Статический анализ деталей

Статический анализ позволяет осуществлять расчёт напряжённого состояния конструкций под действием приложенных к системе постоянных во времени сил. На сегодняшний день это, пожалуй, наиболее востребованная в проектировании задача. С помощью модуля "Статический анализ" пользователь может оценить прочность разработанной им конструкции по допускаемым напряжениям, определить наиболее слабые места конструкции и внести необходимые изменения (оптимизировать) изделие. При этом между трёхмерной моделью изделия и расчётной конечно-элементной моделью поддерживается ассоциативная связь.

1. Теоретическая часть

Статический анализ позволяет осуществлять расчёт напряжённо-деформированного состояния конструкций под действием приложенных к системе постоянных во времени сил. Также можно учесть напряжения, возникающие по причине температурного расширения/сжатия материала или деформации конструкции на величину известных перемещений.

Модуль "Статический анализ" позволяет оценить прочность разработанной конструкции по допускаемым напряжениям, определить наиболее уязвимые места конструкции, внести необходимые изменения и таким образом оптимизировать конструкцию детали или изделия.

Для построения дискретной математической модели, адекватно отражающей физическую сущность и свойства исследуемой конструкции, применяется метод конечных элементов. Важнейшим элементом этой модели является конечно-элементная дискретизация изделия с помощью совокупности конечных элементов (КЭ) заданной формы и объединённых в единую систему, называемую конечно-элементной сеткой.

В данной работе используются КЭ тетраэдральной формы. Они аппроксимируют исходную конструкцию, связываясь между собой в граничных точках - узлах, в каждом из которых вводится по три поступательных степени свободы (для задач механики). Действующие на конструкцию внешние нагрузки приводятся к эквивалентным силам, прикладываемым в узлах конечных элементов. Ограничения на перемещение конструкции (закрепления) также переносятся на КЭ, которыми моделируется исходный объект.

Погрешность конечно-элементной аппроксимации обычно уменьшается с увеличением степени дискретизации моделируемой системы - чем большее количество КЭ участвует в дискретизации (или чем меньше относительные размеры КЭ), тем точнее получаемое решение. Естественно, что более плотное разбиение КЭ приводит к увеличению временных затрат при моделировании.

2. Практическая часть

2.1. Порядок выполнения работы

При проведении статического анализа конструкции детали необходимо выполнить следующие пункты:

2.2. Подготовка объемной твердотельной модели изделия

Рассмотрим выполнение статического прочностного расчёта на примере конструкции детали "Кронштейн". Для этого трёхмерная твердотельная модель детали ) загружается в среде T-FLEX CAD.

2.3. Создание "Задачи"

2.3.1. Создание сеточной модели

В строке меню с помощью команды ).

Далее в автоменю нажать опцию (рис 9.2) , и при нажатииоткрывается окно создания сетки (рис 9.3).

Относительный размер сетки меняем, добиваясь по возможности более однородного распределения формы образующих сетку элементов. Например, на рис 9.4,а относительный размер сетки 0,2, а на рис 9.4,б - 0,05.

2.3.2. Назначение материала

Выбор материала выполняется командой ) и нажатием ОК подтвердить выбор. Назначим для модели материал "Сталь/AISI 1020" из библиотеки материалов T- FLEX Анализа.

2.3.3. Наложение граничных условий

В статике роль граничных условий выполняют закрепления и приложенные к системе внешние нагрузки. Для задания закреплений предусмотрены две команды: "Полное закрепление" и "Частичное закрепление".

Команда Анализ\Ограничение\Полное закрепление применяется к вершинам, граням и рёбрам модели. Она определяет, что данный элемент трёхмерного тела полностью неподвижен, т.е. сохраняет своё первоначальное расположение и не меняет своего положения под действием приложенных к системе нагрузок.

Применим эту команду (рис 9.6) и укажем с помощьюзаднюю грань детали. После нажатияпоявится соответствующий элемент, указывающий на наличие данного граничного условия (рис 9.7).

2.3.4. Задание нагружений

При задании нагружений командой указать грань ). В диалоге свойств команды в поле "Величина" выбирается значение силы (550 Н). Созданная сила равномерно распределится по указанной грани. Изначально направление действия силы берется по нормали к указанной плоской грани. При необходимости направление вектора силы можно задать под любым углом к плоскости.

После нажатия(рис 9.8) получаем в дереве задач (рис 9.9) все четыре элемента, необходимых для моделирования: сетка, материал, закрепление, нагружение.

3. Выполнение расчёта

После создания конечно-элементной сетки и наложения граничных условий командой на задачу (рис 9.10). Появляется окно ). Зададим "Автоматический выбор" решения системы итерационным методом. Большинство режимов для формирования СЛАУ и их решения выбираются автоматически процессором T-FLEX Анализ. Пользователь может самостоятельно изменить опции расчёта в диалоге свойств задачи, который по умолчанию открывается перед началом расчёта.

После нажатия ).

4. Анализ результатов расчёта

Результаты расчёта отображаются в дереве задач. Доступ к результатам обеспечивается из контекстного меню для задачи, выбранной в дереве задач по команде (рис 9.13). Распределение сил воздействия можно определить по цвету: красный показывает наибольшее воздействие, синий - наименьшее (рис 9.14).

Визуализация результатов осуществляется в отдельном 3D окне T-FLEX CAD. Одновременно может быть открыто несколько окон с результатами одной или разных задач.

(рис 9.13) Доступ к результатам

(рис 9.14) Результаты моделирования

Для обработки результатов расчётов используется набор специализированных команд и опций, позволяющих решать разнообразные сервисные функции. Рассмотрим наиболее важные из них.

).

на изображение детали и выборе ).

В данном окне произвести следующие действия:

).

4.1. Создание отчёта

Доступ к диалогу формирования отчёта для активной задачи осуществляется из меню ).

Пользователь может создавать независимые от T-FLEX Анализа электронные документы, содержащие основные сведения о рассчитанной задаче. Отчёт формируется в html-формате и его просмотр возможен в любом просмотрщике, например, MS Internet Explorer или MS Word.

Отчёт содержит основные сведения о модели, материалах, расчётной конечно-элементной сетке, а также цветные эпюры результатов, которые отображаются в данный момент в дереве задач или открыты в окнах визуализатора.

(рис 9.18) Запуск отчета

(рис 9.19) Настройка отчета

Диалог настройки отчёта (рис 9.19), вызываемый по команде "Анализ|Отчёт", позволяет выбрать информацию, отображаемую в отчёте. Группа "Общая информация" содержит данные о названии задачи ( "Название" ), сведения о создателе отчёта ( "Автор" ), сведения о компании. "Список эпюр" позволяет выбрать виды результатов, которые будут добавлены в формируемый отчёт.

Кнопка [Параметры] вызывает диалог для задания параметров изображения эпюр. Здесь можно задать размер картинки в пикселях и цвет фона, а также включить создание предварительного просмотра. При этом в отчёт включаются уменьшенные изображения эпюр результатов, а доступ к полным изображениям осуществляется кликом.

Флажок "Использовать изображение открытых результатов" позволяет перенести в отчёт изображения открытых в данный момент эпюр в текущих ракурсах. В противном случае эпюры ориентируются по умолчанию ( "аксонометрия вид спереди" ).

Шаблон отчёта - указывает путь к html-документу с прототипом отчёта. Нажатие на кнопку [Создать] приводит к появлению диалога сохранения файла отчёта. По умолчанию отчёт сохраняется в текущем каталоге файла модели и имеет наименование "имя файла модели-название задачи".html.

При генерации отчёта создаётся одноименная папка с файлами графических изображений результатов в формате .bmp. Данное обстоятельство необходимо учитывать при переносе отчёта на другое рабочее место или при передаче стороннему заказчику.

Свой отчет необходимо сохранить на диске Z:\ папка своей группы.

5. Выбор оптимальной конструкции кронштейна

Для выбора оптимальной конструкции кронштейна необходимо провести анализ возможных конструкций.

Выбрать Файл\Открыть\Статический анализ. Примеры\Кронштейн\Кронштейн0.grb

Сравнить результаты анализа деталей и, исходя из меньшей нагрузки, выбрать оптимальную конструкцию кронштейна. Объяснить свой выбор. При необходимости изменить конструкцию детали

6. Исследование конструкции при других нагрузках.

6.1. Нагружение давлением

Для задания нагружений выбирать "Анализ\Нагружение\ Давление", указываем грань, на которую прикладываем нагрузку. Далее выполняем действия, начиная с п.3.

6.2. Нагружение вращением

Провести анализ конструкции "Цилиндр простой" - Z: \Статический анализ.Примеры\ Цилиндр обыкновенный.grb. Для данной детали выбрать частичное закрепление вдоль оси вращения и выбрать "Анализ\Нагружение\ Вращение", выполняя действия, начиная с п.3.

6.3. Нагружение ускорением

Для детали "Цилиндр простой" выбрать "Анализ\Нагружение\Ускорение" и далее аналогично п. 6.2.

6.4. Нагружение цилиндрической нагрузкой

Для детали "Цилиндр простой" выбрать "Анализ\Нагружение\ Цилиндрическая нагрузка", выполняя аналогично п.6.2.

6.5. Нагружение крутящим моментом

Для детали "Цилиндр простой" выбрать "Анализ\Нагружение\ Крутящий момент", выполняя аналогично нагружению вращением.