Российской Федерации Тольяттинский государственный университет Кафедра «Оборудование и технология сварочного производства и пайки»

4. ИНЖЕНЕРНЫЙ АНАЛИЗ В МАШИНОСТРОЕНИИ Развитие средств вычислительной техники стимулировало рас­пространение инженерного анализа практически на все этапы про­ектирования как отдельных деталей, узлов и агрегатов, так и изде­лий в целом. Многообразие физических процессов в наукоемких изделиях, субъективность в постановке задач анализа, в подходах к идеализации протекающих процессов, в выборе методов реше­ния и многие другие причины привели к созданию огромного чис­ла специальных методик, алгоритмов и программ, предназначен­ных для решения задач анализа машиностроительных изделий. В этом разделе основное внимание уделяется вопросам организации сквозного процесса конструирования и анализа в концепции CALS-технологий и особенностям использования наиболее распростра­ненных программ. Можно условно выделить четыре основные группы программ анализа: • программные системы проектирования; • универсальные программы анализа; • специализированные программы анализа; • программы анализа систем управления. Первая группа программ - программные системы проектирова­ния, органически объединяющие процессы конструирования и ана­лиза в едином комплексе, о них уже шла речь выше. К числу про­граммных систем проектирования относятся системы CATIA5, EUCLID3, UNIGRAPHICS и др. При их использовании не возни­кают трудности с созданием сложной и математически точной мо­дели изделия, так как только эти системы обладают самыми мощ­ными средствами геометрического моделирования. Организация обмена между подсистемами конструирования и анализа также не­заметна для пользователя - обе подсистемы оперируют с одной базой данных или имеют внутренние форматы данных. Состав раз­личных видов анализа ограничен по сравнению с составом уни­версальных программ и в основном предназначен для решения та­ких задач, как структурный анализ, линейный статический анализ, модальный анализ, анализ (продольных) деформаций, тепловой анализ, анализ устойчивого состояния (электропроводность, линей­ная конвекция) и др. Во вторую группу программ входят универсальные программы анализа машиностроительных изделий. Мировыми лидерами в области разработки, поставки и сопровождения этих программ яв­ляются ANSYS, Inc. (США), SAMTECH (Бельгия), MacNeal Schwendler Corporation (MSC) (США). В 1970-е годы одним из ве­дущих методов компьютерного моделирования стал метод ко­нечно-элементного анализа (FEA). Благодаря разработкам этих и многих других фирм, инженерный анализ стал практически по­всеместным и постепенно перерос в мощное направление, полу­чившее свое воплощение в системах автоматизированного анализа (САЕ). Фирмой ANSYS, Inc. разработано семейство программ анали­за. Ведущей многоцелевой программой этого семейства является ANSYS/Multiphysics [5]. В дополнение к ней создано подмноже­ство автономных, специализированных пакетов, расширяющих возможности основной программы. Среди них можно выделить следующие: • ANSYS/Mechanical - решение задач прочности, теплопереда­чи и акустики. Расчет и оптимизация конструкции, определение перемещений, напряжений, усилий, давлений и температур можно выполнить с помощью этого пакета; • ANSYS/Structural - прочностной анализ проектируемого из­делия с учетом геометрических и физических нелинейностей, не­линейного поведения конечных элементов и потери устойчивости; • ANSYS/LinearPlus - упрощенная версия пакета ANSYS/ Mechanical, предназначенная для решения задач линейной стати­ки, динамики и устойчивости конструкции; • ANSYS/Thermal - может использоваться для анализа тепло­вых стационарных и нестационарных процессов; • ANSYS/PrePost - предназначен для построения конечно-эле­ментной сетки на стадии подготовки задачи и обработки результа­тов решения в требуемом виде. Дополнительными программами этой фирмы, которые можно использовать совместно с ANSYS/Multiphysics или автономно, яв­ляются: • ANSYS/FLOTRAN - позволяет выполнять решение задач гид­роаэродинамики, включая ламинарное и турбулентное течение не­сжимаемых или сжимаемых потоков; • ANSYS/Emag - используется для моделирования электромаг­нитных полей; • ANSYS/LS-DYNA - предназначена для решения прочностных задач динамики с учетом больших нелинейностей, среди которых могут быть задачи поведения изделия при столкновениях и ударах, при конечных деформациях, а также задачи нелинейного поведе­ния материала и т.п. ANSYS/LS-DYNA PrePost обладает всеми средствами подготов­ки данных для решения и обработки полученных результатов. Компанией SAMTECH в сотрудничестве с Лабораторией аэро­космических технологий Льежского университета разработана уни­версальная система анализа SAMCEF [6], все расчетные модули которой связаны с единым графическим пре- и постпроцессором BACON. Универсальная комплексная система программ SAMCEF также имеет модульную структуру, включая: • THERNL - нелинейный температурный анализ стационарных и переходных режимов; расчет задач электропроводности, конвек­ции, излучения. Исследования электрических и тепловых явлений, связанных с ударом молнии или искровым разрядом; • ASEF - линейный статический анализ с учетом нелинейных условий; • SPECTRAL - расчет случайных характеристик усталостных разрушений, базирующийся на спектральном анализе; • REPDYN - анализ переходных, гармонических и сейсмичес­ких процессов; • STABI - определение условий потери устойчивости конструк­ции; • DYNAM - расчет собственных частот упругих систем; Среди дополнительных разработок этой фирмы можно выде­лить следующие программы: • FOURIER - линейный статический анализ задач Фурье; • MECANO / STRUCTURE - новая программная среда, откры­вающая возможности совместного нелинейного анализа структу­ры и податливости элементов механизмов. Впервые была исполь­зована для исследования авиационной и космической техники; • COMPOSITES - база данных композитных материалов; • ROTOR - уникальный инструмент динамического анализа вращательных механизмов; • BOSS/QUATTRO - пакет предназначен для оптимизации ра­боты программной среды SAMCEF и др. Основные программные разработки фирмы MSC это: • MSC.NASTRAN - анализ линейной и нелинейной статики и динамики, устойчивости, теплопередачи, акустики, аэроупругос­ти, оптимизации конструкций; • MSC.PATRAN - интегрированная среда систем моделирова­ния, анализа и проектирования на основе современного графичес­кого пользовательского интерфейса; • MSC.DYTRAN - анализ высоконелинейных быстротекущих динамических процессов. Столкновение конструкций с разруше­нием, попадание предметов в авиадвигатель, обрыв лопатки, взры­вы, штамповка металла и т.д.; • MSC.MARC - комплексный нелинейный анализ конструкций и решение сложных задач термопрочности; • MSC.FATIGUE - новые методы анализа ресурса и долговеч­ности. Усталость, появление и рост трещин, оптимизация конст­рукции по критерию долговечности; • MSC.CFDesign - газо- и гидродинамика в среде MSC. NASTRAN. Задачи течения жидкости и газа с учетом тепловых про­цессов; • MSC.Working FEA - прочностные расчеты в пакетах AutoCAD, SolidWorks и SolidEdge; • MSC.NVH_Manager - комплексный анализ акустики, вибра­ций и устойчивости автомобиля; • MSC.AMS - пре- и постпроцессор для моделирования конст­рукции автомобиля; • MSC.Flight Loads&Dynamics - комплексный анализ аэроупру­гих, динамических и прочностных характеристик летательных ап­паратов; • MSC.MVISION- данные о свойствах материалов. Пакет ADAMS (фирма Mechanical Dynamics, Inc.) используется для динамического и кинематического анализа сложных механи­ческих схем механизмов, статического и модального анализа. С помощью этого пакета могут решаться задачи, например, стыков­ки космических аппаратов, динамики полета и посадки и т.п. Дву­сторонняя связь с конечно-элементными пакетами (ANSYS, MSC.NASTRAN, ABAQUS, I-DEAS) позволяет встраивать неогра­ниченное число конечно-элементных моделей в механизм для уче­та влияния деформируемости на поведение системы. В ADAMS обеспечен обмен информацией с CAD-системами и пакетами ма­тематических методов (MATLAB, MATRDC, EASY5). Краткий перечень возможностей универсальных программ по­казывает, что в них наиболее полно разработаны различные виды инженерного анализа, включая: статический и динамический ана­лиз, анализ устойчивости, нелинейный температурный анализ (в том числе с учетом процесса фазового перехода или химических реакций), спектральный анализ, статический анализ циклических структур, расчет электрического поля и др. Универсальные про­граммы используются при проектировании изделий машиностро­ения, судостроения, аэрокосмической и электротехнической отрас­лей для решения таких специфических задач, как нелинейный теплообмен (с переходным или стационарным режимом, включая воздействие радиации), структурная оптимизация, анализ упругих механизмов, усталостные разрушения, анализ явлений вязкопластичности и др. Многоцелевая направленность этих программ дает возможность применять их для решения даже таких смешанных задач, как анализ прочности при тепловом нагружении, влияние магнитных полей на прочность конструкции, тепломассоперенос в электромагнитном поле. Программы позволяют учитывать раз­нообразные конструктивные нелинейности, наличие больших де­формаций, получать решение задач гидроаэродинамики и др. В универсальные программы анализа включены собственные средства построения геометрической модели изделия. Однако воз­можности геометрического моделирования этих пакетов намного слабее по сравнению с программными системами проектирования, так как с их помощью могут решаться задачи твердотельного мо­делирования сравнительно простых форм. Все универсальные программы анализа имеют стандартные фор­маты обмена графической информацией с пакетами конструирова­ния. При необходимости геометрическая модель проектируемого изделия может быть предварительно создана на этапе конструиро­вания в CAD-системе. Третью группу программ составляют многочисленные специа­лизированные программы. К их числу можно отнести: • пакет MSC.SuperForge (фирма MSC) - предназначен для объем­ного моделирования процессов штамповки и ковки. Результаты анализа могут быть использованы для проектирования оснастки и технологических процессов. Кроме американской фирмы MSC, признанными лидерами в области моделирования процессов штамповки и ковки также являются американская компания SFTC (система DEFORM), французская компания TRANVALOR (систе­ма FORGE) и российская фирма «Квантор-Софт» (система Qform). В области разработки программных сред инженерного анализа значительные результаты получены российскими фирмами. При­ведем примеры пакетов, фирм, выполнивших разработку, и пере­чень основных задач, решаемых с их помощью: • Euler (Автомеханика) - динамический анализ многокомпо­нентных механических систем; • ИСПА (АЛЕКСОФТ) - расчет и анализ на прочность; • ПОЛИГОН (ЦНИИ материалов) - система моделирования ли­тейных, гидродинамических, тепловых и усадочных процессов в ЗD-постановке; • РИМАН (ПроПроГруппа) - расчет и анализ напряженно-де­формированного состояния конструкций, решение упругих и пла­стических задач, в том числе штамповки и ударных напряжений; • АРМ WinMachine (НТЦ АПМ) - комплекс программ для про­ектирования и расчетов деталей машин, анализа напряженно-деформированного состояния конструкций и их элементов; • ДИАНА (НИЦ АСК) - анализ конструкций и их элементов; • GasDinamics Tool (Тульский государственный университет)-мо­делирование газодинамических процессов и др. К сожалению, многие из перечисленных пакетов не имеют стан­дартных интерфейсов, и их использование в сквозных процессах проектирования проблематично. Для исследования динамических процессов, протекающих в системах автоматического регулирования и управления, а также для решения других задач анализа, широкое применение находят спе­циальные программные комплексы MATRIX, Simulink, VisSim, EASY5, МВТУ, составляющие четвертую группу программ. Ана­лиз динамических процессов на примере программы МВТУ рас­сматривается ниже (см. разд. 1.4.5). 4.1. Постановка задачи конечно-элементного анализа Различные виды анализа, выполняемые в программных систе­мах первой, второй и третьей групп, основаны на классических инженерных подходах к разработке математических моделей по­ведения изделия при различных воздействиях. В конечно-элемент­ной постановке задачи моделирования исследуемая область пред­варительно разбивается на ограниченное множество конечных эле­ментов, связанных между собой конечным числом узлов. Искомы­ми переменными уравнений математических моделей являются перемещения, повороты, температура, давление, скорость, потен­циалы электрических или магнитных полей. Эти переменные оп­ределяют степени свободы узлов. Их конкретное содержание за­висит от типа (физической природы) элемента, который связан с данным узлом. Например в задачах прочностного анализа для каж­дого элемента с учетом степеней свободы его узлов могут быть сформированы матрицы масс, жесткости (или теплопроводности) и сопротивления (или удельной теплоемкости). Множество степе­ней свободы, определяющих состояние всей системы в данный момент, называют волновым фронтом, который может расширяться или сужаться по мере того, как неизвестные переменные вводятся в рассматриваемую совокупность или исключаются из нее. После прохождения волнового фронта через все элементы и вычисления всех искомых переменных можно анализировать полученные ре­зультаты и строить гипотезы о поведении исследуемого изделия. В постановке задачи прочностного динамического анализа учи­тывается возмущающее воздействие, которое является функцией времени. Можно принимать во внимание рассеяние энергии, инер­ционные эффекты и переменные во времени нагрузки. Примерами таких нагрузок являются: • циклические нагрузки (например, вращение коленчатого вала двигателя); • внезапно прикладываемые нагрузки (удар или взрыв); • случайные нагрузки и любые другие переменные нагрузки. Общее уравнение движения в конечно-элементной форме запи­сывается в виде MU"+CU'+KU=F(t), где М, С, К - матрицы соответственно масс, сопротивлений, жесткостей; U", U', U - векторы соответственно узловых ускорений, узловых скоростей, узловых перемещений; F - вектор нагрузок; t - время. Искомые переменные системы уравнений - это элементы век­тора узловых перемещений U, которые в любой момент времени должны удовлетворять условиям равновесия системы при нали­чии сил инерции и рассеяния энергии. Решение этой системы урав­нений выполняется либо прямым методом Ньюмарка, либо мето­дом суперпозиции форм колебаний. К такому типу анализа отно­сятся: динамика переходных процессов, модальный анализ, отклик на гармоническое воздействие, спектральный анализ и отклик на случайную вибрацию. Если действие сил инерции или процессы рассеяния энергии пренебрежимо малы и не оказывают существенного влияния на поведение изделия, то задача может быть сформулирована в виде статического прочностного анализа. Такой тип анализа наиболее часто используется, например, для определения концентрации на­пряжений в галтелях конструктивных элементов или для расчета температурных напряжений, для определения перемещений, на­пряжений, деформаций и усилий, которые возникают в изделии в результате приложения механических сил. Уравнение статического анализа записывается в виде KU=F, где К- матрица жесткостей; U - вектор перемещений; F - вектор сил. Компоненты вектора сил: сосредоточенные силы, тепловые на­грузки, давления и силы инерции. В процессе анализа можно учи­тывать такие нелинейные свойства, как пластичность и ползучесть материала, большие прогибы, большие деформации и контактное взаимодействие при условии, что нагрузки возрастают постепен­но. 4.2. Библиотека конечных элементов В каждой программе, реализующей конечно-элементный ана­лиз, описывается совокупность используемых элементов. Чем шире набор и функциональные свойства элементов, тем большими воз­можностями обладает тот или иной программный комплекс. При­меры некоторых конечных элементов, их графическое представле­ние и краткое описание приведены в табл. 1.1. При этом не ставилась задача сравнить возможности библиотек тех или иных пакетов, равно как и не преследовалась цель описать все особенности, ко­торыми отличаются элементы этих библиотек. Эти и многие дру­гие сведения могут быть найдены в специальной литературе. Конечные элементы обычно группируются по их назначению, например: • элементы стационарного и нестационарного теплообмена; • элементы для моделирования вязкоупругих и вязкопластичных материалов; • элементы сплошной среды для анализа движения потоков жидкости и газа, решения задач гидроаэромеханики, акустики и течения сред в каналах; • элементы для расчета статических и динамических напряже­ний; • элементы для анализов, включающих как тепловые, так и элек­трические эффекты; • элементы для анализа произвольно меняющихся во времени магнитных полей; • элементы связанной задачи для расчетов, в которых учитыва­ется взаимовлияние результатов двух или более видов анализа (прочностного, теплового, магнитного, сплошной среды, электрического); • элементы для моделирования нелинейного контакта; • элементы комбинированные, матричные, поверхностные и др. Таблица 1.1 Название элемента Графическое представление Коли­чество узлов Размерность пространства Степени свободы Стержень 2 2D Перемещения (X, Y) Упругая балка 2 2D Перемещения (X, Y), вращение (Z ) Гибкая нить 2 3D Перемещения (X, Y ), вращение (Z ) Упругая балка 2 3D Перемещения (X.Y, Z), вращение (X, Y, Z) Треугольный твердотельный элемент 6 2D Перемещения (X, Y ) Осесимметричный твердотельный элемент для гармонического анализа 4 2D Перемещения (X, Y, Z] Прочностной твердотельный элемент 4 2D Перемещения (X, Y ) Прочностной твердотельный элемент 8 3D Перемещения (X, Y) Прочностной оболочечный элемент 8 3D Перемещения (x,y, Z), вращение (X, Y, Z) Оболочечный элемент с конечными деформациями 4 3D Перемещения (X,Y, Z) вращение (X, Y, Z) Прочностной твердотельный элемент 8 3D Перемещения (X, Y, Z) Твердотельный элемент со степенями поворота 4 3D Перемещения (X, Y, Z) вращение (X, Y, Z) Прочностной твердотельный элемент 20 3D Перемещения (X, Y, Z) Название элемента Графическое представление Коли­чество узлов Размерность пространства Степени свободы Вязкоупругий твердотельный элемент 20 3D Перемещения (X, Y, Z) Твердотельный элемент с конечными деформациями 8 2D Перемещения (X, Y, Z) Прочностной твердотельный элемент 8 3D Перемещения (X,Y, Z) скорости (X, Y, Z), вектор магнитных потенциалов (X, Y, Z) Гиперупругий смешанный U-P твердотель­ный элемент 4 3D Перемещения (X, Y, Z) Гиперупругий твердотельный элемент 8 3D Перемещения (X,Y, Z) Теплопроводящий стержень 2 3D Температура Осесимметричный тепловой твердо­тельный элемент для гармоничес­кого анализа 4 2D Температура Тепловой твердотельный элемент 8 3D Температура Прочностной твердотельный элемент 20 3D Температура Акустический элемент сплошной среды 4 3D Перемещения (X, Y), давление Трубчатый элемент тепло-массообмена 2 3D Температура, давление Элемент контакта 4 3D Перемещения (X, Y, Z) Электро­статический твердотельный элемент 20 3D Напряжение Название элемента Графическое представление Коли­чество узлов Размерность пространства Степени свободы Твердотельный элемент связанной задачи (тепло+ электричество) 4 2D Температура, напряжение Источник тока 2 2D Скалярный магнитный потенциал Твердотельный элемент связанной задачи 4 2D Перемещения (X, Y), температура, напряжение, вектор магнитных потенциалов (Z) Твердотельный элемент связанной задачи 8 3D Перемещения (X, Y,Z), температура, напряжение, скалярный магнитный потенциал Осесимметричный гармонический элемент ддя анализа течения среды в каналах 4 2D Перемещения (X, Y, Z) Элемент тепломассообмена модуля FLOTRAN 8 3D Перемещения (X,Y, Z), давление, температура, кинетическая энергия турбулентного потока, параметр рассеяния турбулентной энергии Амортизатор 2 3D Перемещения (X,Y, Z), вращение (X, Y, Z) давление, температура Элемент пограничного эффекта 8 3D Перемещения (X,Y,Z), температура Матричный элемент жесткости, массы или сопротивления 2 3D Перемещения (X.Y,Z), вращение (X, Y, Z ) Элемент условий на бесконечность 4 3D Вектор магнитных потенциалов (Z), напряжение, температура Конечные элементы предназначены для формализации задач в двумерной (2D) или трехмерной (3D) постановке. Графическими примитивами элементов являются «узел», «связь», «грань». Элементы могут быть линейными или нелинейными (с проме­жуточными узлами в середине связи). Нелинейные элементы по­зволяют получать более достоверные результаты.

Похожие:

	"Приемы достижения репрезентативности перевода рекламного текста" Министерство образования и науки российской федерации тольяттинский государственный университет		Российской Федерации Уральский государственный технический университет... Особенности создания систем накопления для многомерной мессбауэровской спектрометрии
	Российской Федерации Новосибирский государственный архитектурно-строительный... «Строительство» и специальности 270105 – «Городское строительство и хозяйство» всех форм обучения		«Ставропольский государственный медицинский университет» Министерства... Тема №22 «Проблемы орз в патологии детей раннего возраста. Профилактика, лечение и организационные принципы оздоровления чбд»
	Российской Федерации Тверской государственный технический университет... Составлены в соответствии с программой дисциплин «Тракторы и автомобили» и «Транспортные и базовые машины» Тверского государственного...		Услуги технического перевода с английского на русский язык в сфере... Тольяттинский государственный университет; направление: Перевод и переводоведение. Степень бакалавра
	Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение... «Совершенствование операционных систем организации на основе методологии бережливого производства»		Документация открытого аукциона на право заключить государственный... Управление по организации конкурсов и аукционов Нижегородской области (далее уполномоченный орган). Местонахождение и почтовый адрес:...
	Российской Федерации Волгоградский государственный медицинский университет... В представленных разделах рассматривается полный фармацевтический анализ сульфаниламидных препаратов. Учебно-методическое пособие...		Астраханский государственный медицинский университет министерства... «Фармацевтические науки: от теории к практике», состоявшейся 25 ноября 2016 г в Федеральном государственном бюджетном образовательном...
	Образования Российской Федерации томский государственный университет... Алгоритм построения совокупной модели пересечения трехмерных объектов, 3ds формат, dll, плагин для 3ds max		Программа «Учебной практики» Направления подготовки 261400. 62 «Технология... Министерство образования и науки российской федерации федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального...
	Тольяттинский государственный университет инструкция по охране труда при работе на высоте ...		Г45 государственный стандарт российской федерации оборудование сваебойное... ...
	Рабочая учебная программа дисциплины Технология и оборудование производства изделий твердотельной электроники и наноэлектроники		Н. Е. Данилина Тольяттинский государственный университет, Тольятти, Россия Энергообъекты, на которых образуются токсические отходы, должны обеспечивать их своевременную утилизацию и захоронение на специальных...