Расчёт НДС шатуна.

Anton D. 04.01.2009

Давайте для первого раза решим не сложную плоскую задачу на расчёт напряжённо-деформированного состояния шатуна, эскиз которого представлен на рисунке 1. Материалом детали у нас будет сталь 45 с модулем Юнга E=200000 МПа и коэффициентом Пуассона 0,26. Толщину шатуна примем 20 мм.

 

 

Рисунок 1 - Эскиз шатуна

Поэтапное решение задачи

Подготовка модели (Preprocessing)

 

1. Запуск Ansys.

 

Запустить ANSYS Product Launcher, появится окно, показанное на рисунке 2.

Рисунок 2 - Окно Product Launcher

 

Во вкладке Launch в строке Simulation Environment выбираем из падающего списка Ansys. В строке License - Ansys Multiphisics. Далее переходим во вкладку File Management, указываем рабочую директорию и имя файла (см. рисунок 3). Допустим, рабочий каталог у Вас находится на C:AnsysRabShatun, а название базы данных shatun.

 

Рисунок 3 - Назначение рабочей директории и имени файла

 

Далее нажимаем Run (Запуск задачи).

 

2. Установка фильтров меню.

 

Данная операция позволяет исключить из всех меню Ansys пункты, не относящиеся к типу анализа решаемой задачи. Для этого в главном меню Main Menu (M_M) выбираем Preferences. В открывшемся окне отмечаем Structural, как показано на рисунке 4. Нажимаем Ok.

 

Рисунок 4 - Установка фильтров меню

 

3. Назначение типов конечных элементов (КЭ) и их особенности.

 

Тип КЭ определяет число степеней свободы, его форму (одномерный, треугольный, четырёхугольный и др.), размерность КЭ (линейный, изопараметрический).

Для конечно-элементной модели (КЭМ) шатуна выбираем плоский четырёхугольный 8-узловой элемент с функцией формы второго порядка Plane82.

Чтобы не загружать страницу рисунками, давайте ограничимся только схемами пути к команде. Многие авторы, почти все, используют такую запись: сначала указывают из какого меню будет выполнена команда(M_M: или U_M:, где M_M - это Main Menu, U_M - Utility Menu), далее записываются выполняемые команды по порядку, как будто путь в проводнике Windows, только вместо косой черты у нас будет знак ">".

И так, нужно выбрать КЭ. Выполняем следующие действия. M_M: Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete.

Нажимаем кнопку Add (добавить новый тип КЭ).

В левом окне (в библиотеке элементов) выбираем Structural Solid.

В окне Selection указываем Quad 8 mode 82 и нажимаем ОK.

В окне Element Type нажимаем кнопку Option. Для опции К3 выбираем Plane strs w/thk (плосконапряжённый элемент с указанием толщины) и OK.

Закрываем окно Close.

4. Параметры конечных элементов.

 

Параметры КЭ задаются в том случае, когда свойства элементов нельзя в полной мере описать положением их узлов. Например, толщина плоских элементов и параметры поперечного сечения балочных элементов. И так, зададим параметры для КЭ.

М_М: Preprocessor>ReaI Constants.

 

Нажать Add (добавить к существующему списку наборов параметров) и ОК.
В окне Real Constants for PLANE 82 в поле Thikness ввести 20 (толщина элемента, шатуна-20 мм) и OK. Закрываем окно нажатием Close.

 

 

5. Свойства материала.

 

Как и для Real Constants можно подготовить несколько свойств материалов, которые затем в различных комбинациях с другими параметрами элемента могут быть использованы при создании конечно-элементной сетки. В задаче задается изотропный материал с постоянными свойствами.

M_М: Preprocessor>Material Props>Material Models.

 

В правом окне выбрать Structural>Linear>Elastic>Isotropic, далее в поле EX (модуль Юнга) ввести 2е5 (в МПа), в поле PRXY (коэффициент Пуассона) ввести 0.26 (поскольку параметры материала задаются в МПа, модель будет построена в мм, а все нагрузки, действующие на конструкцию, необходимо задавать в МПа, Н). После нажимаем ОК.

Все введённые данные находятся в оперативной памяти компьютера. Для их сохранения в файл "Shatun" на инструментальной панели выбрать Toolbar (TB):Save_db.

 

6. Создание стержня шатуна.

 

Существует несколько способов создания геометрических объектов. В данной задаче при создании стержня шатуна используется построение двумерной области (трапеции) способом "снизу-вверх", т.е. сначала строятся нуль-мерные примитивы (ключевые точки - Keypoints), определяющие одномерные объекты (линии - Lines), по которым выстраиваются двумерные области (поверхности - Areas). Стержень шатуна образует область, построенную с помощью линий, проведённых через точки 1, 2, 3 и 4. В данной задаче принята такая система координат, при которой в её центре (точке с координатами 0, 0) располагается центр нижней головки шатуна.

М_М: Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>In Active CS (создание ключевых точек).

В поле NPT (номер точки) ввести 1 (первая точка), в поля X, Y, Z ввести координаты точки 1: X1 = -13.5, Y1 = 102. Третье поле оставить пустым (координаты Z нет, т.к. деталь псевдоплоская - толщина шатуна определяется толщиной КЭ).

Нажать Apply (применить). После нажатия Apply в отличие от ОК, выполнение текущей команды не прерывается.
Далее ввести для второй, третьей и четвёртой точек Х2 = 13.5, Y2 = 102, Х3 = -29.6, YЗ = 37.5, Х4 = 29.6,Y4 = 37.5.
ОК. На рисунке 5 показаны построенные точки.

 

Рисунок 5 - Ключевые точки

 

Далее построим линии:

M_M: Preprocessor>Modeling>Create>Lines>Lines>Straight Lines.

Отметить левой кнопкой мыши точку 1, затем точку 2. Таким же образом соединить точки 1 и 3, 2 и 4, 3 и 4 (рисунок 6).

 

Рисунок 6 - Построение линий

 

Затем следует создание поверхности (см. рисунок 7):

M_M: Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Arbitrary>Ву Lines.

Левой кнопкой мыши выбрать построенные линии (выбранные линии подсвечиваются).ОК.

Рисунок 7 - Создание поверхности

 

7. Построение верхней головки шатуна.

 

Создание круговых областей по размерам, указанным на рисунке 1.

M_M: Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Circle>Solid Circle.

В поля WP X и WP Y ввести координаты центра верхней головки шатуна: X = 0, Y = 120.

В поле Radius ввести радиус наружного контура верхней головки шатуна: 22.5. ОК.

M_M: Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Circle>Solid Circle.

В поля WP X, WP Y и Radius ввести соответственно координаты центра и радиус внутреннего контура верхней головки шатуна: 0, 120, 15. ОК.

Вычитание внутреннего круга из внешнего (создание отверстия в верхней головке шатуна) выполняется следующим образом.

M_M: Preprocessor>Modeling>Operate>BooIeans>Subtract>Areas.

 

Отметить левой кнопкой мыши область, из которой производится вычитание области (круг большим радиусом) нажать Apply. Далее отметить кнопкой мыши вычитаемое отверстие (круг меньшего диаметра) и нажать ОК. На рисунке 8 показан результат действий.

 

Рисунок 8 - Построение верхней головки шатуна

 

8. Построение нижней головки шатуна

 

Создать прямоугольную область по размерам, представленным на рисунке 1.

М_М: Preprocessor>ModeIing>Create>RectangIe>Areas>Ву 2 Corners.

Прямоугольную область создать по координатам одного из углов, ширине и высоте прямоугольника (рисунок 9). В поля WP X, WP Y ввести координаты нижнего левого угла прямоугольника: -45, 0. В поля Width, Height ввести соответственно 90, 37.5, и нажимаем ОК.

 

Рисунок 9 - Построение прямоугольной области

 

Круговую область создать с помощью команды

M_M: Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Circle>Solid Circle.

 

В поля WP X, WP Y, Radius ввести соответственно координаты центра отверстия, внутренний радиус нижней головки шатуна: 0,0,30 и ОК.

Вычитание круговой области из прямоугольной (рисунок 10) выполняется аналогично выше описанному способу:

M_M: Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Subtract>Areas.

 

Отметить прямоугольную область и Apply. Далее отметить круговую область и ОК.

 

Рисунок 10 - Построение нижней головки шатуна

 

9. Слияние областей.

 

Слияние областей (рисунок 11) выполняется для образования цельной конструкции шатуна.

М_М: Preprocessor>Modeling>Operate>BooIeans>Add>Areas.

 

Нажать Pick All для слияния всех областей.

Рисунок 11 - Результат слияние всех поверхностей

 

10. Сохранение базы данных модели.

 

U_M:File>Save as Jobname.db.

 

11. Разбиение модели на КЭ.

 

Установка глобального размера КЭ:

М_М: Preprocessor>Meshing>Size Cntrls>ManualSize>GlobaI>Size.

В поле Size ввести размер элемента: 4 (4 мм) и ОК.

Нанесение конечно-элементной сетки:

M_M: Preprocessor->Meshing->Mesh->Areas->Free.

Нажать Pick All для выбора всей модели. На рисунке 12 представлена КЭ модель.

 

Рисунок 12 - Конечно-элементная модель шатуна

 

Решение (Solving)

Решение задачи включает в себя определение методов и параметров расчета, задание граничных условий, запуск решателя.

 

12. Задание граничных условий.

 

Перемещения (Displacement) на границе отверстия нижней головки шатуна:

М_М: Solution>Define Loads>Apply>Structural>Displacement>On Keypoints.

Отметить три ключевые точки на отверстии (располагающиеся в квадрантах окружности -две в горизонтальной и одну в вертикальной плоскостях), точки для закрепления линий, располагающихся на прямой разъёма шатуна и нажимаем ОК.

Выбрать строку ALL DOF (все перемещения).

Ввести 0 в поле Value (определить для всех точек нулевые перемещения).

Установить флажок KEXPND в положение Yes (распространить действие команды на все узлы, лежащие на окружности между ключевыми точками). ОК.

 

 

13. Давление на границе отверстия верхней головки шатуна.

М_M: Solution>Loads>Apply>Structural>Pressure>On Lines.

 

Левой кнопкой мыши выбрать правый нижний квадрант окружности верхней головки шатуна и нажать OK.
В поле Value Load Pres ввести значение 15 (давление 15 МПа). Приложенное давление подсвечивается на экране (см. рисунок 14).

Рисунок 14 - Приложение давления

14. Расчёт.

MM: Solution-»Solve----Current LS.

 

Нажать ОК для запуска программы на счёт, предварительно проанализировав сообщение окне /STAT Command.
После решения задачи закрыть окно Information, нажав Close.

Анализ результатов (Postprocessing)

15. Отображение деформированного и недеформированного состояния шатуна.

 

Устанавливаем первый вариант расчёта для отображения. Для статической задачи он является единственным:

M_M: General Postproc>Read Results>First Set

 

Отображение деформированного состояния шатуна: M_М: General Postproc>Plot Results>Deformed Shape.
Выбрать Def + undeformed и нажать ОК.

Рисунок 15 - Деформированное и недеформированное состояние шатуна

 

16. Отображение полей напряжений и деформаций для ключевых точек (см. рисунок 16).

 

Отображение полей напряжений по Von Mises:

M_М: General Postproc>Plot Results>Contour Plot>Nodal Solu.

 

Выбрать Stress (показать напряжения).

Далее выбрать von Mises Stress (эквивалентные напряжения по Von Mises) и ОК.

Рисунок 16 - Поля напряжений, МПа

 

Отображение деформаций (см. рисунок 17):

M_М: General Postproc>Plot Results>Contour Plot>Nodal Solu.

 

Выбрать DOF Solution>Displacement vector sum и ОК.

Рисунок 17 - Отображение деформаций

17. Одновременное отображение графической и численной информации о напряжениях и деформации.

 

Для наглядности отобразить шатун в виде поверхностей:

U_M: PIot>Areas.

Для того чтобы узнать численное значение деформации или напряжения в любой точке, необходимо выполнить команду:

M_M: General Postproc>Query ResuIts>Subgrid Solu.

Далее мышкой указывать интересующие точки.

 

18. Выход из Ansys.

 

Для выхода из Ansys выбрать в верхнем меню U_M: File>Exit либо в инструментальной панели ТВ: QUIT.
В окне Exit form ANSYS выбрать пункт Save Geo+Ld+Solu для сохранения геометрии, граничных условий (закреплений и нагружений) и результатов решения. ОК.

< Предыдущая		Следующая >