Методическое пособие 409

Далее переходим в режим Modeling. Выбираем инстру-

мент Extrude. В окне Details View в поле Geometry выбираем

Sketch1, а в поле Depth вводим значение 10 мм. Нажимаем кнопку Generate. Получим прямоугольный образец (рис. 1.8).

Выбираем в меню File/Save project. В окне Workbench в анали-

тическом блоке пункт Geometry должен быть отмечен как выполненный (рис. 1.9). После этого можно закрыть окно графического редактора.

Рис. 1.7. Задание свойств для выполнения операции Extrude

Рис. 1.8. Вид образца после выполнения всех построений

9

Рис. 1.9. Структура проекта с построенной геометрией

3. Задание свойств материала

Выбрать правой клавишей мыши пункт Engineering Data и нажать Edit. Появится группа окон. В окне Outlook of Schematic A2: Engineering Data введите название нового материала Silicon (кремний) (рис. 1.10).

Рис. 1.10. Определение нового материал

Теперь зададим необходимые свойства для нового материала. Для этого откроем списки Physical Properties и Linear Elastic. Предположим, что материал имеет изотропные свойства, т. е. свойства вещества не зависят от направления измерения. Зададим следующие параметры: плотность 3500 кг/м3, модуль Юнга – 180 ГПа, коэффициент Пуассона – 0,22 (рис. 1.11).

10

Для того чтобы изменить свойства нужно выбрать в ме-

ню View/Properties.

На геометрической модели необходимо создать сетку конечных элементов (КЭ). Для этого правой клавишей мыши выберите пункт Model и нажмите Edit, после этого запустится модуль Static Structural–Mechanical.

Рис. 1.11. Механические свойства материала

4. Создание конечно-элементной сетки и решение

Для генерации сетки КЭ воспользуйтесь командой Mesh–Generate Mesh. Предварительно установите значения параметров Relevance Center и Span Angle Center как Fine. По-

лученная сетка КЭ представлена на рис. 1.12. Выбираем

File/Save Project.

11

Рис. 1.12. Конечно-элементная модель образца

Теперь необходимо задать граничные условия. Для этого выделите нужную грань, выберите пункт Analysis Settings – Insert - Fixed Supports. Теперь необходимо приложить нагрузку

0,5 Н. Аналогично выберите Analysis Settings – Insert – Force и

задайте значение 0,5 Н (рис. 1.13).

Для запуска решения нужно нажать кнопку Solve. Оценим полученное решение по двум параметрам Total

Deformation (рис. 1.14) и Normal Stress, (рис. 1.15). Для этого нужно выбрать соответствующие пункты в меню Solution, по-

сле чего нажать Evaluate All Results.

12

Рис. 1.13. Граничные условия и нагрузки

Рис. 1.14. Результаты решения. Деформация образца

13

Рис. 1.15. Результаты решения. Напряжения в образце

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2 РЕШЕНИЕ КОНТАКТНОЙ ЗАДАЧИ В ANSYS WORKBENCH

Задание на лабораторную работу

1.В Design Modeler создать геометрию поверхностей двух образцов, имеющих общую границу.

2.Провести моделирование распределения механических напряжений в области контакта двух образцов при штамповке.

Методические указания к выполнению работы

Контактные задачи

В контактных задачах рассматривается контактное взаимодействие тел. Такие задачи имеют большое практическое значение. Они возникают, когда требуется исследовать процесс деформирования составных конструкций, при ударных взаимодействиях тел, при качении колеса по рельсу, по

14

дороге. Контактное взаимодействие анализируется в прочностных расчётах упругих, вязкоупругих и пластичных тел при статическом или динамическом контакте. Контактное взаимодействие имеет место в шарнирных, фланцевых соединениях, при различных технологических операциях обработки – штамповки, резании, бурении нефтяных и газовых скважин, в шарико- и роликоподшипниках, опорных частях мостовых пролетных строений, зубчатых колесах, фундаментах под сооружениями и др.

Контактные задачи классифицируются а) по признаку размерности:

–плоские;

–пространственные (осесимметричные);

б) по признаку физических свойств контактирующих

тел:

–контакт абсолютно жесткого и деформируемого (упругого) тела;

–контакт двух деформируемых тел;

в) по признаку размеров контактной площадки:

–площадка контакта сохраняет свои размеры и форму в процессе роста силы (контакт плоского штампа и основания);

–площадка контакта увеличивается с ростом силы (контакт шаров);

–площадка контакта увеличивается с ростом силы до некоторого предела, после которого сохраняет свои размеры и форму (контакт штампа со сферической контактной поверхностью и основания);

г) по условиям взаимодействия контактирующих тел на площадке контакта:

–отсутствие сил трения на всей поверхности контакта;

–наличие полного сцепления тел на поверхности кон-

такта;

–наличие тангенциальных сил взаимодействия на части площадки контакта (сцепление контактных тел), величина которых меньше произведения нормального давления на коэф-

15

фициент трения; а на остальной части площадки контакта – (проскальзывание) наличие тангенциальных сил трения, равных произведению нормального давления на коэффициент трения. Граница между участками контактной поверхности изменяется с ростом сил.

Решение контактных задач с помощью программы численного конечно-элементного метода анализа ANSYS включает следующие основные шаги:

–создается конечно-элементная сеточная модель;

–устанавливаются контактные пары;

–задаются целевая и контактная поверхности;

–определяются необходимые константы контактных элементов и опции контакта;

5) накладываются граничные условия (силы, закрепле-

ния);

6) задаются опции нагружения и решения;

7) выполняется решение задачи;

8) производится анализ результатов.

Контактные пары (contact pair) устанавливаются в результате предварительного анализа поведения составной конструкции при её деформировании. Программа ANSYS позволяет моделировать следующие типы контактных пар: «узел – узел» (рис. 2.1), «узел – поверхность» (рис. 2.2), «поверхность

–поверхность» (рис. 2.3). Контактные пары могут быть плоскими (2D) и объемными (3D). Контактирующие тела могут быть податливыми (деформируемыми – flexible) и жесткими (rigid). В контактной асимметричной паре «поверхность – поверхность» одна из поверхностей принимается целевой (TARGET) , другая – контактной (CONTACT). При выборе можно руководствоваться перечисленными ниже правилами.

− Если одна поверхность (А) является плоской или вогнутой, а другая поверхность (В) является острым ребром или выпуклостью, то поверхность А должна быть целевой.

− Если обе контактирующие поверхности выпуклые, то целевой поверхностью принимается менее выпуклая.

16

−Если обе поверхности являются плоскими, выбор контактной и целевой произволен.

−Если одна контактная поверхность имеет острое ребро, а другая не имеет его, то первая принимается контактной поверхностью.

– Если одно из контактирующих тел абсолютно жесткое, то его поверхность принимается целевой.

В процессе моделирования задачи контактные пары обнаруживаются автоматически. В Workbench представлено несколько видов контакта:

Bonded – связанный контакт, зазор между телами автоматически закрывается, проникновение игнорируется;

No separation – линейный контакт без разделения; Frictionless – нелинейный контакт без трения, зазор и

проникновение регулируются;

Frictional – нелинейный контакт с учетом трения; Rough –жесткий грубый контакт при возможном разде-

лении тел в ходе контакта.

Описание задачи: моделируется процесс штамповки, взаимодействуют два цилиндра (рис. 2.1) – верхний цилиндр 1 (R1 = 15 мм, Н1 = 20 мм) давит на нижний цилиндр 2 (R2 = 20 мм, Н1 = 10 мм) силой F = 80 кН. Нижняя поверхность цилиндра 2 закреплена во всех направлениях.

Свойства материалов: цилиндр 1 – сталь; цилиндр 2 – алюминиевый сплав.

Моделирование контактной задачи в Ansys

1.Создаем новый проект.

2.Выбираем тип анализа – Static Structural.

3.Создаем геометрию образца при помощи

DesignModeler.

Выбираем размерность – мм.

Выбирается плоскость XY, в ней создаётся новый эскиз.

17

В рабочей области строится прямоугольник с размерами 30 мм по горизонтали и 20 мм по вертикали (сечение цилиндра).

Далее строится поверхность в рамках эскиза при помо-

щи инструмента Concept / Surfaces From Sketches

Для тог, чтобы созданный объект не объединялся с другими необходимо выбрать:

Details View / Operation / Add Frozen, после чего нажать Generate

Аналогично создается вторая поверхность с размерами 40 мм по горизонтали и 10 мм по вертикали. Итоговая геометрия, полученная в Design Modeler, представлена на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Создание поверхностей в Design Modeler

4.В окне свойств материалов подключаем к проекту

Structural Steel и Aluminum Alloy.

5.Перед запуском Mechanical необходимо настроить двумерный анализ. Для этого в окне Workbench откроем окно свойств (View/Properties) и выделим элемент Geometry блока

Static Structural. Изменим параметр Analysis Type на 2D.

18