
Plot –прорисовывает компоненты модели и выводит графические результаты расчета на монитор.
PlotCtrls – управляет графическим выводом, изменяет масштаб изображения, поворачивает его, нумерует компоненты модели, прорисовывает
нагрузки, анимирует, инвертирует и сохраняет изображение.
WorkPlane – управляет рабочей плоскостью и системой координат.
Parameters – создаёт базу данных параметров, используемых в модели, и управляет ею.
Macro – размещает опции для создания макросов.
MenuCtrls – управляет окнами программы и панелью инструментов.
Help – вызывает интерактивную базу справочных данных по программе.
Главное меню (MM) содержит следующие пункты для решения задач
механики деформируемого твердого тела.
Preferences (фильтр) позволяет исключить из Main Menu пункты, не
соответствующие теме решаемой задачи.
Preprocessor содержит пункты, необходимые для построения модели, выбора материалов, конечных элементов, построения конечноэлементной сетки.
Solution задаёт тип анализа, прикладывает нагрузки, формирует граничные условия и решает задачу.
General Postproc позволяет вывести на монитор или на печать результаты расчета в виде эпюр или таблиц.
TimeHist Postpro дает возможность вывода результатов в графической или табличной форме, зависящих от времени или каких-либо других
независимых параметров.
Препроцессор (Preprocessor) содержит следующие основные пункты.
Element Type –выбирает из библиотеки стандартный конечный элемент со свойствами, соответствующими условиям рассматриваемой задачи.
Real Constants –задаёт константы выбранного конечного элемента.
Для некоторых элементов константы вообще не задаются.
5
Material Props – определяет характеристики материала (модуль
упругости, коэффициент Пуассона и т.п.).
Sections – содержит набор стандартных поперечных сечений и позволяет создавать необходимые сечения для балочных и оболочечных элементов.
Modeling – содержит инструменты для построения модели.
Meshing –упорядочивает атрибуты частей модели, т.е. ставит в соответствие каждой части модели необходимый аппроксимирующий конечный элемент с его константами, характеристиками материала, сечениями и,
в конечном итоге, строит конечно-элементную модель.
Numbering Ctrls – предоставляет возможности для объединения совпадающих узлов, точек, атрибутов модели и обновления их нумерации.
Solution содержит следующие разделы.
Analysis Type – задает тип анализа (статический, на устойчивость,
свободные колебания и т.д.) и его опции.
Define Loads – накладывает на модель граничные условия и задаёт
внешние нагрузки.
Solve – осуществляет запуск программы на решение задачи.
General Postproc состоит из следующих разделов.
Read Results – устанавливает опции для считывания результатов расчета по шагу нагружения, частоте и т.д.
Plot Results – прорисовывает деформированную форму конструкции
и все компоненты напряженно-деформированном состоянии по результатам расчета.
List Results –выводит результаты расчета в табличной форме.
Element Table – осуществляет вывод результатов по конечным элементам.
TimeHist Postpro постпроцессор истории нагружения (POST26) выделяет массивы результатов нужных параметров (например, узловые перемещения или напряжения в элементе). При считывании из файла результатов массивы сохраняются в базе данных, что позволяет отображать изменения результатов во времени в виде графиков функций.
6
Лабораторная работа №1
ПРОЧНОСТНОЙ АНАЛИЗ КОНСОЛЬНОЙ БАЛКИ
Теоретические сведения и подробный пример анализа изложен в [2].
1.1. Создание модели балки
В данном разделе создается модель консольной балки с поперечным
сечением в виде двутавра. Она используется в расчетах, проводимых в
среде комплекса ANSYS. Геометрическая модель балки состоит из трех
точек и одной линии. Две точки нужны для создания линии, а третья необходима для указания направления осей системы координат балки.
1.1.1.
Задание каталога и имени файла
Utility Menu\File \Change Directory... выбираем каталог для сохранения
результатов (рис. 1.1).
Utility Menu\File\Changee Jobname ... задаем имя проекта (группы
файлов), вместо указанного File (рис. 1.2).
Рис. 1.1. Переход в рабочую папку
Рис. 1.2. Указание нового проекта
7
1.1.2. Изменение цвета графического окна
PlotCtrls \Style\ Colors\Reverse Video (рис. 1.3).
Рис. 1.3. Изменение цвета графического окна
1.1.3. Указание типа применяемого элемента
Main Menu (MM)\Preprocessor\Element Type\Add/Edit/Delete.\Add
\Beam\2 node 188 \Ok \Close (рис. 1.4).
Рис. 1.4. Выбор Beam (балки) типа 2 node 188 (балка Тимошенко с 2 узлами)
1.1.4. Указание свойств материала
MM\Preprocessor\Material Props\Material Models\Structural\Linear\
Elastic\Isotropic\2ell\0.3\Density\7850\Material\Exit (рис. 1.5).
После двойного щелчка на объекте Isotropic на экране появляется диалоговая панель Linear Isotropic Properties for Material Number 1. В этой панели в поле EX указывается значение модуля Юнга линейного упругого
изотропного материала, а в поле PRXY – коэффициент Пуассона. Плотность указывается двойным щелчком на объекте Density. Диалоговая панель Define Material Model Behavior остается на экране. В левой части панели появляются объекты Density и Linear Isotropic. Двойной щелчок на
объектах Density и Linear Isotropic позволяет изменить значения введенных
данных.
8
Рис. 1.5. Указание EX, PRXY, DENS и Exit
1.1.5. Указание поперечного сечения балки
MM \ Preprocessor \ Sections \ Beam \ Common Sections (рис. 1.6).
Рис. 1.6. Указание формы и размеров сечения балки
В поле ID указывается номер поперечного сечения. В поле Name указывается название поперечного сечения. В списке Sub-Type указывается
тип поперечного сечения. В поле Offset То указывается расположение поперечного селения по отношению к узлам, в полях Wl, W2, W3, tl, t2 и t3
указываются размеры. Линейка Coarse – Fine определяет точность численного интегрирования при определении значений площади поперечного сечения, моментов инерции. Данные соответствуют профилю № 10 двутавровой балки. Все размеры указываются в метрах. Линейка Coarse – Fine
определяет точность численного интегрирования при определении значений площади, моментов инерции и иных характеристик балки. Нажимается
кнопка ОК. Панель Beam Tool закрывается.
1.1.6. Создание геометрических объектов – точек (рис. 1.7)
MM \ Preprocessor \ Modeling \ Create \ Keypoints \ In Active CS
Номер точки можно не указывать. Точки получают минимально возможные номера. Первая получит номер 1, вторая – 2. Пробел в поле коор9
динат соответствует нулю (0). Кнопка Apply соответствует созданию точки
и продолжению использования панели. Кнопка ОК создает точку и закрывает панель.
Рис. 1.7. Создание трех точек
1.1.7. Создание геометрического объекта – линии
MM \ Preprocessor \ Modeling \ Create Lines \ Lines \ Straight Line.
После появления данной панели следует указать курсором мыши точки 1 и 2 и нажать кнопку ОК. После этого панель закрывается. На экране
появляется построенная линия (рис. 1.8).
Рис. 1.8. Создание линии между точками 1 и 2
1.1.8. Указание атрибутов линии для построения сетки конечных
элементов
MM\Preprocessor\Meshing\Mesh Attributes\Picked Lines (рис. 1.9).
Рис. 1.9. Указание атрибутов линии
10
После появления панели Line Attributes (1) курсором указывается линия
и жмётся ОК. Появляется панель Line Attributes (2). После редактирования ее
полей в соответствии с рис. 9 нажимается кнопка ОК. Вновь появляется панель Line Attributes (3). Курсором указывается точка 3 и жмётся ОК.
1.1.9. Указание числа элементов, создаваемых на линии
MM \ Preprocessor \ Meshing \ Size Cntrls \ Manual Size \ Lines \ Picked
Lines (рис. 1.10).
Рис. 1.10. Указание числа конечных элементов в линии
1.1.10. Создание на линии сетки из балочных элементов
MM \ Preprocessor \ Meshing \ Mesh\Lines (рис. 1.11).
После появления панели указания следует указать курсором мыши
линию и нажать кнопку ОК. Панель закрывается, а линия из прерывистой
становится непрерывной. Однако это уже вид построенной на ней сетки
конечных элементов.
Рис. 1.11. Создание сетки из балочных элементов
1.1.11. Улучшение визуализации элементов
Plot \ Elements; PlotCtrls \ Style \ Size and Shape (рис. 1.12).
В данной панели признаку Display of element следует присвоить значение On и нажать Ok (рис. 1.13). На изображении элементов имеются ребра
элементов и линии параметризации. Можно удалить изображения этих линий вызовом панели Edge Options. PlotCtrls \ Style \ Edge Options (рис. 1.14).
11
Рис. 1.12. Вызов диалоговой панели Size and Shape
Рис. 1.13. Заполнение панели Size and Shape и преобразование вида балки
Рис. 1.14. Заполнение панели Edge Options и удаление линий параметризации
12
В списке /GLINE1 Element outline style панели Edge Options выбирается значение None и нажимается Ок. Далее вызывается Plot Replot.
При нажатии на кнопку Isometric View появляется вид балки в изометрии (рис. 1.15).
Рис. 1.15. Вид балки в изометрии
1.1.12. Указание граничных условий в виде ограничений на степени
свободы
MM\Solution\Define Loads\Apply\Structural\Displacement\On Keypoints.
Появляется панель указания Apply U, ROT on KPs, Курсором мыши
указывается точка № 1 и нажимается ОК. Появляется диалоговая панель, на
которой выбирается жесткий тип закрепления балки ALL DOF (рис. 1.16).
Рис. 1.16. Жесткое закрепление левого конца балки (в точке 1)
1.1.13. Сохранение модели и выход из комплекса
Из выпадающего меню вызывается последовательность: File Save As...
Появляется панель Save DataBase. В поле Save Database to панели указывается имя файла, в котором сохраняется база данных, в поле Directories:
указывается директория (рис. 1.17).
Рис. 1.17. Сохранение результатов в файле Lab Ol l.db
13
Для выхода выбираем: File \ Exit... (рис. 1.18).
Поскольку файл базы данных уже имеется, следует выбрать опцию
Quit – No Save! и нажать кнопку ОК. Сеанс работы с ANSYS заканчивается.
Рис. 1.18. Сохранение результатов в файле Lab 01 l.db из каталога ANSYS LAB
1.2.
Изгиб консольной балки
Используется модель, созданная в п. 1.12.
1.2.1. Чтение базы данных модели File \ Resume from (рис.19).
На экране появляется диалоговая панель Resume Database, в которой
выбирается каталог и вызывается база данных созданной модели балки.
Рис. 19. Выбор каталога и вызов базы данных Lab_011 созданной модели
1.2.2. Приложение сосредоточенного усилия
MM \ Preprocessor \ Loads \ Define Loads \ Apply \ Structural \
Force/Moment \ On Keypoints (рис. 1.20).
В панели 1 указывается правый конец балки, а в панели 2 – направление действия FY и значение прикладываемого к балке усилия в ньютонах
(Н). В точке 2 модели появляется символ приложенного усилия.
14
Рис. 1.20. Указание точки приложения сосредоточенного усилия
1.2.3. Проведение расчета
MM \ Solution\ Solve \ Current LS (рис. 1.21).
Для проведения расчета следует указывать опции расчета, шага
нагрузки и др., но в данном простейшем случае этого не требуется.
Рис. 1.21. Панели 1–3 для указания успешности расчета.
Панель 1 содержит данные о проводимом расчете (размерность модели (3D), список применяемых степеней свобод, тип расчета). Панель 2 –
для указания старта. Панель 3 сообщает об окончании решения задачи.
1.2.4. Просмотр результатов
MM \ General Postpro\ Plot Results \ Deformed Shape (рис. 22).
Рис. 1.22. Информационные панели 1 и 2 для указания успешности расчета
15
В панели 1 указывается изображение ребер исходной (недеформированной) модели и полной деформированной модели. Для визуализации ребер модели вызывается панель 2 последовательностью PlotCtrls \ Style \
Edge Options... (рис. 1.23) в которой списку [/GLINE] Element outline style
присваивается значение None.
Рис. 1.23. Вид балки для значения Solid списка Element в панели Edge Options
1.2.5. Просмотр поля перемещений
Plot \ Results \ Contour Plot \ Nodal Solution... (рис. 1.24).
Рис. 1.24. Поле перемещений балки
1.2.6. Просмотр поля напряжений
Plot \ Results \ Contour Plot \ Nodal Solution (рис. 1.25).
Рис. 1.25. Поле напряжений балки
16
1.2.7. Сохранение результатов File \ Save as ... (рис. 1.26).
Рис. 1.26. Сохранение результатов изгиба консольной балки
1.3.
Формы и частоты собственных колебаний консольной балки
1.3.1. Чтение базы данных модели из ранее созданного файла
File \ Resume from .. (рис. 1.27).
Рис. 1.27. Выбор каталога и вызов базы данных Lab0l1
1.3.2. Указание опций проведения расчета собственных колебаний
и проведение вычислений
MM \ Solution \ Analysis Type \ New Analysis.
В панели указывается опция Modal (рис. 1.28).
17
Рис. 1.28. Выбор типа анализа (Modal)
Опции проведения расчёта собственных колебаний:
MM \ Solution \ Analysis Type Analysis Options (рис. 1.29).
Рис. 1.29. Установка параметров расчета собственных частот балки
В панели 1 указывается число собственных частот и соответствующих им
собственных форм. В панели 2 указывается соответствующий им диапазон.
1.3.3. Расчет частот и форм собственных колебаний
MM \ Solution \ Solve Current LS (рис. 1.30).
В панели 1 содержатся исходные данные, в панели 2 – приглашение
выполнить расчет, в панели 3 – сообщение о степени успешности расчета.
Рис. 1.30. Выполнение расчета собственных частот балки
18
1.3.4. Просмотр результатов в общем постпроцессоре
MM \ General Postproc \ Results Summary (рис. 1.31).
Второй столбец – список собственных частот колебаний. Определение
вида собственных форм в постпроцессоре проводится по очереди.
Рис. 1.31. Собственные частоты колебаний балки
1.3.5. Просмотр формы колебаний для первой собственной частоты:
MM \ General Postproc Read Results \ First Set.
Демонстрация формы колебаний, соответствующей первой собственной частоте:Plot \ Results Contour Plot Nodal Solution (рис. 1.32).
Рис. 1.32. Форма колебаний первой собственной частоты балки
Для набора данных, соответствующего следующей частоте вызывается последовательность: MM \ General Postproc \ Read Results \ Next Set. Затем следует вызвать такую последовательность: Plot \ Replot.
1.3.6. Сохранение результатов
File \ Save as .. (рис. 1.33).
19
Рис. 1.33. Сохранение результатов изгиба консольной балки
1.4.
Расчет вынужденных колебаний консольной балки
1.4.1. Чтение базы данных модели из ранее созданного файла
File\ Resume from ... (рис. 1.34).
Рис. 1.34. Выбор каталога и вызов базы данных L a b 0 1 1 созданной модели
1.4.2. Указание опций проведения расчета вынужденных колебаний
MM \ Solution \ Analysis Type \ New Analysis (рис. 1.35).
Рис. 1.35. Выбор типа анализа
20
1.4.3. Приложение сосредоточенного усилия
MM \Preprocessor \ Loads \ Define Loads \ Apply \ Structural \
Force/Moment \ On Keypoints (рис. 1.36).
В панели 1 указывается точка № 2 и жмется ОК. В панели 2 указывается направление действия усилия FY, а в поле VALUE Force/moment value
– значение усилия в ньютонах (Н). Знак не указывается.
Рис. 1.36. Приложение сосредоточенного усилия
1.4.4. Указание диапазона частот возбуждения вынужденных колебаний и проведение вычислений
MM \ Solution Load Step Opts \ Time/Frequenc \ Freq and Substps
(рис. 1.37).
Рис. 1.37. Указание диапазона частот
В панели 1 диапазон (19 и 35Гц) и число частот внутри диапазона указываются в связи с тем, что собственная частота изгибных колебаний в
плоскости XY равна 28,476 Гц (см. п. 1.3).
Выполнение расчёта: MM \ Solution \ Solve \ Current LS.
1.4.5. Просмотр результатов
MM TimeHist Postpro (рис. 1.38).
21
Рис. 1.38. Вызов POST26 для просмотра зависимости данных от частоты
В панели (1) указываются имя переменной (имя можно оставить и
присвоенным по умолчанию) и ее тип. Узел и элемент (при необходимости) указываются при помощи панели указания (5) (рис. 1.39).
Рис. 1.39. Просмотр результатов вынужденных колебаний
В данном случае указывается перемещение в направлении оси Y в узле, соответствующем точке № 2 балки.
После создания новой переменной UY 2 диалоговая панель Time History Variables приобретает вид, показанный на рис. 1.39.
В панели появилась новая переменная – UY 2. Для создания графика
данной переменной следует нажать третью слева пиктограмму панели инструментов. На экране появляется график перемещений (9) (рис. 1.39).
На графике видно, что между частотами 28 и 29 Гц действительно
имеется резонанс.
22
1.4.6. Сохранение результатов (рис. 1.40).
Рис. 1.40. Сохранение результатов вынужденных колебаний
1.5. Расчет устойчивости продольно сжатой консольной балки
1.5.1. Чтение базы данных модели из ранее созданного файла
File \Resume from .. (рис. 1.41).
Рис. 1.41. Выбор каталога и вызов базы данных Lab 0l1 созданной модели
1.5.2. Проведение предварительного статического расчета
Указание типа расчета и анализа: Preferences \Structural
MM \Solution \ Analysis Type \ New Analysis (рис. 1.42).
Вызов панели управления решением
MM \ Solution \ Analysis Type \ Sol'n Controls (рис. 1.43).
23
Рис. 1.42. Указание типа анализа
Рис. 1.43. Активизация Calculate prestress effects
1.5.3. Приложение осевого, сжимающего сосредоточенного усилия
MM \ Preprocessor \ Loads \ Define Loads \ Apply \ Structural \
Force/Moment \ ()n Keypoints (рис. 1.44).
Рис. 1.44. Приложение осевого, сжимающего сосредоточенного усилия
В панели (1) указывается курсором-стрелкой правый конец балки.
В панели 2 указывается направление и значение приложенного усилия.
Далее вызывается стандартная процедура проведения вычислений.
По окончании расчета выполняется команда MM \ Finish.
Указание опций проведения расчета устойчивости, указание нагрузок
и проведение вычислений
24
1.5.4. Указание типа анализа
MM \ Solution \ Analysis Type \ New Analysis\Eigen Bucklin (рис. 1.45).
Рис. 1.45. Выбор типа анализа
1.5.5. Указание метода расчёта потери устойчивости
MM \ Solution \ Analysis Type \ Analysis Options (рис. 1.46).
Рис. 1.46.Указание метода расчёта форм потери устойчивости балки
1.5.6. Проведение вычислений и просмотр результатов
MM \ Solution \ Solve Current LS.
По окончании расчета выполняется просмотр результатов.
Список собственных значений вызывается командой
MM \ General Postproc \ Results Summary (рис. 1.47).
Второй столбец таблицы является списком вычисленных собственных
значений, а не временем или частотой.
Рис. 1.47. Список собственных значений форм устойчивости
25
Поскольку результаты являются набором данных, соответствующих
разным собственным значениям, каждая из которых имеет свой порядковый номер, определение вида собственных векторов (форм потери устойчивости) в постпроцессоре проводится по очереди.
1.5.7. Демонстрации формы потери устойчивости для первого
набора результатов
Выбор первого набора: MM\General Postproc\ Read Results First Set.
Настройка демонстрации формы потери устойчивости: Plot \ Results \
Contour Plot \ Nodal Solution.. (рис. 1.48).
В появляющейся диалоговой панели следует указать отображение перемещений в направлении оси (рис. 1.48).
Значение, вычисленное комплексом ANSYS, составляет 24 787 Н
(Теоретическое 24 687 Н) (рис. 1.49).
Рис. 1.48. Настройка демонстрации формы потери устойчивости
Рис. 1.49. Демонстрация формы потери устойчивости для значения 700.124
26
1.5.8. Сохранение результатов (рис. 1.50).
Рис. 1.50. Сохранение результатов вынужденных колебаний
Содержание отчета:
Краткие теоретические сведения, описание шагов расчета с помощью
ANSYS на прочность консольной балки, рисунки состояния детали. Выводы.
Контрольные вопросы
1.1. Для каких задач используется балка Тимошенко?
1.2. Какие свойства и как указываются для этой балки?
1.3. Как строится и показывается балка?
1.4. Как изгибается балка?
1.5. Как определяются собственные частоты балки?
1.6. Как определяется устойчивость балки на сжатие?
27
Лабораторная работа №2
ПРОЧНОСТНОЙ СТАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
Цель работы:
построить и выполнить статический расчет уголка
с отверстием. Уголок закреплен в зоне отверстия и к его правому углу А
приложена сила (рис. 2.1).
Рис.2.1. Уголок
Статический анализ оболочки (Shell). Жесткое защемление отверстия.
Приложена сосредоточенная сила к точке А. Результат – вывод полей
напряжений по Мизесу и полей перемещений. Теоретический материал
приведен в [1]. При проведении работы с ANSYS рекомендуется, периодически сохранять выполненную работу.
Порядок выполнения работы
2.1. Задание каталога и имени файла
Utility menu\File\Change Directory… выбираем каталог для сохранения
результатов.
Utility menu\File\Change Jobname … задаем имя проекта (группы файлов). вместо указанного File.
2.2. Определение типа анализа
MM\Preferences…\Structural\Oк.
28
2.3. Выбор типа используемого элемента и толщины пластин
MM\Preprocessor\Element type\Add/edit/delete…\Add…\Structural shell
elastuc 4 node 63 \Oк\Close – выбор элемента (рис. 2.2).
Рис. 2.2. Выбираем тип используемого элемента
Определяем толщину пластин. Для этого:
M.M.\Preprocessor\Real
constants\\Add\edit\delete…\Add…\Oк\Shell
thickness at node Itk(I) = 0.003 метра\Oк\Close (рис. 2.3).
Рис. 2.3. Определяем толщину пластин
2.4. Выбор свойства материала и задание его характеристик
M.M\Preprocessor\Material Props\Material Models…\Material Models
Available\ Structural\Linear\Elastic\Isotropic\EX = 2е11 Па, PRXY =
0.3\Оk\Density\DENS = 7800 кг/куб.м.\Materal\Exit (рис. 2.4 и 2.5).
Рис. 2.4. Выбор свойства материала
29
Рис. 2.5. Указание плотности материала
2.5. Построение детали
A.
Первый прямоугольник:
M.M.\Preprocessor\Modeling\Create\Area\Rectangle\By
Dimensions…
(построение прямоугольника по заданным размерам) \ Х1 = 0 м; X2 = 0,05
м; Y1 = 0 м; Y2 = 0,04 м \ Ок (рис. 2.6).
Рис. 2.6. Указываем размер прямоугольника
Б.
Окружность радиусом 0,005 метра:
M.M.\ Preprocessor\Modeling\Create\Area\Circle\Solid Circle\WP X = 0.03;
WP Y = 0.02; Radius = 0.005 \ ОК (рис. 2.7).
Рис. 2.7. Указываем положение и размер окружности
30
B.
Отверстие:
Вычитаем из прямоугольника окружность. Для этого, сначала выделяем поверхность, из которой надо вычесть, а потом выделяем вычитаемую
поверхность:
M.M.\Preprocessor\Modeling\Operate\Booleans\Subtract\Areas\ нажимаем
на
прямоугольник
за
пределами
вычитаемой
окружности\Apply\нажимаем внутри окружности\Ок (рис. 2.8).
Рис. 2.8. Создаем отверстие
Г.
Второй прямоугольник:
Поворачиваем рабочую систему координат. ANSYS позволяет перемещать и поворачивать рабочую систему координат так, как это угодно
пользователю. То есть, чтобы нарисовать вторую пластину, нужно повернуть рабочую плоскость вокруг оси OY по часовой стрелке на 120°.
Рис. 2.9. Поворачиваем рабочую систему координат
31
U.M.\Work Plane\ Offset Wp By Increments…, появится форма для изменения рабочей плоскости (рис. 2.9). Прежде чем производить поворот,
необходимо выставить угол поворота оси на бегунке (рис. 2.9) равный 90°
и нажать кнопку, помеченную на рис. 9 стрелкой, затем выставить на бегунке угол поворота оси равный уже 30° и нажать ту же кнопку. По завершении вращения нажимаем кнопку ОК. В результате этих операций рабочая
система координат повернется в нужном направлении на требуемый угол
равный 120°. В текущем положении рабочей системы координат строим
прямоугольник с теми же размерами согласно пункту 5 А (рис. 2.10).
Рис. 2.10. Построение прямоугольника с теми же размерами
Д.
Для удобства работы с фигурами в ANSYS предусмотрено
вращение и перемещение геометрических объектов в окне. Смещение объекта производится перемещением мыши при одновременно нажатой клавиши CTRL и левой кнопки мыши, для вращения вместо левой кнопки
мыши нужно удерживать правую кнопку мыши (рис. 2.11).
Рис. 2.11. Поворот прямоугольников
Е.
«Склеиваем» геометрические объекты построенной конструкции:
M.M\
Preprocessor\Modeling\Operate\Booleans\Glue\Areas\Pick
All
(рис. 2.12).
32
Рис. 2.12. «Склеиваем» прямоугольники
Ж.
Для корректного задания нагрузки выставим рабочую систему
координат на 120° назад, то есть необходимо выполнить пункт 5 Г с точностью до наоборот. Сохраняем результат работы.
2.6. Разбиение конструкции на конечные элементы:
Настройка геометрии на разбиение.
M.M.\Preprocessor\Meshing\Size Cntrls\Manual Size\Global\Size…\Ndiv =
4\Ок (рис. 2.13).
Рис. 2.13. Настройка геометрии на разбиение
Построение сетки конечных элементов.
M.M.\Preprocessor\Meshing\Mesh\Areas\Free\Pick All (рис. 2.14).
Рис. 2.14. Построение сетки конечных элементов
33
2.7. Выбор типа анализа:
M.M.\ Solution\Analysis Type\New Analis\Static\Ок.
2.8. Приложение к конструкции внешнего воздействия:
M.M.\Solution\Define Loads\ Apply\Structural\Force/Moment\On Keypoints\ выделяем точку А, к которой будет приложена сила (рис. 2.15). Ок\
Lab =Fx, Value = –50 Н \ Ок (рис. 2.16).
Рис. 2.15. Точка приложения силы – нижний правый угол А
Рис. 2.16. Направление и величина воздействия Lab =FX, Value = –50
2.9. Закрепление конструкции:
M.M.\Solution\Define Loads\Apply\Structural\Displacement\On Lines\ выделяем окружность (она разбита на четыре сектора, поэтому надо последовательно нажать на каждый из них) \Ок \Lab2 = All Dof \Ок (рис. 2.17).
Рис. 2.17. Выделение четырех секторов окружности
34
Все степени свободы узлов на отверстии равны нулю (рис. 2.18 и 2.19).
Рис. 2.18. Неподвижное закрепление четырех секторов окружности
Рис. 2.19. Вид неподвижно закрепленного отверстия
2.10. Запуск на решение:
M.M.\Solution\Solve\Current Ls\Ок.
2.11. Просмотр поля суммарного вектора перемещений:
M.M.\General Postproc\Plot Results\Contour\Nodal Solution\Item\Comp =
Dof Solution\Translation Usum\Ok (рис. 2.20).
Рис. 2.20. Просмотр перемещения различных участков пластин уголка
35
2.12. Вывод поля напряжений по Мизесу:
M.M.\General Postproc\Plot Results\Contour Plot\Nodal Solu…\\Item,
Comp = Stress, Von Mises Seqv\ Ok. (рис. 2.21).
Рис. 2.21. Просмотр поля напряжений в различных участках пластин уголка
Содержание отчета: краткие теоретические сведения, подробное
описание всех шагов статического расчета, рисунки состояния детали после приложения силы (суммарный вектор перемещений и поля напряжения
по Мизесу с указанием наиболее нагруженного участка). Выводы.
Контрольные вопросы.
1.1. Для каких задач пригоден прочностной статический анализ?
1.2. Какие воздействия указываются для этого анализа?
1.3. Какие результаты можно получить из анализа?
1.4. Какие нелинейности может включать анализ?
1.5. Как задаётся тип, размеры и свойства материала уголка?
1.6. Как закрепляется конструкция и прикладывается внешнее воздействие?
1.7. Как просматриваются результаты анализа?
36
Лабораторная работа №3
МОДАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ
Цель работы: рассчитать собственные частоты колебаний пластины
(рис. 3.1), в не нагруженном состоянии; сделать анимационный файл к одной или нескольким (по указаниям преподавателя) собственным частотам;
провести анализ собственных частот той же конструкции в преднагруженном состоянии и сравнить результаты. Проводится статический модальный
анализ оболочки (Shell) с закреплением пластины по двум линиям А и Б
с воздействием сосредоточенной нагрузки и получением собственных частот и модальным анализом преднагруженной конструкции с внешним
воздействием 1000 Н. Теоретический материал приведен в [1].
Рис. 3.1. Пластина
Порядок выполнения работы
3.1. Задание каталога и имени файла:
Utility Menu\File\Change Directory… выбираем каталог для сохранения
результатов.
Utility Menu\File\Change Jobname … задаем имя проекта (группы файлов). вместо указанного File.
3.2. Определение типа анализа: MM\ Preferences…\Structural\Ок.
37
3.3. Выбор типа используемого элемента, толщины и свойства
материала:
Выбираем элемент – MM\Preprocessor\Element Type\Add/Edit/Delete…\
Add…\ Structural Shell Elastuc 4 Node 63 \Ок\Close (рис. 3.2).
Рис. 3.2. Выбираем тип используемого элемента
Задаём толщину – M.M.\ Preprocessor\ Real Constants\ Add/Edit/Delete…
\Add…\ Ок \Shell Thickness At Node I Tk(I) = 0.003 Метра \Ок \Close
(рис. 3.3).
Рис. 3.3. Определяем толщину пластин
Выбираем свойства материала– M.M.\ Preprocessor \Material Prop\ Material Models…\ Material Models Available\ Structural\ Linear\ Elastic\
Isotropic\EX = 2е11 Па, PRXY = 0,3\ ОК \Density\DENS = 7800 Кг/М3\Ok\
Close (рис. 3.4 и 3.5).
Рис. 3.4. Выбираем свойства материала
38
Рис. 3.5. Указываем плотность материала
3.4. Построение детали:
А.
Прямоугольник:
M.M.\ Preprocessor \Modeling\Create\Areas\Rectangle\ By Dimensions…\
X1 = 0 М, X2 = 0,05 М, Y1 = 0 М, Y2 = 0,04 М \ Ok (рис. 3.6).
Рис. 3.6. Прямоугольник
Б.
Окружность:
Перемещаем рабочую систему координат. Для перемещения рабочей
системы координат делаем ее активной:
U.M.\Workplane\Change Active Cs To\Working Plane, Затем
U.M.\Workplane\ Offset Wp To (Куда Переместить Рабочую Систему)\
Keypoint\ Нажимаем На Точку, Указанную На Рис. 3.6 Цифрой 1\Ок.
Строим окружность радиусом 0,02 метра:
M.M.\Preprocessor\Modeling\Create\Area\Circle\Solid Circle \Radius =
0,02\Ок.
39
В.
Выполняем логическое сложение пластины и окружности:
M.M\ Preprocessor\ Operate\ Boolean \Add\ Area \Pick All (рис. 3.7).
Рис. 3.7. Указываем верхний правый угол и строим окружность
Г.
В соответствии с пунктом В перемещаем активную систему
координат на центр левой стороны прямоугольника (рис. 3.7):
U.M.\ Workplane\ Change Active Cs To (какую координатную систему
сделать активной)\ Working Plane, Затем U.M.\ Workplane\ Offset Wp To
\Keypoint \Выделяем Две Точки 2 и 3 (рис. 3.8)\ Ок.
Рис. 3.8. Указываем левые верхнюю и нижнюю точку
Д.
Строим окружность аналогично пункту Б радиусом 0,01 метра
(рис. 3.9).
Рис. 3.9. Строим окружность радиусом 0.01 м.
Е.
40
Складываем полученные фигуры аналогично пункту В.
3.5. Разбиение конструкции на конечные элементы:
Подготовка разбиения: M.M.\ Preprocessor \Meshing\Size Cntrls
\Manual Size\Global\Size…\ Ndiv = 4 \Ок (рис. 3.10).
Рис. 3.10. Указываем шаг сетки разбиения пластины
Разбиение: M.M. \Prepocessor \Meshing\Mesh \Areas\Free\ Pick All
(рис. 3.11).
Рис. 3.11. Сетка разбиения пластины
3.6. Проведение модального анализа ненагруженной конструкции:
M.M.\ Solution\ Analysis Type\New Analysis\ Modal (анализ на собственные частоты) \Ok (рис. 3.12).
Рис. 3.12. Устанавливаем модальный анализ
Указываем параметры (рис. 3.13 и 3.14): M.M.\Solution\ Analysis
Type\Analysis Options \Modopt = Block Lanczos, No. Of Modes To Extract =
10, Mxpand = Yes,Nmode= 10, Elcalc = No, Lumpm = No, Pstres = No\ OK\
Freqb = 0, Freqe = 10000 \ОК.
41
Рис. 3.13. Указываем параметры анализа
Рис. 3.14. Указываем диапазон для собственных частот колебаний пластины
Выполняем расчет:
M.M.\ Solution \ Currrent Ls \ Ok (рис. 3.15).
Рис. 3.15. Выполняем решение задачи
3.7. Просмотр результатов расчета:
M.M. \General Postproc \Read Results\First Set \Plot Results \Contour
Plot\Nodal Solu…\ Plnsol = Dof Solution, Translation Usum \ Ok (рис. 3.16).
Рис. 3.16. Просмотр перемещений пластины на первой собственной частоте
42
Для просмотра следующих частот, по очереди, второй, третьей и т.д.:
M.M. \ General Postproc \Read Results\Next Set (следующая частота)
N – 1 раз, где N – номер собственной частоты, то есть для просмотра третьей частоты нажимаем два раза\ Plot Results \Contour Plot– Nodal Solu…\
Plnsol = Dof Solution, Translation Usum \ Ok (рис. 3.17).
Рис. 3.17. Просмотр перемещений пластины на последней частоте
Для просмотра числа и значений собственных частот колебаний пластины выбираем General Postproc \ Results Summary (рис. 3.18)
Рис. 3.18. Просмотр числа
и значений собственных частот колебаний пластины
Чтобы сделать анимационный файл, нужно выполнить следующую
последовательность действий:
U.M.\ Plot Ctrls \Animate\Mode Shape…\No. Of Frames To Create = 50,
Time Delay = 0.05, Acceleration Type = Linear, Display Type = Dof Solution,
Translation Usum \ Ок.
3.8. Проведение анализа преднагруженной конструкции:
A.
Нагружаем и закрепляем созданную ранее конструкцию:
M.M.\ Solution\Analysis Type\New Analis\Static\Ok. Теперь (рис. 3.19):
M.M.\ Preprocessor\Loads\Analysis Type\Fast Sol’n Opts\Toler…=5(Most
Accur)
43
Рис. 3.19. Установка опций решения
B.
Закрепляем деталь и прикладываем к ней внешнее воздействие:
M.M. \ Preprocessor \ Loads \ –Loads– Apply \ Displacement \ On Lines \
нажимаем на линии закрепления указанные в задании по очереди \ Ок\ All
Dof \Ок (рис. 3.20 и 3.21).
Рис. 3.20. Указание линий закрепления конструкции
Рис. 3.21. Неподвижное закрепление конструкции
Приложение нагрузки в узле А (рис. 3.22):
M.M.\Preprocessor\Loads\Define Loads\Apply\Force/Moment\On Nodes\(в
узле)\ нажимаем на узел А \\ Ok \ Lab = Fz, Constant Value; Value =–1000
\Ok (рис. 3.23).
44
Рис. 3.22. Указание узла А приложения нагрузки
Рис. 3.23. Указание места приложения нагрузки (около центра окружности)
Г.
Проводим статический расчет преднагруженной конструкции:
M.M.\ Solution \Solve\\Currrent Ls \ Ok (рис. 3.24).
Рис. 3.24. Решение задачи статики
Д.
Проводим модальный анализ преднагруженной конструкции
(рис. 3.25):
M.M.\Solution \New Analys\\ Modal \Ok. Теперь: M.M.\ Solution\ Analysis
Type \Analysis Options… \все настройки остаются без изменений по отношению к предыдущему модальному анализу кроме LUMPM = Yes, Pstres =
Yes \ ОК \ Freqb = 0, Freqe = 10000 \ ОК(рис. 3.26).
Затем: M.M.\ Solution\Solve\ Currrent Ls \Ok (рис. 3.27).
Е.
Сравниваем результаты расчета преднагруженной конструкции
(аналогично пункту 6) и сравниваем с полученными ранее.
45
Рис. 3.25. Установка параметров решения задачи при закреплении и нагрузке
Рис. 3.26. Установка диапазона частот
.
Рис. 3.27. Получение решения задачи
3.9. Просмотр результатов расчета:
M.M.\ General Postproc\ Results Summary (рис. 3.28).
Рис. 3.28. Число и значения частот собственного колебания пластины
46
M.M.\ General Postproc \Read Results\First Set\ Plot Results \Contour
Plot\Nodal Solu…\ Plnsol = Dof Solution, Translation Usum\ Ok (рис. 3.29
и 3.30).
Рис. 3.29. Просмотр поля перемещений участков пластины
на первой собственной частоте
Рис. 3.30. Просмотр поля перемещений пластины на последней частоте
Содержание отчета: краткие теоретические сведения, подробное
описание всех шагов расчета с помощью ANSYS при проведении модального анализа, рисунки состояния детали после приложения нагрузок.
Сравнение полученных результатов расчета ненагруженной детали с преднагруженной деталью. Выводы.
Контрольные вопросы
1.1. Для каких задач пригоден модальный анализ?
1.2. Какие воздействия указываются для этого анализа?
1.3. Какие результаты можно получить из анализа?
1.4. Какие нелинейности может включать анализ?
1.5. Как задаётся тип, размеры и свойства материала пластины?
1.6. Как закрепляется конструкция и прикладывается внешнее воздействие?
1.7. Как просматриваются результаты анализа?
47
Лабораторная работа №4
ГАРМОНИЧЕСКАЯ ВИБРАЦИЯ
Цель работы:
подвергнуть уголок (рис. 4.1), состоящий из пластин
с разными физическими свойствами, гармоническому анализу и получить
перемещения и ускорения на заданном интервале частот, а также форму
колебаний на резонансной частоте. Провести структурный анализ оболочки
(Shell) с жёстким закреплением боковой грани и равномерно распределенной нагрузки горизонтального основания. Получить резонансную частоту и
форму колебаний на резонансной частоте, а также ускорения на заданном
интервале частот (рис. 4.1). Теоретический материал приведен в [1].
Рис. 4.1 Уголок из разных материалов.
Порядок выполнения работы
4.1. Задание каталога и имени файла:
Utility Menu\File\Change Directory… выбираем каталог для сохранения
результатов.
Utility Menu\File\Change Jobname … задаем имя проекта (группы файлов). вместо указанного File.
4.2. Фильтрация меню:
M.M.\ Preferences…\ Structural\ Ok. Таким образом, фильтруется все
меню под структурный расчет.
48
4.3. Задание свойств материалов и типа элементов.
Выбираем тип элементов:
M.M.\ Preprocesssor\ Element Type\Add/Edit/Delete\ Add…\Structural
Shell Elastuc 4 Node 63 \Ok \Close (рис. 4.2).
Рис. 4.2. Выбираем тип используемого элемента
Определение толщины используемых пластин (рис. 4.3 и 4.4).
M.M.\ Preprocessor\ Real Constants\ Add/Edit/Delete\ Add\ Ок и в пункте
Shell Thickness At Node I TK(I) толщину пластины равную 0,006 метрам и
повторяем операцию Add\ Ок, задавая толщину второго материала, равную
0,012 метрам.
Рис. 4.3. Толщина первого материала
Рис. 4.4. Толщина второго материала
Задание свойств материалов пластин, пронумерованных на рис. 4.1:
M.M. \Preprocesssor\ Material Props \Material Models.
Следуя цифрам (рис. 4.1), выполняем следующие действия:
А.
Двойным нажатием мыши выполняем: Structural\ Linear\ Elastic\
Isotropic. В окне Linear Isotropic Properties ForMaterial Number 1 задаем: модуль Юнга EX = 2е11 Па и коэффициент Пуассона PRXY = 0,27 (рис. 4.5).
49
Рис. 4.5. Задаем: модуль Юнга и коэффициент Пуассона
Б.
Аналогично раскрываем Density и в поле плотность DENS задаём 7800 кг/м3.
В.
Нажимаем: Material \New Model… и уже для второго материала
повторяем первые две операции, присвоив: EX = 1E+11 Па; PRXY = 0.23;
DENS = 2700 кг/м3. (см рис. 4.6 и 4.7).
Рис. 4.6. Задаем: новый материал
Рис. 4.7. Задаем свойства нового материала
4.4. Построение детали:
А.
M.M.\ Preprocessor\ Modeling\Create\Areas\Rectangle\By Dimensions…, вводим координаты углов: X1 = -0.5, X2 = 0.5, Y1 = 0, Y2 = 1,
нажимаем Apply; (рис. 4.8).
50
Рис. 4.8. Размеры первой пластины
Б.
Вводим координаты углов: X1 = -0.3, X2 = 0.3, Y1 = 0, Y2 = 0.5;
(рис. 4.9).
Рис. 4.9. Размеры второй пластины
В.
Для построения третьего прямоугольника повернем систему
координат на угол равный 120° :
U.M. \Work Plane\ Offset Wp By Increments…: (рис. 4.11):
• угол поворота устанавливаем равным 90° и нажимаем на кнопку
поворота оси Х против часовой стрелки;
Рис. 4.10. Бокс. Поворот системы
51
Рис. 4.11. Указание на поворот системы координат
• угол поворота устанавливаем равным 30° и нажимаем на кнопку
поворота оси Х против часовой стрелки (рис. 4.10).
Теперь определяем координаты углов последнего прямоугольника:
M.M.\Preprocessor\Modeling\Create\Areas\ Rectangle\ By Dimensions… –
X1 = -0.3, X2 = 0.3, Y1 = 0, Y2 = 0.5. ( рис. 4.12).
Рис. 4.12. Размеры третьей пластины
4.5. Соединение прямоугольников в одно целое:
M.M.\ Preprocessor\Modeling\Operate \Booleans\Partition\ Areas. Выделяем курсором сначала второй прямоугольник (рис. 4.13), затем первый и
нажимаем ОК.
Рис.4. 13. Соединяем в одну деталь вторую и первую пластины
Теперь склеиваем все пластины:
M.M.\ Preprocessor \Modeling\Operate \Booleans\Glue\Areas\ Pick All.
Таким образом, мы получаем единую конструкцию. (рис. 4.14).
52
Рис. 4.14. Соединяем в одну деталь всю конструкцию
4.6. Назначение материала:
M.M.\ Preprocessor\Meshing\Mesh Attributes\Picked Areas+; нажимаем
на первый прямоугольник (рис. 4.13) и нажимаем ОК, в появившемся окне
выставляем: MAT = 1, REAL = 1, TYPE = 1 SHELL63, ESYS = 0 и ОК, затем
нажимаем … Picked Areas+, нажимаем на второй и третий прямоугольники
по очереди, нажимаем Ok, затем в окне Area Attributes выставляем: MAT = 2,
REAL = 2, TYPE = 1 SHELL63, ESYS = 0. (рис. 4.15, 4.16)
Рис. 4.15. Назначаем первой пластине первый материал
Рис. 4.16. Назначаем второй и третьей пластинам второй материал
4.7. Разбиение конструкции на конечные элементы:
M.M.\ Preprocessor \Meshing\Size Cntrls \Manual Size\Global\Size…., переменной Size присваиваем значение 0.1, потом нажимаем Ок (рис. 4.17),затем:
M.M.\ Preprocessor \Meshing\Mesh \Areas\Free\ Pick All. . (рис. 4.18)
53
Рис. 4.17. Устанавливаем размер элемента сетки
Рис. 4.18. Разбиваем конструкцию на конечные элементы
4.8. Проведение расчета гармонической вибрации:
А.
Назначаем тип анализа – гармонический: M.M.\ Solution\ Analysis Type\New Analisis…\ Harmonic.
Б.
Закрепляем конструкцию: Mm\Solution\Define\ Loads\Apply\
Structural\ Displacement\Lines… и выбираем закрепляемую линию ( рис. 4.21),
нажимаем Ок и в появившемся окне выбираем ALL DOF, то есть по всем
осям перемещения равны нулю, и нажимаем Ок. (рис. 4.19).
Рис. 4.19. Жесткое закрепление правой стороны вертикальной пластины
В.
Нагружаем конструкцию, (рис. 4.21) под цифрой 2:
M.M.\ Solution\Define Loads\ Apply\Structural\ Pressure\ On Areas, выделяем указанную поверхность, нажимаем ОК, и в окне переменной Value
задаем значение распределенной нагрузки равное 1000 Н/м2. (рис. 4.20).
54
Рис. 4.20. Распределенная нагрузка на площадь горизонтальной пластины
1
2
Рис. 4.21 Линия закрепления 1
Г.
Проводим расчет:
M.M. \Solution \Load Step Opts\Time/Frequenc \Freq And Substps… и выставляем значения: HARFRQ = 4…12 – интервал частот, а NSUBST = 50 –
количество шагов, Stepped. Нажимаем ОК. (рис. 4.22) Затем MM \ Solution
\Solve\\Currrent Ls\ Ok. (рис. 4.23).
Рис. 4.22. Диапазон частот и число шагов
55
Рис. 4.23. Решение задачи
4.9. Просмотр результатов расчета:
А.
Выбираем последовательно три узла, для которых строим графики перемещений и ускорений в зависимости от частоты нагрузки:
M.M. \Timehist Postpro\ Define Variables …, то есть, определяем узлы,
с которых будут считываться значения перемещений. Нажимаем на кнопку
Add…, выбираем Nodal Dof Result и нажимаем Ок. Выбираем первый узел,
(рис. 4.27). Подтверждаем выбор нажатием Ок. В появившемся окне выставляем: Nvar (номер переменной) = 2. Повторяем нажатие Add… ещё два
раза, присваивая Nvar значения 3 и 4, а переменной Data Item – значения
Dof Solution и Translation = Uy, Uz и Uz для первой, второй и третьей точек. Нажимаем ОК потом Close.. (рис. 4.24).
Б.
Строим графики:
M.M.\ Timehist Postpro\ Graph Variables… (рис. 4.25) и в окне наберем:
Nvar1 присвоим значение 2, Nvar2 присваиваем значение 3, Nvar3 присваиваем значение 4; и нажимаем Ок. В результате этого получаем график
значений перемещений в зависимости от частот в определенных ранее узлах (рис. 4.26 и 4.27). Первый резонанс (всплеск перемещений) наблюдается для частоты равной 5,28 Гц.
Получаем, резонансную частоту равную 5,28 Гц, смотрим форму колебаний конструкции при данной частоте:
M.M.\ General Postproc \Read Results\By Time/Freq…, в появившемся
окне выставляем все как изображено на рис. 4.28 и нажимаем ОК. После
этого: M.M.\General Postproc\Plot Results\Contour Plot\Nodal Solu… и в появившемся окне переменной Plnsol присваиваем значения Stress, Von Misses
и потом Ок (рис. 4.30 и 4.31).
Рис. 4.24. Определение узлов, с которых считывается перемещение
56
Рис. 4.25. Присвоение номеров выбранным переменным
Рис. 4.26. Определение узлов, с которых считывается перемещение
Рис. 4.27. Выбор узлов
Рис. 4.28. Настройка просмотра колебаний на резонансной частоте
57
А если в последнем окне переменной Plnsol присваиваем значения Dof
Solution, Translation Usum, получаем перемещения конструкции на резонансной частоте (рис. 4.29).
Рис. 4.29. Перемещения участков конструкции на резонансной частоте
Г.
Строим графики ускорений ранее выбранного одного узла.
(рис. 4.32). При гармоническом анализе ускорение представляет собой
произведение перемещения на квадрат частоты. Т.е. для получения ускорений достаточно произвести простое перемножение:
M.M.\ Timehist Postpro \Math Operations \Multiply…, в появившемся
окне выставляем: Ir→5 – номер переменной в которой будет храниться результат перемножения – ускорение, Ia→2 – номер переменной в которой
хранятся значения перемещений, Ib→Ic→1 – номер в которой хранятся
значения частот ранее заданного интервала, → Ок (рис. 4.33). Далее выполняем визуализацию графика (рис. 4.34).
Рис. 4.30. Настройка просмотра напряжений по Мизесу
58
Рис. 4.31. Напряжения по Мизесу конструкции на резонансной частоте
Рис. 4.32 Вычисление ускорения ранее выбранного узла
Рис. 4.33 Подготовка графика ускорений ранее выбранного узла
Рис. 4.34 График ускорений ранее выбранного узла
59
M.M.\ Timehist Postpro \Graph Variables… и в появившемся окне переменной Nvar1 присваиваем значение 5, → Ок, получаем график ускорений
в выбранном узле для заданного ранее диапазона частот.
Содержание отчета: краткие теоретические сведения, подробное
описание всех шагов расчета с помощью ANSYS при расчете гармонической вибрации, рисунки воздействия вибрации на деталь с параметрами
перемещения и ускорения на заданном интервале частот, форма
колебаний на резонансной частоте. Выводы.
Контрольные вопросы
1.1. Для каких задач пригоден гармонический анализ?
1.2. Какие воздействия указываются для этого анализа?
1.3. Какие результаты можно получить из анализа?
1.4. Какие нелинейности может включать анализ?
1.5. Как задаётся тип, размеры и свойства материала пластины?
1.6. Как закрепляется конструкция и прикладывается внешнее воздействие?
1.7. Как просматриваются результаты анализа?
60
Лабораторная работа № 5
СЛУЧАЙНАЯ ВИБРАЦИЯ
Цель работы: провести анализ пластины, закреплённой с обеих сторон по краям (рис. 5.1), на случайную вибрацию.
Рис. 5.1. Пластина
Выполняется анализ случайной вибрации оболочки (Shell) с жестким
защемлением торцевых сторон пластины и получением полей среднеквадратичных значений перемещений, скоростей и ускорений. Теоретический
материал приведен в [1].
Порядок выполнения работы
5.1. Задание каталога и имени файла:
Utility Menu\File\Change Directory… выбираем каталог для сохранения
результатов.
Utility Menu.File.Change Jobname … задаем имя проекта (группы файлов). вместо указанного File
5.2. Определение типа анализа:
MM \Preferences…\ \Structural\ Ок.
5.3. Выбор типа используемого элемента, его толщины и свойств
материала:
Тип элементов: M.M\ Preprocesssor\Element Type \Add/Edit/Delete
\Add…\ Structural Shell Elastuc 4 Node 63 \Ok \ Close (рис. 5.2).
Определяем толщину: M.M \Preprocessor\Real Constants\ Add/Edit/ Delete \Add \Ок и в пункте Shell Thickness At Node I TK(I) окна Real Constant
Set Number 1 задаем толщину пластины равную 0.0007 метрам. Нажимаем
Ок и в окне Real Constant нажимаем Close. Задаем свойства материала:
M.M.\Preprocesssor\ Material Props \Material Models. Затем, следуя
цифрам 1 и 2 на рисунке 5.2, выполняем действия:
А.
Двойным нажатием мыши на указанные папки выполняем:
Structural\ Linear \Elastic\ Isotropic. В окне Linear Isotropic Properties
For Material Number 1 задаем: модуль Юнга Ex = 2е11 Па и коэффициент
Пуассона Prxy = 0.27.
61
3
1
2
Рис. 5.2. Задание свойств материала
Б.
Define.
Раскрываем Density, задаем Dens =7800 кг/м3 и закрываем окно
5.4. Построение детали:
А.
M.M.\Preprocessor\Modeling\Create\Areas\Rectangle\ By Dimensions…, вводим координаты углов – X1 = –0.05, X2 = 0.05, Y1 = –0.03,
Y2 = 0.03, нажимаем Apply;
Б.
Вводим координаты углов – X1 = 0.05, X2 = 0.15, Y1 = –0.015,
Y2 = 0.015, нажмиаем Apply;
В.
Вводим координаты углов – X1= –0.05, X2= –0.15, Y1= –0.015,
Y2= 0.015, нажимаем Ок;
Г.
Складываем полученные фигуры:
M.M.\ Preprocessor \Modeling\Operate \Booleans\Add\ Areas \Pick All;
Д.
Строим окружность:
M.M.\Preprocessor\Modeling\Create\Areas\Circle\ Solid Circle\ Radius =
0.01\ OK;
Е.
Вычитаем из полученной фигуры построенную окружность:
MM\Preprocessor \Modeling\Operate \Booleans\Subtract \Areas\ выделяем фигуру, из которой будет производится вычитание \Ok\ выделяем вычитаемый объект – окружность\ Ok.
62
5.5. Разбиение конструкцию на конечные элементы:
Разбиваем конструкцию на конечные элементы:
M.M.\ Preprocessor \Meshing\Size Cntrls \Manual Size\Global\Size…, переменной Size присваиваем значение 0.01, потом нажимаем Ок, затем:
M.M. \Preprocessor \Meshing\Mesh \Areas\Free\ Pick All.
5.6. Задание граничных условий и выполнение расчета:
А.
Выбираем модальный анализ:
Mm \Solution\ Analisis Type\ New Analisis…\ Modal\Ok. Затем: M.M.\
Solution \ Analisis Type\ Analisys Options\ Modopt = Block Lanczos, No. Of
Modes To Extract = 10, Expand = Yes, Nmode = 10, Elcalc = Yes, Lumpm =
No, Pstres = No \ Ok \ Freqb = 0, Freqe = 10000 \ Ок.
Б.
Закрепляем конструкцию, как показано на рис. 5.3 под буквами A и B:
MM \Solution\ Define Loads\Apply \Structural \Displacement\on Lines… и
выбираем закрепляемые линии, нажимаем Ок и в появившемся окне выбираем All Dof, то есть по всем осям перемещения равны нулю, и нажимаем
Ок (рис. 5.3).
Рис. 5.3. Места жесткого крепления пластины
5.7. Проведение расчета: M.M. \Solution \Solve \Currrent Ls \Ok\Close.
Выгрузка из памяти предыдущих операций: M.M.\Finish.
5.8. Проведение спектрального анализа:
M.M.\ Solution \Analisis Type\ New Analysis\ Spectrum \ Ok, Затем выбираем:
M.M.\Solution\Analisis Type\Analysis Options Spopt = P.S.D.,Nmode = 10,
Elcalc = Yes \ Ok (рис. 5.4).
5.9. Выделение узлов крепления пластины:
M.M.\ Solution \Define Loads\Apply\Structural\Spectrum\ –Base Psd Excit\
On Nodes \нажимаем радио-кнопку Box и выделяем узлы сначала с одного
торца потом с другого (рис. 5.5) (обведены красными прямоугольниками)
\Ok \ LAB = Nodal Z \ Ok (рис. 5.6).
63
Рис. 5.4. Настройка спектрального анализа
Рис. 5.5. Выделение узлов на краях пластины
Рис. 5.6. Ввод направления воздействия на пластину
64
5.10. Настройка воздействия на пластимну: M.M.\ Solution \Load
Step Opts\Spectrum \ Psd\Settings \Psdunit = Accel(G**2/Hz), Gvalue = 9.8\ Ok
(рис. 5.7).
Рис. 5.7. Установка числа собственных частот
5.11. Загрузка значений собственных частот и ускорений пластины:
M.M.\ Solution \Load Step Opts\Spectrum\ –Psd– Psd Vs Freq \Ok \в появившееся окно вводим номер таблицы 1 и нажимаем Ok. В появившемся
окне с таблицей №1 вносим в первый столбец – полученные собственные
частоты, во второй – следующие значения из рисунка 8 и после этого
нажимаем Ok (рис. 5.8).
Рис. 5.8. Установка значений собственных частот и ускорений
65
5.12. Ввод номера таблицы и решение задачи:
M.M.\Solution\Load Step Opts\Spectrum\Psd\Calculate Pf \Ok (рис. 5.9).
Рис. 5.9. Ввод номера таблицы
При успешном решении появляется окно о выполненном решении
(рис. 5.10)
Рис. 5.10. Решение выполнено
5.13. Ввод опций для параметров вибрации пластины:
M.M.\Solution\Load Step Opts \Spectrum \ Psd\ Calc Controls \ Disp = Relative
To Base, Velo = Relative To Base, Acel = Relative To Base \Ok (рис. 5.11).
Рис. 5.11. Ввод опций для смещения, скорости и ускорения пластины
Выбор числа частот:M.M. \Solution \Load Step Opts\Spectrum\ Psd\
Mode Combine=10\ Ok (рис. 5.12).
Рис. 5.12. Ввод числа частот
66
5.14. Проведение расчета и просмотр результатов:
M.M.\ Solution \Solve\Currrent Ls \Ok (рис. 5.13).
Рис. 5.13. Решение выполнено
Рис. 5.14 Набор команды SET, 3, 1\ОК
А.
Для вывода перемещения и напряжения необходимо:
Выполнить M.M.\ General Postproc. Затем в командной строке Ansys
Input набираем команду Set, 3, 1\Ок (рис. 5.14).
Можно визуализировать выходные данные посредством команд:
M.M. \General Postproc\ Plot Results \\Contour Plot\Nodal Solu \Dof Solution Translation Usum \Ok – поле перемещений (рис. 5.15).
Рис. 5.15. Поле перемещений участков пластины
M.M.\ General Postproc \Plot Results \Contour Plot\Nodal Solu\ Stress
Von Mises \Ok – поле напряжений по Мизесу (рис. 5.16).
67
Рис. 5.16 Поле напряжений по Мизесу участков пластины
Рис. 5.17 Поле скоростей перемещений участков пластины
Для просмотра скоростей и ускорений воспользуемся командами
Set,4,1 И Set,5,1 соответственно, в той же командной строке, и уже потом
для визуализации введем функцию M.M.\ General Postproc\ Plot
Results\Contour Plot\Nodal Solu \Dof Solution Translation Usum \Ok
(рис. 5.17,5.18).
Рис. 5.18. Поле ускорений перемещений участков пластины
68
Содержание отчета: краткие теоретические сведения, подробное
описание всех шагов расчета с помощью ANSYS случайной вибрации, рисунки состояния детали после приложения нагрузок. Выводы.
Контрольные вопросы
1.1. Для каких задач пригоден структурный анализ случайной вибрации?
1.2. Какие воздействия указываются для этого анализа?
1.3. Какие результаты можно получить из анализа?
1.4. Какие нелинейности может включать анализ?
1.5. Как задаётся тип, размеры и свойства материала пластины?
1.6. Как закрепляется конструкция и прикладывается внешнее воздействие?
1.7. Как просматриваются результаты анализа?
69
Лабораторная работа № 6
ДИНАМИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ (УДАР)
Цель работы: провести анализ уголка (рис. 6.1) подвергнутого динамическому воздействию.
Провести структурный анализ оболочки (Shell) с жестким закреплением и динамически прикладываемой равномерно распределенной ударной
нагрузки.
Провести анализ на произвольное динамическое воздействие и вычислить ускорение. Теоретический материал приведен в [1].
Рис. 6.1 Пластина с уголком
Порядок выполнения работы
6.1. Задание каталога и имени файла:
Utility Menu\File\Change Directory… выбираем каталог для сохранения
результатов (рис. 6.2,6.3).
Utility Menu\File\Change Jobname … задаем имя проекта (группы файлов). вместо указанного File
6.2. Определение типа анализа:
MM \ Preferences…\Structural\Ок.
6.3. Выбор типа и свойств используемого элемента:
Выбираем тип элемента:
M.M. \Preprocessor\ Element Type\ Add/Edit/Delete…\ Structural Shell
Elastuc 4 Node 63 \Ok \Close (рис 6.4).
70
Рис. 6.2 Переход в рабочую папку
Рис. 6.3. Указание нового проекта (файлы с одинаковым именем)
Рис. 6.4. Указание типа элемента
Рис. 6.5. Толщина пластины 5 мм
71
Определяем толщину:
M.M. \Preprocessor\Real Constants\Add/Edit/ Delete…\Add…\Ок, и в
пункте Shell Thickness At Node I TK(I) задаем толщину пластины равную
0,005 метрам (рис. 6.5).
Выбираем свойства материала и задаем его характеристики:
M.M. \Preprocessor\ Material Props\ Material Models. Затем следуя
цифрам на рис. 6, выполняем следующие действия:
А.
Двойным нажатием мыши на указанные папки выполняем:
Structural \Linear \Elastic \Isotropic. В окне Linear Isotropic Properties
For Material Number 1 задать: модуль Юнга EX = 2е11 Па и коэффициент
Пуассона Prxy = 0,27 (рис. 6.6).
Аналогично раскрываем Density и в поле плотность задаем 7800 кг/м3.
Рис.6.6. Свойства материала пластины
6.4. Построение детали:
А.
Пятиугольник:
M.M. \Preprocessor \Modeling \Create\ Keypoints \In Active Cs…, появится
окно, в котором: Npt Keypoints Numer (номер точки) и X, Y, Z Location In Active Cs (координаты точки). Теперь задаем номер и координаты первой точки: №1, (0; 0; 0) и нажмите Apply, второй точки: №2, (0.2; 0; 0) и нажимаем
APPLY. Вводим точки: №3 с координатами (0.2; 0.2; 0); точки №4 с координатами (0,05; 0,2; 0) и точки №5 с координатами (0; 0.15; 0); набираем данные
о пятой точке, вместо Apply нажимаем ОК. Далее вводим следующее:
M.M. \Preprocessor\Modeling\Create\Areas\Arbitrary \Through Kps и выделяем полученные точки в порядке возрастания порядкового номера пока
не получится замкнутый пятиугольник и нажать Ок.
Б.
Уголок:
перемещаем и поворачиваем рабочую систему координат U.M.\ Workplane \Offset Wp To \Keypoints при этом необходимо указать пятую точку,
в нее перемещаем рабочую систему координат, нажимаем Ок; теперь поворачиваем систему координатную сначала вокруг оси Oz, потом вокруг
оси OX следующим образом:
U.M. \Workplane \Offset Wp By Increments… (рис. 6.7), выставляем
движок угла поворота на 45° и нажимаем на кнопку поворота оси OZ –
против часовой стрелки, потом выставляем угол поворота на 90° и нажми72
те кнопку поворота вокруг оси OX против часовой стрелки. Нажимаем
кнопку ОК. Теперь необходимо сделать модифицированную систему координат активной, для этого:
U.M.\ Workplane \Change Active Cs To \ Working Plane.
Поворот оси OX
Поворот оси OZ
Угол поворота
Рис. 6.7. Панель управления
В.
определяем шестую точку с координатами (0.045; 0.05; 0) в новой системе координат и соединяем точку №6 с точками №4 и №5 посредством команды Arbitrary, как это было сделано ранее в пункте 4А.
6.5. Разбиение конструкции на конечные элементы:
А.
Разбиваем полученную конструкцию на конечные элементы:
M.M. \Preprocessor \Meshing\Size Cntrls \Manual Size\Global\Size и переменной Size присваиваем значение 0.05, нажимаем ОК.
Б.
Выполняем разбиение на конечные элементы:
M.M. \Preprocessor \Meshing\Mesh \Areas\Free\ Pick All.
6.6. Выполнение расчета на удар:
А.
Назначаем тип анализа: M.M. \Solution \ Analysis Type\New
Analysis \Transient \ Ок.
Б.
Выбираем условия расчета:
• M.M.\ Solution \Analysis Type\Solution Control…, и устанавливаем их
на закладках (рис. 6.8): на Basic выставляем в соответствии с рис. 6.8;
73
• на Transient устанавливаем:
– Full Transient Options: Transient Effect \Ramped Loading;
– Integration Parameters: Amplitude Decay\ Gamma = 0.005;
– Damping Coefficient оставляем без изменения. И нажимаем Ок.
Рис. 6.8. Установка условий расчёта
В. Прикладываем условия нагружения и закрепления: (рис. 6.9).
Закрепляем конструкцию по указанной линии по всем видам
перемещений (ALL DOF):
M.M.\ Solution \Define Loads\ Apply \Structural\Displacement \On Lines и
нажимаем на линию закрепления\ Ok ( рис. 6.9) ;
Рис. 6.9. Условия закрепления
74
– нагружаем конструкцию по выступающему треугольнику (рис. 6.10):
M.M. \Solution \ Define Loads\Apply\ Pressure \ On Areas. В следующем
окне в строке Apply Pres On Areas As A устанавливаем значение New Table,
то есть значения воздействующей силы будут задаваться таблично.
Нажимаем Ок, при этом появляется окно, в котором вводим название
таблицы, например, Trans (рис. 6.11) и нажимаем Ок. В окне Add New Table
Load переменной I No. Of Rows присваиваем значение 2 и нажимаем Ok
(рис. 6.12).
Рис. 6.10. Настройка ввода значения удара в виде таблицы
Рис. 6.11. Ввод имени таблицы
Рис. 6.12. Ввод числа значений удара во времени
Далее, в окне представленном на рис. 6.13, вводим значения, которые
указаны на рисунке. Нажимаем File \Apply\Quit.
75
Рис. 6.13. Ввод значений ударной нагрузки
Г.
Выполняем расчет:
M.M. \Solution \Solve\Current Ls \Ок.
6.7. Просмотр результатов расчета:
А.
Строим график перемещений по оси X для первого узла:
M.M. \Timehist Postpro \Define Variables \Add \Nodal Dof Result \Ок
(рис. 6.14).
Рис. 6.14. Проверка диапазона наблюдения за изменением переменных
Выделяем первый узел, указанный на рис. 6.16, и нажимаем Ок.
В окне Define Nodal Data производим следующие изменения:
–Nvar = 2; Node = 3 и нажимаем Ок (рис. 6.15).
–Item, Comp Data Item \Dof Solution \Translation Ux \ Ok.
Рис. 6.15. Ввод номеров переменной, узла и направления перемещения
76
Б.
Повторяем те же операции и для второго узла, изменив UX на
UZ с номерами соответственно 3 и 4.
Рис. 6.16. Точки для просмотра результатов воздействия удара
В.
Выводим график перемещений:
M.M. \Timehist Postpro \Graph Variables…. В появившемся окне устанавливаем номера переменных (2 и 3) (рис. 6.17). Нажимаем ОК.
Рис. 6.17. Ввод номеров просматриваемых переменных
Появляется график, на котором представлены перемещения выбранных узлов (рис. 6.18).
Рис. 6.18. Перемещения указанных точек в течение 0.2 сек
77
Г.
Для просмотра графика ускорений первого узла нужно дважды
продифференцировать его перемещения, то есть переменную 2 по переменной 1 (рис. 6.20):
M.M.\\Timehist Postpro \ Math Operations\ Derivative…, сначала
выставляем все как на рисунке 6.18 и нажимаем Apply, потом как на
рисунке 6.19 и нажимаем Ок.
Рис. 6.19. Дифференцирование переменной 2
Рис. 6.20. Второе дифференцирование переменной 2
Затем повторяем операцию построения графика:
M.M. \Timehist Postpro \Graph Variables…, указав переменную № 4.
Нажимаем Ок (рис. 6.21).
Рис. 6.21. Ускорение указанных точек в течение 0.2 сек
78
Содержание отчета: краткие теоретические сведения, подробное
описание всех шагов расчета с помощью ANSYS на удар, рисунки состояния детали после приложения нагрузок. Выводы.
Контрольные вопросы
1.1. Для каких задач пригоден анализ динамического воздействия?
1.2. Какие виды воздействий указываются для этого анализа?
1.3. Какие результаты можно получить из анализа?
1.4. Какие нелинейности может включать анализ?
1.5. Как задаётся тип, размеры и свойства материала пластины?
1.6. Как закрепляется конструкция и прикладывается воздействие?
79
Лабораторная работа № 7
СТАЦИОНАРНЫЙ ТЕПЛОВОЙ АНАЛИЗ
Цель работы: провести стационарный тепловой анализ конструкции. Провести нелинейный тепловой расчет двумерной твердотельной
(Solid) пластины с двумя отверстиями, нагреваемой конвекцией с теплопроводностью, как функцией температуры (рис. 7.1). Построить графики
по произвольно заданному пути и получить график температур и теплового потока. Теоретический материал приведен в [1].
Рис. 7.1. Пластина
Порядок выполнения работы
7.1. Задание каталога и имени файла:
Utility Menu\File\Change Directory… выбираем каталог для сохранения
результатов (рис. 7.2 и 7.3).
Рис. 7.2. Переход в рабочую папку
80
Utility Menu\File\Change Jobname … задаем имя проекта (группы файлов) вместо указанного File.
Рис. 7.3. Указание нового проекта (файлы с одинаковым именем)
7.2. Определение типа анализа:
MM \Preferences…\Thermal \Ок (тепловой расчет).
7.3. Выбор типа и свойств элемента
Выбираем конечный элемент – MM\ Preprocessor\ Element Type\
Add/Edit/Delete…\ Add… \Thermal Solid Quad 4 Node 55 \Ok \Close (рис. 7.4).
Рис. 7.4. Указание типа элемента
Задаем материал:
M.M.\Preprocesssor\Material Props\Material Models. Затем выполняем
действия (рис. 7.5):
1)
Двойным нажатием мыши на указанные папки выполните:
Thermal\Conductivity\Isotropic. В окне Conductivity For Material Number 1
нажимаем три раза на кнопку Add Temperature и в полях Temperatures задайте: 20, 40, 60, 100; в полях Kxx задайте 30, 35, 55, 95.
2)
Аналогично раскрываем Density и в поле Dens задаем 7800 кг/м3.
7.4. Построение детали:
А.
Прямоугольник со сторонами 0.5 и 0.75 метра:
M.M.\Preferences\Modeling\Create\Areas\Rectangle\By Dimensions… и
задаем координаты X1, X2 и Y1, Y2 равные 0, 0.5 И 0, 0.75 соответственно.
Нажимаем Ок.
81
Рис. 7.5. Выбор материала и его свойств
Б.
Окружность радиусом 0.1 метра, с координатами центра
окружности 0.25, 0.15 по оси OX и OY:
M.M.\Preferences\Modeling\Create\Areas\Circle\Solid Circle далее задаем указанные координаты и радиус и нажимаем Ок.
В.
Окружность радиусом 0.1 метра, с координатами центра
окружности 0.25, 0.6 по оси OX и OY:
M.M.\ Preferences\Modeling\Create\Areas\Circle\Solid Circle далее задаем указанные координаты и радиус и нажимаем Ок.
Г Создаем конструкцию посредством логического вычитания геометрических объектов (рис. 7.6):
M. M. \Preferences \Modeling\Operate\Booleans\Subtract\Areas, затем
нажимаем на прямоугольник 1 и на Ок, далее нажимаем сначала на окружность 2, потом 3, потом Ок.
3
1
2
Рис. 7.6. Вычитание
82
7.5. Разбиваем конструкцию на конечные элементы (рис. 7.7):
А.
Задаем средний размер грани конечных элементов:
1
M.M.\Preferences\Meshing\Size Cntrls\Manual Size\Global\Size и переменной Size присваиваем значение 0.025, нажимаем ОК.
Б.
Проводим разбиение:
M.M.\Preferences\Meshing\Mesh\Areas\Free\Pick All.
Рис. 7.7. Сетка
7. 6. Задание граничных условий
А.
Задаем температуру среды, контактирующую с линией 1
(рис. 7.8): M.M. \Solution\Define Loads\Apply\Convection\On Lines и нажимаем на данную линию, потом Ок. В окне, переменной Val1i и Val2i присваиваем значение 20 и нажимаем Ок.
2
1
Рис. 7.8. Поле
83
Б.
Задаем температуру, действующую на линию 2 (рис. 7.8):
M.M.\ Solution\Loads\Apply\Thermal\Convection \On Lines и нажимаем на
данную линию, потом Ок. В окне, переменной Val1i и Val2i присваиваем
значение 110 и нажимаем Ок.
В.
Определяем величину шага:
M.M.\ Solution \Load Step Opts\Time/Frequence \Time And Substps и в
окне задаем переменным Time и Nsubst значение 1 и нажимаем Ок.
7.7. Проведение расчета:
M.M. \Solution \Solve\Current Ls \ Ok.
7.8. Просмотр результатов:
А.
Картины распределения температуры:
M.M.\ General Postproc\ Plot Results \Contour Plot\ Nodal Solu\ Dof Solution \Ok (рис. 7.9).
Рис. 7.9. Распределение температуры
Б.
График температуры на заданном пути:
a)
Задаем путь, например:
M.M.\ General Postproc\ Path Operations\Define Path \ By Nodes выделяем два узла на противоположных сторонах конструкции (рис. 7.8), где 1 –
начало пути и 2 – его конец, и нажимаем Ок, переменной Name присваиваем имя, например Temp, и нажимаем Ок.
б)
Вывод на график:
M.M.\ General Postproc\ Path Operations\ Map Onto Path…, где
выбираем PDEF значение Dof Solution и переменной /Pbc устанавливаем
галочку Yes и нажимаем Ок.
в) Вводим в M.M.\ General Postproc\ Path Operations \Plot Path Item\On
Graph выбираем заданное имя пути Temp и нажимаем Ок (рис. 7.10),
в результате выводим график, изображенный на рис. 7.11.
В.
График величины теплового потока по заданному пути:
a)
Определяем, что выводить на графике (рис. 7.12):
M.M. \General Postproc\ Path Operations \Map Onto Path…, где выбираем PDEF значение Flux & Gradient, Thermal Flux Tfsum и нажимаем Ок.
b)
Вводим в M.M. \General Postproc \Path Operations \Plot Path
Item\On Graph выбираем Tfsum и нажимаем, Ок. В результате получаем
график, представленный на рис. 7.13.
84
Рис. 7.10. Настройка графика распределения температуры
Рис. 7.11. График распределения температуры
Рис. 7.12. Настройка графика величины теплового потока
Рис. 7.13. Гграфик распределения величины теплового потока
85
Содержание отчета: краткие теоретические сведения, подробное
описание всех шагов расчета с помощью ANSYS при проведении теплового анализа, рисунки состояния детали после приложения нагрузок.
Выводы.
Контрольные вопросы
1.1. Для каких задач пригоден стационарный тепловой анализ?
1.2. Какие виды воздействий указываются для этого анализа?
1.3. Какие результаты можно получить из анализа?
1.4. Какие нелинейности может включать анализ?
86
Лабораторная работа № 8
ТЕРМОУПРУГИЙ РАСЧЕТ
Цель работы: выполнить связанную тепловую и прочностную задачу
для биметаллической пластины (рис. 8.1).
Провести связанный тепловой и прочностной расчет для неоднородной двумерной твердотельной (Thermal Solid) пластины с назначением
температуры узлам сетки и наложением температурного поля в прочностном анализе в качестве нагрузки. Теоретический материал приведен в [1].
Рис. 8.1. Биметаллическая пластина
Порядок выполнения работы
8.1. Задание каталога и имени файла:
Utility Menu\File\Change Directory… выбираем каталог для сохранения
результатов.
Utility Menu\File\Change Jobname … задаем имя проекта (группы файлов). вместо указанного File (рис. 8.2 и 8.3).
Рис. 8.2. Переход в рабочую папку
87
Рис. 8.3. Указание нового проекта (файлы с одинаковым именем)
8.2. Определение типа анализа:
MM\ Preferences…\Thermal \Ок (рис. 8.4).
Рис. 8.4. Указание типа анализа
8.3. Выбор типа и свойств используемого элемента
Задаем тип элемента: M.M.\ Preprocesssor \Element Type\ Add/Edit/
Delete \ Add…\ ThermalMass\ Solid \Quad 4 Node 55 \Ok \Close
(рис. 8.5).
Рис. 8.5. Указание типа элемента
Задаем материал: M.M.\ Preprocesssor\ Material Props\ Material Models.
Затем, следуя цифрам на рисунке 8.6, выполняем действия:
A. Structural \Linear \Elastic \Isotropic: Ex = 2 E11, Prxy = 0.22 \ Ok;
Structural \Density: Dens = 7800;
Б. Thermal\Conductivity\ Isotropic: Kxx = 30;
Thermal\Specific Heat: C = 100 (рис. 8.7).
88
Рис. 8.6. Указание свойств первого материала
Рис. 8.7. Указание свойств второго материала
8.4. Построение детали:
В: Material \New Model: 2 \Ok.
Г: Первыми двумя пунктами задаем свойства стали, третьим – определяем второй материал. Повторяем пункт 1 и 2, задаем свойства алюминия с
параметрами: Ex = 1.69e10, Prxy = 0.25, Dens = 2780, Alpx = 1e-6, Kxx = 40,
C = 80 (рис. 8.9).
Рис. 8.8. Деление пластины на две части
89
Рис. 8.9. Указания свойств второго материала
А:
M.M.\Preprocesssor\Modeling\Create\Areas\Rectangle\By Dimensions… и задаем координаты X1, X2 и Y1 , Y2 равные 0, 0.3 и 0, 0.06 соответственно. Нажимаем Ок(рис. 8.10).
Рис. 8.10. Создание пластины
Б.
M.M. \Preprocesssor \Modeling\Create \Keypoints \Kp Between
Kps вводим поочередно точки a и b (отмеченные на рисунке 8), нажмите
Ок потом еще раз Ок и получите точку e. Теперь, повторив последнюю
операцию и обозначив точки c и d, получим точку f.
В.
M.M. \Preprocesssor \Modeling\Create\Lines\Lines\Straight Line
выделяем точки e потом f и нажимаем Ок, получаем линию (рис. 8.11).
Рис. 8.11. Создание разделительной линии на пластине
90
8.5. Разделяение прямоугольника по продольной линии:
M.M. \Preprocesssor \Modeling\Operate\Booleans\\Divide\Area By Line\
нажимаем на прямоугольник \Ok\нажимаем на линию \Ok.
8.6. Задание каждой половине материала:
M.M.\ Meshing \ Mesh Attributes\ Picked Areas\ выделяем верхнюю половину \ Ok \Ok \Picked Areas\ выделяем нижнюю половину\ OK\ Material
Number = 2\ Ok (рис. 8.12).
Рис. 8.12. Задание каждой половине пластины своего материала
8.7. Разбиение на конечные элементы:
А.
Сначала задаем средний размер грани конечных элементов:
M.M.\Preprocesssor\Meshing\Size Cntrls\Manual Size\Global\Size и переменной Size присваиваем значение 0.02, нажимаем Ок (рис. 8.13).
Рис. 8.13. Задание размера сетки
Б.
Производим разбиение:
M.M.\ Preprocesssor\Meshing– Mesh \Areas\Free\Pick All (рис. 8.14).
Рис. 8.14. Создание сетки
8.8. Задание граничных условий для теплового расчета:
А.
M.M. \Solution\ Define Loads\Apply \Thermal\Temperature \On
Lines\ выделяем линию bd (рис. 8.8)\ Ok\ Value = 25\Ok (рис. 8.15).
91
Рис. 8.15. Задание температуры на верхней кромке пластины
Б.
M.M. \Solution\ Define Loads\Apply \Thermal\Temperature\ On
Lines\ выделяем линию ac (рис. 8) \Ok\Value = 50\Ok (рис. 8.16).
Рис. 8.16. Задание температуры на нижней кромке пластины
8.9. Проведение расчета:
M.M. \Solution \Solve\Current Ls\ Ok (рис. 8.17).
Рис. 8.17. Назначение значений температур на длинных кромках пластины
8.10. Переключение на прочностной анализ:
А.
M.M.\Preprocessor\Element Type\Switch Elem Type\Thermal To
Structural\Ok (рис. 8.18).
92
Рис. 8.18. Переключение на прочностной анализ
Б.
M.M. \Solution\Define Loads\Apply \Structural\Temperature\ From
Therm Analy \набираем имя файла file.rth\ Ok (рис. 8.19).
Рис. 8.19. Ввод имени файла file.rth
В.
Закрепляем конструкцию по линии ab (рис. 8.8):
M.M. \Solution\ Define Loads\Apply \Structural\Displacement \On Lines \
выделяем линии ae и eb \ Ok \All Dof \ Ok.
8.11. Проведение расчета:
M.M. \Solution \Solve\Current Ls \Ok (рис. 8.20,8.21).
Рис. 8.20. Жесткое закрепление левого края обеих половин пластины
93
Рис. 8.21. Выполнение решения задачи
8.12. Просмотр результатов расчета:
А.
M.M.\General Postproc \Plot Results \Contour Plot\Nodal Solu
\Dof Solution Translation Usum \Ok (рис. 8.22).
Рис. 8.22. Просмотр деформации пластины
Б.
M.M. \General Postproc \Plot Results \Contour Plot\Nodal Solu
\Stress Von Mises (рис. 8.23).
Рис. 8.23. Просмотр распределения напряжений по Мизесу
94
Содержание отчета
Краткие теоретические сведения, подробное описание всех шагов расчета с помощью ANSYS при проведении термоупругого расчета, рисунки
состояния: детали после приложения нагрузок. Выводы.
Контрольные вопросы
1.1. Для каких задач пригоден термоупругий анализ?
1.2. Какие виды воздействий указываются для этого анализа?
1.3. Какие результаты можно получить из анализа?
1.4. Какие нелинейности может включать анализ?
95
Лабораторная работа № 9
НЕСТАЦИОНАРНЫЙ ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ
Цель работы:
проанализировать воздействие двух точечных
источников 1 и 2 тепла на пластину.
Провести нестационарный тепловой анализ двумерной твердотельной
(Solid) пластины, нагреваемой конвекция из двух точечных нелинейных
источников тепла (рис. 9.1). Выполнить нелинейную конвекцию тепловыми
источниками. Теоретический материал приведен в [1].
Рис. 9.1. Пластина
Порядок выполнения работы
9.1. Задание каталога и имени файла:
Utility Menu\File\Change Directory… выбираем каталог для сохранения
результатов (рис. 9.2).
Рис. 9.2. Переход в рабочую папку
96
Utility Menu\File\Change Jobname … задаем имя проекта (группы файлов). вместо указанного File (рис. 9.3).
Рис. 9.3. Указание нового проекта (файлы с одинаковым именем)
9.2. Определение типа анализа:
MM \Preferences…\ Thermal \Ок.
9.3. Выбор типа и свойств используемого элемента:
Тип элементов: M.M.\ Preprocessor\ Element Type \Add/Edit/Delete
\Add…\ Thermal Solid Quad 4 Node 55 \Ok \Close (рис. 9.4).
Задаем материал: M.M.\ Preprocessor\ Material Props \Material Models.
Затем, следуя цифрам на рис. 9.5, выполняем действия:
1.
Двойным нажатием мыши на указанные папки выполняем:
Thermal \Conductivity\ Isotropic. В окне Conductivity For Material Number 1 в поле Kxx задаем 50.
2.
Двойным нажатием раскрываем Specific Heat и присваиваем C
значение 30.
3.
Аналогично раскрываем Density и в поле Dens задаем 2788
(рис. 9.5).
Рис. 9.4. Указание типа материала
Рис. 9.5. Указание свойств материала
97
9.4. Создание детали:
M.M.\ Preprocessor \Modeling\Create\Areas\Rectangle \By Dimensions…
и задаем координаты X1, X2 И Y1, Y2 равные 0, 0.3 и 0, 0.15
соответственно. Нажимаем Ок (рис. 9.6).
Рис. 9.6. Указание размеров пластины
9.5. Определение положения источников тепла: M.M. \Preprocessor
\Modeling\Create\ Keypoints \Hard Pt On Area\ Hard Pt By Coord \выделяем
поверхность на которой будет находится точка \Ok\указываем координаты
0.075, 0.05, 0\ Hard Pt By Coord \выделяем поверхность на которой будет
находится точка\ Ok\ указываем координаты 0.225, 0.1, 0 (рис. 9.7).
Рис. 9.7. Указание координат двух теплоизлучающих точек на пластине
9.6. Разбиение конструкции на конечные элементы:
А.
Сначала задаем размер конечных элементов:
M.M.\ Preprocesssor \Meshing– Size Cntrls \Manual Size\Global\Size и
переменной Size присваиваем значение 0.025, нажимаем Ок (рис. 9.8).
Рис. 9.8. Указание размеров конечных элементов
98
Б.
Производим разбиение:
M.M. \Preprocessor \Meshing–Mesh \Areas\Free \Pick All (рис. 9).
Рис. 9.9. Указание размеров конечных элементов
9.7. Выбор типа анализа:
Solution \Analysis Type\New Analysis…\\ Transient \Ok \Ok. (рис. 9.12).
9.8. Задание температуру окружающей среды и коэффициента
теплопроводности:
M.M.\ Solution \Loads\Apply\ Convection\ On Areas\ присвоим: [Sfa] Apply
Film Coef On Areas=New Table и Val2i Bulk Temperature = 20 \Ok\Name Of New
Table = Tem \OK\ I, J, K = 3, 1, 1 соответственно \Ok (рис. 9.13).
В соответствии с рис. 9.10 заполняем поля таблицы 1 и потом: File\ Apply/Quit.
Рис. 9.10. Заполнение полей таблицы 1
9.9. Задание источников температуры:
M.M.\ Solution \Loads\Apply\ Heat General \On Keypoints \выделяем
точку №5 \Ok\Bfk = New Table \Ok\Name Of New Table = It \I, J, K = 2, 1, 1
соответственно (рис. 9.14, 9.15). В соответствии с рисунком 9.11 заполняем
поля таблицы 1 и потом: File \ Apply/Quit. Далее повторяем операцию:
M.M. \ Solution \ –Loads– Apply \ Heat General\ On Keypoints \ Выделим
Точку №6 \ OK \ Bfk = Constant Value, Value = 10E6 \ OK.
99
Рис. 9.11. Повторное заполнение полей таблицы 2
Рис. 9.12. Указание типа анализа
Рис. 9.13. Ввод температуры среды и коэффициента теплопроводности
Рис. 9.14. Задание параметров источника температуры в левой точке
100
Рис. 9.15. Задание параметров источника температуры в правой точке
9.10. Определение начальной температуры пластины:
M.M.\ Solution\Loads\Apply\ Initial Condit’n\ Define\ Pick All\ Lab =
Temp, Value = 20\Ok (рис. 9.16).
Рис. 9.16. Задание начальной температуры пластины
9.11. Задание параметров расчета:
M.M.\ Solution \Analysis Type\Sol’s Control\ Закладка BASIC \Time at end
of loadstep = 10; Number of substeps = 50; Закладка Transient \Ramped Loading \ OK (рис. 9.17).
Рис. 9.17. Задание параметров расчета
101
9.12. Расчет и просмотр результатов:
M.M.\Solution \Solve\Current Ls \Ok.
В районе переменного источника тепла выделяем узел и строим
график температуры выделенного узла, в зависимости от времени при
помощи команд:
M.M. \ Timehist Postpro \ Define Variables \ Add \ Nodal Dof Result \ Ок
(рис. 9.16) и M.M. \ Timehist Postpro \ Graph Variables… (рис. 9.18).
Рис. 9.18. Проверка диапазона значений времени
Выводим поле температур в момент времени, когда температура ранее
выделенного узла максимальна при помощи команд:
M.M.\ General Postproc \Read Results\By Time/Freq… и M.M.\ General Postproc \Plot Results \Contour Plot\Nodal Solu \Dof Solution \Ok (рис. 9.19–9.25).
Рис. 9.19. Настройка графика изменения температуры
Рис. 9.20. Настройки графика температуры
102
Рис. 9.21. График температуры, выделенного узла
Рис. 9.22. График температуры выделенного узла в зависимости от времени
Рис. 9.23. Подготовка к выводу поля температур
Рис. 9.24. Продолжение подготовки к выводу поля температур
103
Рис. 9.25. Поле температур, когда температура узла максимальна
Содержание отчета: краткие теоретические сведения, подробное
описание всех шагов расчета с помощью ANSYS при решении нестационарной тепловой задачи, рисунки состояния детали после приложения
нагрузок. Выводы.
Контрольные вопросы
1.1. Для каких задач пригоден нестационарный тепловой анализ?
1.2. Какие виды воздействий указываются для этого анализа?
1.3. Какие результаты можно получить из анализа?
1.4. Какие нелинейности может включать анализ?
1.5. Как задаётся тип, размеры и свойства материала пластины?
1.6. Как закрепляется конструкция и прикладывается внешнее воздействие?
1.7. Как просматриваются результаты анализа?
104
Лабораторная работа № 10
ДВУХПРОВОДНАЯ ЛИНИЯ
С ИЗОЛИРОВАННЫМ ЭКРАНОМ
Цель работы: Исследовать двухпроводную линию с проводниками
прямоугольного сечения, находящимися в прямоугольном экране (коробе).
Изолятор – воздух (рис. 10.1). Теоретический материал приведен в [4].
Рис. 10.1. Короб экрана с двухпроводной линией
Координаты углов электродов и экрана заданы в метрах, так как ANSYS использует основные системные единицы – СИ. Сохранять базу данных после выполнения каждого этапа работы.
10.1. Задание каталога и имени файла:
Utility Menu\ File \ Change Directory... выбираем каталог для сохранения результатов (рис. 10.2).
Рис. 10.2. Переход в рабочую папку
105
Рис. 10.3. Указание нового проекта (файлы с одинаковым именем)
Utility Menu\ File\ Changee Jobname ... задаем имя проекта (группь
файлов), вместо указанного File (рис. 10.3).
10.2. Изменение цвета графического окна:
PlotCtrls \ Style \ Colors Reverse Video(рис. 10.4).
Рис. 10.4. Изменение цвета графического окна
10.3. Настройка программы:
Выбор типа задачи: MM\Preferences\ Electric\Ok (рис. 10.5).
Выбор типа конечных элементов: MM\Preprocessor\Element type\
Add/Edit/Del\Add\Electrostatic\2D Quad 121\Ok\Close (рис. 10.6).
Рис. 10.5. Выбор типа задачи
106
Рис. 10.6. Выбор типа элементов
Рис. 10.7. Задание электрической проницаемости PERX
Задание свойств материала:
MM\Preprocessor\Material Props\Isotropic\ Constant (рис. 10.7).
В окне с запросом на ввод номера для материала задать 1 и нажать Ok.
Появится окно, в котором задать значение электрической проницаемости
материала PERX =1. Нажать Ok.
10.4. Создание конструкции:
Создание прямоугольников в модели (рис. 10.8):
MM\Preprocessor\Modeling\Create\Rectangel\Areas\By dimention
В появившемся окне с запросом координаты углов прямоугольников
ввести через Apply: Короб экрана: X1=0, Y1=0, X2=0.1, Y2=0.07;
Проводник 1: X1=0.02, Y1=0.02, X2=0.03, Y2=0.05;
Проводник 2: X1=0.05, Y1=0.03, X2=0.08, Y2=0.04; Нажать Ok.
107
Рис. 10.8. Ввод координат углов прямоугольников
Соединение компонентов в один объект:
MM\Preprocessor\Modeling\Operate\Overlap\Areas (рис. 10.9).
Появится окно выбора геометрических элементов, в котором нажать
Pick All.
Рис. 10.9. Соединение компонентов в один объект
Рис. 10.10. Указание свойств материалов
108
Рис. 10.11. Задание номера материала 1 (изолятора)
Указание свойств материалов созданных областей:
MM\Preprocessor\Attributes Define\Picked Areas (рис. 10.10 и 10.11).
В окне выбора выбрать область, соответствующую изолятору, и
нажать Ok. В появившемся окне задать номер материала 1, соответствующий воздуху, и нажать Ok.
10.5. Создание сетки:
Задание максимального размера ребер для конечных элементов, лежащих на границах раздела сред.
MM\Preprocessor \Meshing\Size Controls\ Lines\All Lines (рис. 10.12).
В окне с запросом задать значение Size такое, чтобы длина самой короткой
линии в модели была в десять раз больше. Самая короткая линия в данном
случае 1 см. Поэтому ввести значение 0.001м (1мм). Нажать Ok.
Рис. 10.12. Ввод размера конечного элемента
Создание сетки КЭ:
MM\Preprocessor\Meshing\Mesh\Areas\Free (рис. 10.13). В окне выбора
элементов выделить область, соответствующую воздуху, и нажать Ок.
Созданная сетка показана на рис. 10.14.
109
Рис. 10.13. Выделение области конечных элементов
Рис. 10.14. Создание сетки в коробе с двухпроводной линией
10.6. Вычисление емкостных коэффициентов:
Задать все наборы узлов КЭ, лежащих на границах электродов. Для
этого циклически для каждого электрода выполняются действия:
а) выбрать пункт "Entities"в меню "Select";
б) выбрать "Lines" в 1-м списке открывшегося окна и "By Num/Pick" –
во 2-м списке. Нажать Ok;
в) выделить все линии 1-го электрода в окне выбора элементов и
нажать Ok (рис. 10.15);
г) убедиться, что выбраны только нужные линии, выбрав "Lines" в меню "Plot" (рис. 10.16);
д) выбрать пункт "Entities" в меню "Select";
е) выбрать "Nodes" в 1-м списке открывшегося окна и "Attached to" –
во 2-м списке. Установить в окне указатель "Lines, All" и нажать Ok
(рис. 10.17);
ё) убедиться, что выбраны только нужные узлы, выбрав "Nodes" в меню "Plot" (рис. 10.18);
110
Рис. 10.15. Выделение всех линий 1-го электрода
Рис. 10.16. Проверка правильности выделения всех линий 1-го электрода
Рис. 10.17. Выбор всех узлов 1-го электрода
111
Рис. 10.18. Проверка правильности выбора всех узлов 1-го электрода
Рис. 10.19. Ввод имени создаваемого 1-го электрода e1
ж) выбрать "Create component" в подменю "Select"\" Comp/Assembly";
з) ввести имя создаваемого электрода (например: e1,е2,...) и нажать Ok
(рис. 10.19);
и) выбрать "From Full" в подменю "Select"\“Comp/Assembly"\"Pick
Comp/Assembly";
й) выделить выбранные ранее узлы в окне выбора элементов нажатием левой кнопки мыши в любом месте графического окна и нажать Ok;
к) убедиться, что электрод создан правильно, выбрав "Components'"\"By name/number" в меню "Plot" и нажать Ok (рис. 10.20);
л) выбрать нужный компонент в открывшемся окне и нажать Ok
(рис. 10.21 и 10.22);
м) выбрать пункт "Everything"в меню "Select";
н) выбрать пункт "Lines" в меню "Plot".
Выполнить расчет емкостных коэффициентов и частичных емкостей.
MM\ Solution\ Electromagnet\ Capac Matrix
112
Рис. 10.20. Проверка правильности создания электрода e1
Рис. 10.21. Выбор электрода e1
Рис. 10.22. Присвоение имени электроду e1
113
В открывшемся окне задать значения переменных:
Symfac — 1; Condname — буквенная часть имени электродов (e);
Capname — имя матрицы емкостных коэффициентов — произвольное
имя;
Ncond — число электродов — 3; Grndkey — 0 и нажать Ok.
После окончания расчета будет выведено окно, содержащее рассчитанные емкостные коэффициенты (первая матрица значений) и частичные
емкости (вторая матрица):
____ CMATRIX SOLUTION SUMMARY ______
*** Ground Capacitance Matrix ***
Self Capacitance of conductor 1. = 0.52911E-10
Self Capacitance of conductor 2. = 0.46807E-10
Mutual Capacitance between conductors 1. and 2. =-0.11142E-10
Ground capacitance matrix is stored in 3d array parameter cmatrix (2., 2.,1)
*** Lumped Capacitance Matrix ***
Self Capacitance of conductor 1. = 0.41769E-10
Self Capacitance of conductor 2. = 0.35664E-10
Mutual Capacitance between conductors 1. and 2. =0.11142E-10
Lumped capacitance matrix is stored in 3d array parameter cmatrix (2., 2.,2)
Capacitance values are per unit length
Capacitance matricies are stored in file cmatrix .txt
10.7. Задание условий на границах (УГ) и выполнение расчёта:
Указание типа анализа (установившийся режим):
MM\ Solution\ New Analisys \ Steady-State\ Ok
Указание значения потенциалов обоих электродов.
MM\Solution\Loads\Apply\Boundary\Voltage\On Lines
Выделение линии первого электрода с помощью окна выбора элементов, введение значения потенциала (например, 1В) в окне запроса и нажатие Apply. Повторить действия для второго электрода (со значением потенциала -1В).
Выбор пункта J-Normal в том же меню и выделение всех линий короба с помощью окна выбора геометрических элементов.
Выполнение решения задачи.
MM\Solution\Solve\Current LS
10.8. Обработка результатов:
MM\ Genereral Postproc\Plot Results\ Contour Plot \Nodal Solution для
вывода распределения потенциала. В открывшемся окне выбрать в левом
списке DOF solution, а в правом – Elec poten VOLT. Распределение потенциала показано на рис. 10.23.
Вывод распределения модуля напряженности электрического поля
MM\Genereral\Postproc\Plot Results\Contour Plot\Nodal Solution (рис. 10.23).
114
Рис. 10.23. Распределение потенциала в коробе с двухпроводной линией
В открывшемся окне выбрать в левом списке Flux&Gradient, а в правом – EFSUM (или DSUM для распределения электрической индукции)
(рис. 10.24).
Для вывода векторов поля выбрать пункт Predefined раздела Vector
Plot того же подменю и выполнить аналогичные действия (рис. 10.25).
Рис. 10.24. Распределение модуля вектора электрической индукции
Рис. 10.25. Распределение векторов поля в виде стрелок
115
Для вывода распределения свободного поверхностного заряда на произвольном электроде (рассмотрим на примере экрана) вернуться к меню
General Postproc и выбрать пункт Path Operations\Define Path\By Location.
В верхнем поле появившегося окна ввести произвольное имя для распределения, а в следующем — число точек ломаной, вдоль которой будет
строиться распределение (для распределения вдоль границы прямоугольного электрода ввести 5 ( 1, 2, 3, 4 и снова 1). Нажать Ok.
В открывшемся окне ввести в верхнем поле номер точки (1), а в трех
следующих — ее координаты (0,0,0). Нажать Ok. В открывшемся окне ввести в верхнем поле номер точки (2), а в трех следующих — ее координаты
(0, 0.07,0). Нажать Ok. Эти операции выполнить для всех пяти точек ломанной, причем, координаты последней совпадут с координатами первой.
Когда в шестой раз появится окно, нажать Cancel.
Вернуться к меню Path Operations и выбрать пункт Map onto Path. Для
построения распределения нормальной составляющей вектора электрического смещения на поверхности электрода в открывшемся окне выбрать
в левом списке пункт Flux&Gradient, а в правом — DSUM и нажать Ok.
Для построения распределения выбрать пункт On Graph раздела Plot.
В открывшемся окне выделить DSUM и нажать Ok. В графическом окне
будет построено распределение свободного поверхностного заряда вдоль
границы электрода (рис. 10.26).
Рис. 10.26. Распределение поверхностного заряда вдоль границы электрода
Для расчета заряда на электроде на единицу длины необходимо проинтегрировать свободный поверхностный заряд. Для этого выбрать пункт
Integrate и в открывшемся окне задать произвольное имя переменной
(например, Qe), в которой будет записано полученное значение; выбрать
в списке интегрируемых величин DSUM, а в списке переменных интегрирования – S – длина контура интегрирования. Нажать Ok. Для вывода полученного значения выбрать пункт List Path Item и в открывшемся списке
выбрать переменную Qe.
116
Рис. 10.27. Распечатка значений Qe во всех точках интегрирования
В открывшемся окне выводится распечатка значений Qe во всех точках интегрирования. Затем переходим к последнему значению – это будет
полный интеграл по поверхности электрода (см. рис. 10.27).
10.9. Сохранение результатов работы:
Utility Menu\File\Save as Jobname.db для сохранения под заданным
именем или Utility Menu\File\Save as для изменения имени файла.
Содержание отчета: краткие теоретические сведения, подробное
описание всех шагов статического расчета, рисунки состояния детали после приложения силы (суммарный вектор перемещений и поля напряжения
по Мизесу с указанием наиболее нагруженного участка). Выводы.
Контрольные вопросы
1.1. Для каких задач пригоден анализ двухпроводной линии?
1.2. Какие виды воздействий указываются для этого расчёта?
1.3. Какие результаты можно получить из расчёта?
1.4. Какие нелинейности может включать расчёт?
1.5. Как задаётся тип, размеры и свойства материала конструкции?
1.6. Как прикладывается внешнее воздействие?
1.7. Как просматриваются результаты анализа?
117
Лабораторная работа № 11
РАСЧЕТ СОБСТВЕННЫХ ЧАСТОТ
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РЕЗОНАТОРА
Резонатор – керамический цилиндр диаметром 24.41 мм и высотой
8.565 мм – размещается соосно в бесконечно длинном воздушном волноводе диаметром 38 мм. Диэлектрическая проницаемость керамики резонатора £ = 43.7. Рассчитать две низшие моды в такой системе (рис. 11.1).
Теоретический материал приведен в [4].
Расчет выполняется для резонатора, помещенного в середине цилиндрического волновода длиной L=108.565 мм (т.е. длина волновода – 50 мм
в каждую сторону от резонатора).
Рис. 11.1. Резонатор в корпусе волновода
11.1. Задание каталога и имени файла (рис. 11.2 и 11.3):
Utility Menu\ File \ Change Directory... выбираем каталог для сохранения результатов.
Рис. 11.2. Переход в рабочую папку
118
Рис. 11.3. Указание нового проекта (файлы с одинаковым именем)
Utility Menu\ File\ Changee Jobname ... задаем имя проекта (группы
файлов), вместо указанного File.
11.2. Изменение цвета графического окна:
PlotCtrls \ Style \ Colors Reverse Video (рис. 11.4).
Рис. 11.4. Изменение цвета графического окна
11.3. Настройка программы:
Задать тип решаемой задачи:
MM\Preferences\High Frequency\Ok (рис. 11.5).
Рис. 11.5. Тип решаемой задачи
119
Задать тип конечных элементов (КЭ):
MM\ Preprocessor\ Element Type \Add/Edit/Delete\Add \3D Brick 120\
Ok\Close (рис. 11.6).
Рис. 11.6. Тип конечного элемента
Задать свойства материалов:
MM \Preprocessor \Material Props \ Material Modes\Electromagnetics\
Relative Permeability\Constant.
В открывшемся окне задать относительную магнитную проницаемости MURX=1. MM \Preprocessor \Material Props \ Material Modes\
Electromagnetics\ Relative Permittivity\Constant и диэлектрическую PERX=1
проницаемости и нажать Ok.
Задать номер материала – 2 (второй материал – керамика резонатора)
MM \Preprocessor \Material Props \ Material Modes. В окне Define
Material Model нажать в верхней строке Material\New Model (рис. 11.7
и 11.8).
Рис. 11.7. Ввод номера материала – 2 (керамика резонатора)
120
.
Рис. 11.8. Ввод свойств материала – 2 (керамика резонатора)
11.4. Создание геометрической модели:
Для получения качественного разбиения волновода и резонатора
необходимо создать геометрическую модель из четвертей цилиндров.
Один цилиндр с диаметром 24.41мм и высотой 8.65мм соответствует резонатору, два цилиндра с диаметром 24.41 мм и высотой 50мм и тремя кольцами с внутренним диаметром 24.41мм, внешним диаметром 38мм и с высотами 8.65мм и 50мм соответствуют воздушному заполнению волновода.
Создание четверти модели.
Начало координат – в центре основания цилиндрического волновода.
а) Для создания резонатора выполнить:
MM\ Preprocessor \Modeling\ Create \Volumes\ Cylinder\ By dimentions
В открывшемся окне задать параметры:
Outer radius = 0.012205, Optional inner radius =0, Z1 = 0.05,
Z2 = 0.058565, Starting angle = 0, Ending angle = 90, и нажать Apply.
б) Для создания волновода выполнить:
Задать: Outer radius = 0.012205, Optional inner radius =0, Z1 = 0, Z2 = 0.0,5
Starting angle = 0, Ending angle = 90 и нажать Apply.
Задать: Outer radius = 0.012205, Optional inner radius =0, Z1 = 0.058565,
Z2 = 0.108565, Starting angle = 0, Ending angle = 90, и нажать Apply.
Задать: Outer radius = 0.019, Optional inner radius = 0.012205, Z1 = 0.05,
Z2 = 0.058565, Starting angle = 0, Ending angle = 90 и нажать Apply (рис. 11.9).
Задать: Outer radius = 0.019, Optional inner radius = 0.012205,
Z1 = 0.058565, Z2 = 0.108565, Starting angle = 0, Ending angle = 90 и нажать
Apply.
Задать: Outer radius = 0.019, Optional inner radius = 0.012205, Z1 = 0,
Z2 = 0.05, Starting angle = 0, Ending angle = 90 и нажать Ok.
Для более удобного просмотра геометрической модели выбрать:
Utility Menu \PlotCtrls\ Pan, Zoom, Rotate и нажать кнопку Iso (рис. 11.10).
в) Отражение
MM\ Preprocessor \Modeling\Reflect \Volumes (рис. 11.11).
121
Рис. 11.9. Создание четверти модели
Рис. 11.10. Просмотр модели в изометрии
Рис. 11.11. Выбор всей четверти модели
122
В возникшем окне выбора геометрических элементов нажать Pick All
в открывшемся окне выбрать пункт X-Z plane Y и нажать Apply. В появившемся окне выбора нажать Pick All и в открывшемся окне выбрать пункт
Y-Z plane X, затем нажать Ok (рис. 11.12–11.14).
Рис. 11.12. Отражение четверти по плоскости X- Z plane Y
Рис. 11.13. Выбор половинки модели
Рис. 11.14. Отражение половинки модели по плоскости Y-Z plane X
123
Для корректной работы программы с получившейся моделью выполнить:
MM\ Preprocessor\ Numbering Ctrls \ Merge Items.
В открывшемся окне выбрать из списка Type of item to be merge значение Keypoints и нажать Ok (рис. 11.15).
Рис. 11.15. Выбор указателя для связывания четвертинок в один объект
Для связи между созданными геометрическими объектами выполнить:
MM\ Preprocessor\Modeling\Operate\Booleans\Glue\Volumes и в окне
выбора геометрических элементов нажать кнопку Pick All (см. рис. 11.16).
Рис. 11.16. Соединение четвертинок в один объект
124
Для присвоения созданным объектам свойств материалов выбрать
MM\Preprocessor\Meshing\Mesh Attributes\Picked Volumes (рис. 11.17).
Для упрощения ввода сначала определить все объемы, как заполненные воздухом, нажав в появившемся окне кнопку Pick All и в открывшемся
окне указав Material Number = 1. Затем, нажав Apply, вернуться к выбору
объемов и мышьювыделить все четыре части резонатора, нажать кнопку
Ok и, задав в появившемся окне Material Number = 2, нажать кнопку Ok
(рис. 11.18 и 11.19).
Рис. 11.17. Присвоение созданным геометрическим объектам материала 1
Рис. 11.18. Присвоение резонатору материала 2
125
Рис. 11.19. Присвоение резонатору материала 2
11.5. Разбиение на КЭ:
Для удобства просмотра прорисовать модель в виде линий:
Utility Menu \Plot\Lines.
Для получения качественного разбиения (малое число КЭ и высокая
точность) задать некоторые параметры вручную, выполнив следующие
действия:
MM\ Preprocessor\Meshing\ Size Cntrls \Manual Size\Lines\ Picked Lines
С помощью окна выбора геометрических элементов выбрать ВСЕ дуги (их число – 32) и радиусы МАЛЫХ цилиндров (их всего 16) и нажать
Ok (рис. 11.20).
В появившемся окне ввести значение NDIV = 10 и нажать Apply (рис. 21).
Рис. 11.20. Выбор дуг и радиусов
126
Рис. 11.21. Ввод значения NDIV = 10
Рис. 11.22. Выбор линий высоты резонатора
Рис. 11.23. Ввод значения NDIV = 5
127
Рис. 11.24. Выбор линий высоты передней части волновода
Рис. 11.25. Ввод значений NDIV = 6 и Spacing Ratio=1/6
Воспользовавшись появившимся окном выбора геометрических элементов, выбрать высоты цилиндров, соответствующие резонатору и той
части волновода, в которую он вписан (всего 9 линий), нажать Ok
(рис. 11.22). В открывшемся окне задать для них NDIV = 5, и нажать Apply
(рис. 11.23). Пользуясь окном выбора геометрических элементов, выбрать
высоты (рис. 11.26) (также 9) той части волновода, что лежит перед резонатором (в интервале [0,0.05] по оси z) и задать для них NDIV=6 и Spacing
Ratio = 1/6 (рис. 11.24–11.26).
Для последней части волновода ([0.058565, 0.108565] по оси z) задать
для высот NDIV=6, но со значением Spacing Ratio = 6 (рис. 11.27 и 11.28).
Затем выделить оставшиеся линии, задать для них NDIV = 3, Spacing
Ratio =0 и нажать Ok (рис. 11.29). Задание свойств NDIV и Spacing Ratio
на рис. 11.30.
128
Рис. 11.26. Выбор линий высоты задней части волновода
Рис. 11.27. Задание свойств NDIV =6 и Spacing Ratio=6
Рис. 11.28. Выбор остальных линий волновода и резонатора
129
Рис. 11.29. Задание свойств NDIV =3 и Spacing Ratio=0
Рис. 11.30. Схема задания свойств NDIV и Spacing Ratio
После того, как заданы все эти параметры, можно разбить области,
выполнив: MM\ Preprocessor \Meshing\ Mesh \Volumes\ Mapped\ 4 to 6 sided.
В окне выбора элементов нажать Pick All (рис. 11.31).
Рис. 11.31. Конечноэлементное разбиение волновода и резонатора
130
Задание условий на границах и решение:
Для настройки программы выполнить:
а) MM\ Solution\ Analysis Type\New Analysis. В открывшемся окне выбрать пункт Modal и нажать Ok (рис. 11.32).
Рис. 11.32. Выбор типа анализа (Modal)
б) MM\Solution\Analysis Options. В появившемся окне выбрать Block
Laczos, установить все флажки (Yes), задать значения для No. of modes to
extract и для No. of modes to expand = 2 и нажать Ok (рис. 11.33).
В открывшемся окне задать Start Frequecy = 1e9 и End Frequency =10e9
(1 и 10 ГГц – (диапазон для поиска собственных частот) (рис. 11.34).
Рис. 11.33. Выбор опций анализа (Block Lanczos)
131
Рис. 11.34. Установка диапазона поиска собственных частот
Задание граничных условий (УГ)
Для задания идеального проводника на боковых поверхностях волновода выполнить: MM\ Solution \Define Loads\ Apply \Electric- Boundary \
\Electric Wall\On Areas; с помощью окна выбора элементов следует выбрать ВСЕ внешние поверхности волновода (их – 28) и нажать кнопку Ok
(рис. 11.35).
Выполнить решение: MM \Solution \Solve\ Current LS (рис. 11.36 и
11.37).
Рис. 11.35. Выбор всех внешних поверхностей волновода
132
Рис. 11.36. Сообщение об опциях решения
Рис. 11.37. Сообщение о выполнении решения
11.6. Просмотр результатов:
Для вывода информации о найденных резонансных частотах выполнить: MM\General Postproc\Results summary. Выводится окно с распечаткой
результатов (рис. 11.38).
Итак, получены две первые моды – с частотами 0.123 ГГц и 0.129 ГГц.
Для увеличения точности использовать более точное разбиение.
Для загрузки результатов расчета поля для первой моды выполнить:
MM\ General Postproc \Read Results\ First Set (рис. 11.39).
133
Рис. 11.38. Окно с распечаткой результатов
Рис. 11.39. Загрузка результатов расчета поля для первой моды
Для просмотра картины поля выполнить:
Utility Menu\ PlotCtrls\ Animate\ Isosurfaces...
В выведенном окне выбрать раздел Flux&Gradient и BSUM (для вывода распределения магнитной индукции), и нажать Ok для поочередного
просмотра результатов расчёта (рис. 11.40 и 11.41).
Рис. 11.40. Загрузка результатов расчета поля для первой моды
134
Рис. 11.41 Просмотр изоповерхностей распределения магнитной индукции
Аналогично можно получить анимацию для изоповерхностей электрической составляющей поля (EFSUM) (рис. 11.42 и 11.43).
Рис. 11.42. Загрузка результатов расчета электрической составляющей поля
Рис. 43. Просмотр изоповерхностей распределения электрической составляющей поля
135
Для просмотра картины поля, соответствующей второй моде, необходимо выполнить MM\General Postproc\Read Reasults\Last Set и повторить
действия по созданию анимации.
Содержание отчета: краткие теоретические сведения, подробное
описание всех шагов статического расчета, рисунки состояния детали после приложения силы (суммарный вектор перемещений и поля напряжения
по Мизесу с указанием наиболее нагруженного участка). Выводы.
Контрольные вопросы
1.1. Для каких задач пригоден расчёт собственных частот?
1.2. Какие виды воздействий указываются для этого расчёта?
1.3. Какие результаты можно получить из расчёта?
1.4. Какие нелинейности может включать расчёт?
1.5. Как задаётся тип, размеры и свойства материала конструкции?
1.6. Как прикладывается внешнее воздействие?
1.7. Как просматриваются результаты анализа?
136
Библиографический список
1. Шалумов А.С., Ваченко А.С., Фадеев О.А., Багаев Д.в. Введение в
ANSYS: прочностной и тепловой анализ: Учебное пособие. – Ковров:
КГТА, 2002. – 33 с.
2. Басов К.А. ANSYS: Справочник пользователя. М.: ДМК-Пресс,
2006. – 637с.
3. Басов К.А.:Графический интерфейс комплекса ANSYS. М.: ДМКПресс, 2006. – 248с.
4.Вишняков С.В.,Гордюхина Н.М., Фёдорова Е.М. Компьютерный
учебник. Расчет электромагнитных полей с помощью комплекса ANSYS.
http:/vvk2.mpei.ac.ru/ANSYS/Main.htm
137
Оглавление
Предисловие .................................................................................................................... 3
Введение........................................................................................................................... 4
Лабораторная работа № 1. Прочностной анализ консольной балки .......................... 7
Лабораторная работа № 2. Прочностной статический анализ.................................. 28
Лабораторная работа № 3. Модальный анализ .......................................................... 37
Лабораторная работа № 4. Гармоническая вибрация ................................................ 48
Лабораторная работа № 5. Случайная вибрация ....................................................... 61
Лабораторная работа № 6. Динамическое ударное воздействие.............................. 70
Лабораторная работа № 7. Стационарный тепловой анализ .................................... 80
Лабораторная работа № 8. Термоупругий анализ...................................................... 87
Лабораторная работа № 9. Нестационарный тепловой режим ................................. 69
Лабораторная работа № 10. Двухпроводная линия с изолированным экраном ..... 105
Лабораторная работа № 11. Расчёт собственных частот резонатора ..................... 118
Библиографический список ....................................................................................... 137
138
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
2
Размер файла
13 965 Кб
Теги
smirnova
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа