книги / САПР изделий из композиционных материалов. Моделирование процессов деформирования и разрушения в среде ANSYS
.pdfФедеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Пермский государственный технический университет»
А.Г. Котов
САПР ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ДЕФОРМИРОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ В СРЕДЕ ANSYS
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Издательство Пермского государственного технического университета
2008
ÓÄÊ 539.3 Ê73
Рецензенты:
доктор физико-математических наук А.А. Роговой (Институт механики сплошных сред УРО РАН); доктор технических наук Г.Л. Колмогоров
(Пермский государственный технический университет)
Котов, А.Г.
К73 САПР изделий из композиционных материалов. Моделирование процессов деформирования и разрушения в среде ANSYS: учеб. пособие / А.Г. Котов. Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2008. 351 с.
ISBN 978-5-398-00118-1
Изложены основы моделирования в среде ANSYS. Приведены математические постановки и методы решения задач механики конструкций, связанные со статиче- ским анализом, исследованием свободных и вынужденных колебаний, анализом переходных динамических процессов, разрушения, решением контактных задач и задач теплофизики; описаны инструментальные средства применения метода конеч- ных элементов к численному анализу поведения конструкций. Представленный материал дополняет базовые курсы «Механика», «Сопротивление композиционных материалов», «Упругость анизотропных материалов», «Строительная механика композитных конструкций», «Расчет на прочность и методы испытаний композитных конструкций», «Компьютерное моделирование процессов деформирования и разрушения изделий из композитов» и предназначен для обучения по дисциплине «САПР изделий из композиционных материалов».
Предназначено для студентов специальности 150502 «Конструирование и производство изделий из композиционных материалов», а также для аспирантов и специалистов по проектированию изделий аэрокосмической техники.
ÓÄÊ 539.3
Издано в рамках приоритетного национального проекта «Образование» по программе Пермского государственного технического университета «Создание инновационной системы формирования профессиональных компетенций кадров и центра инновационного развития региона на базе многопрофильного технического университета»
ISBN 978-5-398-00118-1 © ГОУ ВПО «Пермский государственный технический университет», 2008
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................... |
9 |
ГЛАВА 1 |
|
ИНТЕРФЕЙС ПРОГРАММЫ ANSYS .............................................................. |
12 |
ГЛАВА 2 |
|
ПОСТРОЕНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ............................................ |
16 |
2.1. Восходящее проектирование ....................................................................... |
18 |
2.1.1. Создание ключевых точек и операции с ними ................................ |
18 |
2.1.2. Создание постоянных точек и операции с ними ............................. |
20 |
2.1.3. Создание линий и операции с ними.................................................. |
22 |
2.1.4. Создание поверхностей и операции с ними..................................... |
25 |
2.1.5. Создание объемных тел и операции с ними .................................... |
28 |
2.2. Нисходящее проектирование....................................................................... |
32 |
2.2.1. Поверхностные типовые элементы................................................... |
32 |
2.2.1.1. Способы создания прямоугольной поверхности.......................... |
32 |
2.2.1.2. Способы создания круговой поверхности или |
|
поверхности в виде кругового сегмента..................................................... |
32 |
2.2.1.3. Способы создания поверхности в виде правильного |
|
многоугольника............................................................................................. |
33 |
2.2.2. Объемные типовые элементы............................................................ |
34 |
2.2.2.1. Способы создания блока («кирпич») ............................................. |
34 |
2.2.2.2. Способы создания цилиндрического тела..................................... |
35 |
2.2.2.3. Способы создания призмы.............................................................. |
35 |
2.2.2.4. Способы создания шара или шарового сегмента ......................... |
36 |
2.2.2.5. Способы создания конуса и конического сектора ....................... |
36 |
2.2.2.6. Способ создания тора или тороидального сектора ...................... |
36 |
2.2.3. Создание модели с помощью булевых операций ................................... |
37 |
3
2.2.3.1. Установка опций булевых операций ............................................. |
37 |
2.2.3.2. Операции пересечения .................................................................... |
38 |
2.2.3.3. Операции попарного пересечения ................................................. |
41 |
2.2.3.4. Операции объединения ................................................................... |
41 |
2.2.3.5. Операции вычитания ....................................................................... |
43 |
2.2.3.6. Операции деления рабочей плоскостью........................................ |
49 |
2.2.3.7. Операции перекрытия ..................................................................... |
50 |
2.2.3.8. Операции перекрытия разделенных объектов .............................. |
51 |
2.2.3.9. Операции склейки............................................................................ |
53 |
ГЛАВА 3 |
|
ПОСТРОЕНИЕ СЕТОЧНОЙ МОДЕЛИ ............................................................ |
55 |
3.1. Назначение атрибутов конечного элемента ............................................... |
56 |
3.2. Назначение атрибутов сети |
|
на объектах геометрической модели........................................................... |
57 |
3.3. Назначение опций сеточного генератора |
|
и управление процессом построения сети ................................................. |
58 |
3.3.1. Уровень плотности сети..................................................................... |
58 |
3.3.2. Опции сеточного генератора ............................................................. |
59 |
3.3.3. Форма конечного элемента................................................................ |
62 |
3.3.4. Локальные средства управления разбиением ................................. |
63 |
3.3.5. Генерация сети .................................................................................... |
64 |
3.3.6. Инструментальные средства управления |
|
сеточным генератором ................................................................................. |
65 |
3.3.7. h- è p-методы исследования сходимости ......................................... |
66 |
3.3.8. Приоритеты операций ........................................................................ |
67 |
ГЛАВА 4 |
|
ТИПЫ АНАЛИЗА И РЕШАТЕЛИ..................................................................... |
69 |
4.1. Прочностной статический анализ ............................................................... |
72 |
4.2. Прочностной динамический анализ............................................................ |
73 |
4.2.1. Динамика переходных процессов ..................................................... |
74 |
4.2.2. Модальный анализ.............................................................................. |
77 |
4.2.3. Гармонический анализ ....................................................................... |
79 |
4
4.2.4. Спектральный анализ ......................................................................... |
80 |
4.2.5. Отклик на случайную вибрацию....................................................... |
80 |
4.3. Анализ устойчивости конструкций............................................................. |
81 |
4.3.1. Линейный подход ............................................................................... |
82 |
4.3.2. Нелинейный подход ........................................................................... |
83 |
4.4. Конструктивные нелинейности................................................................... |
86 |
4.5. Нелинейные модели поведения материала ................................................ |
88 |
4.6. Геометрические нелинейности .................................................................... |
94 |
4.7. Нелинейные элементы.................................................................................. |
96 |
4.8. Кинематический анализ ............................................................................... |
99 |
4.9. Тепловой анализ ......................................................................................... |
102 |
4.9.1. Стационарная теплопроводность........................................................... |
102 |
4.9.2. Нестационарный процесс ....................................................................... |
104 |
4.9.3. Фазовые превращения............................................................................. |
105 |
4.9.4. Термоупругий анализ.............................................................................. |
106 |
4.10. Гидроаэродинамический анализ ............................................................. |
107 |
ГЛАВА 5 |
|
ТИПЫ СИСТЕМ КООРДИНАТ ...................................................................... |
115 |
5.1. Глобальные системы координат ............................................................... |
115 |
5.2. Локальные системы координат ................................................................. |
116 |
5.3. Активная система координат..................................................................... |
117 |
5.4. Поверхности постоянного уровня ............................................................ |
118 |
5.5. Дисплейная система координат ................................................................ |
118 |
5.6. Узловые системы координат ..................................................................... |
120 |
5.7. Элементные системы координат............................................................... |
121 |
5.8. Система координат представления результатов...................................... |
122 |
ГЛАВА 6 |
|
ОТБОР ОБЪЕКТОВ, КОМПОНЕНТЫ И АНСАМБЛИ................................ |
124 |
6.1. Функции отбора объектов ......................................................................... |
125 |
5
6.2. Окно диалога отбора объектов.................................................................. |
126 |
6.3. Командный способ ..................................................................................... |
128 |
6.4. Компоненты и ансамбли ............................................................................ |
130 |
6.5. Операции проекции для компонентов и ансамблей................................ |
131 |
6.6. Другие операции отбора ............................................................................ |
132 |
ГЛАВА 7 |
|
КОМПОЗИТЫ.................................................................................................... |
134 |
7.1. Трехслойная композиция........................................................................... |
136 |
7.2. Описание многослойной композиции ...................................................... |
137 |
7.3. Критерии прочности................................................................................... |
143 |
ГЛАВА 8 |
|
МЕХАНИКА РАЗРУШЕНИЯ .......................................................................... |
147 |
8.1. Параметры трещиностойкости.................................................................. |
147 |
8.2. Описание области вокруг края трещины ................................................. |
148 |
8.3. Вычисление параметров трещиностойкости ........................................... |
152 |
ГЛАВА 9 |
|
СТРУКТУРНОЕ ПРОГРАММИРОВАНИЕ ................................................... |
161 |
9.1. ßçûê APDL.................................................................................................. |
161 |
9.2. Операторы цикла ........................................................................................ |
165 |
9.3. Операторы ветвления алгоритма .............................................................. |
168 |
9.4. Операторы ввода-вывода ........................................................................... |
171 |
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ..................................................................................... |
174 |
ПРИЛОЖЕНИЯ |
|
ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ....................................................................... |
176 |
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 |
|
Плоский изгиб балок [16].................................................................................. |
176 |
6
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 |
|
Кручение стержней [16] .................................................................................... |
180 |
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 |
|
Расчет ферм [16]................................................................................................. |
186 |
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 |
|
Расчет рам [16] ................................................................................................... |
191 |
ПРИЛОЖЕНИЕ 5 |
|
Анализ напряженно-деформированного состояния вала, |
|
нагруженного однонаправленным поверхностным давлением .................... |
197 |
ПРИЛОЖЕНИЕ 6 |
|
Статический анализ уголкового кронштейна ................................................ |
206 |
ПРИЛОЖЕНИЕ 7 |
|
Применение p-метода для расчета пластинки с отверстием ......................... |
216 |
ПРИЛОЖЕНИЕ 8 |
|
Анализ НДС системы вал–втулка при посадке с натягом............................. |
224 |
ПРИЛОЖЕНИЕ 9 |
|
Постановка условий совместности деформаций |
|
для несовместного разбиения на примере задачи изгиба бруса ................... |
238 |
ПРИЛОЖЕНИЕ 10 |
|
Использование деактивации элементов для моделирования |
|
разрушения трубы с начальным дефектом ..................................................... |
242 |
ПРИЛОЖЕНИЕ 11 |
|
Модальный и гармонический анализ оболочечной конструкции ............... |
252 |
ПРИЛОЖЕНИЕ 12 |
|
Динамический контакт двух полых сфер с учетом |
|
упругопластического деформирования ........................................................... |
272 |
7
ПРИЛОЖЕНИЕ 13 |
|
Моделирование затвердевания слитка ............................................................ |
281 |
ПРИЛОЖЕНИЕ 14 |
|
Лучистый теплообмен в замкнутой полости .................................................. |
290 |
ПРИЛОЖЕНИЕ 15 |
|
Расчет винтового забойного двигателя |
|
в плоской постановке ........................................................................................ |
302 |
ПРИЛОЖЕНИЕ 16 |
|
Моделирование деформирования образцов |
|
при растяжении в упругопластической постановке....................................... |
322 |
ПРИЛОЖЕНИЕ 17 |
|
Моделирование деформирования |
|
образца на трещиностойкость .......................................................................... |
332 |
ПРИЛОЖЕНИЕ 18 |
|
Прочностной анализ композитной цилиндрической оболочки |
|
под внутренним давлением............................................................................... |
339 |
ВВЕДЕНИЕ
Численные методы и разработанные на их основе компьютерные вы- числительные комплексы стали в современном инженерном и научном анализе поведения материалов, сред, конструкций основным инструментарием, потеснив на второй план аналитические и численно-аналитиче- ские методы. В их основе положены:
–замена континуальной модели сеточной и, соответственно, непрерывных искомых функций их дискретными аналогами, построенными
âвиде аппроксимаций на конечном множестве координатных и временных точек (элементов);
–численное интегрирование уравнений состояния (равновесия, движения, течения и других) путем преобразования системы дифференциальных уравнений в частных производных (обычно 2-го порядка: эллиптиче- ского, параболического, гиперболического типа) в исходной математиче- ской постановке задачи к системе линейных или линеаризованных алгебраических уравнений с последующим решением прямыми или итерационными методами с привлечением математического аппарата вариационного исчисления;
–развитые средства визуализации для отображения геометрии моделей, структуры материала, краевых условий и интерпретации результатов расчета, в том числе анимация, достраивание до полной модели, представленной в силу симметрии только ее частью, и прочее.
В настоящем пособии представлена технология решения инженерных задач, в основном краевых задач механики деформируемого твердого тела, с помощью системы открытой архитектуры ANSYS. ANSYS – многоцелевой конечно-элементный пакет для проведения анализа в широком спектре инженерных дисциплин. Он занимает одно из ведущих мест среди универсальных CAE*-систем и предметно ориентированных
* Computed Automatically Engineering – инженерная САПР для расче- та конструкций.
9
(или методо-ориентированных) САПР на основе метода конечных (МКЭ) или граничных (МГЭ) элементов (Cosmos, Pro-Engineering, ABAQUS, NASTRAN и другие).
Основные типы анализа и задачи, решаемые в среде ANSYS:
–статический и динамический анализ поведения материалов и конструкций, в том числе модальный и гармонический анализ, анализ переходных динамических процессов, контактные задачи, анизотропия свойств материала и слоистые композиты, статическая устойчивость конструкций, усталость, прочностной анализ с учетом анизотропии прочностных характеристик, расчет параметров трещиностойкости, моделирование разрушения путем последовательной деактивации элементов, учет геометрических и физической нелинейностей и другие особенности анализа в рамках механики деформируемого твердого тела (МДТТ); тип анализа в терминологии ANSYS – Structural;
–стационарные и нестационарные задачи теплофизики, в том числе теплопроводность, конвекция, радиационный теплообмен; тип анализа
âтерминологии ANSYS – Thermal;
–задачи электромагнетизма, в том числе электро- и магнитостатика, низко- и высокочастотный анализ, нестационарные задачи и другие; тип анализа в терминологии ANSYS – Electromagnetic;
–стационарные и нестационарные задачи механики жидкостей и газов; типы анализа в терминологии ANSYS – Fluid, Flotran;
–смешанный (междисциплинарный) анализ и связанные задачи,
âтом числе термоупругость, пьезомеханика и другие задачи;
–оптимизация на основе всех вышеприведенных типов анализа. Основные этапы решения задач любого типа анализа (без учета осо-
бенностей) следующие:
1.Построение геометрической модели.
2.Выбор типа (типов) конечного элемента, задание опций КЭ и вещественных констант.
3.Описание свойств материала (среды).
4.Приложение граничных и начальных условий на объектах геометрической модели.
5.Генерация сеточной модели.
6.Приложение граничных и начальных условий на объектах сеточ- ной модели.
7.Выбор типа анализа и задание параметров расчета.
10