Создание геометрической модели в ansys
Для решения любой физической задачи любым численным методом сначала следует построить геометрическую модель детали, тела или области. Это обычно один из самых трудоемких этапов в решении прикладных задач. Геометрическая модель в ANSYS состоит из набора геометрических компонент: точек, линий, поверхностей и объемов.
Геометрическая модель может быть импортирована в ANSYS из CAD (Computer-Aided Design) пакетов таких как КОМПАС, AutoCAD, SolidWorks и др. (file → Import → PARASOLID → указываем файл)
ANSYS оснащен средствами твердотельного трехмерного моделирования. В ANSYS существует два метода создания модели: «снизу вверх» (от элементарного к более сложному) и «сверху вниз» (создание сразу элементов высокого уровня).
Приступаем к моделированию свариваемой пластины методом «сверху вниз». Студент в соответствии со своим вариантом моделирует пластину, состоящую из 2-х частей с размерами 20х10хδ мм, как показано на рис. 5.
Рис.5.-3D-модель свариваемой пластины
Шаг 1. Для создания объемных параллелепипедов в меню функционала выберем Preprocessor → Modeling → Create → Volumes → Block → By Dimensions таким образом, чтобы начало координат лежало на грани XOY. Все параметры указываются в системе СИ. (Рис. 6)
Рис.6. - Создание объемных параллелепипедов
Шаг 2. Далее необходимо склеить обе части пластины в 1 целое, для этого воспользуемся функцией «склеивания» Modeling → Operate → Booleans → Glue → Volumes → Pick all.
Наложение сетки
Шаг1. Необходимо выбрать тип используемого элемента - для простоты расчета возьмем трехмерный 8-ми узловой элемент (Solid 70) как показано на рис.7. Для этого используем следующую вкладку – Element Type → Add/Edit/Delete → Add → Solid → 8 node 70→ Ок.
Рис.7. Выбор типа используемого элемента
Шаг2. Следующей стадией постановки задачи для моделирования является наложение конечно-элементной сетки, для этого необходимо выполнить следующие операции Meshing → MeshTool → Global → Set и поставить размер Size - в соответствии с вариантом. После чего выбрать тип конечных элементов. Для наглядности используем гексаэдрический тип элементов Shape → Hex → Sweep → Pick all.(рис.8.)
Рис.8.-Меню наложения конечно-элементной сетки MeshTool
На рис.9 показана равномерная гексаэдрическая сетка в области стыка.
Рис.9. Равномерная гексаэдрическая сетка в области стыка 2-х частей свариваемой пластины
Определение нагрузок и ограничений модели
Для решения задачи распределения температурных полей от подвижного линейного источника нагрева необходимо задать следующие нагрузки – температура тела и окружающий среды, конвективный и лучистый теплообмен с окружающей средой, удельный тепловой поток через границу.
Шаг 1. Начальная температура тела задается следующим образом – в столбце основного функционала Solution → Define Loads → Apply → Thermal → Temperature → Uniform Temp → 20 → Ok (начальная температура - 20ºС).
Шаг 2. Температура окружающей среды - Solution → Define Loads → Apply → Initial condition → Define → Pick all → Lab → Temp → 20 (Температура окружающей среды- 20ºС).
Шаг 3. Поскольку лучистый теплообмен по сравнению с конвективным слишком мал и практически не оказывает влияние на результаты расчетов, то для уменьшения времени расчета в численной модели им можно пренебречь.
Конвективная теплоотдача в ANSYS/Multiphysics соотносит температуру окружающей среды (ambient) с температурой на поверхности (surface) по следующему выражению:
Q=Ah(Tsurface – Tambient), |
(4.1) |
где плотность теплового потока при конвекции q зависит от коэффициента теплоотдачи c поверхности поверхности А площади h и разности температур Tsurface и Tambient.
Конвективный теплообмен задается как активная нагрузка в меню Define Loads → Apply → Thermal → Convection → On Areas → «Указываем поверхности»(рис.10,б) → Ok →Apply Film Coef on areas → Constant value→Film coefficient →5 → Ok.
Шаг 4. В среде ANSYS / Multiphysics имитацию линейного источника нагрева задают в виде выражения, имеющего несколько измененный вид формулы (1.1), например:
((ɳ*U*I)/(4*a*δ))*exp(-(({Z}-(V*{TIME}))/a)^2)
Для ввода этой формулы необходимо в панели задач выбрать Parameters → Function → Define/Edit и ввести ее в строке Result. В Function Editor можно выполнять различные математические операции и задавать активные нагрузки (Loads) как функции от координат или времени.
а) |
б)
|
Рис.10. Задание активных нагрузок на поверхности 3D-модели – тепловой поток (а) и конвективный теплообмен через указанные поверхности (б) |
|
Для того, чтобы задать тепловой поток в виде функции, ее необходимо сохранить в виде, который способен прочитать ANSYS / Multiphysics. Функция сохраняется при последующем выполнении следующих операций Function Editor → File → Save → «Название файла». В качестве примера назовем функцию «lin». Для загрузки в память ansys необходимо выполнить Parameters → Function → Read From File→выбрать сохраненную ранее функцию→ открыть→ Table parameter name→ввести название→Ok Для задания теплового потока выбираем Define Loads → Apply → Thermal→ Heat Flux → On Areas. Далее необходимо выделить поверхность раздела пластины, как показано на рис.10, а и нажать Ok → Apply → Heat Flux on areas as → Existing table → Ok→ «lin»→ Ok. Все нагрузки заданы и можно преступать к настройке решателя.