Расчет несущих систем станков в CAE - системе Ansys

190 Pages·2016·4.83 MB·Russian

by  Поляков А. Н.

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Оренбургский государственный университет»

А.Н. Поляков, С.В. Каменев, К. С. Романенко

РАСЧЕТ НЕСУЩИХ СИСТЕМ
СТАНКОВ в CAE - СИСТЕМЕ
ANSYS

Учебное пособие

Рекомендовано Ученым советом федерального государственного образова-
тельного учреждения высшего профессионального образования «Оренбургский го-
сударственный университет» в качестве учебного пособия для студентов, обучаю-
щихся по программам высшего профессионального образования по направлениям
подготовки 151002.65 Металлообрабатывающие станки и комплексы, 151900 Кон-
структорско-технологическое обеспечение машиностроительных производств и
221000.62 Мехатроника и робототехника

Оренбург
2013
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

УДК 621.433(07)
ББК 39.35я7
П54

Рецензент – профессор, доктор технических наук А. И. Сердюк

Поляков, А. Н.
П54 Расчет несущих систем станков в CAE – системе Ansys: учебное
пособие / А.Н. Поляков, С. В. Каменев, К. С. Романенко;
Оренбургский гос. ун-т. – Оренбург : ОГУ, 2013. – 190 с.

Учебное пособие содержит методику расчета несущих систем станков, учиты-
вающих идеальный и неидеальный стык в сопряженных поверхностях.
Учебное пособие состоят из десяти разделов. Первые два раздела включают
общие сведения о методе конечных элементов и CAE- системе Ansys. В последую-
щих семи разделах изложена методика использования Ansys, позволяющая провести
инженерный анализ несущей системы станка.
Учебное пособие предназначены для выполнения лабораторных работ и прак-
тических занятий по дисциплинам: «Математическое моделирование процессов в
машиностроении» и «Математическое моделирование в машиностроении» для сту-
дентов, обучающихся по направлениям подготовки: 151002.65 Металлообрабаты-
вающие станки и комплексы, 151900 Конструкторско-технологическое обеспечение
машиностроительных производств и 221000.62 Мехатроника и робототехника

2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Содержание
Введение 5
1 Теоретические положения метода конечных элементов 7
1.1 Базовые положения МКЭ 8
1.2 Статический расчет НСС 15
1.3 Модальный расчет 21
1.4 Динамический расчет 25
2 Общие сведения о применении системы ANSYS 27
2.1 Основные элементы графического интерфейса системы ANSYS 27
2.2 Работа с файлами моделей 31
2.3 Графическое представление модели 35
2.4 Определение физических свойств материалов в ANSYS 37
2.5 Конечно-элементное разбиение модели 42
2.6 Ограничения и нагрузки в ANSYS 69
2.7 Просмотр списка нагрузок модели 76
3 Расчет на жесткость НСС с условиями жесткого закрепления в отдельных 78
узлах
3.1 Создание геометрической модели НСС 78
3.2 Импорт модели в ANSYS 79
3.3 Выбор типа решаемой задачи и задание характеристик материала 82
3.4 Выбор типа конечных элементов 84
3.5 Создание сетки 84
3.6 Задание закреплений и нагрузок по фиксированным узлам НСС 90
3.7 Решение сформированной расчетной модели НСС 96
3.8 Вывод результатов расчета 98
4 Расчет на жесткость несущей системы станка с условиями упругого за- 103
крепления в отдельных узлах
4.1 Выбор дополнительных типов конечных элементов для моделирования 103
упругих опор
3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4.2 Создание новых элементов - пружин 105
5 Модальный расчет 112
5.1 Выбор типа анализа и ввод дополнительных опций 112
5.2 Расчет и просмотр результатов 115
6 Динамический расчет 119
6.1 Задание нового типа расчета 119
6.2 Задание метода решения 120
6.3 Задание диапазона частот, шага и демпфирования системы 121
6.4 Графическое представление динамических характеристик 122
7 Тепловой расчет модели НСС (Стационарный расчет) 141
7.1 Преобразование типов моделей 141
7.2 Задание дополнительных данных для расчета 143
7.3 Решение и результаты расчетов 149
8 Термодеформационный расчет НСС (для стационарного расчета) 151
8.1 Подготовка данных. Несвязанная задача термоупругости 152
8.2 Решение несвязанной задачи и результаты расчетов 155
8.3 Решение связанной задачи термоупругости 158
9 Расчет нестационарного теплового и термодеформационного состояния 172
модели НСС
10 Особенности создания модели НСС, учитывающей неидеальный стык 178
Список использованных источников 183
Приложение А Титульный лист отчета 185
Приложение Б Основные этапы выполнения расчета на жесткость модели 186
несущей системы станка и содержание отчета
Приложение В Основные этапы выполнения модального и динамическо- 187
го расчетов и содержание отчетов
Приложение Г Основные этапы выполнения теплового расчета и содер- 188
жание отчета
Приложение Д Бланк для Расчетно-графического задания 189
4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Введение

В настоящее время при создании сложных технических объектов большое
внимание уделяется внедрению систем инженерного анализа. Системы компьютер-
ного инженерного анализа не только позволяют оценить принципиальную работо-
способность будущей конструкции – они нашли широкое применение при модели-
ровании технологических процессов металлообработки, ковки и штамповки, литья
металлов и пластмасс.
В данном пособие рассмотрено применение одного из наиболее распростра-
ненных в мире конечно-элементных пакетов - ANSYS (разработчик ANSYS, Inc.), к
инженерному анализу элементов несущих систем станков (НСС). ANSYS, Inc. раз-
рабатывает широкую линейку программных продуктов, являясь одним из мировых
лидеров в области расчетных технологий. В 1970 году Джоном Свенсоном была об-
разована фирма для разработки и продажи пакета ANSYS. В 1971 году уже был соз-
дан коммерческий продукт Ansys 2.0. Сохраняя и упрочивая лидерство по ANSYS -
направлению, фирма на сегодняшний день существенно расширила спектр и пред-
лагает также и другие программные средства, столь же авторитетные и широко ис-
пользуемые в своих областях. Линейка продуктов охватывает следующие области
моделирования: механика деформируемого твердого тела, электромагнетизм, дина-
мика текучих сред; входят: ANSYS FLUENT, ANSYS CFX, ANSYS POLYFLOW,
ANSYS Icepak; ANSYS Mechanical, ANSYS AUTODYN, ANSYS LS-DYNA, ANSYS
nCode; ANSYS HFSS, ANSYS Maxwell, ANSYS Designer, Apache RedHawk.
Пользователями Ansys являются мировые гиганты: Airbus, Boeing, Lockheed
martin, Rolls- Royce, Toyota, Ford, Volvo, Daimler, Panasonic, Ericsson, Dell, Toshiba,
Siemens, Hitachi, Canon, Philips и др.
Навыки, полученные студентами при изучении данного пособия будут ис-
пользоваться при выполнении дипломного проекта по специальности 151002.65 –
Металлообрабатывающие станки и комплексы, а также в выпускных квалификаци-
онных работах бакалавров и магистров, обучающихся по направлениям 151900 –
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств и
221000 – Мехатроника и робототехника.

6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1 Теоретические положения метода конечных элементов

Для решения практических задач из теории деформируемого твердого тела
требуется знание распределения напряжений и деформаций в сплошной среде. Для
осуществления процедуры дискретизации выполняют следующее [1 - 6]:
- сплошная среда разделяется на конечные элементы, при этом считается, что
элементы связаны между собой в узловых точках, расположенных на их границах;
как в задачах строительной механики основными неизвестными являются переме-
щения узловых точек;
- выбирается система функций, однозначно определяющая перемещения внутри
каждого конечного элемента через перемещения узловых точек;
- функции перемещений однозначно определяют деформации внутри элемента
через узловые перемещения; деформации при известных начальных деформациях и
упругих свойствах элемента позволяют определить напряжения внутри и на грани-
цах элемента;
- определяется система сил, сосредоточенных в узлах и уравновешивающих на-
пряжения на границе и некоторые распределенные нагрузки и составляются соот-
ношения для жесткостей, а далее могут использоваться обычные методы решения
задач строительной механики.
Этот подход является приближенным:
- не всегда выбранные функции перемещений удовлетворяют требованиям не-
прерывности перемещений между смежными элементами;
- только в среднем удовлетворяются уравнения равновесия - возможно локаль-
ное нарушение уравнений равновесия внутри элементов и на их границах.
Выбор формы элемента и функций перемещений для конкретных задач опреде-
ляет точность приближенного решения. Этот подход известен как метод перемеще-
ний. Этот метод эквивалентен минимизации полной потенциальной энергии систе-
мы, выраженной через поле перемещений. При подходящем выборе поля перемеще-
ний - решение должно сходиться к точному. Этот процесс эквивалентен методу
Ритца.
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для метода конечных элементов (МКЭ) характерны: широкий диапазон приме-
нимости, инвариантность по отношению к геометрии конструкции и механическим
характеристикам материалов, простота учета взаимодействия конструкций с внеш-
ней средой (механические и температурные нагрузки, граничные условия и т. д.),
высокая степень приспособленности к автоматизации всех этапов расчета.

1.1 Базовые положения МКЭ

Типичный конечный элемент (е) определяется узловыми точками i, j, k, l,m и т.
д. и прямолинейными границами. Перемещения любой точки внутри элемента за-
даются вектор-столбцом:
 
i
 

 j 
fNe N ,N ,N ...m (1)
i j m
.
 
 
.
 
. 

где компоненты [N] являются в общем случае функциями формы, а {δ}е представ-
ляют собой перемещения узловых точек рассматриваемого элемента.
В случае плоского напряженного состояния вектор-столбец содержит горизон-
тальное и вертикальное перемещения типичной точки внутри элемента:

 
u x,y 
f  
 
x,y 

Столбец {δ} содержит координатные перемещения узла i:
i

u 
  i
i 
 
i

8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Функции N, N, N должны быть выбраны таким образом, чтобы при подстанов-
i j m
ке в (1) координат узлов получались соответствующие узловые перемещения.

Рисунок 1 – Пример плоской области, разбитой на конечные элементы

Для функций формы справедливо:

N x ,y  I
i i i

N x ,y  N x ,y 0
i i i i m m

где - единичная матрица.
Если известны перемещения во всех точках элемента, то можно определить де-
формации с помощью соотношения в матричной форме:
9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Be (2)

В случае плоского напряженного состояния деформации в плоскости определя-
ются через перемещения:

 u 
 
   x 
 x    
    
y y
   

 xy u 
  
y x

Матрица [В] может быть получена из соотношения (1) при заданных функциях
формы N, N и N .
i j m
Материал внутри элемента может иметь начальные деформации, обусловленные
температурными воздействиями, усадкой, кристаллизацией и т. п. Если обозначить
эти деформации через {ε }, то напряжения будут определяться разностью между
0
существующими и начальными деформациями.
Предположим, что в рассматриваемый момент времени в теле существуют из-
вестные остаточные напряжения {σ }. Эти напряжения можно добавить к общему
о
выражению. В предположении упругого поведения соотношения между напряже-
ниями и деформациями будут линейными:

D  (3)
0 0

где [D] — матрица упругости, содержащая характеристики материала.
Для частного случая плоского напряженного состояния необходимо рассмот-
реть три компоненты напряжений, соответствующие введенным деформациям. В
принятых обозначениях они записываются в виде:

10