Transient structural ansys для чего

Расчет вибропрочности конструкций

Вибрации в конструкциях и механизмах, в зависимости от характера колебаний, могут быть периодическими и случайными. Случайные вибрации представляют собой набор непериодических колебаний. Анализ случайных вибраций основывается на статистике. Примерами случайных вибраций могут служить: ветровые нагрузки на здание, вибрации в авиационной, ракетной, железнодорожной и автомобильной технике, возникающие в процессе эксплуатации.

У случайной вибрации есть ряд особенностей, которые вызывают определенные сложности при исследовании проблемы, а именно:

Рисунок 1 – Пример случайной вибрации

Периодические колебания, напротив, могут быть описаны точными математическими соотношениями и представлены как ряд Фурье. Поэтому для упрощенного описания поведения конструкции, например, в автомобилестроении, применяется данный идеализированный вариант модели описания колебаний системы.

При эксплуатации автомобиля его компоненты неизбежно испытывают вибрации (автоколебания или вынужденные колебания). При продолжительном воздействии вибрации в деталях и узлах накапливаются напряжения, что может привести к так называемой усталости металла.

Усталость металла – это процесс постепенного накопления повреждений, то есть даже при небольших деформациях в конструкции могут возникать и развиваться трещины (рисунок 2). В первую очередь в конструкции могут разрушиться наиболее нагруженные места, такие как неразъемные соединения, и, как следствие, к ним предъявляются наиболее высокие требования.

Рисунок 2 – Разрушение коленчатого вала вследствие развития усталостной трещины

Особо пагубное влияние на срок службы транспортного средства оказывает явление резонанса. Как известно, резонанс возникает при совпадении частоты внешнего воздействия с частотой собственных колебаний этой системы. При резонансе происходит резкое возрастание амплитуды колебаний системы, что приводит к большим деформациям и, как следствие, к разрушению конструкции.

Таким образом, важной задачей является проведение тестов на вибрацию для определения долговечности конструкций. В настоящее время существует возможность проводить данные эксперименты виртуально, средствами численного моделирования, в частности, с помощью ПО Ansys.

Выбор инструмента моделирования

Для определения отклика конструкции на воздействие сил, меняющихся во времени, традиционно используется одна из систем анализа Ansys Mechanical: Harmonic Response (Гармонический отклик/Гармонический анализ), Random Vibration (Случайные вибрации) или Transient Analysis (Временной анализ/Анализ переходных процессов) и пр. Сфера применения данных систем для расчета различна.

Рисунок 3 – Компоненты Ansys Workbench для решения задач вибрации

В данной статье подробнее остановимся на использовании инструментов Harmonic Response и Transient Analysis для моделирования вибрационных тестов. Гармонический анализ позволяет определять установившийся отклик системы на воздействие, действующее на конструкцию по гармоническому закону. Переходные колебания, происходящие в начале возбуждения, не учитываются в гармоническом анализе. Данный расчет также не учитывает нелинейность – как физическую, так и геометрическую.

Ниже представлено определяющее уравнение для гармонического анализа.

Рисунок 4 – Основные положения, заложенные в гармоническом анализе

Для более полного анализа отклика конструкции используется Transient Analysis. Динамический анализ переходных процессов используется для определения динамического отклика конструкции под влиянием любых меняющихся во времени сил и воздействий. В отличие от гармонического анализа, используя данный метод, мы можем учитывать нелинейности любого типа.

В случае анализа переходных процессов мы имеем дело с более общим уравнением, отличающимся от определяющего уравнения гармонического анализа тем, что в правой части стоит произвольная (но меняющаяся во времени) нагрузка.

Таким образом, если нагрузка, зависящая от времени, не подчиняется гармоническому закону или же необходим учет нелинейного поведения материала, больших перемещений, то выбор очевиден – Transient Analysis. Но стоит отметить, что данный тип анализа требует больших вычислительных ресурсов, и время расчета намного выше, чем при гармоническом анализе.

Постановка задачи

Рисунок 5 – Геометрия спойлера

Определим усталостную долговечность конструкции под воздействием заданной циклической нагрузки. Долговечность конструкции определяется при помощи кривой Веллера (S-N кривой), представляющей собой зависимость напряжений, при которых происходит разрушение материала, от числа этих циклов. Пример данной кривой для стали 3 представлен на рисунке 6.

Рисунок 6 – Пример кривой усталости (S-N кривой) для Ст3

Определение собственных частот колебаний

Анализ конструкции под воздействием вибрации начинается с определения собственных частот и форм колебаний этой конструкции для выявления возможной близости расчетной частоты к резонансной.

Для рассматриваемой конструкции спойлера самая близкая собственная частота к расчетной – 48,32 Гц. Форма колебаний, соответствующая данной частоте, представляет собой колебания вдоль оси Y, то есть колебания перпендикулярно лезвию спойлера (рисунок 7).

Рисунок 7 – Форма колебаний на резонансной частоте

Решение задачи Harmonic Response VS Transient Structural

Для определения времени работы конструкции в данном режиме проведем гармонический анализ. Спойлер закреплен на корпусе автомобиля по основаниям стоек, ускорение вибрации направлено перпендикулярно лезвию спойлера (вдоль оси Y).

В результате расчета получаем распределение напряжений, представленное на рисунке 8. Мы видим, что максимум достигается в месте сужения стойки. Данный факт обусловлен наличием концентратора напряжений.

Вообще, при создании конструкции, которая должна работать безотказно под воздействием повторяющихся (усталостных) нагрузок, необходимо, по возможности, избавляться от концентраторов напряжений, которыми могут являться: острые углы, переходы валов на другой диаметр, сварные соединения и так далее. Для каждого из видов концентраторов напряжений применяются различные действия по уменьшению величины напряжений в них. Для острых углов – это скругления достаточного радиуса; для сварных швов – более качественное выполнение сварки с зачисткой поверхности шва.

Рисунок 8 – Распределение эквивалентных напряжений, МПа

Теперь узнаем, насколько долговечен спойлер с имеющейся конструкцией стоек. Срок жизни будем определять согласно усталостной кривой Веллера для стали (рисунок 9).

Рисунок 9 – Кривая Веллера, используемая в расчете

На рисунке 10 представлена долговечность конструкции в часах. Время жизни стойки составляет чуть больше получаса, что говорит о необходимости внесения конструктивных изменений.

Рисунок 10 – Долговечность стойки спойлера, часы

Для обеспечения требуемой долговечности конструкции возможно внесение одного или нескольких конструкционных изменений. Такими изменениями для расчетного объекта могут быть:

В нашем случае увеличим радиус скругления концентратора с 0.05 мм до 0.25 мм. Теперь минимальное время жизни спойлера, согласно гармоническому анализу, составляет более полутора часов (рисунок 11), что соответствует поставленным требованиям.

Рисунок 11 – Долговечность стойки спойлера, часы

Для верификации проведем расчет измененной конструкции в Transient Structural с учетом нелинейности. На рисунке 12 представлено распределение эквивалентных напряжений. Максимальное значение напряжений возникает в начале колебательного процесса, и далее амплитуда напряжений выходит на плато.

Рисунок 12 – Распределение эквивалентных напряжений, МПа

Долговечность конструкции после конструктивных изменений удовлетворяет требованиям поставленной задачи (рисунок 13).

Рисунок 13 – Долговечность конструкции, циклы

Заключение

Конструкции, на работу которых накладываются условия обеспечения усталостной долговечности, необходимо подвергать вибрационным испытаниям: первичным и после каждого конструкционного изменения. При таком подходе натурные вибрационные тесты экономически неэффективны, поэтому всё чаще их заменяют виртуальными испытаниями.

В ходе виртуального вибрационного теста с помощью ПО Ansys подобран оптимальный радиус скругления для конструкции стоек. Внесенное конструкционное изменение обеспечивает требуемую долговечность конструкции спойлера.

Источник

Transient Structural Analysis In ANSYSВ® Mechanical

The difference between transient structural analyses from static structuraЕџ analyses is the use of loads and boundary conditions that time-dependent. For example, a load in static structural analyses does not change or changes slightly that do not disrupt the steady-state conditions. But in transient structural analyses, loads or boundary conditions can change abruptly over time.

If you are interested to learn the ANSYS В® at an engineering level, click on the given link or the ‘Shop Now’ button to check the recommended book by Mechanical Base, from Amazon!

In transient structural analyses, we are curious about the dynamic responses of the parts of the physical system that is analyzed. So, the inertial and damping effects of materials and parts are very important in transient structural analyses.

All the nonlinearities of solutions are available in transient structural analyses in ANSYSВ® Mechanical. These nonlinearities include plasticity, elasticity, large deformations, etc. But, you need to assess the expected nonlinearities from the system very well. Because, when the nonlinearities are permitted, solution times will be much longer, and much more computational sources required.

Understanding the natural or forced frequencies of the system is very important for healthy transient structural solutions. At these critical responses, part or system will respond to external excitements. So, the application of time steps according to these critical frequencies can be very useful for transient structural analyses.

How To Create A Transient Structural Analysis Environment In ANSYSВ® Mechanical?

To start a transient structural analysis in ANSYSВ® Workbench, drag the ‘Transient Structural’ system to ‘Project Schematic’ as shown above.

Select Your Materials For Transient Structural Analysis

After selecting the transient structural analysis in ANSYSВ® Workbench, double click on ‘Engineering Data’ to select your materials that will be used in the ANSYSВ® Mechanical environment.

You can also create your material in ANSYSВ® to use in transient structural analyses. And you can change the properties of existing material also.

Insert Your Geometry Into ANSYSВ® Workbench

YOU CAN LEARN ANSYSВ® IN MECHANICAL BASE; Click And Start To Learn ANSYSВ®!

You can also create your geometry by using DesignModeler or SpaceClaim CAD environments which are included in the ANSYSВ® license.

Then double click on ‘Model’ to open ANSYSВ® Mechanical environment to create your transient structural analysis.

Define Material Properties And Part Options

Below the ‘Geometry’ tab, all the parts that are attached to Transient analyses will be seen. You can select the parts one by one as shown by the red arrow above. Click on parts and define;

Prepare Proper Mesh Structure For Your System In Transient Structural Analysis

You can find out the most important mesh options available in ANSYSВ® Mechanical meshing in Mechanical Base.

For transient analyses, you need to increase the mesh density on the regions of your physical model where;

Also, you need to define proper contacts between various parts that constitute the whole assembly.

Prepare Step Controls For Transient Analysis In ANSYSВ® Mechanical

Step controls are a very useful thing to optimize the loads and boundary conditions on parts of transient structural analysis. As we stated above, loads and boundary conditions are time-dependent in transient analyses. So, you will provide this time-dependent nature of loads and conditions by using time steps in transient structural analyses.

Add Required Boundry Conditions And Loads Into Your Physical Model

You can define fixed supports, displacements, velocities, accelerations, frictionless supports to your parts in ANSYSВ® Mechanical as boundary conditions.

There are lots of options as you see at the pop-up menu when you hover your mouse on ‘Insert’, after right-clicking on analysis in ANSYSВ® Mechanical.

You can define pressures, forces, moments, loads, etc.. both static or time-dependent in transient analyses in ANSYSВ® Mechanical.

Define Solution Objects For Transient Analysis

If you right-click on ‘Solution’ as above in ANSYSВ® Mechanical, you can see all the solution objects available for transient structural analyses. You can select; maximum tensile stress, maximum shear stress, mohr-coulomb stress, and others.

Click on the ‘Solve’ button to start the transient structural analysis in ANSYSВ® Mechanical.

Conclusion

Transient structural analysis is a very important tool for designers that are designing dynamic structural systems.

Do not forget to leave your comments and questions below about transient structural analysis in ANSYSВ® Mechanical.

Your precious feedbacks are very important for us.

NOTE: All the screenshots and images are used for educational and informative purposes. Images used courtesy of ANSYS, Inc.

Источник

Transient structural ansys для чего

В предыдущей статье я изложил первые шесть шагов, необходимых для создания надежных, быстрых и точных моделей для динамических расчётов в явной постановке (Explicit Dynamics). В этой статье я представлю следующие четыре шага. Хочу обратить ваше внимание на то, что описанные шаги являются довольно общими и применимы практически ко всем динамическим расчётам в явной постановке. Однако в особых случаях, возможно, будут необходимы дополнительные настройки. Например, для расчёта взрывного процесса может быть задана расчётная область в постановке Эйлера для моделирования непосредственно взрыва, а затем включены специальные механизмы связанных расчётов для моделирования взаимодействия детонационных газов и твердых тел.

Рисунок 1 Сравнение предпочтительных сеток для моделей в неявной (слева) и явной (справа) постановках

Пошаговое изложение ключевых аспектов создания моделей для расчёта динамических задач в явной постановке (модули Explicit Dynamics):

Создайте сетку с относительно равномерным распределением размеров элементов. Зоны модели с очень мелкой сеткой приведут к увеличению времени расчета за счет уменьшения потребного шага по времени. На рисунке 1, приведенном выше, показано сравнение предпочтительных сеток для моделей в явной (explicit) и неявной (implicit) постановках расчёта. В динамическом расчёте высокоэнергетических процессов за счёт перемещения и взаимодействия волн колебаний максимальные напряжения могут возникать практически в любом месте, так что для расчёта в явной постановке наличие мелкой сетки в местах скруглений не представляет большой важности.
Некоторые инструменты создания сетки в ANSYS Workbench/LS-Dyna, такие как виртуальная топология (virtual topology) и построение сетки с упрощением геометрии (defeaturing), предоставляют возможности для создания сетки без жесткой привязки к геометрическим элементам. Это значит, что сетка не должна совпадать с границами геометрических поверхностей. Ниже на рисунке 2 показан пример, где созданная по умолчанию сетка содержит очень мелкие элементы на узких поверхностях, присутствующих в показанной слева геометрической модели. Относительно равномерная сетка (нижний рисунок справа) значительно предпочтительнее, поскольку она позволяет существенно сократить время расчета за счет увеличения шага по времени.

Рисунок 2 – Сетка, созданная по умолчанию, (справа вверху) и более предпочтительная сетка, созданная с помощью виртуальной топологии (справа внизу) – обе созданы на одной и той же геометрии, содержащей узкие грани

8. Задайте начальные условия, нагрузки и граничные условия.

9. Создайте и отобразите контактные взаимодействия.

10. Задайте настройки решателя и запустите расчет.

Теперь у вас есть полный список шагов, необходимых для создания надежных, быстрых и точных моделей для динамических расчётов в явной постановке (Explicit Dynamics). Я попытался представить дополнительные подробности для шагов, которые специфичны для расчётов явной динамики. Надеюсь, это описание поможет для первоначального знакомства или для развития ваших навыков в этом типе расчётов.

Десять основных шагов расчета динамических задач в явной постановке. Часть первая.

На протяжении своей карьеры я преподавал несколько курсов по расчёту динамических задач в явной постановке

ANSYS. Продолжение введения.Meshing.

Подпишитесь на автора, если вам нравятся его публикации. Тогда вы будете получать уведомления о его новых постах.

Отписаться от уведомлений вы всегда сможете в профиле автора.

Теперь приведу краткий обзор основных модулей и приложений, используемых в ANSYS Workbench для подготовки и проведения численного анализа.

Engeneering Data – интерфейс для управления базой данных физических

и механических свойств материалов, а также входных параметров математических

Design Modeler (пункт Geometry в разделе Component Systems) – приложение для создания геометрических 2D/3D-моделей. Также модуль может работать с импортированной из сторонних CAD-комплексов геометрией: позволяет исправлять дефекты в геометрии, изменять или упрощать геометрическую модель.

Meshing (пункт Mesh в разделе Component Systems) – многофункциональный сеточный препроцессор, который позволяет генерировать высококачественные расчетные сетки в автоматическом режиме для различных типов инженерного анализа. Модуль предоставляет широкий набор инструментов для построения расчетных сеток на основе треугольных и четырехугольных элементов для 2D-моделей и на основе тетраэдров, гексаэдров или пирамидальных элементов для 3D-моделей. В программе заложены алгоритмы для построения структурированных и неструктурированных расчетных сеток, а также возможности качественного разрешения расчетной сетки вблизи твердых стенок и других особенностей моделей, что особенно важно для гидродинамического анализа.

А теперь о том, чем же мы считаем все наши задачки и какой модуль выбрать. В первой статье я не знал насколько хорошо пойдет эта тема, поэтому пробежался по модулям в двух словах. Сейчас рассмотрю подробнее.

Static Structural предназначен для решения задач механики деформируемого твердого тела в статической постановке. При использовании командных вставок на языке APDL функционал модуля может быть расширен для решения, например, связанных задач (термоупругость, пороупругость, электроупругость и т. д.).

Transient Structural – модуль для решения задач динамики конструкций. Основан на неявных схемах интегрирования уравнений движения. Explicit Dynamics/AUTODYN/LS-DYNA – модули, основанные на явных решателях для расчета задач динамики конструкций и моделирования быстропротекающих нелинейных процессов: высокоскоростных ударов, пробитий, фрагментации, разрушения и т. д.

Rigid Dynamics предназначен для моделирования динамики подвижных систем, механизмов. Кинематика механизма описывается путем задания систем координат, связанных с деталями, и выбора параметров, которые однозначно определяют взаимное положение деталей и конфигурацию всего механизма. Перемещения тел

описываются уравнениями движения в форме Кейна, что обеспечивает высокую точность и скорость решения задачи.

Steady-State Thermal/Transient Thermal – анализ установившегося/нестационарного

теплового поля на основе решения уравнения стационарной/нестацио-

Fluid Flow (CFX) предназначен для решения задач гидродинамики, а также задач сопряженного теплообмена. Позволяет моделировать широкий спектр физических процессов в жидкостях и газах, таких как нестационарность, турбулентность, многокомпонентность и многофазность среды, химические реакции, радиационное излучение, акустические волны и т. д. Хорошо зарекомендовал себя в задачах турбомашиностроения, где необходимо моделирование течений жидкостей и газов в условиях вращающихся механизмов.

Fluid Flow (Fluent) имеет аналогичный модулю CFX функционал, однако содержит более широкий спектр моделей и методов для моделирования течений с химическими реакциями. Также обладает встроенным редактором расчетных сеток.

Electric – моделирование электрических полей постоянного тока в проводниках.

Thermal-Electric – стационарный электротермический анализ, позволяющий исследовать процессы тепловыделения при прохождении электрического тока по проводнику, а также процессы теплопереноса в твердых телах.

Modal – модальный анализ, расчет собственных частот и форм колебаний.

Harmonic Response – гармонический анализ для определения отклика конструкции на действие гармонических нагрузок. Позволяет оценить негативные последствия вынужденных колебаний – резонанса, усталости и т. д. Рассчитываются только установившиеся моды колебаний в определенном диапазоне частот.

Response Spectrum – анализ отклика конструкции на действие динамических нагрузок, заданных акселерограммой. С помощью линейно-спектрального метода определяются максимальные ответные ускорения одномассовой колебательной системы. Используется для расчета сейсмостойкости сооружений.

Random Vibration – анализ отклика конструкции на действие случайных вибрационных

нагрузок. Прикладываемая нагрузка задается с помощью вероятностных величин.

Этапы решения задач в Workbench можно описать следующей схемой.

То есть сначала создаем геометрию в Design Modeler или SpaceClaim Direct Modeler или же импортируем из других приложений. Кстати, насчет импортирования свойств материала детали, если его нет в библиотеке ANSYS, это доступно только в Inventor. Для этого нужно поставить галочку.

Так же модель можно создать математически описав ее языком APDL.

При импорте, помимо свойств материала можно много чего импортировать. Помимо понятных колонок в Basic Geometry Option есть Advanced Geometry Options. Там можно выбрать тип анализа (2D или 3D), ассоциативность (для передачи свойств материалов, граничных условий и нагрузок на модель, заданных в сторонней CAD-системе), импорт системы координат, SmartCADUpdate (опция предполагает, что если в CAD были изменены некоторые части сборки, то в Design Modeler при повторном импорте осуществляется обновление только измененных частей).

Потом мы строим сетку конечных элементов. Это может быть выполнено с помощью модулей Meshing и ICEM CFD. После того как ANSYS поглотил маленькую конторку, занимавшуюся разработкой алгоритмов сеток ICEM, ее перестали развивать, а алгоритмы постепенно перекочевывают в родной сеточник ANSYS.

Далее в зависимости от типа анализа, который предполагается использовать в работе, производится описание математической модели и подбирается необходимый расчетный модуль. Например, для расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) конструкции под действием статических нагрузок следует использовать модуль Static Structural. На данном этапе необходимо задать свойства материалов, граничные и начальные условия задачи, выбрать методы расчета, настроить решатель в соответствии с принятой физико-математической моделью и задать требуемую точность расчета.

Процесс расчета является полностью автоматизированным, однако рекомендуется осуществлять контроль над процессом решения: следить за поведением решения и его соответствием критериям сходимости, выводить на экран дополнительные параметры, позволяющие оценить необходимые количественные характеристики решения, и т. д.

После завершения расчета необходимо проанализировать полученные результаты и, если есть возможность, сравнить их с имеющимися экспериментальными данными. Также следует помнить, что полученное решение не должно зависеть от размера сеточных элементов, что обычно достигается проведением серии расчетов

на сетках различной плотности.

После того как мы вытащили в рабочую область WorkBench нужную нам систему и загрузили модель жмем дважды на клетку Model, что бы открылся Mechanical.

Разберемся с его интерфейсом.

Сверху вполне привычные выпадающие менюшки. Чуть ниже тулбар.

Пройдемся по выпадающим меню.

В меню File все понятно, сохранить проект, экспортировать сетку в форматах Meshing, Fluent, Icem и т. д.

В меню Edit содержатся операции, вызываемые через контекстное меню объектов: удалить (Delete), копировать (Copy), вырезать (Cut), вставить (Paste), дублировать (Duplicate), которая объединяет в себе команды «копировать» и «вставить». Также вкладка содержит команду Select All, позволяющую в один клик выделить все объекты в графическом окне, и команду Find In Tree, позволяющую осуществлять текстовый поиск по меню Outline;

В меню View есть отдельные группы, отделенные линиями.

Меню Units включает в себя список доступных метрических систем, по умолчанию всегда выбрана система СИ;

Меню Tools включает три основные команды: Addins (запускает менеджер Add-in, который позволяет загружать/выгружать пользовательские подпрограммы, предназначенные для расширения стандартного функционала Meshing), Options (осуществляет доступ к общим настройкам препроцессора Meshing, включая настройки процесса распараллеливания при построении сетки и значения по умолчанию для глобальных параметров сетки) и Variable Manager (запускает менеджер управления переменными в приложении);

Ну help стандартно содержит справочные материалы.

Теперь, ожидаемо, пройдемся по тулбару.

Теперь рассмотрим древо проекта.

В нем отображаются компоненты, соответствующие этапам пред-

процессорной подготовки модели. Их можно разделить на две группы: основные – появляются в дереве по умолчанию при открытии любого проекта, и опциональные – появляются в дереве только для определенных типов геометрической модели или при использовании определенных инструментов в ходе построения сеточной модели.

Под конформностью, то есть согласованностью, понимают такую сетку, в которой элементы удовлетворяют условию: если два элемента сетки пересекаются, то область их пересечения представляет собой их общую грань (или ребро).

Картинка для понимания упорядочивания сетки.

Теперь относительно формы элемента сетки.

Для объемных геометрий выделяют ячейки на основе гексаэдров, тетраэдров, призм и пирамид.

Расчетные сетки могут быть гибридными и включать одновременно элементы различных типов.

Для правильной оценки расчета нужна конформная сетка, то есть нужно упорядочить ее так, что бы в местах, где у нас происходят перемещения,деформации сетка была мельче и правильно ориентирована. Для построения сетки на 2D-поверхностях реализованы 3 метода:

1. Quadrilateral Dominant, то есть преобладание четырехугольников. Вся сетка строится преимущественно с помощью четырехугольников. Форма элементов определяется настройкой Free Face Mesh Type, которая имеет два режима. При выборе режима All Quad сеточный препроцессор

принудительно разбивает область на четырехугольные элементы независимо от качества отдельных элементов. При выборе режима Quad/Tri препроцессор строит сетку из четырехугольных элементов, однако в сложных областях, где возможно использование лишь четырехугольных элементов с низким качеством, такие элементы заменяются на элементы треугольной формы с более высоким качеством.

2. Метод Triangle Meshing позволяет разбивать область неструктурированой сеткой с элементами треугольной формы.

3. Метод MultiZone Quad/Tri, в отличие от двух предыдущих, основан на

блочной технологии и позволяет проводить автоматическую декомпозицию сложной геометрии на отдельные блоки с последующим построением на каждом блоке структурированной (там, где это возможно) или неструктурированной сетки в зависимости от выбранных настроек метода. Форма элементов сеток для блоков определяется настройкой Free Face Mesh Type с тремя режимами: All Quad, Quad/Tri и All Tri (аналог метода Triangle Meshing).

Чтобы увидеть различие между метода MultiZone Quad/Tri от методов Quadrilateral Dominant и Triangle Meshing рассмотрим все ту же окружность. В одном случае с Quadrilateral Dominant получим такую картину.

И мы получаем неструктурированную сетку для всей области. Если воспользуемся методом MultiZone Quad/Tri получим структурированную сетку и в процессе построения будет произведена автоматическая декомпозиция геометрии на характерные блоки, что позволяет построить структурированную сетку из прямоугольных элементов для части 1 и оставить неструктурированную сетку для части 2.

Получилось немного сумбурно и многабукав. Кто осилил, тот молодец. Трехмерные меши рассмотрим в следующей статье.

А что бы было понятно, что меши и качество его влияют на итоговый расчет, вот пример плохо и хорошо построенной сетки.

2-way-FSI. Сопряжение стационарного газодинамического и нестационарного теплового расчетов с помощью System Coupling.

В новой версии ANSYS 2019 R 1 модуль System Coupling получил апгрейд до System Coupling 2.0. Вместе с этим в него был внедрен ряд улучшений, одним из которых является возможность сопряжения стационарного и нестационарного расчетов (Бета функция).

Данная возможность может быть применена для задач теплообмена в твердых телах с учетом газодинамики омываемой их среды. В задачах, которые требуют учета нестационарных эффектов теплообмена, и их двухстороннем взаимодействии с газодинамикой потока. В тех задачах где размеры временных шагов в тепловом и газодинамическом расчетах несопоставимы по величине и отличаются в сотни и тысячи раз.

Примером может являться задача расчета теплового состояния турбинной лопатки, в которой необходимо учитывать изменения, возникающие на переходных режимах. Материал такой лопатки имеет начальное (время=0 сек) распределение температуры: снаружи лопатка омывается горячим потоком продуктов сгорания, а по внутренним каналам проходит охлаждающий воздух, отбираемый из соответствующей ступени компрессора.

Таким образом расчетная геометрия состоит из 1) каналов охлаждающего воздуха (Рис.1), 2) твердотельной модели рабочей лопатки (Рис.1) и 3) тела тока основного рабочего тела (Рис.2).

Рис.1 Домен тела тока каналов охлаждения (слева) Домен тела лопатки (справа)

Рис.2 Домен тела тока основного течения продуктов сгорания

Рис.3. Тело тока. Вид снизу. Поверхности интерфейсов охлаждающий воздух-продукты сгорания

Рис.4.Сетка рабочей лопатки

Подготовка расчетной модели

Модуль Transient Structural

Рис.5. Команда для изменения типа элементов

Рис.6. Команда для добавления начальной температуры

Модуль ANSYS Fluent

Настройка соответствует настройке стандартной стационарной задачи за одним исключением: необходимо в настройках границ, соприкасающихся с телом лопатки, установить соответствующее тепловое граничное условие (Рис.7). (Если требуется учитывать деформации, дополнительно необходимо настраивать динамические сетки ( Dynamic Mesh )).

Рис.8. Схема проекта

Дерево настройки в конечном счете выглядит следующим образом:

Рис.9. System Coupling

В настройках System Coupling необходимо:

Рис.10. Вкладка Analysis Setting

Рис.11 Настройка Data Transfer

Рис.12 Схема с модулем постобработки

При постобработке возможно отследить характер и величину изменения поля температуры лопатки за установленное количество временных шагов. Распределение температуры по поверхности лопатки показывает, что установленные тепловые интерфейсы работают исправно: корневая полка лопатки нагревается со временем, а само тело лопатки охлаждается воздухом, протекающем внутри.

Рис.13. Изменение средней температуры поверхности лопатки от времени нагрева

Анимация нагрева турбинной лопатки. Цветом отмечена температура поверхности лопатки.

Расчет вибропрочности конструкций

Вибрации в конструкциях и механизмах, в зависимости от характера колебаний, могут быть периодическими и случайными. Случайные вибрации представляют собой набор непериодических колебаний. Анализ случайных вибраций основывается на статистике. Примерами случайных вибраций могут служить: ветровые нагрузки на здание, вибрации в авиационной, ракетной, железнодорожной и автомобильной технике, возникающие в процессе эксплуатации.

У случайной вибрации есть ряд особенностей, которые вызывают определенные сложности при исследовании проблемы, а именно:

Рисунок 1 – Пример случайной вибрации

Периодические колебания, напротив, могут быть описаны точными математическими соотношениями и представлены как ряд Фурье. Поэтому для упрощенного описания поведения конструкции, например, в автомобилестроении, применяется данный идеализированный вариант модели описания колебаний системы.

При эксплуатации автомобиля его компоненты неизбежно испытывают вибрации (автоколебания или вынужденные колебания). При продолжительном воздействии вибрации в деталях и узлах накапливаются напряжения, что может привести к так называемой усталости металла.

Усталость металла – это процесс постепенного накопления повреждений, то есть даже при небольших деформациях в конструкции могут возникать и развиваться трещины (рисунок 2). В первую очередь в конструкции могут разрушиться наиболее нагруженные места, такие как неразъемные соединения, и, как следствие, к ним предъявляются наиболее высокие требования.

Рисунок 2 – Разрушение коленчатого вала вследствие развития усталостной трещины

Особо пагубное влияние на срок службы транспортного средства оказывает явление резонанса. Как известно, резонанс возникает при совпадении частоты внешнего воздействия с частотой собственных колебаний этой системы. При резонансе происходит резкое возрастание амплитуды колебаний системы, что приводит к большим деформациям и, как следствие, к разрушению конструкции.

Таким образом, важной задачей является проведение тестов на вибрацию для определения долговечности конструкций. В настоящее время существует возможность проводить данные эксперименты виртуально, средствами численного моделирования, в частности, с помощью ПО Ansys.

Выбор инструмента моделирования

Для определения отклика конструкции на воздействие сил, меняющихся во времени, традиционно используется одна из систем анализа Ansys Mechanical: Harmonic Response (Гармонический отклик/Гармонический анализ), Random Vibration (Случайные вибрации) или Transient Analysis (Временной анализ/Анализ переходных процессов) и пр. Сфера применения данных систем для расчета различна.

Рисунок 3 – Компоненты Ansys Workbench для решения задач вибрации

В данной статье подробнее остановимся на использовании инструментов Harmonic Response и Transient Analysis для моделирования вибрационных тестов. Гармонический анализ позволяет определять установившийся отклик системы на воздействие, действующее на конструкцию по гармоническому закону. Переходные колебания, происходящие в начале возбуждения, не учитываются в гармоническом анализе. Данный расчет также не учитывает нелинейность – как физическую, так и геометрическую.

Ниже представлено определяющее уравнение для гармонического анализа.

Рисунок 4 – Основные положения, заложенные в гармоническом анализе

Для более полного анализа отклика конструкции используется Transient Analysis. Динамический анализ переходных процессов используется для определения динамического отклика конструкции под влиянием любых меняющихся во времени сил и воздействий. В отличие от гармонического анализа, используя данный метод, мы можем учитывать нелинейности любого типа.

В случае анализа переходных процессов мы имеем дело с более общим уравнением, отличающимся от определяющего уравнения гармонического анализа тем, что в правой части стоит произвольная (но меняющаяся во времени) нагрузка.

Таким образом, если нагрузка, зависящая от времени, не подчиняется гармоническому закону или же необходим учет нелинейного поведения материала, больших перемещений, то выбор очевиден – Transient Analysis. Но стоит отметить, что данный тип анализа требует больших вычислительных ресурсов, и время расчета намного выше, чем при гармоническом анализе.

Постановка задачи

Рисунок 5 – Геометрия спойлера

Определим усталостную долговечность конструкции под воздействием заданной циклической нагрузки. Долговечность конструкции определяется при помощи кривой Веллера (S-N кривой), представляющей собой зависимость напряжений, при которых происходит разрушение материала, от числа этих циклов. Пример данной кривой для стали 3 представлен на рисунке 6.

Рисунок 6 – Пример кривой усталости (S-N кривой) для Ст3

Определение собственных частот колебаний

Анализ конструкции под воздействием вибрации начинается с определения собственных частот и форм колебаний этой конструкции для выявления возможной близости расчетной частоты к резонансной.

Для рассматриваемой конструкции спойлера самая близкая собственная частота к расчетной – 48,32 Гц. Форма колебаний, соответствующая данной частоте, представляет собой колебания вдоль оси Y, то есть колебания перпендикулярно лезвию спойлера (рисунок 7).

Рисунок 7 – Форма колебаний на резонансной частоте

Решение задачи Harmonic Response VS Transient Structural

Для определения времени работы конструкции в данном режиме проведем гармонический анализ. Спойлер закреплен на корпусе автомобиля по основаниям стоек, ускорение вибрации направлено перпендикулярно лезвию спойлера (вдоль оси Y).

В результате расчета получаем распределение напряжений, представленное на рисунке 8. Мы видим, что максимум достигается в месте сужения стойки. Данный факт обусловлен наличием концентратора напряжений.

Вообще, при создании конструкции, которая должна работать безотказно под воздействием повторяющихся (усталостных) нагрузок, необходимо, по возможности, избавляться от концентраторов напряжений, которыми могут являться: острые углы, переходы валов на другой диаметр, сварные соединения и так далее. Для каждого из видов концентраторов напряжений применяются различные действия по уменьшению величины напряжений в них. Для острых углов – это скругления достаточного радиуса; для сварных швов – более качественное выполнение сварки с зачисткой поверхности шва.

Рисунок 8 – Распределение эквивалентных напряжений, МПа

Теперь узнаем, насколько долговечен спойлер с имеющейся конструкцией стоек. Срок жизни будем определять согласно усталостной кривой Веллера для стали (рисунок 9).

Рисунок 9 – Кривая Веллера, используемая в расчете

На рисунке 10 представлена долговечность конструкции в часах. Время жизни стойки составляет чуть больше получаса, что говорит о необходимости внесения конструктивных изменений.

Рисунок 10 – Долговечность стойки спойлера, часы

Для обеспечения требуемой долговечности конструкции возможно внесение одного или нескольких конструкционных изменений. Такими изменениями для расчетного объекта могут быть:

В нашем случае увеличим радиус скругления концентратора с 0.05 мм до 0.25 мм. Теперь минимальное время жизни спойлера, согласно гармоническому анализу, составляет более полутора часов (рисунок 11), что соответствует поставленным требованиям.

Рисунок 11 – Долговечность стойки спойлера, часы

Для верификации проведем расчет измененной конструкции в Transient Structural с учетом нелинейности. На рисунке 12 представлено распределение эквивалентных напряжений. Максимальное значение напряжений возникает в начале колебательного процесса, и далее амплитуда напряжений выходит на плато.

Рисунок 12 – Распределение эквивалентных напряжений, МПа

Долговечность конструкции после конструктивных изменений удовлетворяет требованиям поставленной задачи (рисунок 13).

Рисунок 13 – Долговечность конструкции, циклы

Заключение

Конструкции, на работу которых накладываются условия обеспечения усталостной долговечности, необходимо подвергать вибрационным испытаниям: первичным и после каждого конструкционного изменения. При таком подходе натурные вибрационные тесты экономически неэффективны, поэтому всё чаще их заменяют виртуальными испытаниями.

В ходе виртуального вибрационного теста с помощью ПО Ansys подобран оптимальный радиус скругления для конструкции стоек. Внесенное конструкционное изменение обеспечивает требуемую долговечность конструкции спойлера.

Источник