Системы автоматизированного проектирования. Решение задач прочностн

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

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 характеристик 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 напряженного состояния элемента конструкции при заданных условиях нагружения. Предложенные методы позволяют начинающим пользователям использовать возможности ANSYS для практических расчетов.

Предназначено для студентов и специалистов, впервые знакомящихся с предметом.

УДК 004.9(03) ББК 32.973

2

3

ПРЕДИСЛОВИЕ

Данное пособие является продолжением учебно-методического пособия Л.П. Шингель «Системы автоматизированного проектирования. 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 освоении ранних версий не представляет сложности применение последующих. Пакет ANSYS является одним из ведущих в мире пакетов, 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, динамические, совместного действия тепловых и деформационных полей, контактные), тепловые (стационарные и нестационарные), гидроаэродинамики и движения потоков, пьезоэлектричества, электромагнетизма, акустики, распространения излучения и имеет аппарат для оптимизации решений.

Пакет содержит более 300 типов конечных элементов и несколько 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 десятков 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 исправлять ошибки и опечатки. В нашем издании использовано входящее в пакет ANSYS руководство пользователя в переводе автора.

ANSYS особенно удобен при прочностном анализе, задачи сводятся к следующим двум основным типам: нахождение распределения напряжений и деформаций в рассматриваемом теле и нахождение перемещений, вызванных в обоих случаях приложенной нагрузкой. Обе задачи могу быть как статическими, так и динамическими и являются выдаваемым решением ANSYS. Программный пакет ANSYS успешно может применяться во всех случаях.

В данном пособии рассмотрен статический случай для двумерных 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 – Mechanical APDL (ANSYS) 12.1.

Процесс решения задачи условно можно разделить на следующие этапы:

1)создание рабочей среды;

2)выбор типа элемента и задание характеристик материала;

3)построение геометрической модели (моделирование) рассчитываемого тела;

4)разбиение полученной модели на конечно-элементную сеть;

5)исключение возможных перемещений модели и задание приложенных нагрузок;

6)запуск задачи на решение;

7)вывод результатов решения в требуемом виде;

Вопрос для самоконтроля: С чего начинается построение геометрической модели рассматриваемого тела?

5

2.СОЗДАНИЕ РАБОЧЕЙ СРЕДЫ

Впакете 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 самостоятельной 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 выбрать 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 Customization/Preferences. В разделе Memory (память) в подразделе Use custom memory settings (использовать установки памяти, принятые пользователем) проследить, чтобы галочка не была поставлена (память при этом распределяется пакетом ANSYS по умолчанию). При постановке галочки в разделе Memory открываются подразделы Total Workspace (Mb) и Database(Mb). В подразделе Total Workspace (Mb) (об-

щая память) указывается общий объем выделенного дискового пространства 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 Parametres 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 – ANSYS 12.1 – Mechanical APDL(ANSYS) 12.1. После завершения загруз-

ки должна открыться основная панель ANSYS (рис. 2). На рис. 2 приняты следующие обозначения: 1 – основное меню; 2 – командная строка; 3 – строка меню.

7

Рис. 2

В командах ANSYS не имеет значения, строчные буквы или заглавные, поэтому все набрано заглавными буквами.

Вопрос для самоконтроля: Что задается в разделе Total Workspace?

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 выбирается Preferences (предпочтительные установки) и открывается панель Preferences for GUI Filtering (предпочтения для фильтра основного интерфейса пользователя) – рис. 3.

8

Рис. 3

На ней выбирается Structural (задачи теории упругости), щелчком мыши ставится галочка и нажимается кнопка OK. Панель закрывается. Далее необходимо включить программный модуль подготовки данных Preprocessor. Это осуществляется либо щелчком мыши по надписи Preprocessor в основном меню, либо набором команды /prep7 в командной строке и нажатием клавиши Enter.

Далее описана работа для случая, когда после включения ANSYS никаких расчетов не проводилось. Если расчеты проводились, то необходимо очистить память компьютера, стерев все предыдущие результаты. Данную процедуру надо проделывать при каждом запуске на решение. Для этого в строке меню щелчком мыши выбирается 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 previous 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 спрашивающая, 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 открывается панель на белом фоне, в которой мышью нужно выбрать Help Topics. После щелчка мыши откроется новая панель (закладка Contents/Search/Index (содержание/поиск/индекс) должна быть в положении Contens/содержание). Выводятся все темы Help Topics (помощи) – рис. 4.

Рис. 4

После щелчка мышью по маленькому кружочку с «хвостиком» рядом сMechanical APDL откроется следующийуровеньHelp (рис. 5).

10