Каплун А.Б. — ANSYS в руках инженера: Практическое руководство [2003, DjVu]

ANSYS в руках инженера: Практическое руководство
Год выпуска: 2003
Автор: Каплун А.Б., Морозов Е.М., Олферьева М.А.
Жанр: Компьютерная литература
Издательство: Эдиториал УРСС
ISBN: 5-354-00238-9
Формат: DjVu
Качество: Отсканированные страницы
Количество страниц: 272
Описание: Книга служит пособием для самостоятельного овладения программным комплексом ANSYS (продукт фирмы ANSYS Inc.). Подробно, с примерами, изложены основы метода конечных элементов (на котором построена математическая база ANSYS). Детально изложены приемы обращения с программой для расчета напряженно-деформированного состояния линейных, плоских и пространственных задач сопротивления материалов и теории упругости. Приведен справочник имен и команд с соответствующими пояснениями и примерами.
Для широкого круга специалистов в области вычислительных экспериментов, студентов старших курсов, аспирантов и инженерно-технических работников, специализирующихся на прочностных расчетах конструкций.
ОглавлениеПредисловие
Предисловие авторов
Введение
Часть 1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МЕТОДА КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Глава 1. Некоторые предварительные замечания1.1. Роль вычислительных методов в расчетах на прочность. Основные этапы численного исследования прочности конструкций.
1.1.1. Построение физической модели
1.1.2. Построение математической модели
1.1.3. Метод исследования математической модели и анализ полученных результатов
1.2. Элементы матричной алгебры
1.3. Матричная форма записи основных соотношений теории упругости
1.3.1. Плоские (двумерные) задачи
1.3.2. Основные соотношения между напряжениями, деформациями и температурой
1.3.3. Соотношения между деформациями и смещениями
1.3.4. Уравнения равновесия
1.3.5. Граничные условия
1.4. Идея и область применения метода конечных элементов. Основные этапы практической реализации
1.4.1. Основные понятия
1.4.2. Основные этапы практической реализации
1.4.3. Конечные элементы
1.4.4. Построение сетки конечных элементов
1.4.5. Граничные условия
1.4.6. Точность результатов
1.4.7. Пример. Растяжение ступенчатого стержня
Глава 2. Типы конечных элементов. Стержневой и балочный элементы. Линейная задача.2.1. Типы конечных элементов.
2.1.1. Линейный упругий элемент. Матрица жесткости
2.1.2. Система упругих элементов. Матрица жесткости системы элементов
2.1.3. Примеры
2.2. Стержневой элемент
2.2.1. Матрица жесткости стержневого элемента
2.2.1.1. Построение матрицы жесткости
2.2.1.2. Примеры
2.2.2. Учет распределенной нагрузки
2.2.3. Произвольное расположение элементов на плоскости
2.2.3.1. Преобразование смещений
2.2.3.2. Матрица жесткости
2.2.3.3. Напряжения
2.2.3.4. Примеры
2.2.4. Произвольное расположение элементов в пространстве
2.3. Балочный элемент
2.3.1. Матрица жесткости
2.3.2. Примеры
Глава 3. Плоские задачи. Конечные элементы для плоских задач3.1. Функции формы конечных элементов и матрица жесткости
3.2. Линейный плоский треугольный элемент
3.3. Квадратичный треугольный элемент
3.4. Линейный четырехугольный элемент
3.5. Квадратичный четырехугольный элемент
3.6. Преобразование нагрузки
3.7. Пластины и оболочки
3.7.1. Основные соотношения теории пластин и оболочек
3.7.2. Основные положения теории тонких пластин
3.7.3. Основные положения теории толстых пластин
3.7.4. Конечные элементы для пластин и оболочек
3.7.4.1. Тонкий четырехугольный элемент с четырьмя узлами
3.7.4.2. Толстостенный четырехугольный элемент
Глава 4. Практические вопросы и ответы.
Часть 2. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ. ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ANSYS
Глава 1. Общее описание1.1. Составные части комплекса и их назначение
1.2. Предварительная подготовка и вход в программу
1.2.1. Предварительная подготовка
1.2.2. Вход в программу
1.2.2.1. Пакетный режим (Commands)
1.2.2.2. Интерактивный режим. Графический интерфейс пользователя (GUI)
1.3. Основные стадии решения задач
1.3.1. Препроцессорная подготовка
1.3.1.1. Выбор координатной системы
1.3.1.2. Создание базы данных
1.3.1.3. Способы построения геометрической модели
1.3.1.4. Построение сетки
1.3.2. Приложение нагрузок и получение решения
1.3.2.1. Выбор типа анализа и его опций
1.3.2.2. Приложение нагрузок
1.3.2.3. Запуск на счет
1.3.3. Постпроцессорная обработка
1.3.3.1. Постпроцессор общего назначения
1.3.3.2. Постпроцессор истории нагружения
1.4. Типы основных файлов, создаваемых и используемых программой
Глава 2. Методика работы с программой при решении статических прочностных задач2.1. Основные типы и имена элементов
2.2. Основные команды пакетного и интерактивного режимов
2.2.1. Пример 2.1. Полоса с отверстием. Постановка задачи
2.2.2. Построение модели
2.2.2.1. Ввод имени задачи
2.2.2.2. Ввод заголовка и системы единиц
2.2.2.3. Ввод заголовка и системы единиц в примере 2.1
2.2.2.4. Ввод типов элементов
2.2.2.5. Ввод типов элементов в примере 2.1
2.2.2.6. Ввод констант элементов
2.2.2.7. Ввод констант элементов в примере 2.1
2.2.2.8. Задание свойств материала
2.2.2.9. Задание свойств материала в примере 2.1
2.2.2.10. Построение модели
2.2.2.10.1. Моделирование «сверху-вниз»
2.2.2.10.2. Моделирование «снизу-вверх»
2.2.2.10.3. Моделирование с применением булевых операций
2.2.2.11. Построение модели в примере 2.1
2.2.3. Построение сетки
2.2.3.1. Выбор метода построения сетки
2.2.3.2. Построение произвольной (free) сетки
2.2.3.3. Построение упорядоченной (mapped) сетки
2.2.3.4. Построение сетки в примере 2.1
2.2.4. Приложение нагрузок и получение решения
2.2.4.1. Граничные условия
2.2.4.2. Сосредоточенные нагрузки (силы и моменты сил)
2.2.4.3. Поверхностные нагрузки
2.2.4.3.1. Приложение распределенной нагрузки к балкам
2.2.4.3.2. Установление связи величины поверхностной нагрузки с номерами узлов
2.2.4.3.3. Задание градиента поверхностной нагрузки
2.2.4.4. Температура (TEMP)
2.2.4.5. Инициализация решения
2.2.4.6. Приложение нагрузок и получение решения в примере 2.1
2.2.5. Обработка, печать и сохранение результатов (постпроцессорная обработка)
2.2.5.1. Сохранение и восстановление результатов
2.2.5.2. Чтение результатов
2.2.5.3. Показ деформированной формы модели
2.2.5.4. Графическое представление результатов
2.2.5.5. Векторный дисплей
2.2.5.6. Дисплей граничных условий и реакций опор
2.2.5.7. Представление результатов в табличной форме
2.2.5.8. Сохранение результатов в файле
2.2.5.8.1. Печать в файл текстовых результатов
2.2.5.8.2. Изображение рисунков и графиков
2.2.5.9. Обработка результатов в примере 2.1
Глава 3. Примеры программ3.1. Стержневые и балочные конструкции
3.1.1. Консольная балка
3.1.2. Плоский изгиб балки
3.1.3. Определение реакций опор и усилий в стержнях плоской фермы
3.1.4. Расчет составных рам (система двух тел)
3.1.5. Определение реакций опор и внутренних связей составной конструкции (система трех тел)
3.1.6. Кручение стержней
3.1.7. Кривые стержни
3.1.8. Начальные деформации
3.1.9. Температурные напряжения
3.2. Плоские задачи.
3.2.1. Статический анализ уголкового кронштейна
3.2.1.1. Создание модели
3.2.1.2. Построение сетки
3.2.1.3. Получение решения
3.2.1.4. Анализ результатов
3.2.1.5. Выход из ANSYS.
3.3. Пространственные задачи.
3.3.1. Толстостенный цилиндр под внутренным давлением
3.3.1.1. Создание модели
3.3.1.2. Построение сетки тетрагональных элементов
3.3.1.3. Получение решения
3.3.1.4. Анализ результатов
3.3.1.5. Выход из ANSYS.
3.3.2. Статический анализ изогнутого стержня
3.3.2.1. Пакетный (командный) режим работы
3.3.2.2. Интерактивный режим работы
Часть 3. НАИБОЛЕЕ УПОТРЕБИТЕЛЬНЫЕ КОМАНДЫ ANSYS
Литература
Об авторах
Доп. информация:
Введение
При выполнении инженерных расчетов на прочность неизбежен этап создания моделей прочностной надежности элементов конструкций. С помощью таких моделей возможно выбрать материал и необходимые размеры конструкций и оценить ее сопротивление внешним воздействиям.
Моделью называется система представлений, зависимостей, условий и ограничений, описывающих исследуемый и рассчитываемый процесс или явление. Модель представляет собой отображение объективной реальности и может иметь разную природу, структуру и форму представления.
Надежностью называют свойство изделия выполнять свои функции в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени. Прочностной надежностью называют отсутствие отказов, связанных с разрушением или с недопустимыми деформациями, или, вообще, с наступлением предельного состояния в определенном смысле. Основной мерой надежности является вероятность безотказной работы изделия.
Другой, более распространенной величиной оценки прочностной надежности является запас прочности. Пусть p — параметр работоспособности изделия (например, действующее усилие, давление, эквивалентное напряжение в опасной точке и т.п.). Тогда запасом прочности называют отношение
n = pкр/pmax,
где pкр — критическое (предельное) значение параметра p, нарушающее нормальную работу изделия, pmax — наибольшее значение параметра в рабочих условиях.
Условие прочностной надежности записывается в виде:
n>=[n],
где [n] — допустимое значение запаса прочности. Допустимый запас прочности назначают на основании инженерного опыта эксплуатации подобных конструкций (прототипов). Ряд отраслей техники имеют нормы прочности, в которых допустимые запасы прочности регламентированы для разных условий эксплуатации. Обычный диапазон изменений [n] колеблется от 1, 3 (при стабильных условиях нагружения) до 5 и более (при переменных и динамических нагрузках). Отметим основные модели прочностной надежности, которые практически всегда (явно или неявно) присутствуют при проведении расчетов. Это модели материала, формы детали (конструкции), нагружения (условий нагружения) и предельного состояния (нарушения прочности). При разработке (назначении) моделей приходится идти на компромисс между достаточно полным и адекватным описанием рассчитываемого явления и доступностью (трудоемкостью) расчета на основе принятых моделей. Напомним, что целью расчетов является определение запасов прочности. Однако на этом пути находится этап определения напряженно-деформированного состояния, и именно данный этап рассматривается в настоящей книге.
В практике расчетов используют как аналитические, так и численные методы. Первые базируются на математических методах решения краевых задач, обычно сложных и трудоемких, и зачастую ограничены достаточно простыми геометрическими формами тел и схем нагружения. Численные методы, к которым относятся, в частности, метод конечных разностей, метод граничных интегральных уравнений, метод граничных элементов, метод конечных элементов и другие методы, напротив, не ограничены ни формой тел, ни способом приложения нагрузки. Это, наряду с повсеместным распространением мощной вычислительной техники, способствует их распространению в инженерной среде. Нередки случаи, когда важно знать эволюцию процесса деформирования (или разрушения) конструкции с продолжающимся во времени внешним воздействием. При этом естественны большие геометрические и физические нелинейности. В таких случаях обойтись без численных решений практически невозможно. Но именно такого рода задачи вполне под силу программному комплексу ANSIS (ANSYS Inc.). Механическая и математическая основа указанного программного комплекса представляет собой метод конечных элементов (МКЭ) — наиболее распространенный и достаточно универсальный метод анализа напряженно-деформированного состояния (НДС).
Книга состоит из трех частей, в первой из которых рассматривается основная идея МКЭ и алгоритм расчета, проиллюстрированный рядом простых примеров, с указанием на некоторые ограничения, связанные с применением метода. Вторая и третья части знакомят читателя с реализацией МКЭ в программном комплексе ANSYS.
Следует оговорить, что круг рассматриваемых вопросов в силу ограниченного объема книги сводится к линейно-упругому анализу НДС в случае статического нагружения. Вопросы, связанные с упругопластическими расчетами, с решением задач механики разрушения, можно найти, например, в [6].