Вычислительный практикум в современных CAE-системах

113 Pages·2.871 MB·Russian

by  Елисеев К.В., Зиновьева Т.В.

Федеральное агентство по образованию

САНКТ–ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Приоритетный национальный проект «Образование»
Инновационная образовательная программа
Санкт-Петербургского государственного политехнического
университета

К В ЕЛИСЕЕВ Т В ЗИНОВЬЕВА
. . , . .

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ ПРАКТИКУМ

В СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМАХ
CAE-

Рекомендовано Учебно-методическим объединением
по университетскому политехническому образованию в качестве
учебного пособия студентам высших учебных заведений,
обучающихся по направлению подготовки
150300 – «Прикладная механика»

Санкт-Петербург
Издательство Политехнического университета
2008
УДК 004.94 (539.3)
ББК 22.2я73
Е 515

Рецензенты:
Доктор физико-математических наук, профессор
Санкт-Петербургского государственного политехнического
университета В. В. Елисеев
Кандидат технических наук,
Начальник сектора прочности СКБ «Турбина»
филиала ОАО «Силовые машины»
«Ленинградский Металлический Завод» В. Ю. Махнов

Елисеев К. В., Зиновьева Т. В. Вычислительный практикум в
современных CAE-системах: Учеб. пособие. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та,
2008. – 112 с.

Приведены методические материалы по проведению лабораторных работ
с целью приобретения студентами умения моделирования и анализа поведения
сложных объектов в системе ANSYS 11. Описана работа с программой в
классическом варианте (Classic) и в варианте среды ANSYS Workbench.
Предназначено в качестве учебного пособия для студентов высших
учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 150300 –
«Прикладная механика».

Работа выполнена в рамках реализации Инновационной образовательной
программы Санкт-Петербургского государственного политехнического
университета «Развитие политехнической системы подготовки кадров в
инновационной среде науки и высокотехнологичных производств Северо–
Западного региона России».

Печатается по решению редакционно-издательского совета Санкт-
Петербургского государственного политехнического университета.

© Елисеев К. В., Зиновьева Т. В., 2008
© Санкт-Петербургский государственный
политехнический университет, 2008
2
ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение……………………………………………………………… 4
1. Знакомство с интерфейсом системы ANSYS………………………
5
2. Выполнение типового расчета………………………………………
11
3. Решение задачи Кирша………………………………………………
24
4. Стратегия создания КЭ сетки. Проведение расчета кронштейна с
ребром жесткости……………………………………………………..
34
5. Автоматизация работы. Создание макросов……………………….
45
6. Решение нелинейных задач. Расчет критической угловой
скорости вращения маховика……………………………………….. 56
7. Решение задач динамики конструкций……………………………..
68
8. Проведение расчетов быстротекущих процессов в модуле LS-
DYNA.………....................................................................................... 79
9. Знакомство со средой ANSYS Workbench………………………….
87
10. Решение классических задач устойчивости
стержней………………………………………………………………. 91
11. Проведение оптимизации формы конструкции. Решение задачи о
расположении эллиптического отверстия…………………………..
103
Библиографический список………………………………………….
112

3
ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время средства автоматизации инженерного анализа
(Computer Aided Engineering, CAE-системы), основанные на численных
методах, активно используются в процессе конструкторско-
технологической подготовки производства для проведения проверочных и
проектировочных расчетов. Использование CAE-систем позволяет
предприятиям экономить время и деньги на натурных испытаниях макетов
изделий, а главное – повышать качество выпускаемой продукции. Для
повышения конкурентоспособности на рынке труда молодой специалист
должен владеть навыками работы с современными CAE-системами.
Данное пособие предназначено для студентов пятого курса,
обучающихся по магистерской программе «Компьютерные технологии и
моделирование в механике». В нем приведены методические материалы по
проведению лабораторных работ по дисциплине «Вычислительный
практикум в современных CAE-системах».
В связи с тем, что на российских предприятиях большое
распространение приобрела программа ANSYS, обеспечивающая широкие
возможности конечно-элементного анализа различных объектов,
дисциплина знакомит студентов с этой программой.
Изучение дисциплины предполагает наличие некоторых навыков
работы с программой ANSYS (в рамках бакалаврской подготовки),
поскольку содержит материал по моделированию и анализу поведения
сложных объектов. В случае отсутствия у студента достаточных знаний
авторы рекомендуют самостоятельно изучить основы работы с этой
программой по учебному пособию [3].
В данном пособии представлены лабораторные работы с
использованием программы ANSYS 11 в классическом варианте (Classic)
и в варианте среды ANSYS Workbench. Рассмотрены задачи статики
геометрически сложных конструкций, задачи с нелинейными материалами
и большими деформациями, задачи оптимизации, а также задачи
динамики. Представленный материал отображает опыт авторов в области
исследовательской работы с CAE-системами и опыт преподавательской
деятельности в ГОУ «СПбГПУ» на кафедре «Компьютерные технологии в
машиностроении».
4
1. ЗНАКОМСТВО С ИНТЕРФЕЙСОМ СИСТЕМЫ ANSYS
Существует два режима работы в классическом варианте среды
ANSYS: интерактивный и командный.
• Интерактивный режим позволяет видеть результат каждой
проведенной в ANSYS операции;
• командный режим позволяет передать командный файл или набор
команд, которые будут обработаны ANSYS в фоновом режиме.
В данном пособии рассматривается интерактивный режим, работая в
нем, пользователь должен выбрать некоторую последовательность команд
для проведения той или иной операции. Для облегчения восприятия все
такие цепочки команд будут обозначены в пособии через знак “ > ”. К
сожалению, на данный момент не существует русифицированной версии
программы, поэтому названия всех команд приводятся на английском
языке.
Запуск программы производится через последовательность команд
Start > Programs > ANSYS 11.0 > ANSYS Product Launcher. (Для 11-ой
версии программы.)
Появляется окно Product Launcher, рис.1.1.

Рис.1.1. Окно Product Launcher
5
В этом окне можно настроить рабочую директорию, название
работы, использование памяти программой, работу в многопроцессорном
режиме и др. Необходимо провести следующие настройки:
• Simulation Environment – выбор рабочего окружения (ANSYS для
классического, интерактивный режим, ANSYS Batch – командный
режим, ANSYS Workbench, …)
• Licenses – выбор доступной лицензии.
• Working directory – рабочая директория, где хранятся по
умолчанию все рабочие файлы. Эта директория должна быть создана
заранее, кнопка справа позволяет производить выбор папок и
локальных дисков.
• Graphics device name – определяет, какое устройство будет отвечать
за прорисовку изображения: 3D- видеокарта, Win32x – процессор.
• Job Name – название текущей работы. Это название будет
использовано при формировании файлов. Имя должно содержать
только латинские буквы и цифры.
Остальные параметры в данном курсе несущественны.
Замечание. Удобно для каждой новой работы создавать отдельную
директорию. Основными файлами являются x.db- база расчета, где
хранится описание модели, материалов, КЭ сетка и т. д. и x.rst- файл
результатов (результаты могут также находиться в предыдущем
файле). Working Directory и Job Name могут быть изменены в ходе
работы.
После нажатия кнопки Run запускается интерфейс программы,
рис. 1.2.
Можно выделить основные элементы интерфейса:
1. Меню утилит (управление файлами, выбором и
компонентами, проекциями, параметрами):
1.1 File – работа с файлами;
1.2 Select – выбор объектов (по типу, мышкой, по
ассоциативности и т.д.);
1.3 List – статистика объектов;
1.4 Plot – выбор объектов для рисования по типу;
1.5 PlotCtrls – настройка параметров;
6
2. Строка ввода команд (для ввода команд).
3. Главное меню (основное рабочее меню препроцессора,
решателя и постпроцессора). Представляет собой раскрывающийся
вложенный список команд, сгруппированных по назначению;
4. Графическое окно (окно вывода графических
изображений);
5. Окно вывода. Здесь выводится отклик программы на
действия пользователя, в том числе комментарии к ошибкам. Это
окно может перекрываться основным окном.

Меню утилит
Меню иконок Строка ввода
Окно
вывода
Меню аббревиатур
Панель
управления
видом
Главное меню
Графическая
область
Подсказка
Текущие настройки

Рис.1.2. Интерфейс программы

Задание. Произвести запуск программы, изменить настройки.

Термин ANSYS database относится к данным, которые ANSYS
хранит в памяти, когда пользователь создает, решает и анализирует
модель. База данных хранит как введенные данные, так и некоторые
7
результаты. Сохранение базы данных производится командой Save, а
считывание с диска – командой Resume.
Рекомендации по SAVE RESUME:
– Следует периодически сохранять базу. ANSYS НЕ имеет
автоматических сохранений.
– RESUME может быть использован как “возврат”, если получен
неверный результат операции.
Программа ANSYS пишет и читает несколько файлов во время
расчета. Имена файлов имеют формат jobname.ext.
Типичные файлы:
• jobname.log: Файл журнала, содержит журнал всех команд во время
сессии.
• jobname.err: Файл ошибок, содержит все ошибки и предупреждения
за время сессии;
• jobname.db, .dbb: Файл базы, бинарный;
• jobname.rst, .rth, .rmg, .rfl: Файлы результатов, содержат результаты
вычислений.
Программа ANSYS имеет встроенную систему помощи. Можно
получить помощь по командам, типам элементов, процедурам и др. Есть
несколько способов запустить помощь:
• Launcher > Product Help
• Utility Menu > Help > Help Topics
• Любой диалог > кнопка Help
При нажатии кнопки Product Help появляется браузер помощи:
• окно навигации с Содержанием, Индексом, и утилитой поиска
• окно документации.
8
Рис.1.3. Окно помощи

Показ объектов определяется выбором Plot >…, рис. 1.4.

Рис.1.4. Меню Plot

Программа ANSYS имеет несколько типов координатных систем,
каждая используется для своей цели, нам будут нужны:
• Global и local используются для задания положения объектов в
пространстве;
• display для вывода и рисования объектов;
9
• nodal определяет направления степеней свободы в узлах и
направления для вывода результатов в узлах.
Глобальная система координат может быть Декартовой (0),
цилиндрической (1), сферической (2), рис. 1.5.

Рис.1.5. Системы координат

Локальная система — пользовательская система в выбранном месте с
номером больше 11. Может быть декартовой, цилиндрической или
сферической. Может быть повернутой вокруг осей X, Y, Z.
Выбор подмножеств объектов осуществляется в диалоге: Utility
Menu > Select > Entities..., рис.1.6.
Критерии выбора: по номеру или мышью, по принадлежности,
текущему подмножеству объектов другого типа, по координатам X,Y,Z в
активной системе координат, по материалу, номеру элемента и т. д. Типы
селекции: выбор среди всех, новый выбор из выбранных ранее,
дополнительный выбор и др.
Компоненты — это именованные подмножества объектов. Имя
может затем использоваться вместо номера или параметра ALL в
командах. Менеджер компонент используется для управлениями
компонентами и сборками.
10