Системы автоматизированного проектирования. Решение задач прочностного анализа с использованием пакета программ ANSYS 12.1: учебно-методическое пособие

53 Pages·2015·9.925 MB·Russian

by  Л. П. Шингель , М-во образования и науки Российской Федерации, Федеральное гос. бюджетное образовательное учреждение высш. проф. образования "Пермский нац. исследовательский политехнический ун-т"

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
«Пермский национальный исследовательский
политехнический университет»
» из композиционных материалов, изготовленных способами изде-
лий типа «лопасть» из композиционных материалов, изготовленных
способами намотки и выкладки.
Сравнение

Л.П. Шингель

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО
ПРОЕКТИРОВАНИЯ. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ
ПРОЧНОСТНОГО АНАЛИЗА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
ПАКЕТА ПРОГРАММ ANSYS 12.1

Утверждено
Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебно-методического пособия

Издательство
Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2015
УДК 004.9(03)
ББК 32.973
Ш62

Р е ц е н з е н т ы:
д-р техн. наук, профессор Л.Д. Сиротенко
(Пермский национальный исследовательский
политехнический университет);
д-р техн. наук И.К. Березин
(Институт механики сплошных сред УрО РАН, г. Пермь)

Шингель, Л.П.

Системы автоматизированного проектирования. Решение задач
Ш62 прочностного анализа с использованием пакета программ
ANSYS 12.1: учеб.-метод. пособие / Л.П. Шингель. – Пермь: Изд-во
Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2015. – 53 с.

ISBN 978-5-398-01377-1

В лаконичной форме изложены принципы расчета и основные приемы
работы в пакете ANSYS 12.1, достаточные для решения большинства задач
при прочностном анализе: выбор типа конечного элемента, задание харак-
теристик материала, построение геометрической модели и разбиение ее на
конечно-элементную сеть, задание приложенных нагрузок и получение
решения. Необходимо для первоначального освоения пакета ANSYS. Для
закрепления практических навыков приведен пример расчета напряженно-
го состояния элемента конструкции при заданных условиях нагружения.
Предложенные методы позволяют начинающим пользователям использо-
вать возможности ANSYS для практических расчетов.
Предназначено для студентов и специалистов, впервые знакомящихся
с предметом.
УДК 004.9(03)
ББК 32.973

ISBN 978-5-398-01377-1  ПНИПУ, 2015
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие........................................................................................4
1. Основные этапы решения задачи в ANSYS...................................5
2. Создание рабочей среды................................................................6
3. Выбор типа элемента и задание характеристик материала........8
4. Построение геометрической модели (моделирование)
рассчитываемого тела......................................................................17
4.1. Метод построения геометрической модели
(моделирования) рассчитываемого тела........................................17
4.2. Построение точек....................................................................17
4.3. Построение линий...................................................................20
4.3.1. Построение прямых линий................................................20
4.3.2. Построение дуг...................................................................21
5. Разбиение полученной модели на конечно-элементную
сеть.....................................................................................................26
5.1. Разбиение полученной модели на конечно-элементную
сеть в случае двумерной задачи......................................................26
5.2. Разбиение полученной модели на конечно-элементную
сеть в случае трехмерной задачи..................................................28
6. Исключение возможных перемещений модели
и задание приложенных нагрузок...................................................33
6.1. Исключение перемещений точек...........................................33
6.2. Исключение перемещений линий..........................................36
6.3. Исключение перемещений областей.....................................37
6.4. Задание узловых сил...............................................................38
6.5. Задание поверхностных нагрузок..........................................40
7. Запуск задачи на решение............................................................41
8. Вывод результатов решения в требуемом виде.........................42
9. Выход из ANSYS............................................................................46
10. Работа с использованием командного файла...........................46
11. Пример использования командного файла..............................47

3
ПРЕДИСЛОВИЕ
Данное пособие является продолжением учебно-методического
пособия Л.П. Шингель «Системы автоматизированного проектиро-
вания. Решение задач с использованием пакета программ ANSYS»
(Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2009) и предназначено для
изучения и упражнения в решении двумерных и трехмерных задач
прочностного анализа теории упругости с использованием пакета
программ ANSYS 12.1.
Следует отметить высокую степень преемственности между
ранними и последующими версиями пакета ANSYS, поэтому при ос-
воении ранних версий не представляет сложности применение по-
следующих. Пакет ANSYS является одним из ведущих в мире паке-
тов, основанных на использовании метода конечных элементов
(МКЭ). В данном пособии приведен только порядок решения задач,
собственно МКЭ не рассматривается. В случае использования более
поздних версий ANSYS все изложенные в пособии способы и методы
решения задач полностью применимы. Следует отметить, что пакет
ANSYS позволяет решать задачи теории упругости (статические, ди-
намические, совместного действия тепловых и деформационных по-
лей, контактные), тепловые (стационарные и нестационарные), гид-
роаэродинамики и движения потоков, пьезоэлектричества, электро-
магнетизма, акустики, распространения излучения и имеет аппарат
для оптимизации решений.
Пакет содержит более 300 типов конечных элементов и не-
сколько тысяч команд, что требует глубокого и серьезного изучения.
Тем не менее для решения задач определенного типа достаточно
знать и уметь использовать 3–5 типов элементов и несколько десят-
ков команд. Цель пособия – научить использовать в простейших
случаях ANSYS тех, кто впервые знакомится с этим пакетом.
В данном пособии предлагается способ решения статических
задач теории упругости, основанный на использовании командной
строки и командного файла в формате Microsoft Word. Этот способ
4
не единственный. В руководстве, входящем в состав программных
средств ANSYS (на английском языке), рекомендуется использовать
графический интерфейс пользователя, но при этом сложно исправ-
лять ошибки и опечатки. В нашем издании использовано входящее в
пакет ANSYS руководство пользователя в переводе автора.
ANSYS особенно удобен при прочностном анализе, задачи сво-
дятся к следующим двум основным типам: нахождение распределе-
ния напряжений и деформаций в рассматриваемом теле и нахожде-
ние перемещений, вызванных в обоих случаях приложенной нагруз-
кой. Обе задачи могу быть как статическими, так и динамическими
и являются выдаваемым решением ANSYS. Программный пакет AN-
SYS успешно может применяться во всех случаях.
В данном пособии рассмотрен статический случай для двумер-
ных и трехмерных задач.
1. OСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ В ANSYS
Предполагается, что пакет ANSYS инсталлирован и включен
щелчком левой кнопки мыши по ярлыку ANSYS на рабочем столе
или выбором через Пуск пути Все программы – ANSYS 12.1 – Me-
chanical APDL (ANSYS) 12.1.
Процесс решения задачи условно можно разделить на следую-
щие этапы:
1) создание рабочей среды;
2) выбор типа элемента и задание характеристик материала;
3) построение геометрической модели (моделирование) рассчи-
тываемого тела;
4) разбиение полученной модели на конечно-элементную сеть;
5) исключение возможных перемещений модели и задание при-
ложенных нагрузок;
6) запуск задачи на решение;
7) вывод результатов решения в требуемом виде;
Вопрос для самоконтроля: С чего начинается построение гео-
метрической модели рассматриваемого тела?
5
2. СОЗДАНИЕ РАБОЧЕЙ СРЕДЫ
В пакете ANSYS 12.1 для создания основных элементов рабочей
среды используется программный модуль Mechanical APDL Product
Launcher 12.1. В компьютерном классе операции создания рабочей
среды выполнены, и остается только запустить ANSYS. При само-
стоятельной работе рабочая среда создается через Mechanical APDL
Product Launcher 12.1 путем выполнения операций Пуск – Все про-
граммы – ANSYS 12.1 – Mechanical APDL Product Launcher 12.1. От-
крывается панель, показанная на рис. 1.

Рис. 1
Для настройки рабочей среды в разделе Simulation Enviroment
(рабочая среда) необходимо выбрать щелчком левой кнопки мыши
ANSYS, а в разделе License (лицензии) аналогичным образом вы-
брать ANSYS Multiphysics. Далее щелчком левой кнопки мыши акти-
вировать File Management. На открывшихся Working Directory (ра-
бочий каталог) и Job Name (имя задания) при активации Brouse
6
(просмотр) задать с клавиатуры каталог, куда будут записываться
все внутренние файлы пакета ANSYS и имя задания (рекомендуется
оставить предлагаемое File).
Щелчком левой кнопки мыши активировать Customiza-
tion/Preferences. В разделе Memory (память) в подразделе Use custom
memory settings (использовать установки памяти, принятые пользо-
вателем) проследить, чтобы галочка не была поставлена (память при
этом распределяется пакетом ANSYS по умолчанию). При постанов-
ке галочки в разделе Memory открываются подразделы Total Work-
space (Mb) и Database(Mb). В подразделе Total Workspace (Mb) (об-
щая память) указывается общий объем выделенного дискового про-
странства в мегабайтах (рекомендуется не менее 100–300 Мб).
В подразделе for Database (для базы данных) указывается объем
дисковой памяти, отводимой для базы данных (обычно принимается
равным половине общего объема).
Далее в разделах Custom ANSYS Executable и Additional Parame-
tres ничего не вводить, в разделах ANSYS Language и Graphics Device
Name принять предлагаемые en-us и vin32, а в разделе Read
START.ANS file at start-up (читать START.ANS file при запуске) по-
ставить галочку. В остальных разделах установки не менять.
После этого запустить на выполнение модуль Mechanical APDL
Product Launcher 12.1 нажатием кнопки Run (запуск). Запускать мо-
дуль Mechanical APDL Product Launcher 12.1 достаточно один раз
после установки ANSYS.
Теперь рабочая среда настроена и пакет можно запускать для
расчетов. Делается это выбором пути Пуск – Все программы – AN-
SYS 12.1 – Mechanical APDL(ANSYS) 12.1. После завершения загруз-
ки должна открыться основная панель ANSYS (рис. 2). На рис. 2 при-
няты следующие обозначения: 1 – основное меню; 2 – командная
строка; 3 – строка меню.
7
Рис. 2
В командах ANSYS не имеет значения, строчные буквы или за-
главные, поэтому все набрано заглавными буквами.
Вопрос для самоконтроля: Что задается в разделе Total Work-
space?
3. ВЫБОР ТИПА ЭЛЕМЕНТА И ЗАДАНИЕ
ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛА
Вначале необходимо задать тип задач, которые будут решаться.
Для этого в основном меню курсором и щелчком кнопки мыши вы-
бирается Preferences (предпочтительные установки) и открывается
панель Preferences for GUI Filtering (предпочтения для фильтра ос-
новного интерфейса пользователя) – рис. 3.
8
Рис. 3
На ней выбирается Structural (задачи теории упругости), щелч-
ком мыши ставится галочка и нажимается кнопка OK. Панель за-
крывается. Далее необходимо включить программный модуль под-
готовки данных Preprocessor. Это осуществляется либо щелчком
мыши по надписи Preprocessor в основном меню, либо набором ко-
манды /prep7 в командной строке и нажатием клавиши Enter.
Далее описана работа для случая, когда после включения AN-
SYS никаких расчетов не проводилось. Если расчеты проводились,
то необходимо очистить память компьютера, стерев все предыдущие
результаты. Данную процедуру надо проделывать при каждом за-
пуске на решение. Для этого в строке меню щелчком мыши выбира-
ется опция File, затем в открывшейся белой панельке выбирается
Clear & Start New (очистить и запустить снова), открывается панель
с вопросом Read start.ans after clear? (Считывать start.ans после очи-
стки?). Нужно выбрать эту опцию и щелкнуть мышью по кнопке
9
ОK. Снова откроется панель (/CLEAR destroys the effects of all previ-
ous input and starts a new database. SHOULD THE/CLE COMMAND
BE EXECUTED?), предупреждающая, что все предыдущие данные
будут потеряны и будет создана новая база данных, и спрашиваю-
щая, желаете ли вы, чтобы команда была выполнена. Надо щелкнуть
мышью по кнопке Yes.
Тип элемента может быть выбран командой ЕT. Для получения
сведений об элементах и этой команде (и любой команде в ANSYS) в
строке меню мышью выбирается Help, и после eе щелчка открывает-
ся панель на белом фоне, в которой мышью нужно выбрать Help
Topics. После щелчка мыши откроется новая панель (закладка Con-
tents/Search/Index (содержание/поиск/индекс) должна быть в поло-
жении Contens/содержание). Выводятся все темы Help Topics (по-
мощи) – рис. 4.

Рис. 4
После щелчка мышью по маленькому кружочку с «хвостиком»
рядом с Mechanical APDL откроется следующий уровень Help (рис. 5).

10