Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
ІНЖЕНЕРНИЙ АНАЛІЗ МЕТОДОМ СКІНЧЕННИХ ЕЛЕМЕНТІВ. ПРОГРАМНИЙ КОМПЛЕКС ANSYS
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
ІКНІ
Факультет:
Інформаційні технології проектування
Кафедра:
Системи автоматизованого проектування
Інформація про роботу
Рік:
2006
Тип роботи:
Методичні вказівки до лабораторної роботи
Предмет:
Інформаційні технології
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”
ІНСТИТУТ КОМП’ЮТЕРНИХ НАУК ТА ІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ
Кафедра “Системи автоматизованого проектування”
ІНЖЕНЕРНИЙ АНАЛІЗ МЕТОДОМ СКІНЧЕННИХ ЕЛЕМЕНТІВ. ПРОГРАМНИЙ КОМПЛЕКС ANSYS
Методичні вказівки до лабораторної роботи № 1
з дисципліни “Автоматизовані системи інженерного моделювання та розрахунку”
для підготовки спеціалістів спеціальності 7.080402 “Інформаційні технології проектування”
та магістрів спеціальності 8.080402 “Інформаційні технології проектування”
Затверджено
на засіданні кафедри
“Системи автоматизованого проектування”
Протокол № 12 від “9” ___02____ 2006 р.
на засіданні методичної ради ІКНІТ
Протокол № 7-05/06 від “13” ___02___ 2006 р.
ВАК № 1919 від “02” ___06___ 2006р.
Львів – 2006
Інженерний аналіз методом скінченних елементів. Програмний комплекс ANSYS: методичні вказівки до лабораторної роботи № 1 з дисципліни “Автоматизовані системи інженерного моделювання та розрахунку” для підготовки спеціалістів спеціальності 7.080402 “Інформаційні технології проектування” та магістрів спеціальності 8.080402 “Інформаційні технології проектування”, 2005. – 15 с.
Укладачі Колесник К. К., канд. техн. наук, ст. викладач
Перейма М. Є., асистент
Відповідальний за випуск Ткаченко С. П., канд. техн. наук, доцент
Рецензенти Каркульовський В. І., канд. техн. наук, доцент
Мотика І. І., канд. техн. наук, доцент
В С Т У П
Програмний комплекс ANSYS являє собою багатоцільовий пакет для вирішення складних проблем з фізики й механіки. Багатоцільова спрямованість програми (тобто можливість оцінки впливів різної фізичної природи на досліджуваний стан конструкції, наприклад, на її міцність) дозволяє використати ту саму модель для вирішення таких задач, як міцність при тепловому навантажені, вплив магнітних полів на міцність конструкції, тепломасопереніс в електромагнітному полі й ін. Перша реалізація програми значно відрізнялася від останніх її версій і стосувалася тільки для розрахунку задач теплопередачі й міцності в лінійній постановці. Як і більшість інших програм того часу, вона працювала в пакетному режимі. На початку 70-х рр. минулого століття в програму було внесено багато змін у зв'язку із впровадженням нових обчислювальних технологій. Були додані нелінійності різної природи, з'явилася можливість використовувати метод підконструкцій, була розширена бібліотека скінчених елементів. Наприкінці 70-х рр. істотним доповненням до програми ANSYS з'явився інтерактивний режим роботи. Це значно спростило процедури створення скінченно-елементної моделі й оцінку результатів (пре- і постпроцесорна обробка). Стало можливим використовувати інтерактивну графіку для перевірки геометрії моделі, заданих властивостей матеріалу й граничних умов перед початком розрахунку. Графічна інформація могла бути відразу ж виведена на екран для інтерактивного контролю результатів розрахунку. Програма містить у своєму розпорядженні широкий набір розрахункових засобів, які можуть враховувати різноманітні конструктивні нелінійності; дають можливість вирішувати самий загальний випадок контактної задачі для поверхонь; допускають наявність великих деформацій і кутів повороту; дозволяють виконати інтерактивну оптимізацію й аналіз впливу електромагнітних полів, вирішити задачі гідроаеродинаміки й багато чого іншого. Система меню забезпечує введення даних і вибір дій програми за допомогою діалогових панелей, меню та вікон. Засоби твердотільного моделювання містять у собі представлення геометрії конструкції, які базуються на застосуванні сплайновой технології, геометричних примітивів і теоретико-множинних операції.
1. Мета роботи
Мета лабораторної роботи – розробка аналітичної моделі та її розрахунок в автоматизованій системі інженерних досліджень ANSYS.
2. Короткі теоретичні відомості
Програмний комплекс ANSYS розроблений компанією ANSYS Inc. (США).
2.1. Складові частини комплексу і їхнє призначення
Багатоцільові функції комплексу ANSYS забезпечуються наявністю в ньому численного сімейства окремих спеціалізованих програм, що мають багато загальних функцій, однак математичне забезпечення яких розраховано на рішення окремих класів задач:
ANSYS/Multiphysics — програма для широкого кола інженерних дисциплін, що дозволяє проводити розрахунки в області міцності, поширення тепла, механіки рідин і газів, електромагнетизму, а також вирішувати об’єднані задачі.
ANSYS/Mechanical — програма для виконання проектних розробок, аналізу й оптимізації: вирішення складних задач на міцність конструкції, теплопередачі й акустики. Ця програма дозволяє визначати переміщення, напруження, реакції, температури, тиски й інші параметри, важливі для оцінки механічної поведінки матеріалів і міцності конструкції. Дана програма є підмножиною ANSYS Multiphysics.
ANSYS/Structural — виконує складний аналіз на міцність конструкцій з врахуванням різноманітних нелінійностей, серед яких геометрична й фізична нелінійності, нелінійна поведінка скінченних елементів і втрата стійкості. Використовується для точного моделювання поведінки великих і складних розрахункових моделей. Дана програма є підмножиною ANSYS/Mechanical.
ANSYS/Thermal — це окрема програма, виділена з пакета ANSYS/Mechanical, для вирішення теплових стаціонарних і нестаціонарних задач.
ANSYS/LS-DYNA — програма, призначена для вирішення задач динаміки при великих нелінійностях. Ця програма може використовуватися для чисельного моделювання процесів формоутворення матеріалів, аналізу аварійних зіткнень і ударів при скінченних деформаціях, включаючи пробивання, нелінійну поведінку матеріалу й контактну взаємодія елементів конструкції.
ANSYS/ED — являє собою програму, що володіє можливостями ANSYS/Multiphysics, але має обмеження по розмірах розрахункової моделі. Ця програма призначена, в основному, для навчальних цілей.
2.2. Вхід у програму
Вхід в ANSYS здійснюється через меню:
«Пуск» -> «Програми» -> «ANSYS».
Відразу ж після входу в ANSYS читається файл конфігурації (CONFIG.ANS). Потім при читанні першої команди (якщо це не команда /BATCH) програма читає командний файл START.ANS, якщо він існує в поточній директорії або в кореневій директорії. Це дозволяє мати будь-які ANSYS-команди, що виконуються за вашим вибором, як тільки ви введете програму. Наприклад, в START.ANS можна включити команди, що перебувають у меню /SHOW (визначають графічні драйвери), в *ABBR (визначають скорочення для найбільш часто вживаних команд) і найбільш використовувані параметричні визначення (наприклад, pi=acos(-1)).
Програма допускає два режими роботи: пакетний (Batch) і інтерактивний (Interactive).
Пакетний режим — робота ANSYS-програми задається програмою користувача. Перший рядок у файлі повинен бути /batch, що означає пакетний режим. Цей режим особливо ефективний при вирішенні задач, що не вимагають постійного зв'язку з комп'ютером.
Інтерактивний режим припускає постійну взаємодію з комп'ютером: ви запускаєте команду, програма виконує її й відзначає, що вона виконана; потім ви запускаєте іншу команду й т.д. Якщо ви помилитеся, можна виправити помилку, повторно правильно набравши команду. Інтерактивний режим дозволяє використовувати найбільш необхідні властивості графічного режиму, підказки, системного меню й графічного вибору (pick).
2.2.1. Пакетний режим (Commands)
При запуску пакетного режиму вводиться наступна інформація.
У рядку Product Selection вказується область розв'язуваної задачі.
У рядку Initial Jobname задається початкове ім'я задачі. Всі файли, що створюються в процесі роботи програми, будуть мати це ім'я як префікс, за яким буде випливати відповідне розширення (суфікс). За замовчуванням, наприклад, якщо не задати ім'я завдання, всі файли будуть мати ім'я FILE або file (залежно від операційної системи).
В рядках Input Filename і Output Filename вказуються імена вхідного й вихідного файлів (з розширенням. dat і .out, відповідно). Як вхідний файл може бути використаний попередньо перейменований log-файл (файл із розширенням. log), отриманий при вирішенні аналогічної задачі. Кожна команда, що міститься в log-файлі, буде перезапускатися, перестворюючи базу даних у тому вигляді, як вона записана.
Таким чином, роботою ANSYS-програми при пакетному режимі керує програма користувача, основним елементом якої є команда. ANSYS- програма містить понад 800 команд, кожна виконує певну функцію: завдання даних (наприклад, властивостей матеріалів), виконання якої-небудь дії (наприклад, вивід моделі на екран).
Типові команди містять ім'я команди й кілька аргументів. Кожний аргумент відділяється комою. Наприклад, команда F, що визначає силу у вузлах, виглядає так: F,node,label,value. При додаванні сили в 2000 од. в x-напрямку до вузла 376 команда буде читатися так: F,376,FX,2000.
Імена команд можуть містити від 1 до 8 символів. Імена, що мають довжину більше 5 символів, можуть бути скорочені до перших 4-х (крім спеціальних випадків, такі як /PREP7, /POST26 і *ENDDO). Деякі команди (наприклад, ADAPT і ЕТЕХР) в дійсності є макрокомандами. Імена макрокоманд повинні бути введені повністю. Команди, які починаються із слеша (/), відомі як слеш-команди, звичайно призначені для контролю за основною програмою (наприклад, вхід у контроль за підпрограмами, диспетчером файлів і графікою).
Дані вводяться спеціальними командами (утилітами), що зберігають їхні поточні установки під час зміни програми.
Команди, які починаються із зірочки (*), відомі як стар-команди (star), є частинами мови параметричного програмування ANSYS (APDL).
Команди вводяться, використовуючи вільні формати. Фіксований формат не використовується. Наступні один за одним коми можуть бути використані для пропуску поля. У цьому випадку для даного аргументу приймається значення за замовчуванням відповідно до опису команди. Значення за замовчуванням передбачені в більшості команд. Існує 2 типи значень за замовчуванням: команда за замовчуванням і поле за замовчуванням.
Команда за замовчуванням приймається тоді, коли відповідно до логіки програми ця команда необхідна, однак у явному вигляді в програмі користувача вона не наведена. Наприклад, якщо в явному вигляді не вводиться ім'я завдання командою /FILNAME, це ім'я за замовчуванням приймається FILE.
Поле за замовчуванням приймається тоді, коли необхідний аргумент команди не визначений явно. Наприклад, якщо запустити команду N,10 (визначаючи вузол 10 з полями координат x,y,z за замовчуванням), вузол 10 визначиться як первинний, тобто координати x,y,z даного вузла за замовчуванням приймаються рівними нулю. Помітимо, що числовий аргумент за замовчуванням завжди нуль (за винятком деяких спеціальних випадків). Інші аргументи за замовчуванням звичайно пояснюються в описі команди.
Максимальне число символів, включаючи коми, пропуски й інші спеціальні позначення, не повинне перевищувати 80.
2.2.2. Інтерактивний режим. Графічний інтерфейс користувача (GUI)
Вхід в інтерактивний режим здійснюється в наступній послідовності:
а) настроювання параметрів:
«Пуск (Start)» -> «Програми» -> «ANSYS» -> «Інтерактивний режим (Interactive)»;
б) запуск сесії Run Interactive Now.
Після входу в інтерактивний режим діалог користувача із програмою здійснюється через багатовіконний «Графічний інтерфейс користувача (GUI)» (рис. 1.), у якому меню являє собою перелік декількох логічно зв'язаних процедур керування програмою, розташованих в окремих вікнах. Коротко опишемо деякі з вікон GUI.
Рис. 1.
Верхнє горизонтальне вікно 1 являє собою Меню утиліт (Utility menu). Меню утиліт містить набір часто використовуваних процедур, які відображені тут для доступу в будь-який момент роботи програми.
Вікно 2 являє собою Вікно введення (ANSYS input) — область для набору команд і виводу повідомлень в Output Window. Є можливість звернутися до списку введених раніше команд. Команди можна витягувати з файлу реєстрації (log-файлу) введених раніше команд і (або) вхідних файлів для наступного введення.
Вікно 3 являє собою Головне меню (ANSYS Main Menu). Воно містить основні функції й етапи виконання програми, які групуються в розташованому збоку динамічному меню, вид яких залежить від просування програмою.
Вікно 4 є Графічним вікном. Воно являє собою область для виводу графічної інформації, як скінченно-елементна модель або графіки результатів аналізу.
Вікно 5 — Лінійка інструментів (Toolbar). Лінійка інструментів дозволяє користувачеві створювати кнопки й мати швидкий доступ до команд, що часто виконуються (на рис. 1 не представлено).
2.3. Основні стадії вирішення задач
Рішення задач за допомогою програми ANSYS складається із трьох етапів: препроцесорна (попередня) підготовка (Preprocessing), одержання рішення (Solving the Equations) і постпроцесорна обробка результатів (Postprocessing). Короткий зміст основних кроків при виконанні кожного з етапів наведено нижче.
2.3.1. Препроцесорна підготовка
На стадії препроцесорної підготовки виконується вибір типу розрахунку, побудова моделі й завдання навантажень (включаючи й граничні умови). Тут задаються необхідні для рішення вихідні дані. Користувач вибирає координатні системи й типи скінченних елементів, вказує фізико-механічні властивості матеріалу, будує твердотільну модель і сітку скінченних елементів, виконує необхідні дії з вузлами й елементами сітки, задає рівняння зв'язку й обмеження. Можна також використати модуль статистичного обліку для оцінки очікуваних розмірів файлів і витрат ресурсів пам'яті.
2.3.1.1. Вибір координатної системи
У програмі ANSYS координатні системи застосовуються для розміщення в просторі геометричних об'єктів, визначення напрямків ступенів вільності у вузлах сітки, завдання властивостей матеріалу в різних напрямках, для керування графічним зображенням і змістом вихідних результатів. Можна використати декартові, циліндричні, сферичні, еліптичні й тороідальні системи координат. Всі вони можуть бути розташовані й орієнтовані в просторі довільним чином.
2.3.1.2. Створення бази даних
Вихідні дані, введені при препроцесорній підготовці, стають частиною центральної бази даних програми. Ця база даних розділена на таблиці координатних систем, типи елементів, властивості матеріалу, ключових точок, вузлів сітки, навантажень і т.д. Як тільки в таблиці з'являються деякі дані, на них стає можливим посилатися за вхідним номером таблиці. Наприклад, можуть бути визначені кілька координатних систем, які активізуються простим посиланням на відповідний номер системи (вхідний номер таблиці). Крім того, існує набір команд керування базою даних, щоб виділити деяку її частину для певних операцій. Виділення необхідних даних можна проводити за місцем розташування геометричних об'єктів, графічними примітивами твердотільної моделі, типам скінчених елементів, видам матеріалів, номерам вузлів і елементів і т.д. Так, наприклад, складні граничні умови можна легко вказати або змінити, використовуючи геометричне подання моделі, а не номера вузлів або елементів.
Користувач має можливість ввести велику інформацію, яка відноситься до даної розрахункової моделі, але програма буде використовувати тільки ту її частину з бази даних, що необхідна для певного виду розрахунку. Вид розрахунку задається при вході в програму.
Ще одним способом вибору даних є поділ моделі на компоненти або шари, що представляють собою групи геометричних об'єктів, які виділені користувачем для більшої наочності. Для наочності компонента можуть бути представлені в різних кольорах.
1.3.1.3. Способи побудови геометричної моделі
В програмі ANSYS існують три різних способи побудови геометричної моделі: імпорт моделі, попередньо побудованою іншою програмою; твердотільне моделювання й безпосереднє створення моделі в інтерактивному режимі роботи з програмою. Можна вибрати кожен з цих методів або використати їхню комбінацію для побудови розрахункової моделі.
Імпорт моделі. Програма ANSYS дозволяє наносити сітку на модель, імпортувати з іншої програми, а також має можливість змінювати геометрію моделі з метою спрощення розрахунку. Використання автоматичних засобів дозволяє поліпшити модель за рахунок усунення непотрібних зазорів, перекриття або взаємного проникнення її частин, а також виконати злиття об'єктів і створення об'ємів. Це дає можливість одержати простішу розрахункову модель шляхом її «підчищення» і одержання прийнятного варіанту. Процедури спрощення дозволяють найкращим чином підготувати модель для нанесення сітки за рахунок видалення отворів, порожнин і опуклостей, виключення незначних подробиць.
Твердотільне моделювання. У програмі ANSYS доступні наступні два способи моделювання: зверху в низ і з низу вверх. У першому випадку користувач вказує тільки найвищий порядок складності об'єктів моделі. За допомогою звичайних об'єктів (такі, як сфери й призми, тобто форми, які називаються геометричними примітивами) можуть бути створені за одне звертання до меню. Наприклад, користувач визначає об'ємний примітив, а програма автоматично знаходить пов'язані з ним поверхні, лінії й ключові точки. Примітиви дозволяють безпосередньо вказувати геометричні форми. У програмі ANSYS можна легко й швидко визначити у двовимірному випадку такі форми, як окружності й прямокутники, або паралелепіпеди, сфери, конуси й циліндри — у трьохвимірному. Після того як геометричні об'єкти визначені (за допомогою примітивів, зчитуванням даних з файлів формату .IGES або безпосередньою побудовою), до них можна застосовувати операції булевой алгебри. При імпортуванні геометрії у форматі .IGES користувач має можливість управляти значеннями допусків на злиття об'єктів моделі, виявляти «проблемні» області й можливі помилки.
Безпосереднє створення моделі в інтерактивному режимі роботи. У цьому випадку найчастіше застосовується так зване «висхідне моделювання». При висхідному моделюванні користувач будує модель, починаючи з об'єктів найнижчого порядку. Спочатку задаються ключові точки, потім пов'язані з ними лінії, поверхні й об'єми - саме в такому порядку.
Незалежно від використовуваного способу побудови моделі є можливість застосовувати теоретико-множинні операції для об'єднання наборів даних і за рахунок цього як би створювати «скульптуру» моделі. Програма має набір таких операцій, як додавання, виднімання, перетинання, розподіл, склеювання й об'єднання.
Ще одним ефективним методом побудови моделі в програмі ANSYS є побудова деякої поверхні за допомогою так званого методу «обтягування каркаса». За допомогою цього методу можна задати деякий набір поперечних перерізів, а потім дати програмі команду побудувати поверхню, що буде точно відповідати зазначеним перетинам.
1.3.1.4. Побудова сітки
Після того, як є побудована твердотільна модель, будується її скінченно-елементний аналог (тобто сітка вузлів і елементів).
Завдання типів елементів. Бібліотека скінченних елементів програми ANSYS містить більше 80 типів, кожний з яких визначає можливість застосування елемента до тієї або іншої області розрахунків (аналіз на міцність, тепловий, магнітний і електричний аналізи, рух рідини або зв'язані задачі), характерну форму елемента (лінійну, плоску, у вигляді бруска й т.д.), а також двохмірність (2-D) або тривимірність (3-D) елемента.
Після вибору типу елементів необхідно задати їх константи. Константи елемента — це властивості, специфічні для даного типу елемента. Наприклад, для елемента ВЕАМЗ - балкового 2-D елемента — константами є площа поперечного переріза, момент інерції, висота й ін.
Завдання властивостей матеріалів. Властивості матеріалу потрібні для більшості типів елементів. Залежно від області застосування властивості можуть бути лінійними, нелінійними й (або) анізотропними.
Лінійні властивості можуть залежати або не залежати від температури, бути ізотропними або ортотропними. Залежність властивостей від температури має форму полінома (аж до четвертого ступеня) або задається у вигляді таблиці.
Нелінійні співвідношення, такі як криві деформування матеріалу для різних видів зміцнення, криві текучості, залежності для радіаційного розпухання, опис гіперпружних властивостей, звичайно задаються у вигляді таблиці.
Анізотропні властивості для пружних матеріалів задаються в матричному вигляді. Варто помітити, що опис анізотропної пластичності вимагає завдання різних кривих «напруження-деформація» для різних напрямків.
У програмі ANSYS передбачено чотири способи генерації сітки: використання методу екструзії, створення впорядкованої сітки, створення довільної сітки (автоматично) і адаптивна побудова.
Метод екструзії. Метод екструзії (видавлювання) використається для перетворення областей двовимірної сітки в трьохвимірні об'єкти, що складаються з паралелепіпедів, клиноподібних елементів або їхньої комбінації. Процес екструзії здійснюється за допомогою процедур зсуву з площини, буксування, поступального й обертального переміщень.
Створення впорядкованої сітки. Побудова впорядкованої сітки вимагає попереднього розбиття моделі на окремі складові частини із простою геометрією, а потім — вибору таких атрибутів елемента й відповідних команд керування якістю сітки, щоб можна було побудувати скінченно-елементну модель з впорядкованою сіткою. Створювана програмою ANSYS впорядкована сітка може складатися із шестигранних, чотирикутних і трикутних елементів. Для одержання трикутної сітки програма виділяє області моделі, призначені для нанесення впорядкованої сітки, створює спочатку чотирикутну сітку, а потім перетворює її в сітку із трикутних елементів.
Як додатковий спосіб побудови впорядкованої сітки на деякій поверхні використовується розподіл протилежних граничних ліній цієї поверхні таким чином, щоб можна було здійснити перехід від одного розміру сітки до іншого. Побудова впорядкованої сітки з розміром, що змінюється, можлива тільки для поверхонь, обмежених чотирма лініями. При більшій кількості ліній обмежень можна виконати операцію їхньої конкатенації.
Створення довільної сітки (автоматично). Програма ANSYS має у своєму складі генератори довільної сітки, за допомогою яких сітка може наноситися безпосередньо на модель досить складної геометрії без необхідності будувати сітку для окремих частин і потім збирати їх в єдину модель. Довільну сітку можна створювати з трикутних, чотирикутних і чотиригранних елементів.
При довільній побудові сітки є реалізований алгоритм розумного вибору розмірів скінченних елементів, що дозволяє створювати сітку елементів з врахуванням кривизни поверхні моделі й найкращого відображення її реальної геометрії. Крім того, можна вибрати дрібну або велику сітку елементів, вказавши як керуючий параметр будь-яке число з діапазону від одиниці до десяти.
При побудові сітки можливо також вказувати загальний розмір елементу, поділ граничної лінії, вказувати розмір в межах заданих геометричних точок, коефіцієнтів розтягу або стиску на віддалі від границь, завдання обмеження на кривизну й можливість завдання «твердих» точок (тобто завдання точного положення вузла разом з розмірами сітки в такій точці).
У порівнянні з довільною сіткою впорядкована плоска сітка може містити тільки чотирикутні або трикутні елементи, а впорядкована об'ємна сітка - об'ємні шестигранні елементи.
Приклад довільної й упорядкованої сіток наведений на рис. 2 а, б, відповідно.
Рис 2.
Безпосереднє створення моделі в інтерактивному режимі. При використанні цього підходу скінченно-елементну модель можна побудувати, визначивши положення кожного вузла, а також розміри, форму й зв’язок для всіх елементів сітки. Вузли використовуються для того, щоб визначити положення елементів у просторі, а елементи визначають зв’язок моделі.
Адаптивна побудова сітки. Адаптивна побудова сітки полягає в тому, що після створення моделі й завдання граничних умов програма генерує скінченно-елементну сітку, виконує розрахунок, оцінює помилку за рахунок сіткової дискретизації й міняє розмір сітки від розв’язку до розв’язку доти, поки розрахункова погрішність не стане менше якоїсь наперед заданої величини (або поки не буде досягнуте встановлене число ітерацій).
Модифікація сітки. Можливості програми ANSYS допускають модифікацію скінченно-елементної сітки. Наприклад, можуть бути змінені атрибути вузлів і елементів. Якщо модель складається з повторюваних областей, то можна створити сітку тільки для деякої області моделі, а потім зробити копію цієї області. Після того як геометрична модель покривається сіткою скінченних елементів, програма автоматично забезпечує їхній взаємо-перехресний контроль, щоб гарантувати правильність виконуваних видозмін сіткової моделі. Такі перевірки запобігають некоректне знищення або псування даних, що відносяться до твердотільних і сіткових моделей. Так, наприклад, ключові точки, лінії, поверхні або об'єми сіткової моделі не можна знищити або перемістити доти, поки користувач явно не зажадає від програми скасувати їхній автоматичний контроль.
2.3.2. Завдання навантажень і одержання розв’язку
Після того, як при препроцесорній підготовці побудована розрахункова модель, можна переходити до стадії розв’язку задачі. Цей етап містить у собі завдання типу аналізу і його опцій, навантажень, кроку рішення й закінчується запуском на розрахунок скінченно-елементної задачі.
Програма ANSYS передбачає два методи вирішення задачі, пов'язаних з розрахунком конструкцій (Structural problems): h-метод і р-метод. Перший з перерахованих методів може застосовуватися при будь-якому типі розрахунків (статичний, динамічний, тепловий і т.д.), у той час як другий метод може використовуватися тільки в лінійному статичному аналізі. За інших рівних умов, h-метод вимагає більш частішої сітки, ніж р-метод.
2.3.2.1. Вибір типу аналізу і його опцій
Тип аналізу вибирається на основі умов навантаження й реакції системи, що передбачається одержати. Так, наприклад, якщо потрібно знайти власні частоти й форми коливань, то варто вибрати модальний аналіз. У програмі ANSYS доступні такі види розрахунків на міцність: статичний (або стаціонарний), динамічний (або нестаціонарний), гармонійний, модальний, спектральний і розрахунок стійкості конструкції.
Обраний вид аналізу вказує програмі, які рівняння варто використовувати для вирішення даного завдання. Найбільш загальний набір доступних видів аналізу складається із засобів вирішення задач на міцність і теплових задач.
Кожна категорія розрахунків включає декілька окремих типів (наприклад, статичний і динамічний типи розрахунків на міцність).
Вибором опцій можна додатково визначити особливості аналізу, що проводиться. Так, наприклад, для вирішення нелінійних рівнянь є можливість вказати один з декількох варіантів методу Ньютона-Рафсона.
2.3.2.2. Завдання навантажень
Під навантаженнями розуміють як зовнішні й внутрішні зусилля, так і граничні умови у вигляді обмежень на переміщення. У програмі ANSYS навантаження розділені на наступні категорії:
- обмеження ступенів вільності;
- зосереджені сили й моменти сил;
- поверхневі навантаження;
- об'ємні сили;
- інерційні навантаження.
Більшість цих навантажень може бути прикладене або до твердотільної моделі (у ключових точках, по лініях і поверхням), або до скінченно-елементної моделі (у вузлах і до елементів).
Конкретний вид навантажень залежить від виду проведеного аналізу (наприклад, прикладена в точці навантаження може бути зосередженою силою при аналізі на міцність або тепловому потоку для розрахунку теплопередачі).
Необхідно розрізняти терміни крок навантаження й крок рішення.
Крок навантаження — це та конфігурація навантажень, для якої є отримане рішення. Наприклад, до конструкції можна прикласти вітрове навантаження на першому кроці навантаження, а на іншому - гравітаційне навантаження. Таким чином, кожне задане сполучення (конфігурація) навантажень називається кроком навантаження. Рішення може складатися з одного або декількох таких кроків. Значення навантаження для даного кроку навантаження можуть змінюватися поступово від кроку до кроку (тобто навантаження може бути плавним, мати похилу ділянку) або мінятися стрибкоподібно за один крок. Останній варіант можна використати, наприклад, для моделювання різкого навантаження при аналізі перехідних, нестаціонарних процесів. При нестаціонарному аналізі повну послідовність навантажень корисно розбити на кілька кроків.
Крок розрахунку — це зміна кроку розрахунку всередині кроку навантаження; використовується головним чином при нестаціонарному й нелінійному аналізі для поліпшення точності й збіжності. Крок рішення також називають кроком за часом, тобто кроком, виконуваним протягом деякого проміжку часу.
В програмі ANSYS поняття час використовується як при нестаціонарному, так і при стаціонарному аналізі. У першому випадку – це звичайна тривалість процесу в секундах, хвилинах або годинниках. При вирішенні статичних задач час використовується як показник на той або інший крок навантаження або крок рішення.
Вказування опцій для кроку навантаження. Опціями кроку навантаження є такі опції, які можуть бути змінені при переході від одного кроку навантаження до іншого: число кроків рішення, час закінчення кроку навантаження або вибір вихідних параметрів рішення. Залежно від типу виконуваного розрахунку вказування опцій може вимагатися або не вимагатися.
Для вказування допустимих меж зміни ступенів вільності у вузлах моделі можуть використовуватися задані умови-обмеження. Наприклад, відповідно до вимог аналізу на міцність можуть бути обмежені повороти й переміщення вузлів на закріпленому краї моделі.
Крім можливості задавати обмеження на стадії одержання розв’язку існує можливість робити це при препроцесорній підготовці, використовуючи твердотільну або скінченно-елементну модель. Обмеження ступенів вільності, що задані на твердотільній моделі, автоматично передаються програмою в сіткову модель при ініціалізації процедури чисельного рішення.
На стадії одержання рішення є можливість змінити властивості матеріалу й атрибути скінченного елемента (наприклад, товщину), активізувати або деактивувати елементи (опції «є» — birth і «ні» — death).
2.3.2.3. Запуск на розрахунок
Після того, як всі відповідні параметри задані, може бути виконане й саме рішення. За командою SOLVE програма звертається за інформацією про модель і навантаження до бази даних і виконує обчислення. Результати записуються в спеціальний файл і в базу даних. При цьому в базі даних може зберігатися тільки один набір результатів, тоді як у файл можуть бути записані результати для всіх кроків розрахунку. Програмою виконується розрахунок рівнянь, які визначені для одержання результатів з вибраного виду аналізу. В обчислювальному відношенні це сама інтенсивна частина аналізу, що непотребує втручання користувача. Вона вимагає самих значних витрат комп'ютерного часу й мінімальних витрат часу користувача. При цьому для одержання рішення за мінімальний час, програма ANSYS з перерозташовує елементи та вузли.
2.3.3. Постпроцесорна обробка
У програмі ANSYS стадія постпроцесорної обробки відбувається після стадій препроцесорної підготовки й одержання рішення. За допомогою постпроцесорних засобів програми є можливість звернутися до результатів з розв’язку задачі й інтерпретувати їх потрібним чином. Результати розв’язку включають значення переміщень, температур, напружень, деформацій, швидкостей і теплових потоків.
Підсумком роботи програми на постпроцесорній стадії є графічне й (або) табличне представлення результатів. Графічне зображення може бути виведене на монітор в інтерактивному режимі під час постпроцесорної обробки або перетворено у тверду копію.
На стадії одержання розв’язку результати записуються в базу даних програми ANSYS і в так званий «файл результатів». Результати, отримані на кожному додатковому кроці розрахунків, накопичуються як набори даних.
Кількість і тип даних визначаються типом виконуваного аналізу й вибором опцій, встановлених на стадії одержання розв’язку. Для кожного кроку за навантаженням користувач вказує, чи зберігати результати для кожного додаткового кроку розрахунку, для останнього з них або для деякого сполучення проміжних і фінальних кроків. Крім того, можна вказати перелік результатів, що зберігають, вибравши, наприклад, переміщення, напруження й реакції.
Існують дві можливості звернутися до записаних результатів для наступної постпроцесорної обробки: 1) використати постпроцесор загального призначення для ознайомлення з певним набором результатів, які ставляться до всієї моделі або її частини; 2) використати постпроцесор історії навантаження для виділення з масивів результатів потрібних параметрів, наприклад, вузлових переміщень або напруження в елементах.
При зчитуванні даних з файлу результатів вони зберігаються в базі даних програми ANSYS, що на стадії постпроцесорної обробки дає можливість мати доступ до всіх вхідних параметрів моделі (геометрії, властивостям матеріалів, навантаженням і т.д.).
2.3.3.1. Постпроцесор загального призначення
Постпроцесор загального призначення використовується для відображення результатів будь-якого виду ANSYS-розрахунку. Масиви результатів можна ділити на частини, сортувати, перетворювати в алгебраїчному розумінні, комбінувати разом з наборами даних, що відносяться до інших кроків розрахунку, створювати на їхній основі лістінги або графічні зображення. Існує декілька варіантів вибору даних з файлу результатів у базу даних програми для подальшого використання. Потрібні дані можна ідентифікувати за номером основного або додаткового кроку навантаження, номеру набору даних, часу або частоті. Якщо зазначено момент часу (при аналізі процесів, що залежать від часу), для якого не отримано результатів, що цікавлять, то виконується лінійна інтерполяція за двома найближчими точками.
Як і на стадії препроцесорної підготовки, програма має у своєму розпорядженні набір команд, які дають можливість виділити, позначити частину бази даних для виконання певних операцій з даними. Можна виділити, серед іншого, переміщення, напруження, тиски, координати, номера вузлів і елементів. Виділення можна здійснити в графічному режимі за допомогою миші. Як правило, виділення використовується для скорочення часу - за рахунок «прив'язки» активного набору даних до потрібного вузла або елемента.
Таблична форма результатів- лістінг- представвляє собою один з способів подання вихідних результатів у текстовому вигляді для розміщення у звіт, демонстрацію й т.д. Операції сортування дозволяють організувати видачу даних для окремих шуканих величин, наприклад, для напружень, переміщень, тисків і будь-яких інших. Є можливість розташовувати результат у зростаючому або спадаючому порядку, знаходити найбільші значення або перераховувати за абсолютною величиною. Для додання лістінгу необхідної форми або включення його у звітний документ можна звернутися до засобів форматування й вибрати, наприклад, заголовок лістінга й число рядків на сторінці.
Після того, як необхідні на постпроцесорній стадії дані отримані (за допомогою процедур вибору, сортування, алгебраїчних перетворень і т.д.), вони можуть бути представлені в декількох графічних формах. Області рівних значень на графічних об'єктах показують, як розподілені ті або інші величини (наприклад, напруження) в межах моделі. Природньо області рівних значень мають вигляд ізоліній, кольорових смуг або поверхонь рівного рівня (ізоповерхонь).
Якщо в розрахунковій моделі є порушення безперервності, такі як сполучення двох різних матеріалів, то є опція, за допомогою якої можна відобразити розрив напруження на границі розділу. Для оболонкової моделі значення, що ставляться до верхньої й нижньої поверхні, показуються одночасно з видимими контурами оболонки, обумовленими напрямком погляду.
Крім того, засоби графічного відображення інформації включають векторне представлення й профілі результатів вздовж заданої кривої. При векторному представленні використовуються відрізки зі стрілками, щоб показати як абсолютне значення, так і напрямок векторної величини, наприклад, вектора переміщення.
Профіль результатів являє собою графік, що показує зміну отриманих величин в залежності від заданого шляху. Процедури відстеження результатів за допомогою профілю використовуються для прив'язки даних аналізу до просторових кривих, заданих в межах моделі. Після того як величина, яка нас цікавить, прив'язана до кривої, можна одержати залежність цієї величини від обраного шляху в табличній або графічній формі. До виділених у такий спосіб масивам значень можливе застосування ряду математичних операцій (таких, як інтегрування, диференціювання, множення, скалярний і векторний добуток). Це дає можливість обчислювати різні параметри, наприклад, значення J-інтеграла при вирішенні задач механіки руйнування.
Ще одним засобом математичної обробки результатів розрахунку є використання інформації з таблиць скінчених елементів. Результати рішення можна занести в таблицю елемента й використати її для виконання арифметичних операцій над вмістом стовпчиків таблиці. До найпоширеніших операцій відносяться додавання, множення, розподіл, використання експонентної залежності й обчислення коефіцієнта запасу.
Однією із проблем скіненно-елементного аналізу, що пов'язана з точністю одержуваних результатів, є обґрунтування адекватності розміру розрахункової сітки. Програма ANSYS має у своєму розпорядженні засіб для оцінки розрахункової погрішності, обумовленою сітковою дискретизацією. Ця можливість доступна при проведенні лінійного аналізу на міцність й теплового аналізу для моделей, що складаються із двовимірних і тривимірних елементів. Параметр збереження енергії, що обчислюється для кожного елемента, можна відслідковувати за допомогою постпроцесора загального призначення й використовувати для виділення тих ділянок сітки, які мають потребу в зменшені розміру.
2.3.3.2. Постпроцесор історії навантаження
Постпроцесор історії навантаження (для результатів, що залежать від часу або яких-небудь інших незалежних параметрів) дає можливість представити результати розрахунку, наприклад, вузлові переміщення, напруження або реакції в опорах, у вигляді залежностей від часу або від кроків навантаження. Ці залежності можуть бути представлені в графічній або табличній формі. Така можливість особливо корисна для оцінки результатів динамічного розрахунку на міцність або розрахунку нестаціонарних теплових задач. Візуальній оцінці результатів розрахунку можуть також допомогти графіки залежності декількох величин від частоти (при гармонійному аналізі) або від будь-яких інших незалежних змінних.
2.4. Типи основних файлів, що створюються і використовуються програмою
.log = протокольний (журнальний) файл
20.07.2020 12:07-
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора