Моделирование напряженно-деформированного состояния детали в конечно-элементном пакете

1 Техническое задание

1.1 Наименование разрабатываемой модели

1.2 Основание для разработки

1.3 Требования к базовому программному обеспечению (ПО)

1.4 Состав и параметры аппаратного обеспечения системы.

2 Выбор и обоснование средств реализации

2.1 Выбор CAD — пакета

2.2 Выбор CAE — пакета

3 Построение и расчет модели…

3.1 Создание объемной модели детали средствами CAD — пакета

3.2 Определение свойств материала

3.3 Подготовка модели к расчету

3.3.1 Задание ограничений

3.3.2 Приложение нагрузок

3.3.3 Разбиение модели на конечные элементы

4 Результаты расчета

4.1 Решение модели с заданными граничными условиями

4.2 Графическое представление решения

5 Оптимизация расчета размера элемента МКЭ под ресурсы ЭВМ

5.1 Задание параметров

5.2 Запуск процесса оптимизации Заключение Литература

На современном этапе развития науки и техники уже сложно представить проектирование изделий и конструкций без САПР. Трудности в разработке промышленных изделий поставили инженеров перед необходимостью сочетания эффективных методов изучения особенностей поведения изделий с сочетанием реального прототипа.

Не смотря на то, что практическое решение реальных промышленных задач механики, как правило, сводятся к решению систем дифференциальных уравнений в частных производных, первым этапом при решении подобных задач, с помощью CAD/CAE пакетов является построение трехмерного прототипа исследуемого изделия. Второй этап — наиболее важен, на нем производятся необходимые расчеты и оптимизация изделий. Именно поэтому, наиболее ответственную роль среди всего многообразия CAD/CAE программ играют пакеты конечно-элементного анализа. Круг решаемых ими задач охватывает почти все сферы инженерных расчетов.

Также CAD/CAE системы позволяют быстро и удобно обрабатывать и оформлять полученные результаты.

В данной работе будут рассмотрены:

· Моделирование объемной конструкции в CAD пакете.

· Расчёт напряжённо-деформированного состояния объемной конструкции при помощи САЕ пакета.

·

1 Техническое задание

1.1 Наименование разрабатываемой модели

В качестве разрабатываемой модели выступает твердотельная модель объемной конструкции. Модель проходит два этапа до реализации конечного результата. На первом этапе данная модель проектируется средствами CAD-системы, на втором этапе производится расчет напряженно-деформированного состояния этой конструкции с помощью CAE-системы — конечно-элементного пакета.

1.2 Основание для разработки

Выполнение расчетного задания по курсу «Вычислительная математика» за седьмой семестр.

1.3 Требования к базовому программному обеспечению (ПО)

Для обеспечения получения результата выполненной работы требуется наличие на компьютере установленной и стабильно работающей операционной системы Windows 98/ 2000/XP и программных пакетов: CAD — SolidWorks2006 и CAE — COSMOSWorks

1.4 Состав и параметры аппаратного обеспечения системы

Минимальные требования, которым должен удовлетворять компьютер, используемый для реализации данной системы:

— процессор 1500 мHz и выше;

— 5 Гб свободного дискового пространства;

— оперативная память 512 Мб;

— видеоадаптер SVGA, с доступными параметрами разрешения 800×600 High Color (16-bit).

2 Выбор и обоснование средств реализации

2.1 Выбор CAD — пакета

Существует множество CAD-пакетов, таких как Компас, AUTOCAD, INVENTOR 5.0.

Autodesk Inventor (AI) — программа трехмерного параметрического моделирования объектов большой сложности, которая предназначенная для организаций, разрабатывающих сложные машиностроительные изделия.

КОМПАС 3D содержит все необходимые средства для создания трехмерных моделей, обладает интуитивно — понятным интерфейсом. Основная задача, решаемая системой — моделирование изделий с целью существенного сокращения периода проектирования и скорейшего их запуска в производство.

Для создания твёрдотельной модели был выбран CAD-пакет 3D-моделирования «SolidWorks». Его основными особенностями являются: дружественный и интуитивно — понятный интерфейс, относительная простота в работе. Стоит отметить простоту в установке этого пакета на компьютер.

2.2 Выбор CAE — пакета Существует множество CAЕ-пакетов, таких как «COSMOSWorks», «ANSYS» и т. д.Для реализации второго этапа работы был выбран конечно элементный пакет «COSMOSWorks». Данный пакет обладает широчайшими возможностями, и способен решать задачи намного превосходящие данную. Так же как и вышеописанный CAD — пакет, он обладает интуитивно понятным интерфейсом. Можно регулировать точность расчетов из-за изменения наложения сетки. «COSMOSWorks» является необходимым тяжелым конечно-элементным пакетом для применения его в области САПР.

3 Построение и расчет модели

3.1 Создание объемной модели детали средствами CAD — пакета

Объемная конструкция детали вид которой, представлен на рисунке 1, был создан в пакете «SolidWorks», моделирование осуществлялось пошаговым образом, с применением нескольких команд. Первоначально рисовалась на эскизе двумерная модель, затем в режиме 3D формировалась трёхмерная деталь .

Последовательность действий приведена ниже на рисунках с 1 по 5:

Рисунок 1 — Объемная конструкция детали Рисунок 2 — Создание трехмерного эскиза Рисунок 3 — Создание объемной модели с помощью операции «Повернутая бобышка/основание»

Рисунок 4 — Объемная модель, и создание оболочки Рисунок 5 — Готовая 3D модель

3.2 Определение свойств материала

После того как деталь смоделирована, задаются физические характеристики материала, которые в дальнейшем влияют на конечный результат. Материал задается его свойствами: в данном случае это модуль Юнга, коэффициент Пуассона. Для того что бы это сделать материал детали необходимо добавить в новую базу данных .

Чтобы добавить материал в новую базу данных материалов и назначить его для детали:

В дереве конструирования FeatureManager сделайте следущее:

1.Нажмите правой кнопкой на «Твердотельные». В выпадающем списке выберете «Применить материал ко всем…». Появится окно «Материал». На панели «Выбрать источник материала» выберите пункт «Библиотечные файлы». Далее нужно выбрать «Алюминий». Этот материал будет использоваться в качестве основы для нового материала.

2. Далее на панели «Выбрать источник материала» выберите пункт «Определенный пользователем». Теперь в правой части окна, на вкладке «Свойства» вы можете задать требуемые свойства материала:

Модуль Юнга: 700 000

Коэффициент Пуассона: 2.6

Рисунок 6 — Физические свойства материала

3. Нажмите «OK». Алюминий будет назначен для детали.

3.3 Подготовка модели к расчету

На этом этап 3D моделирования закончен, свойства материала определены.

Для начала расчетов необходимо создать набор параметров, так называемое «Упражнение». Для этого необходимо выбрать пункт меню «COSMOSWorks/Упражнение…» или нажать на кнопку упражнение на панели инструментов «COSMOSWorks — Основные функции» После чего нужно будет ввести имя упражнения, и затем из выпадающего списка выбрать пункт «Сетка на твердом теле», и нажать «ОК» (Рисунок 14).

Рисунок 7 — Создание нового упражнения

3.3.1 Задание ограничений

Для задания ограничений и приложения нагрузок используется панель инструментов «COSMOSWorks — Нагрузки» (Рисунок 15) или подраздел меню «COSMOSWorksНагрузки/Ограничения».

Рисунок 8. Панель инструментов COSMOSWorks — Нагрузки.

Чтобы зафиксировать грани отверстий:

1. Нажмите кнопку «Ограничения» или «COSMOSWorksНагрузки/ОграниченияОграничения…».

2. Затем указываем нужные нам грани (Рисунок 16).

3. Тип фиксации выбираем «Зафиксирован»

4. Нажмите кнопку «ОК»

Рисунок 9 — Модель с заданными ограничениями

3.3.2. Приложение нагрузок

На этом этапе определяется параметры приложения сил к модели.

Области модели, на которые действуют силы показаны розовым цветом. Силы, действующие на модель, в абсолютном значении, при первом нагружении все равны 300 Н.

Для того чтобы приложить силу к нашей модели:

1. Нажмите кнопку «Сжатие» на панели инструментов «COSMOSWorks — Нагрузки» или «COSMOSWorksНагрузки/ОграниченияСжатие…»;

2. Устанавливаем галочку «Перпендикулярно выбранной грани»;

3. Выбираем грани к которым будет приложена сила (Рисунок 17);

4. Выбираем единицы измерения СИ;

5. Указываем значение приложенной силы — 300 Н/м;

6. Нажимаем «ОК»;

Рисунок 10 — Модель с приложенной нагрузкой

3.3.3. Разбиение модели на конечные элементы

Для того чтобы наложить сетку на нашу модель выполняем следующие действия:

1. Нажмите кнопку «Сетка» на панели инструментов «COSMOSWorks — Основные функции» или «COSMOSWorksСеткаСоздать…»;

2. Задаём глобальный размер 0.4мм.

3. Нажимаем кнопку «ОК».

Рисунок 11 — Модель, разбитая на конечные элементы

4 Результаты расчета

4.1 Решение модели с заданными граничными условиями

После задания всех необходимых величин, производится расчет конструкции. Для запуска анализа нужно на панели инструментов «COSMOSWorks — Основные функции» нажать на кнопку «Выполнить» или выбрать пункт меню «COSMOSWorksВыполнить». Начнется анализ, и появится окно хода выполнения.

4.2 Графическое представление решения

На рисунке 12 графически представлена степень напряжения конструкции, в зависимости от различных тонов.

Рисунок 12 — Напряжение Таблица № 1 — Узлы с минимальным и максимальным напряжением

На рисунке 13 графически представлена степень смещения узлов конструкции в зависимости от различных тонов.

Рисунок 13 — Перемещение Таблица № 2 — Узлы с максимальным и минимальным перемещением

На рисунке 14 графически представлена степень деформации конструкции.

Рисунок 14 — Деформация Рисунок 22 — Максимальная нагрузка детали Из рисунка видно что деталь выше напряжения 2.757е+007 N/m² начинает разрушаться.

5 «Оптимизация расчета» размера элемента МКЭ под ресурсы вычислительной системы.

5.1 Задание параметров

Необходимо оптимизировать сетку (размер конечного элемента), чтобы точность расчетов и нагрузка системных ресурсов были оптимальными. Для этого проведем еще несколько подобных вычислений при значении сетки равном 2, 1, 0.4 мм. Вычисления с более мелким размером конечного элемента конфигурация компьютера провести не позволила.

5.2 Запуск процесса оптимизации

После задания всех необходимых величин, расчеты конструкции производятся аналогичным образом.

Результаты вычислений приведены в таблице 3.

Рисунок 23 — Минимальный размер сетки (0.4 мм)

Заключение

В результате работы был проведен расчет напряженнодеформированного состояния твердотельной модели при помощи конечно-элементного пакета COSMOSWorks. Можно сделать вывод о том, что CAD/ CAE системы позволяют быстро и с высокой точностью выполнять практическое решение реальных промышленных задач механики.

Пакет COSMOSWorks является лидером среди множества пакетов, позволяющих решать всевозможные инженерные задачи. COSMOSWorks позволяет относительно быстро производить достаточно сложные расчеты, а также выводит полученные результаты в удобной для пользователя форме.

Макарова Е. И. Моделирование поверхностей: Учебное пособие/АлтГТУ.- Барнаул.:1994, — 51с.

Помаев, А. Т. Инструменты и средства SolidWorks: Справочное пособие / А. Т. Помаев, И. П. Ливанов.— М.: Едиториал УРСС, 2006. —316 с.