Скворцов Ю. В. Анализ. Интерактивное мультимедийное пособие в системе дистанционного обучения Moodle самара 2012

• Название: Интерактивное мультимедийное пособие в системе дистанционного обучения Moodle самара 2012
• Дата: 24.05.2022
• Размер: 6.86 Mb.
• Имя файла: Скворцов Ю. В. Анализ.pdf
• Тип: Анализ; #547218
• страница: 3 из 34

Рисунок
2.1 – Геометрическая модель кожуха насоса
Рисунок
2.2 – Конечно-элементная модель кожуха насоса
Простейшим способом представления результатов МКЭ-анализа явля- ется вывод на печать перемещений и напряжений в характерных точках (на- пример, в узлах). При этом объем выводимой информации часто оказывается настолько большим, что даже простой ее просмотр требует значительного времени. Постпроцессоры обеспечивают выдачу результатов в удобной для практического использования форме. Это может быть визуализация (или анимация) деформированного состояния, многоцветное представление полей деформаций и напряжений (рисунок 2.3), представление данных полей с по-

2-3 мощью изоповерхностей, построение графиков интересующих нас величин
(рисунок 2.4) и т.д.
Рисунок
2.3 – Многоцветное представление поля напряжений по Мизесу
Рисунок
2.4 – Построение двухмерных графиков
Следует отметить, что в настоящее время среди систем инженерного анализа наиболее широко используемыми в мире являются программные продукты корпорации MSC.Software (MacNeal-Schwendler Corporation). MSC

2-4 основана в 1963 году. В 1965 году, выиграв тендер, она начала разработку
МКЭ-системы NASTRAN для Национального комитета США по аэронавтике и космическим исследованиям NASA (NAsa STRuctural ANalysis – анализ конструкций для NASA). В 1972 году был создан главный продукт фирмы – решатель MSC.Nastran. Это универсальный тяжелый МКЭ-пакет. Сейчас дан- ная система стала фактически мировым стандартом сертификации для аэро- космических предприятий. В 1978 году для программы MSC.Nastran амери- канской фирмой PDA Engineering был разработан пре- и постпроцессор
PATRAN (PAtches for NASTRAN – дополнения для NASTRAN), которая в
1994 году вошла в состав корпорации MSC.
В настоящее время создание хорошего конкурентно способного изде- лия невозможно без использования компьютерных технологий виртуальной разработки изделий VPD (Virtual Product Development). VPD-технологии яв- ляются самым верхним, самым современным, качественно новым уровнем в области систем инженерного анализа.
Корпорация MSC.Software предлагает широкий спектр VPD-систем, обмен данными между которыми существенно облегчен. Геометрическая информация здесь легко передается из одной системы в другую, и результаты одного из этапов работ являются исходными данными для другого. Такая тесная интеграция дает возможность применения многодисциплинарного подхода.
Основными программными продуктами корпорации MSC.Software яв- ляются:
•
MSC.Patran – интегрирующая универсальная среда для систем инже- нерного анализа и моделирования (пре- и постпроцессор);
•
MSC.Nastran – основной МКЭ-решатель;
•
MSC.Marc – МКЭ-решатель для комплексного нелинейного анализа конструкций с учетом сложных трехмерных контактов, больших пластиче- ских и упругих деформаций, сложных моделей материалов;
•
MSC.Dytran – МКЭ-решатель для анализа быстропротекающих про- цессов ударного характера и разрушения конструкций;
•
MSC.Super Form – программа для моделирования технологических процессов обработки металлов давлением на основе решателя MSC.Marc;
•
MSC.Super Forge – тоже, но на основе решателя MSC.Dytran;
•
MSC.Fatigue – система анализа долговечности, усталости, ресурса, появления и роста трещин и оптимизация конструкций по долговечности;

2-5
•
MSC.Adams – программа для виртуального моделирования и анализа динамики машин и механизмов;
•
MSC.Actran – МКЭ-решатель для анализа распространения акусти- ческих волн;
•
MSC.visual Nastran for Windows – автономная МКЭ-система, имею- щая свой встроенный пре- и постпроцессор Femap;
•
MSC.Sim Designer for CATIA – программа для выполнения прочно- стных расчетов непосредственно в среде системы автоматизированного про- ектирования CATIA на основе возможностей базовых функций решателей
Nastran, Marc и Adams.
Необходимо подчеркнуть, что VPD-технологии – это создание высоко- точных компьютерных моделей изделий на основе применения нескольких десятков глубоко интегрированных CAE-систем. Стоимость покупки сово- купности таких систем составляет десятки миллионов долларов. Такие затра- ты вызывают проблемы даже у ведущих мировых фирм.
Предлагаемая корпорацией MSC.Software система лицензирования и поставки MSC.Master Key делает доступными для небольших предприятий с ограниченным бюджетом самые современные VPD-технологии. Ее суть за- ключается в том, что в рамках любого MSC VPD-контракта поставляется весь основной комплекс систем, включающий более сотни программ. Каждая программа требует для запуска определенного числа жетонов. Система ли- цензирования лишь отслеживает, чтобы в текущий момент времени цена ра- ботающих программ в жетонах не превышала общего числа купленных же- тонов.
Следует отметить, что наряду с пакетом MSC.Nastran система ANSYS
(разработанная американской фирмой ANSYS, Inc, основанной в 1970 году) входит в число лидирующих универсальных тяжелых МКЭ-комплексов уже более 30 лет. Начало развитию данной программы положил ученый с миро- вым именем Dr. John Swanson. Ее базовой отраслью является атомная энерге- тика. В отличие от Nastran система ANSYS имеет свой встроенный графиче- ский пре- и постпроцессор. Отличительными особенностями ANSYS являют- ся уникальные возможности решения связанных многодисциплинарных за- дач (multiphysics), объединяющих прочность, теплофизику, электромагне- тизм и гидрогазодинамику в рамках одной программы и модели. Кроме того, система ANSYS первой среди МКЭ-пакетов получила сертификат серии ISO
9001.

2-6
Многоцелевые функции комплекса ANSYS обеспечиваются наличием в нем многочисленного семейства отдельных специализированных программ, имеющих много общих функций, однако математическое обеспечение кото- рых рассчитано на решение отдельных классов задач. Основными програм- мами здесь являются:
•
ANSYS/Multiphysics – программа для широкого круга инженерных дисциплин, позволяющая проводить расчеты в области прочности, распро- странения тепла, механики жидкости и газа, электромагнетизма, а также ре- шать связанные задачи;
•
ANSYS/Mechanical – программа для выполнения проектных разра- боток, анализа и автоматизации, позволяющая решать сложные задачи проч- ности конструкций, теплопередачи и акустики (является подмножеством
ANSYS/Multiphysics);
•
ANSYS/Structural – программа, позволяющая выполнять сложный прочностной анализ конструкций с учетом разнообразных нелинейных эф- фектов (является подмножеством ANSYS/Mechanical);
•
ANSYS/Thermal – это отдельная программа, выделенная из пакета
ANSYS/Mechanical, для решения тепловых стационарных и нестационарных задач;
•
ANSYS/LS-DYNA – программа для анализа высоконелинейных и быстропротекающих процессов в задачах прочности конструкций;
•
ANSYS/ED – учебная версия программы ANSYS/Multiphysics, имеющая ограничения по размеру расчетной модели.
В заключение особо следует отметить МКЭ-пакеты, предназначенные для анализа высоконелинейных и быстропротекающих процессов в задачах механики твердого и жидкого тел. К таковым системам в первую очередь следует отнести программу LS-DYNA, первая версия которой была выпуще- на в 1976 году корпорацией LSTC (Livemore Software Technology Corp.).
Данная программа была первой в своей области и послужила основой для всех современных пакетов высоконелинейного анализа, оставаясь на лиди- рующих позициях до сегодняшнего дня. Другой системой такого типа явля- ется MSC.Dytran. Эти пакеты позволяют решать сложнейшие задачи, такие как столкновение конструкций с разрушением (например, краш-тесты, т.е. соударение автомобиля с препятствием), попадание птицы в авиадвигатель, обрыв лопатки, взрывы, штамповка металла, пробивание снарядом конструк-

2-7 ции и т.д. Данные пакеты опираются на самые современные достижения нау- ки. Здесь используется Лагранжево-Эйлеровый алгоритм пространственно- временной дискретизации, что позволяет описывать взаимодействие жидко- сти или газа с деформируемым телом. При этом применяется явная схема ин- тегрирования по времени, которая существенно уменьшает время счета.
К рассматриваемому классу программных средств можно отнести так- же МКЭ-пакет ABAQUS, который имеет два решателя: общего назначения
(Standard) и явный (Explicit), предназначенный для анализа высоконелиней- ных переходных динамических процессов. Данная система разработана од- ноименной компанией (ABAQUS Inc.), основанной в 1978 году. Ее базовой отраслью является ядерная промышленность.
Существует мнение, что о МКЭ-пакете следует судить по тому, как в нем реализован алгоритм решения контактных задач. В этом плане ABAQUS, наряду с Marc и ANSYS, занимает лидирующее место в мире.
2.2
Задание
единиц
измерения
величин
при
работе
с
МКЭ
-
пакетами
Отметим, что универсальные МКЭ-пакеты, такие как MSC.Patran-
Nastran и ANSYS, не контролируют единицы измерения величин и не выпол- няют их преобразование. Пользователь сам должен позаботиться о том, в ка- ких единицах следует задавать исходные данные и в каких единицах будут выводиться результаты расчета.
Здесь можно предложить следующий подход. Введем обозначения:
l
〈 〉 – единица длины; F
〈 〉 – единица силы; t
〈 〉 – единица времени;
p
〈 〉
– еди- ница давления;
E
〈 〉
– единица модуля упругости;
σ
〈 〉
– единица напряжения;
u
〈 〉
– единица перемещения;
v
〈 〉
– единица скорости;
a
〈 〉
– единица ускоре- ния;
m
〈 〉
– единица массы;
ρ
〈 〉
– единица плотности;
g
ρ
〈
〉
– единица удель- ного веса.
При работе с МКЭ-пакетом удобно в качестве основных единиц вы- брать единицы длины
l
〈 〉
, силы
F
〈 〉
и времени
t
〈 〉
. При этом остальные еди- ницы будут производными, они выражаются через основные как
2
F
p
E
l
σ
〈 〉
〈 〉
=
〈 〉
=
〈 〉
=
〈 〉
; u
l
〈 〉
=
〈 〉 ;
l
v
t
〈 〉
〈 〉
=
〈 〉
;
2
l
a
t
〈 〉
〈 〉
=
〈 〉
;
2
F
F
m
t
a
l
〈 〉
〈 〉
〈 〉
=
=
⋅
〈 〉
〈 〉
〈 〉
;
2 3
4
m
F
t
l
l
ρ
〈 〉
〈 〉
〈 〉
=
=
⋅
〈 〉
〈 〉
〈 〉
;
3 3
m
F
g
a
l
l
ρ
〈 〉
〈 〉
〈
〉
=
⋅
〈 〉
=
〈 〉
〈 〉

2-8
Единица массы здесь определяется согласно второму закону Ньютона.
Рассмотрим два примера задания единиц измерений величин.
Пример__1'>Пример
1: Рекомендуемые единицы в статических задачах.
Основные единицы:
l
〈 〉
=
мм; F
〈 〉
=
Н; t
〈 〉
=
с.
Производные единицы:
2
Н
мм
p
E
σ
〈 〉
=
〈 〉
=
〈 〉
=
= МПа; u
〈 〉
=
мм; мм с
v
〈 〉
=
;
2
мм с
a
〈 〉
=
;
2
Н
с т
мм
m
〈 〉
=
⋅ =
;
2 4
3
Н
т с
мм мм
ρ
〈 〉
=
⋅ =
;
3
Н
мм
g
ρ
〈
〉
=
При определении нагрузки от собственного веса можно плотность за
- дать в
кг
/
мм
3
, а
ускорение свободного падения в
м
/
с
2
, тогда
3 2
3
кг м
Н
мм с
мм
g
ρ
〈
〉
=
⋅
=
Пример
2:
Рекомендуемые единицы в
динамических задачах
Основные единицы
:
l
〈 〉
=
м
; F
〈 〉
=
Н
; t
〈 〉
=
с
Производные единицы
:
2
Н
м
p
E
σ
〈 〉
=
〈 〉
=
〈 〉
=
=
Па
; u
〈 〉
=
м
; м
с
v
〈 〉
=
;
2
м с
a
〈 〉
=
;
2
Н
с кг м
m
〈 〉
= ⋅ =
;
2 4
3
Н
кг с
м м
ρ
〈 〉
=
⋅ =
;
3
Н
м
g
ρ
〈
〉
=

Вопросы
по теме 2
1)
Какие этапы МКЭ-расчета плохо поддаются автоматизации и требуют больших затрат ручного труда?
1.
Подготовка и ввод исходных данных.
2.
Вычисление матриц жесткости конечных элементов.
3.
Формирование матрицы жесткости конструкции.
4.
Решение системы уравнений равновесия и определение узловых перемещений.
5.
Вычисление напряжений в конечных элементах.
6.
Обработка и анализ результатов расчета.
2)
К какому классу программных продуктов относятся МКЭ-пакеты?
1.
К системам инженерного анализа.
2.
К системам автоматизированного проектирования.
3.
К системам автоматизированного производства.
4.
К CAE-системам.
5.
К CAD-системам.
6.
К CAM-системам.
3)
Что такое CAE-система?
1.
Система инженерного анализа.
2.
Система автоматизированного проектирования.
3.
Система автоматизированного производства.
4.
Автоматизированная система управления производством.
4)
Что такое CAD-система?
1.
Система инженерного анализа.
2.
Система автоматизированного проектирования.
3.
Система автоматизированного производства.
4.
Автоматизированная система управления производством.
5)
Каково назначение препроцессора?
1.
Ввод исходных данных в интерактивном режиме.
2.
Формирование разрешающей системы уравнений МКЭ.
3.
Решение системы уравнений равновесия МКЭ и определение узловых перемещений.
4.
Вычисление напряжений в элементах по найденным узловым перемещениям.
5.
Представление результатов расчета в удобной для практического использования форме.

2 6)
Каково назначение постпроцессора?
1.
Ввод исходных данных в интерактивном режиме.
2.
Формирование разрешающей системы уравнений МКЭ.
3.
Решение системы уравнений равновесия МКЭ и определение узловых перемещений.
4.
Вычисление напряжений в элементах по найденным узловым перемещениям.
5.
Представление результатов расчета в удобной для практического использования форме.
7)
Что является базовой отраслью МКЭ-пакета NASTRAN?
1.
Аэрокосмическая промышленность.
2.
Атомная энергетика.
3.
Ядерная промышленность.
4.
Машиностроение.
5.
Автомобилестроение.
6.
Радиоэлектроника.
8)
Что является базовой отраслью МКЭ-пакета ANSYS?
1.
Аэрокосмическая промышленность.
2.
Атомная энергетика.
3.
Ядерная промышленность.
4.
Машиностроение.
5.
Автомобилестроение.
6.
Радиоэлектроника.
9)
Что является базовой отраслью МКЭ-пакета ABAQUS?
1.
Аэрокосмическая промышленность.
2.
Атомная энергетика.
3.
Ядерная промышленность.
4.
Машиностроение.
5.
Автомобилестроение.
6.
Радиоэлектроника.
10)
Какие из перечисленных ниже программ реализуют МКЭ?
1.
MSC.Patran.
2.
MSC.Nastran.
3.
ANSYS.
4.
ABAQUS.
5.
MSC.Marc.
6.
MSC.Fatigue.
7.
MSC.Adams.

3 11)
Какие из перечисленных ниже программ являются универсальными тяжелыми МКЭ-пакетами?
1.
MSC.Nastran.
2.
ANSYS.
3.
MSC.Marc.
4.
MSC.Dytran.
5.
MSC.Super Form.
6.
LS-DYNA.
12)
Какие из перечисленных ниже программ предназначены для анализа высоконелинейных и быстропротекающих процессов ударного характера?
1.
MSC.Nastran.
2.
ANSYS.
3.
ABAQUS/Explicit.
4.
LS-DYNA.
5.
MSC.Marc.
6.
MSC.Dytran.
13)
Какие из перечисленных ниже программ специально предназначены для моделирования процессов обработки металлов давлением?
1.
MSC.Super Forge.
2.
MSC.Super Form.
3.
ANSYS.
4.
ABAQUS/Standard.
5.
MSC.Fatigue.
6.
MSC.Adams.
14)
Какие из перечисленных ниже программ наиболее эффективны для решения сложных контактных задач?
1.
MSC.Nastran.
2.
ANSYS.
3.
ABAQUS.
4.
LS-DYNA.
5.
MSC.Marc.
6.
MSC.Dytran.

4 15)
Какие из перечисленных ниже программ выполняют функции пре- и постпроцессора для систем инженерного анализа?
1.
MSC.Patran.
2.
MSC.Nastran.
3.
MSC.Marc.
4.
MSC.Dytran.
5.
MSC.Actran.
6.
Femap.
16)
Какие из перечисленных ниже программ имеют встроенный пре- и постпроцессор?
1.
MSC.Nastran.
2.
ANSYS.
3.
ABAQUS.
4.
MSC.visual Nastran for Windows.
17)
Какие из перечисленных ниже программ позволяют решать линейные и нелинейные статические и динамические задачи анализа прочности конструкций?
1.
MSC.Nastran.
2.
ANSYS/Mechanical.
3.
ANSYS/Thermal.
4.
ABAQUS/Standard.
5.
MSC.Adams.
18)
Чем пакет ANSYS выгодно отличается от программы MSC.Nastran?
1.
Наличием встроенного пре- и постпроцессора.
2.
Возможностью решения связанных многодисциплинарных задач.
3.
Возможностью решения сложных контактных задач.
4.
Возможностью решения геометрически и физически нелинейных задач.
5.
Возможностью анализа переходных динамических процессов.
19)
Что такое VPD-технологии?
1.
Компьютерные технологии виртуальной разработки изделий.
2.
Компьютерные технологии автоматизированного производства.
3.
Компьютерные технологии оптимизации конструкций.
4.
Компьютерные технологии управления производством.
5.
Компьютерные технологии математического моделирования.
20)
Каково назначение VPD-технологий?

5 1.
Создание высокоточных компьютерных моделей изделий.
2.
Обеспечение высокоточного процесса изготовления изделий.
3.
Эффективное управление производством.
4.
Научная организация труда.
5.
Управление качеством.
21)
В каких единицах следует задавать массу, если в качестве единицы длины выбираются миллиметры, а силы – ньютоны?
1.
В граммах.
2.
В килограммах.
3.
В центнерах.
4.
В тоннах.
5.
В фунтах.
22)
В каких единицах следует задавать массу, если в качестве единицы длины выбираются метры, а силы – ньютоны?
1.
В граммах.
2.
В килограммах.
3.
В центнерах.
4.
В тоннах.
5.
В фунтах.
23)
В каких единицах следует задавать давление, если в качестве единицы длины выбираются миллиметры, а силы – ньютоны?
1.
В паскалях.
2.
В мегапаскалях.
3.
В гигапаскалях.
4.
В атмосферах.
5.
В барах.
6.
В миллиметрах ртутного столба.
7.
В фунтах на квадратный дюйм.
24)
В каких единицах следует задавать давление, если в качестве единицы длины выбираются метры, а силы – ньютоны?
1.
В паскалях.
2.
В мегапаскалях.
3.
В гигапаскалях.
4.
В атмосферах.
5.
В барах.
6.
В миллиметрах ртутного столба.
7.
В фунтах на квадратный дюйм.

6 25)
В каких единицах следует задавать модуль упругости, если в качестве единицы длины выбираются миллиметры, а силы – ньютоны?
1.
В паскалях.
2.
В мегапаскалях.
3.
В гигапаскалях.
4.
В атмосферах.
5.
В барах.
6.
В миллиметрах ртутного столба.
7.
В фунтах на квадратный дюйм.
26)
В каких единицах следует задавать модуль упругости, если в качестве единицы длины выбираются метры, а силы – ньютоны?
1.
В паскалях.
2.
В мегапаскалях.
3.
В гигапаскалях.
4.
В атмосферах.
5.
В барах.
6.
В миллиметрах ртутного столба.
7.
В фунтах на квадратный дюйм.

3-1