Основные этапы решения задач механики в пакетах компьютерной механики (на примере пакетов ansys и nastran)

В системах CAD/CAM/CAE (Computer Aided Design / Computer Aided Manufacturing /Computer Aided Engineering) наиболее «наукоемким» элементом является сегмент CAE, предназначенный для всестороннего исследования механических, температурных и других физических свойств исследуемого объекта. Теоретической основой подавляющего большинства современных CAE-систем является метод конечных элементов (МКЭ). Одной из наиболее популярных конечно-элементных программ является пакет ANSYS. Этот пакет позволяет решать задачи механики твердого деформируемого тела, теплообмена, гидродинамики и электромагнетизма. К числу достоинств пакета следует также отнести возможность решения связанных задач механики сплошных сред и задач оптимизации.

Работать с программой ANSYS можно с помощью как графического интерфейса пользователя – интерактивный режим, так и с помощью команд – командный режим. Анализ любой задачи в ANSYS происходит с помощью следующих этапов:

•Построение модели.

•Решение задачи.

•Постпроцессорная обработка результатов.

Для выполнения задач на каждом этапе используется свой процессор.

1. Построение модели. Моделирование объекта – это основной и самый трудоемкий по времени этап решения задачи. Моделирование производится в препроцессоре PREP7. На этом этапе, исходя из математических моделей механики, задается геометрическая модель объекта, определяются типы используемых элементов, задаются свойства материала и краевые условия.

1.1. Присвоение имени файлу базы данных.

1.2. Определение заголовка.

1.3. Определение единиц измерения. Поскольку в расчетах по умолчанию используется британская система мер, то для перехода к системе единиц СИ необходимо задать команду /UNITS.

1.4. Определение типа элемента. Библиотека элементов ANSYS содержит более 100 различных типов элементов. Каждый элемент имеет свое имя, описывающее семейство элементов, необходимых для моделирования соответствующего объекта, и номер. Типом элемента определяется: a)Степени свободы элемента (которые в свою очередь влияют и на тип анализа – механический, термический, магнитный, электрический). b) Модель объекта – одномерная, двумерная или трехмерная. Балочный элемент BEAM4, например, имеет 6 степеней свободы (UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ) в узле и используется для моделирования стержневых конструкций в 3-х мерном пространстве. Плоский элемент PLANE77 имеет в качестве степеней свободы узловые температуры и может использоваться для моделирования только плоских объектов.

1.5. Определение опций элемента. У каждого типа элементов обычно необходимо задать опции. Эти опции позволяют управлять различными параметрами элемента. Например, у элемента SOLID95 опции следующие: выбор локальной системы координат, связанной с элементом; выбор точек, в которых происходит вычисление данных (например, напряжений) на поверхности элемента: например, в квадратичных точках; правило численного интегрирования для построения, например 2*2*2.

1.6. Определение констант элемента. Для некоторых элементов необходимо задавать константы элемента. Константы элемента зависят от типа элемента. Так, например, константы для элемента BEAM3, 2-D балочного элемента – это площадь сечения (AREA), момент инерции (IZZ), высота сечения (HEIGHT), константа сдвига (SHEARZ), начальная деформация (ISTRN), и добавленная масса (ADDMAS). Для оболочечных элементов это толщина TK(I) и др. 1.7. Определение свойств материала. В зависимости от задачи в ANSYS могут быть заданы следующие свойства материала: a) Линейные или нелинейные. b)Изотропные, ортотропные и анизотропные.c) Зависящие от температуры или независящие.

1.8. Создание конечно-элементной модели. Есть два метода создания конечно-элементной модели – это твердотельное моделирование и прямое моделирование. Твердотельное моделирование – это вначале создание геометрической модели объекта, т.е. описание его геометрической формы, а затем построение сетки конечных элементов на ней. Прямое моделирование – это непосредственное геометрическое задание узлов элемента.

1.9. Приложение нагрузок. Под нагрузками в ANSYS подразумевается задание всех видов краевых условий. Например, в случае решения задачи по механике деформируемого твердого тела – это задание поля перемещений на некоторой поверхности (условия закрепления) и поля сил (локальных, поверхностных, объемных). Все нагрузки можно разделить на следующие категории:

DOF Constraints – ограничения на степени свободы. Forces – узловые силы. Surface Loads –поверхностные силы. Body Loads – объемные силы. Inertia Loads – инерционные нагрузки. Coupled-field Loads – нагрузки в анализе смешанных полей (термоупругий анализ, аэроупругий анализ и др.).

На этом заканчивается моделирование и, соответственно, работа в препроцессоре PREP7, и можно переходить к этапу решения.

Замечание. Данный этап может быть выполнен также и в процессоре решения SOLUTION.

2. Решение задачи. На этом этапе необходимо использовать процессор решения SOLUTION для того, чтобы определить тип анализа и опции анализа, приложить нагрузки, задать начальные условия и решить_задачу.

2.1. Определение типа анализа. STATIC – стационарный анализ. Используется для решения всех типов задач (механики деформируемого твердого тела, механики жидкости и газа, термического анализа и т. д.). BUCKLE–анализ задачи устойчивости в линейной постановке. Подразумевает, что предварительно был проведен стационарный анализ с вычислением предварительно напряженного состояния [PSTRES, ON]. Используется только для задач механики твердого деформируемого тела. MODAL – модальный анализ–анализ конструкции на собственные частоты и формы.Используется только для задач механики твердого деформируемого тела. HARMIC – гармонический анализ. Используется для задач механики твердого деформируемого тела, механики жидкости и газа и электромагнитного анализа. TRANS – нестационарный анализ. Используется для решения всех типов задач. SUBSTR – анализ с применением метода подконструкций. Используется для решения всех типов задач. SPECTR – спектральный анализ. Подразумевает, что предварительно проведен модальный анализ. Используется только для задач механики_твердого_деформируемого_тела.

2.2. Спецификация решения. На этом этапе в зависимости от типа выбранного решения, а также в зависимости от типа задачи определяются параметры: a) выбор метода решения получаемых систем уравнений, b) задание параметров решения (шаг нагрузки, количество шагов, шаг интегрирования, количество определяемых собственных форм и др.), c) задание точности решения, d) задание параметров записи результатов в файл и др. Для корректного задания спецификации решения необходимо знать свойства решений анализируемых задач.

2.3. Решение задачи. Для того чтобы начать решение задачи, необходимо выполнить: Main Menu> Solution> -Solve-Current LS, если дополнительные результаты должны считываться из файла нагрузки, то: Main Menu> Solution> -Solve-From LS Files. При выполнении этой команды ANSYS берет модель и информацию по нагрузкам из файла базы данных и вычисляет результат. При этом результат записывается в файл результатов (Jobname.RST, Jobname.RTH, Jobname.RMG, Jobname.RFL), а также и в файл базы данных.

2.4. Файлы данных ANSYS. Файл базы данных – это основной файл, образующийся при работе программы. Он имеет расширение.db. В файле базы данных программа сохраняет все вводимые данные, результаты решения и постпроцессорной обработки. Главное достоинство этого файла – это возможность быстро модифицировать модель.

2.5. Ошибки в работе. При работе с программой могут возникать различные ошибки. ANSYS сигнализирует о них появлением желтого окна сообщения, в котором будет кратко объяснена структура ошибки. В ANSYS все ошибки делятся на критические ошибки ERROR и предупреждения WARNING.

3. Обзор результатов решения задачи. Как только решение вычислено, можно получить доступ к результатам, используя в зависимости от типа получаемых данных два постпроцессора POST1 и POST26. POST1 (General Postprocessor – общий постпроцессор) используется для обзора результатов в стационарной задаче или в течение отдельного шага решения в нестационарной задаче, для получения линий уровня напряжений, деформаций и др. Постпроцессор POST26 (Time History Postprocessor – временной постпроцессор) используется для обзора результатов в виде u = u (t), где t – параметр нагрузки, частоты и др.

В эту схему может быть включён оптимизатор (модель строится в параметрической форме, осуществляется построение целевой функции для нахождения min, max.). Желательно решать двумя методами, чтобы не допустить погрешностей вычислений.