Инженерные расчёты механических конструкций ч

УДК 629.423.2.001.24 Р 93

Рыбников Е.К., Володин С.В., Соболев Р.Ю. Инженерные расчёты механических конструкций в системе MSC.Patran-Nastran. Часть I. Учебное пособие – М., 2003. – 130 с.

В учебном пособии приведены необходимые сведения о работе пре- и постпроцессора MSC.Patran при подготовке детали механической конструкции для расчётов в среде MSC.Nastran. Приводятся минимальные необходимые сведения о выборе типа конечного элемента, его базового размера, проверки качества конечно-элементной модели, о задании граничных условий и нагрузок. В пособии подробно рассмотрено два примера расчёта деталей на статическую нагрузку.

При подготовке пособия использован материал фирменного руково-

дства на английском языке «MSC.Patran 2001.User’s Guide for Windows».

Рецензенты:

Заместитель начальника Отдела ЦОР ТПС МПС, к.т.н. С.С. Петраковский

Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ), 2003

– 2 –

– 3 –

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время принято считать, что система автоматизированного проектирования машиностроительной продукции (САПР) состоит из ряда составных систем, которые предназначены: для проектирования конструкций CAD-системы (Computers-Aided Design); для инженерных расчё-

тов CAE–системы (Computer-Aided Engineering); для проектирования и моделирования технологических процессов обработки материалов CAM-

системы (Computers-Aided Manufacturing); системы для управления процессом разработки проектов-PDM(Product Data Management).

MSC.Patran – это программный продукт относящийся к CAEсистемам, которые позволяют использовать компьютер для конструирования модели объекта, затем моделировать поведение объекта в условиях действия комплекса нагрузок при заданных граничных условиях, которые отражают условия работы объекта в сложной конструкции.

Обычно CAE-системы применяют для оптимизации конструкции с целью улучшения характеристики, снижения цены, выявления недостатков конструкции, оценки возможности работы конструкции в сборе с другими деталями. Одно из преимуществ компьютерного проектирования и моделирования заключается в том, что оно позволяет выполнить конструкцию от замысла до «реального» воплощения на компьютере не создавая прототипы в металле. Это позволяет совершенствовать конструкцию, сокращать время проектирования, снижать цену изделия.

CAE-процесс начинается с моделирования изделия на компьютере, во многих случаях это изделие уже создано с помощью какой-либо CADсистемы. CAE и CAD-процессы тесно связаны, в CAE-процессах происходит проверка расчётом характеристик изделия и затем изделие возвращается на доработку или переработку. После доработки происходит возврат изделия в CAE-систему, в которой происходит очередная проверка. Таким образом, осуществляется необходимая взаимосвязь между этими системами.

Современные САD системы снабжаются встроенными расчётными модулями CAE, а CAE-системы дополняются CAD-модулями.

MSC.Patran является системой, которая позволяет управлять всеми фазами САЕ-процесса в одном месте. Это программный продукт, который позволяет построить модель конструкции, моделировать внешние условия работы конструкции, управлять процессом конечно-элементного представления конструкции и её анализом и интерпретировать полученные при расчёте результаты.

– 5 –

В среде MSC.Patran можно выполнять все указанные действия, использовать её с другими CAD-программами, моделирующими пакетами, или использовать в ней базу данных – объектный код, созданный какойлибо другой CAE-системой, например ANSYS.

Следует отметить пять ключевых особенностей системы MSC.Patran, заключённых в его уникальной структуре, связывающей эти особенности, придавая этому программному продукту большие возможности и универсальность.

Прежде всего интерфейс – это то, что мы видим на экране, когда работаем с системой MSC.Patran. Интерфейс включает меню и линейки инструментов для инструментария и приложений, форма для ввода данных, просмотра геометрических объектов, а также изображения статуса состояния операций. Интерфейс обеспечивает доступ ко всем функциям

MSC.Patran.

Инструменты и приложения – это основа системы MSC.Patran. Инструменты позволяют выполнять различные работы в среде MSC.Patran (создавать геометрические объекты, задавать пакеты заданий для решения задач, компилировать результаты анализа, проверять ошибки и сигнализировать об этом).

Модули приложения осуществляют большие специализированные задачи, часто вне системы MSC.Patran, помогая сопровождать конечноэлементный анализ и интерпретацию результатов.

Важной особенностью инфраструктуры MSC.Patran является интегрированная база данных. Вся информация о модели и её анализе сосредоточена в базе данных, и таким образом можно всегда сравнивать варианты, изменять их, добавлять и изучать конструктивные изменения объекта.

MSC.Patran имеет открытую архитектуру. Это позволяет обмениваться данными с различными программными продуктами, включая CADсистемы, конечно-элементные объектные коды других моделирующих программ, базы данных по характеристикам материалов. Базы данных и модели, созданные в одной программной системе, могут быть просто перенесены в MSC.Patran с минимальными затратами по времени и без потерь данных при конвертировании кодов.

MSC.Patran воспринимает модели объектов, созданных в таких мощных CAE-системах как Unigraphics, CATIA, CAD-системах среднего и ма-

лого уровня: SolidWorks, SolidEdge, КОМПАС, T-flex, ARIES и др.

Для системы MSC.Patran можно с помощью алгоритмического языка высокого уровня PCL (Patran Custom Language) разрабатывать расчётные системы, предназначенные для решения узкого класса инженерных задач.

– 6 –

1. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ОПЕРАЦИЙ В СРЕДЕ MSC.PATRAN ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ РЕШЕНИЯ ИНЖЕНЕРНЫХ ЗАДАЧ

Для того, чтобы решить инженерную задачу, используя систему MSC.Patran, необходимо выполнить три базовые стадии. Каждая из стадий выполняется в соответствующих частях системы MSC.Patran.

Первая стадия типичная и наиболее трудоёмкая по времени. Это создание геометрической модели объекта, которая должна включать в себя: описание по форме и размерам, указание материалов из которых будет изготовлен реальный объект. Кроме этого необходимо задать внешние силы, действующие на объект.

MSC.Patran имеет инструментарий, который помогает пользователю создать модель объекта с его внешними условиями.

Используя этот инструментарий можно быстро создать двух или трёхмерную (2D или 3D) каркасную модель, поверхность или твёрдотельную модель объекта.

С помощью CAD-интерфейса можно импортировать и затем редактировать геометрические модели объектов, созданных с помощью других программных продуктов.

После создания геометрической модели, с помощью мощных средств, имеющихся в системе MSC.Patran создаётся конечно-элементная модель объекта. К этим средствам относятся генераторы конечно-элементных сеток, которые автоматически могут наноситься на кривые, поверхности и твёрдые тела, используя различные способы (Mapped And Paved Meshing). Допускается редактирование сетки конечных элементов в интерактивном режиме.

MSC.Patran имеет возможность задавать свойства материалов, из которых изготавливается объект. Эти свойства определяют тип материала, жёсткость, плотность объекта моделирования.

При конечно-элементном анализе оценивается индивидуальные реакции модели на нагрузки и граничные условия. Нагрузки рассматриваются в широком смысле и могут представляться в форме сил, моментов сил, давлений, температуры.

Граничные условия описываются в терминах степеней свободы, которые определяют направление вдоль трёхмерных осей координат, по которым модель может или не может иметь перемещений, как в линейном, так и угловом направлениях.

Вторая стадия заключается в анализе реакции конечной элементной модели с заданными граничными условиями на приложенные нагрузки.

– 7 –

Имеется ряд опций для запуска анализа конечно-элементной модели с помощью MSC.Patran. Можно использовать один из объектных кодов MSC: объектные коды других внешних программных продуктов или собственный код, созданный системой MSC.Patran.

Далее необходимо определить тип конечного элемента (например, балка, стержень, пластина) и относящиеся к этому элементу свойства для различных областей вашей модели, например, если она выполнена из различных материалов, и назначить эти свойства конечным элементам модели.

Тип элемента выбирается исходя из используемого объектного кода (он связан с используемым программным продуктом для проведения вычислений), конфигурации модели, предполагаемого поведения моделируемого объекта (линейная или нелинейная). Дополнительные свойства описывают такие параметры как толщина пластины, коэффициент жёсткости пружины, площадь сечения балки и т.п.

Анализ поведения объекта связан с проведением вычислительных операций по заданному алгоритму, который предоставлен той вычислительной системой, которая используется в данной задаче, (это могут быть

NASTRAN, MARC, DYTRAN и т.п.).

При выполнении этой стадии производятся следующие действия:

–определяется требуемый алгоритм для решения задачи (тип инженерной задачи, например, статический расчёт);

–определяются и транслируются параметры, заданные для выполнения задачи;

–выбирается соответствующая схема или набор нагрузок (Load Cases);

–выбираются переменные, требуемые для вывода после решения задачи;

–посылаются данные задачи для численного анализа в программу – вычислительную систему, используемую в данный момент решения задачи;

–считываются количественные результаты из файлов результатов, созданных программой-вычислителем.

Третья стадия заключается в трансляции (компиляции) результатов анализа и представление их в форме удобной для визуального анализа. Обычно численное решение задачи даёт большое количество цифровых данных, которые трудно анализировать, если выводить их в цифровой форме на бумагу. Поэтому на этой стадии используются возможности системы MSC.Patran для представления в визуальной форме данных, исполь-

– 8 –

2.ПОСТРОЕНИЕ ИНТЕРФЕЙСА СИСТЕМЫ MSC.PATRAN

2.1.Системное меню

Запуск системы MSC.Patran можно осуществить, используя значок на рабочем столе Windows, или используя последовательность: StartÎ ProgramsÎMSCÎMSC.Patran 2001 (ПускÎПрограммыÎMSCÎ MSC.Patran 2001). На экране появится рабочее окно системы MSC.Patran (рис. 2). В центре рабочее окно имеет пустое графическое поле, в котором будет конструироваться геометрическая модель объекта. Верху и внизу графического поля находится линейка с меню, линейка инструментов, кнопка для управления этапами выполнения CAE-задания, командная строка и список сообщений и команд при выполнении задания.

Системное меню (рис. 3). Каждое командное слово в этом меню имеет ниспадающее меню с дополнительными командами.

При загрузке MSC.Patran доступно единственное командное слово File. Другие командные слова становятся доступными, когда открывается база данных решаемой задачи.

Рис. 2. Рабочее окно MSC.Patran

– 10 –