Построение моделей из плоских конечных элементов

Цель работы: приобрести навыки построения конечно-элементных моделей из плоских конечных элементов в SolidWorks Simulation.

Краткие теоретические сведения

В данной работе исследуется напряженно деформируемое состояние модели цистерны, созданной из плоских конечных элементов, методом конечных элементов при нагружениях типа «давление» и «дистанционные нагрузки/масса».

Твердотельная модель цистерны представлена на рис. 1. Там же показаны уравнения, управляющие размерами модели.

Рис. 1. Твердотельная модель цистерны с размерами

Так как котел цистерны – симметричная деталь, то для исследования ее прочности при статическом нагружении достаточно только части котла, например его половины. К грани котла, образованной секущей плоскостью, разделившей котел надвое, должно быть приложено зафиксированное крепление. Вид зафиксированного крепления грани котла цистерны показан на рис. 2.

Рис. 2. Задание фиксированного крепления грани разреза котла на виде «спереди»

Опора нижней части котла цистерны имитируется креплением, типа «ролик/ползун», приложенном к наружной поверхности цилиндрической части котла. Крепление вида «ролик/ползун» показано на рис. 3.

Рис. 3. Задание крепления типа «ролик/ползун» на виде «сзади»

В данном исследовании предполагается приложение давления к внутренней поверхности цистерны (цистерна – закрыта, поэтому загрузочные и разгрузочные люки отсутствуют), а также дистанционной нагрузки, приложенной также к внутренней поверхности цистерны из геометрического центра внутреннего объема цистерны, и имитирующей вес груза, а также силу инерции при торможении. На рис. 4 показан процесс приложения дистанционной нагрузки к модели.

Рис. 4. Задание дистанционной нагрузки, состоящей из вертикальной силы по оси Y, имитирующей вес груза 60 тс, и силы, направленной по оси Х, имитирующей силу инерции массы груза при ускорении цистерны 3g

На рис. 5 показано задание граней для приложения давления от испарившегося жидкого груза.

Рис. 5. Приложение давления от испарившегося жидкого груза (сжиженный пропан) к внутренним граням котла

Рис. 6. Процесс задания параметров сетки конечных элементов

На рис. 6 показан процесс установления параметров сетки конечных элементов.

После запуска решения и получения результатов можно добавить в результаты эпюру коэффициента запаса прочности.

Порядок выполнения работы

1. Откройте файл «Лаб_раб-6.SLDASM».

2. Запустите инструмент «Инструменты \ Уравнения...» и измените значение глобальных параметров S, Rc, Lc (рис. 1) в соответствии с заданным вариантом (табл. 1).

3. Активизируйте SolidWorks Simulation путем выбора данного приложения на вкладке «Продукты SolidWorks». Запустите новое исследование. Задайте тип исследования – «Статический анализ».

4. Задайте входные параметры:

– материал из библиотеки «solidworks materials» в соответствии с заданным вариантом (табл. 1);

первое крепление – фиксированное крепление грани разреза котла (рис. 2),

– второе крепление – крепление типа «ролик/ползун» наружной грани четырех нижних элементов (рис. 3);

– первая дистанционная нагрузка – сила в Н, рассчитываемая как G_гg, приложенная к внутренней поверхности котла цистерны из геометрического центра внутреннего объема котла, а также сила инерции груза в Н при ускорении 3g, рассчитываемая как 3G_гg (рис. 33), где g=9,8 м/(с²) – ускорение свободного падения, G_г – масса груза в кг из табл. 7;

– вторая нагрузка – избыточное давление пара испарившейся части груза Р_п в соответствии с заданным вариантом (табл. 1) в Па, приложенная к граням внутренней поверхности котла цистерны (рис. 5);

– сетка – заданной плотности, стандартная (рис. 6).

Запустите решение. Скопируйте полученную эпюру коэффициента запаса прочности с помощью клавиши клавиатуры PrtSc в файл отчета, созданный в MS Word. Измените в модели котла цистерны значение глобальной переменной S и повторите расчет, скопируйте новую эпюру коэффициента запаса прочности в отчет, сделайте вывод об изменении минимального коэффициента запаса прочности в зависимости от толщины стенки котла. Измените в модели котла цистерны материал и повторите расчет, скопируйте новую эпюру коэффициента запаса прочности в отчет, сделайте вывод об изменении минимального коэффициента запаса прочности при новом материале. Отошлите отчет на сервер для проверки.

Контрольные вопросы:

1. Как в модели котла цистерны учитывается вес жидкого груза?

2. Как в модели котла цистерны учитывается давление испарившейся части груза?

3. Как в модели котла цистерны толщина стенки котла влияет на значение минимального коэффициента запаса прочности?

Таблица 1

Варианты индивидуального задания

Номер варианта	S, мм	Rс, мм	Lс, мм	Gг, кг	Рп, МПа	Материал
1	10	1500	3750	60000	0,03	AISI 1020 Сталь, холоднокатанная
2	11	1550	3800	62000	0,03	AISI 1020
3	11	1565	4150	66000	0,05	AISI 1045 Сталь, холоднотянутая
4	12	1575	4250	69000	0,05	AISI 4340 Сталь, нормализованная
5	12	1550	4645	66000	0,05	Легированная сталь
6	12	1588	5250	72000	0,05	Легированная сталь (SS)
7	12	1700	8295	125000	0,05	AISI 1020 Сталь, холоднокатанная
8	12	1500	6595	54000	0,12	AISI 1020
9	10	1400	5260	62000	0,15	AISI 1045 Сталь, холоднотянутая
10	11	1600	4782	67000	0,25	AISI 4340 Сталь, нормализованная
11	12	1500	6650	90000	0,05	AISI 1020
12	22	1500	4150	52000	3,00	Легированная сталь
13	24	1600	4900	47000	2,00	Легированная сталь (SS)
14	12	1400	4645	70000	0,30	AISI 1020 Сталь, холоднокатанная
15	12	1200	4500	77000	0,25	AISI 1045 Сталь, холоднотянутая
16	10	1500	3750	60000	0,03	AISI 1020 Сталь, холоднокатанная
17	11	1550	3800	62000	0,03	AISI 1020
18	11	1565	4150	66000	0,05	AISI 1045 Сталь, холоднотянутая
19	12	1575	4250	69000	0,05	AISI 4340 Сталь, нормализованная
20	12	1550	4645	66000	0,05	Легированная сталь
21	12	1588	5250	72000	0,05	Легированная сталь (SS)
22	12	1700	8295	125000	0,05	AISI 1020 Сталь, холоднокатанная
23	12	1500	6595	54000	0,12	AISI 1020
24	10	1400	5260	62000	0,15	AISI 1045 Сталь, холоднотянутая
25	11	1600	4782	67000	0,25	AISI 4340 Сталь, нормализованная
26	12	1500	6650	90000	0,05	AISI 1020
27	22	1500	4150	52000	3,00	Легированная сталь
28	24	1600	4900	47000	2,00	Легированная сталь (SS)
29	12	1400	4645	70000	0,30	AISI 1020 Сталь, холоднокатанная
30	12	1200	4500	77000	0,25	AISI 1045 Сталь, холоднотянутая

Лабораторная работа №7