книги / САПР изделий из композиционных материалов. Моделирование процессов деформирования и разрушения в среде ANSYS

Препроцессинг

1. Формирование списка типов конечных элементов: Plane – для твердотельного моделирования, Link − для моделирования излучающей и поглощающей (отражающей) поверхностей и Matrix – для создания суперэлемента:

Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/DeleteAdd

Thermal Mass -Solid-Quad 4node 55 (Plane55)Apply Thermal Mass -Link-2D conduction 32 (Link32)Apply

Superelement → Superelement 50 (Matrix50)OK. 2. Задание опций КЭ:

Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/DeleteOptions...

для элемента Plane55: K3 = Axisymmetric;

для элемента Matrix50: K1 = Radiation substrOK.

3. Описание свойств материала (сталь) в единицах СИ. 3.1. В версиях программы 5.* меню:

Main MenuPreprocessorMaterial PropsConstant IsotropicOK

в поле KXX введите значение 45.4.

Для задания табличной зависимости коэффициента теплоотдачи с поверхности от температуры введите сначала таблицу температур:

Main Menu Preprocessor Material Props -Temp dependent- Temp Table.

Введите в полях Т1...Т6 значения температур из табл. П14.1.

Ò à á ë è ö à Ï 1 4 . 1

Коэффициенты теплоотдачи с поверхности

Далее открыть диалоговое окно:

Main Menu Preprocessor Material Props Temp dependent Prop Table.

Выбрать в комбинированном поле ввода со списком Lab переменную Conv film coeff HF и ввести в полях С1...С6 значения коэффициентов теплоотдачи из табл. П14.1.

291

3.2. В версиях программы 7.* и выше соответственно меню:

Main Menu Preprocessor Material Props Material Models Thermal ConductivityIsotropicKXX.

Для ввода зависимости коэффициента теплоотдачи с поверхности от температуры в табличном виде:

Main Menu Preprocessor Material Props Material Models Thermal ConductivityConvection or Film Coef. Add Temperature.

Ввести значения Т и HF из табл. П14.1.

3.3. Для построения графических зависимостей теплофизических характеристик от температуры (рис. П14.2) используйте кнопку Graph (в версиях программы 7.* и выше) или меню (в версиях программы 5.*):

Main MenuPreprocessorMaterial Props-Temp dependent- Graph.

Рис. П14.2. Зависимость коэффициента теплоотдачи от температуры

Для изменения настроек элементов графика (диапазоны значений по осям, толщины и цвет кривых, управление сеткой и др.) используйте меню:

4. Построение геометрической модели методом нисходящего проектирования (рис. П14.3).

Сначала строится половина сечения осесимметричной модели, состоящей из шара и полого цилиндра с торцевыми заглушками. Затем

292

5. Построение сеточной модели.

5.1. Назначение числа разбиений (NDIV) на контурных линиях:

Main MenuPreprocessorSize CtrlsManualSizeLinesPicked Lines;

–отметить все три контурные линии кругового сектораApply NDIV = 8 Apply;

–отметить две самые короткие линии (толщина кожуха) Apply

NDIV = 3 Apply;

– отметить две горизонтальные линии (заглушка кожуха) Apply NDIV = 10 Apply;

– отметить две вертикальные линии (образующие кожуха)Apply NDIV = 15 OK.

293

Рис. П14.4. Диалог создания сектора круга

5.2. Для генерации регулярной сети на областях, топологически не подобных четырехугольной форме КЭ, необходимо выполнить операцию конкатенации линий (не путать с булевой операцией объединения ADD):

5.4. Создание элементов для моделирования лучистого теплообмена между источником и поглотителем (отражателем). Лучистый теплообмен происходит между поверхностями; в данном случае это – контурные линии поверхностей в силу осевой симметрии, поэтому применяемые КЭ − линейные.

– Сменить текущие (по умолчанию) атрибуты КЭ:

отметить две линии внутренней поверхности кожуха и линии наружной поверхности нагревательного элемента OK.

294

5.5. Достроить геометрическую и сеточную модель до полной с помощью зеркального отражения (рис. П14.5, à):

Main Menu Preprocessor Modeling Reflect Area Pick All OK:

Utility Menu → Select → Entities → Nodes → Attached to → Elements →

OK.

Для контроля отобразите отобранные узлы (рис. П14.5, â):

активировать Checkbox для отображения элементных систем координат:

Рис. П14.5. Твердотельные (à) и радиационные (á) элементы и узлы (â)

295

Element coordinate sys отобразить элементы с нормалями:

Utility Menu Plot Elements.

Если нормали к излучающим поверхностям не направлены внутрь полости (рис. П14.6, à), то разверните их так, как это показано на рис. П14.6, á:

Значение степени черноты может изменяться от 0.0 (лучистая энергия полностью отражается) до 1.0 (лучистая энергия полностью поглощается).

Задать значение постоянной Стефана−Больцмана в системе СИ и ти-

296

Значение постоянной Стефана–Больцмана равно 1.19e−11 (по умол- чанию, в англо-американской системе измерений); угол раствора каждого сектора составляет 360:24 = 15î.

6.4.Выбрать процедуру «взаимного поиска» и записать матрицу

âфайл с расширением *.sub:

Значение NOHID = Hidden активирует процедуру поиска затененных поверхностей; параметр NZONE определяет число зон поиска. Смысл описанных выше параметров и процедуры формирования матрицы радиации (излучения) отражен на рис. П14.7. Поверхность излучения представляет собой в конечно-элементной реализации дискретную совокупность элементов излуче- ния, с каждого из которых испускается доля лучи- стой энергии, зависящая от площади поверхности элемента. На рис. П14.7 направления потока лучи- стой энергии от одного элемента представлены толстыми линиями, образующими сектора. На отдельные зоны поглощающей (отражающей) поверхности потоки лучистой энергии от каждого элемента излучающей поверхности падают под разными углами − чем меньше угол, тем меньше доля поглощаемой лучистой энергии. Кроме того, есть зоны, на которые не попадают лучи от части поверхности излучения − затененные поверхности или зоны затенения.

Таким образом, при формировании матрицы радиации для каждого элемента поверхности поглощения вычисляются доли получаемой тепловой энергии от каждого элемента поверхности излучения. Кроме того, если степень черноты не равна 1, то часть тепловой энергии (в данном при-

мере 20%) отражается от каждого элемента поглощающей поверхности (на рис. П14.6 − тонкие линии) и задача определения тепловых потоков в полости становится сложной. В этом случае исходят из принципа баланса тепловой энергии.

297

6.5.Восстановить активность всех объектов:

Utility Menu Select Everything.

6.6.Создание суперэлемента.

-Superelements- From .SUB File... → OK.

6.7. Деактивировать вспомогательные элементы Link32, которые были необходимы для создания матрицы радиации и суперэлемента:

деактивировать Checkbox для отображения элементных систем координат: Element coordinate sys OK.

Задание краевых условий, опций анализа и решение

7. Вход в решатель и задание опций анализа:

7.1.Выбор типа анализа (тепловой статический анализ):

Main Menu Solution Analysis Type New Analysis OK.

7.2.Задание опций анализа:

Main Menu Solution Analysis Type Analysis Options в поле Temperature difference ввести 273 OK

(разность между абсолютным нулем и используемой шкалой Цельсия). Другие способы:

Main MenuPreprocessorLoadsLoad Step OptsOtherChange Mat Props Temperature Units,

Main Menu → Preprocessor → Material Props → Temperature Units, Main Menu → Preprocessor → Radiation Opts → Solution Opt, Main Menu → Radiation Opt → Radiosity Meth → Solution Opt, Main Menu → Solution → Analysis Type → Analysis Options,

298

Main Menu → Solution → Load Step Opts → Other → Change Mat Props → Temperature Units,

Main Menu → Solution → Radiation Opts → Solution Opt.

8. Описание начальных условий (начальная температура):

Main Menu Solution Loads Apply Thermal Temperature Uniform Temp в поле TUNIF ввести 100 OK.

В более поздних версиях:

Main Menu Solution Define Loads Setting Uniform Temp.

9. Описание граничных условий:

9.1. Задание граничных условий 2-го рода (постоянный тепловой поток от нагревательного элемента):

Main MenuSolutionLoadsApplyThermalHeat GeneratOn Areasуказать круговые сектора → OK → в поле HGEN ввести 1e6 →

OK.

В более поздних версиях:

Main Menu Solution Define Loads ...

9.2. Задание граничных условий 3-го рода (конвективный теплообмен, рис. П14.8):

Рис. П14.8. Диалог описания параметров конвективного теплообмена

299

Main Menu Solution Loads Apply Thermal Convection On Linesвыделить четыре линии наружной поверхности кожухаOK →

Значение −1 в поле VALI (Film coefficient) предписывает брать вели- чины коэффициента теплоотдачи из таблицы («минус») свойств материала ¹ 1; VAL2I (Bulk temperature) − температура окружающей среды.

9.3. Запуск решателя:

Main Menu Solution Solve Current LS.

Закройте окно листинга, OK.

После появления сообщения «Solution is Done» нажмите Close â ýòîì îêíå.

Обработка результатов расчета (постпроцессинг)

10. Вход в основной постпроцессор и считывание результатов с последнего шага решения:

Main Menu General Postproc Read Results Last set.

10.1. Построение поля температур в контурном виде (рис. П14.9, à):

Main Menu General Postproc Plot results Nodal Solu Temperature.

Рис. П14.9. Поля температур в конструкции (à) и в кожухе (á)

300