Курс лекций по основам численного расчета на прочность в программном комплексе abaqus 4 сае жуковский, 2003

• Название: Курс лекций по основам численного расчета на прочность в программном комплексе abaqus 4 сае жуковский, 2003
• Дата: 24.06.2019
• Размер: 0.79 Mb.
• Имя файла: ref-600775.docx
• Тип: Курс лекций; #82900
• страница: 4 из 4

Лекция 6.

Моделирование контактной задачи на примере взаимодействия консольно закрепленной балки и лежащего на ней упругого цилиндра, нагруженного поперечной силой.

Запись результатов анализа в видеоклип.
На этот раз будем решать контактную динамическую задачу. Откройте все тот же файл с балкой и сохраните его, как всегда, под новым именем. Положим на нее цилиндр и посмотрим, что произойдет, когда к нем будет приложена нагрузка. На этот раз цилиндр будет не абсолютно жестким телом, а упругим, но намного более жестким по сравнению с балкой. Итак, имеется модель консольно заделанной упругой балки, на которую действует перерезывающая сила, и статический шаг расчета. До начала действия силы необходимо задать контакт балки с лежащим на ней цилиндром, на который действует поперечная сила. После воздействия силы тип шага расчета надо поменять на динамический, так как необходимо проследить движение цилиндра во времени.

В модуле PART при помощи описанных ранее действий создайте новую деталь путем выдавливания Extrusion из окружности цилиндра. Все действия такие же, как и при создании балки, с тем лишь отличием, что в качестве шаблона для выдавливания надо задать окружность радиусом 5 и с центром в начале координат при помощи команд менюAdd – Circle – Center and Radius или кнопки Create Circle: Center and Radius. Для удобства приложения силы задайте окружность так, чтобы нажатие кнопки мыши, задающее ее радиус, приходилось на самую верхнюю точку окружности. Также можно задать окружность путем ввода координат центра (0.0,0.0) и точки на ее периметре (0.0, 5.0). Высота цилиндра (глубина выдавливания ExtrusionDepth) равна 10, то есть вдвое шире грани балки.

В модуле PROPERTY задайте новый материал со свойствами Young’sModulusE = 9.9e+10, Poisson’sRatio=0.25, Density = 7800кг/м³ (легированная сталь), создайте соответствующее сечение и присвойте его цилиндру.

В модуле ASSEMBLY создайте сборку из балки и цилиндра. Поскольку балка уже включена в сборку, выделите только цилиндр, по умолчанию – Part-2, и нажмите ОК. Альтернативно, можно было создать новую сборку из двух деталей, а затем удалить старую, как это делалось на предыдущем занятии. Обратите внимание на то, что цилиндр должен лежать на балке, для этого его надо повернуть на 90° относительно оси «Y» и сдвинуть по этой оси на 5.5 мм вверх, на 5 мм вперед вдоль оси «Х» и на 20 мм вдоль балки по оси «Z». Делается это при помощи команд менюPart – Instance – RotateиPart – Instance – Translate соответственно. Также можно использовать кнопки

Rotate Part Instance и Translate Part Instance.

Чтобы повернуть цилиндр, сначала задайте ось вращения – единичный орт «Y» путем ввода координат (0.0,0.0,0.0) и (0.0,1.0,0.0), а затем укажите угол поворотаAngleofrotation= 90. Подтвердите новое положение PositionofInstance нажатием кнопки ОК. Чтоб переместить его, введите координаты вектора переноса (0.0,0.0,0.0) и (-5.0,5.5,20.0), и также подтвердите новое положение нажатием ОК.

В модуле STEP должен быть изменен шаг расчета – статический (по умолчанию – Step-1, он уже наследован из предыдущей базы данных) удалите кнопкой Delete в соответствующем менеджереStepManager, и на его месте назначьте новый динамический Dynamic, Implicitшаг расчета, с соответствующим описанием, например, Rolling. Время расчета TimePerriod задайте равным 24 с. Нажмите закладку Incrementation и задайте Type какFixed, после чего введите IncrementSize = 0.1, и MaximumNumberofIncrements = 400.

Перейдите в модульINTERACTION. Подобно тому, как это делалось на предыдущем занятии, задайте контакт между балкой и цилиндром, с формулировкой трения FrictionFormulation без проскальзыванияFrictionless на шаге Initial. Не забудьте, что главной является внешняя поверхность цилиндра! Верхняя поверхность балки – подчиненная, несмотря на ее закрепление, поскольку он менее жесткая.

В модуле LOADуже имеется одно граничное условие для балки. Теперь добавьте граничное условие CreateBoundaryConditionна шаге Initial, чтобы ограничить перемещения цилиндра относительно поверхности контакта. Для этого выберите тип Symmetry/Antisymmetry/ Encastre и укажите мышью, удерживая клавишу Shift, две боковых грани цилиндра, потом нажмите кнопкуDoneи задайте граничное условие как Xsymm. Затем надо задать нагрузки. На динамическом шаге расчета приложите силу к цилиндру при помощи кнопки CreateLoad или соответствующих команд меню. В окнеCreateLoadукажите тип нагружения Types for Selected Step какConcentratedForce из категории Category механических нагрузок Mechanical, при помощи мыши выберите, удерживая клавишу Shift, две верхних точки цилиндра и подтвердите ввод кнопкой Done, а в окне EditLoadзадайте ее величину CF2 = -200 Н, CF3 = 100000 Н.

В модуле MESHнадо измельчить верхнюю поверхность балки. Однако, на балке уже имеется старая сетка, ее надо стереть, использовав команд меню Mesh – DeleteInstanceMesh или кнопку DeleteInstanceMesh. Затем выделите всю балку при помощи мыши и нажмите кнопки Done, а потом ОК. Когда сетка исчезнет, при помощи команд меню Seed – Instance или кнопки SeedPartInstance задайте глобальный размер элемента на всей балке равным 1 мм, а затем используйте команды меню Seed – EdgebySize или соответствующую кнопку, затем, удерживая клавишу Shift, выделите мышью 4 длинных ребра балки. Подтвердив выбор, введите размер элемента вдоль этих ребер равным 5 и снова подтвердите ваш выбор. После команды MeshPartInstance вы увидите, как изменилась сетка на балке. Теперь аналогично постройте сетку для цилиндра, на этот раз использовав команду Seed – EdgebyNumber, после чего выделите мышью задающие цилиндр окружности, удерживая клавишу Shift, и задайте количество элементов вдоль них равным 24. Далее сетка достраивается известным уже вам способом.

В модуле JOB создайте новый вычислительный процесс с уникальным именем, например, Beam&Cyl-1. Запустите его кнопкой Submit и пронаблюдайте полученные результаты в режиме анимации, нажав кнопку AnimateScaleFactor или при помощи команд меню Animate – ScaleFactor.

Полученный процесс можно переписать из модуля VISUALIZATIONв видеоклип, что бывает особенно удобно при демонстрации результатов полученных расчетов, когда нет возможности воспользоваться пакетом ABAQUS 6.4 непосредственно. Для этого используйте команды меню Anmate – Saveas. Укажите область захвата Capture как видимое окно Currentviewport. Присвойте ожидаемому файлу уникальное имя, например, Rolling Cyl, и задайте его расширение как *.avi, после чего нажмите кнопку ОК. Теперь можно выйти из ABAQUS/CAE и открыть результат расчета любой подходящей программой, скажем, Irfan Viewer или Media Player.

Лекция 7.

Моделирование статической линейной задачи на примере нагрева и охлаждения консольно закрепленной балки. Исследование возникающих температурных изменений.
Рассмотрим такой вид статического нагружения, как тепловое воздействие. При теплопередаче температура U изменяется в зависимости от времени пропорционально теплопроводности материала: U_t = Q - c*U. Здесь с – теплопроводность,  – оператор Лапласа, Q – тепловой поток.

Произведите те же действия, что и в начале пятого занятия так, чтобы модель состояла из консольно заделанной балки без каких-либо нагрузок. В модуле PROPERTY войдите в менеджер свойств, выберите имеющийся материал и нажмите кнопку Edit. Необходимо добавить дюрали новые свойства. В ABAQUS теплопроводность, строго говоря, отличается от c и задается на единицу длины (для сечения). Помимо того, ABAQUS для определения величины с объемного тела требует задания теплового параметра q = W_U, где W – внутренняя энергия на единицу объема. Выберите закладку Thermal и определите теплопроводность Conductivity = 3750 Дж/°С*м*с, а также тепловой параметр SpecificHeat = 0.15 Дж/°С*м³. Подтвердите выбор кнопкой ОК и выйдите из менеджера свойств.

В модуле STEP удалите имеющийся шаг расчета и замените его теплопереносом Heattransfer. Время расчета TimePeriod задайте равным 4 с. Нажмите закладку Incrementation и задайте Type какFixed, после чего введите IncrementSize = 0.15, и MaximumNumberofIncrements = 100. Можно также изменить описание Description на, например, ThermalLoad. Затем войдите в менеджер выходных данных FieldOutputManagerи выделите в нем существующее поле переменных, по умолчанию – F-Output-1. После нажатия кнопки Editвыберите в появившемся окне в качестве расчетных переменных, помимо уже имеющихся, температуру TEMP в точках интегрирования из раздела Thermal. Подтвердите выбор кнопкой ОК и выйдите из менеджера.

Перейдите в модуль LOAD и известным вам способом создайте новую нагрузку. В появившемся окне CreateLoad выберите категорию нагрузкиCategory – ThermalитипTypeforSelectedStep - Surfaceheatflux. В окнеEditLoadзадайтеDistributionкакUniform, то есть однородное распределение теплового потока. Укажите величину этого потокаMagnitudeравным 12000 Дж/с*м³. Подтвердите выбор нажатием ОК. При помощи мыши укажите область нагрева – свободный торец балки и снова подтвердите выбор.

В модуле MESH удалите имеющуюся сетку для балки. Нажмите кнопку AssignElementType или используйте команды менюMesh – ElementType, и в появившемся окне задайте семейство Family элементов как Heattransfer, а тип ElementType – как конвективно-диффузионный Convection/Diffusion. Теперь заново постройте сетку для всей балки, оставляя уже имеющееся разбиение.

В модуле JOB создайте новый вычислительный процесс с уникальным именем, например, Beam3D-Heat, и запустите его при помощи описанных ранее действий.

Теперь снова войдите в модуль LOAD. В менеджере нагрузок выберите имеющуюся нагрузку, по умолчанию – Load-1, и нажмите кнопку Edit. Измените знак потока – пусть балка охлаждается. Для этого задайте его величину Magnitude равной -1000 Дж/с*м³. Подтвердите ввод и создайте новый вычислительный процесс, например, Beam3D-Freeze. В модуле VISUALIZATION сравните изменения температур нагретой и охлажденной балок. Видно, что ближе к заделке элементы практически не меняют свою температуру. При помощи команд Result – Field Output выберите температуру TEMP в качестве первичной переменной PrimaryVariable и нажмите ОК. Откройте в другом окне результат предыдущего вычислительного процесса и сравните их.

Лекция 8.

Моделирование статической линейной задачи на примере электростатического взаимодействия консольно закрепленной балки с заряженными телами различной геометрической формы.
Рассмотрим еще один вид взаимодействий – электростатические силы. Как известно, на заряд q в поле E действует сила Кулона F=q*E, где E=Q/4_r². Сообщим балке заряд и, поместив ее в поле, пронаблюдаем за ее поведением. В ABAQUS для восстановления напряжений необходима модель на основе материала с пьезоэлектрическими свойствами. Поле будем для простоты создавать наведенным в диэлектрическом образце.

Откройте файл с трехмерной моделью балки, сохраните его под новым именем и отредактируйте так же, как и на предыдущем занятии, сняв все нагрузки. Создайте новую деталь в модуле PART , так же, как вы строили балку, с единственным отличием – это должен быть куб 20*20.

В модуле PROPERTY задайте те же свойства, что и для балки. Можно непосредственно присвоить кубу имеющееся сечение, созданное ранее, по умолчанию Section-1. Теперь необходимо отредактировать сам материал, сделав его диэлектриком. Для этого откройте окно EditMaterial для уже имеющегося материала, нажмите закладку Other, выберите Electric и добавьте ему следующие свойства: Piezoelectric – симметричный трехмерный тензор 3*3*3 задается компонентами коэффициентов пропорциональности между напряженностью и напряжением в элементе e_ijk = 12, 0, 0, 2, 4, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 0 ; Dielectric – задается величиной диэлектрической проницаемости = 6.

Перейдите в модуль ASSEMBLY и создайте новую сборку из имеющихся деталей, просто добавив куб. Перенесите его вдоль оси «Z» на 50 мм и вдоль оси «Y» на 80 мм, удалив от балки, при помощи команд меню Part – Instance – Translate или соответствующей кнопки. Вектор переноса задайте, например, как (0.0,30.0,90.0).

В модуле INTERACTION определите взаимодействие типа Surface-to-Surfacecontact (Stanard) известным вам способом. В качестве главной поверхности возьмите внешнюю грань куба, ближайшую к балке, в качестве подчиненной – внешний торец балки, ближайший к кубу. В окне EditInteraction в разделе SlaveNodeAdjustment выберите отказ от взаимной подгонки узлов DonotadjustSlaveNodes. Проскальзывание задайте как SmallSliding, коэффициент трения в формулировке Penalty введите равным 0.12, а в опциях проникающего взаимодействия NormalBehavior укажите UseaugmentedLagrange.

Затем перейдите в модуль LOAD и закрепите куб, приложив граничное условие Symmetry/Antisimmetry/ Encastre к его верхней грани, а в качестве нагрузки задайте электростатическое взаимодействие, сообщив балке заряд 1 мКл. Для этого создайте новую нагрузку и в окне CreateLoadвыберите категорию нагружения Category как Electrical, а тип ее Type for Selected Step как Concentrated Сharge. В окне EditLoadвыберите при помощи мыши верхнюю точку посередине свободного торца балки – на ребре, построенном на втором занятии для получения точки приложения механической силы, с подтверждением ввода кнопкойDone. Затем введите соответствующую величину заряда Magnitude = 1e-6 и подтвердите ввод кнопкой ОК.

В модуле MESH удалите имеющуюся сетку для балки. Затем постройте новые сетки. В качестве опции определения размера элемента выберите SeedEdgeByNumber, задав по 4 элемента вдоль ребра куба и 16 элементов вдоль длинных ребер балки. Тип элементов возьмите C3D8E, задав семейство Family элементов для куба и балки как Piezoelectric.

Перейдите в модуль JOB, в котором создайте новый вычислительный процесс с уникальным именем, например, Charge-1. Запустите его кнопкойSubmit и проследите за возникающими деформациями и напряжениями в обеих деталях, перейдя в модуль VISUALIZATION при помощи нажатия кнопки Results. Куб остается на месте, и напряжений в нем практически не возникает, что объясняется его поперечным размером относительно балки, которая, находясь в его наведенном находящимся на ней зарядом поле, начинает притягиваться к кубу.

А теперь сохраните вновь построенную базу данных по модели, повторите все произведенные действия с той лишь разницей, что в качестве куба постройте шар так, как это было описано на пятом занятии, радиусом 5 мм, и главной поверхностью при взаимодействии сделайте всю внешнюю поверхность шара. При построении сетки для шара возьмите размер элемента по периметру равным единице и не забудьте использовать пьезоэлектрические элементы типа TET. Присвойте новому вычислительному процессу уникальное имя, например, Charge-2, и сравните полученные для шара и куба результаты, открыв в соседних окнах соответствующие *.odb-файлы. Обратите внимание на то, что напряжения, возникающие в балке, не линейны, в отличие от аналогичного нагружения перерезывающей силой.