Инженерный анализ в среде FEMAP

Лабораторный практикум

Учебное пособие

Иркутск 2014

УДК 621.878

ББК 38.623 я73

Б 44

Рекомендовано к изданию учебным советом ИрГТУ

Рецензенты:

Беляев А.В.

Б 44 Инженерный анализ в среде Femap :лабораторный практикум. Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 2014. с. 134.

В пособии излагаются методические рекомендации к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Инженерный анализ в среде Femap». Пособие предназначено для ознакомления и приобретения практических навыков работы с конечно-элементными программами. Цель пособия - дать обучающимся необходимый минимум знаний и практических навыков при выполнении инженерного анализа в среде «Femap». Этот минимум должен дать возможность студенту самостоятельно выполнять конечно-элементное моделирование и расчет простых задач.

Предназначено для студентов всех инженерных специальностей, изучающих курс «Инженерный анализ в среде Femap», «Анализ систем с распределенными параметрами».

Предназначено для студентов специальности 170900 «Подъемно - транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование» и других специальностей технического профиля.

УДК 621.878

ББК 38.623 я73

© Беляев А.В., 2014

© Иркутский государственный

технический университет, 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

Начало работы в Femap............................................................... 9

Интерфейс пользователя........................................................................... 9

Лабораторная РАбота 1. Линейный статический анализ консольной балки............................................................................... 10

Выполнение работы................................................................................ 10

Задание свойств материала..................................................................... 10

Описание свойств конечных элементов.................................................. 11

Генерация конечно-элементной модели................................................. 11

Задание граничных условий................................................................... 12

Создание нагрузки.................................................................................. 13

Выполнение расчета................................................................................ 13

Обработка результатов расчета............................................................. 14

Построение изображения деформированного состояния и....... 15

эпюр моментов........................................................................................ 15

Лабораторная Работа 2. Анализ устойчивости консольной балки............................................................................................................. 16

Выполнение работы................................................................................ 16

Создание новой нагрузки....................................................................... 16

Выполнение расчета................................................................................ 16

Обработка результатов расчета.............................................................. 17

Построение изображения деформированного состояния..................... 17

Лабораторная работа 3 . Моделирование простой балочной конструкции.................................................................. 18

Построение геометрии модели............................................................... 18

Задание свойств материала..................................................................... 18

Задание свойств конечных элементов..................................................... 18

Генерация конечно-элементной сетки..................................................... 20

Задание граничных условий и нагрузки................................................ 21

Анализ конструкции................................................................................ 21

Обработка результатов расчета.............................................................. 22

Лабораторная работа 4. Статический расчет балки 23

Создание геометрии модели................................................................... 23

Задание свойств материала..................................................................... 23

Выбор типа и параметров конечных элементов.................................... 23

Разбиение на конечные элементы........................................................... 24

Задание граничных условий................................................................... 25

Задание нагрузок..................................................................................... 25

Выполнение расчета................................................................................ 26

Отображение результатов расчета......................................................... 26

Лабораторная работа 5. Пластина под воздействием гравитационного нагружения.................................................. 28

Создание геометрической модели.......................................................... 28

Задание свойств материала..................................................................... 31

Описание свойств конечных элементов.................................................. 32

Генерация конечно-элементной сетки..................................................... 32

Задание граничных условий................................................................... 34

Задание нагружения................................................................................ 35

Выполнение конечно-элементного анализа........................................... 35

Обработка результатов расчета............................................................. 36

Модификация изображения модели на экране...................................... 36

Построение изображения деформированного состояния пластины..... 37

Анимация деформированного состояния............................................... 37

Отображение деформаций в виде изолиний.......................................... 37

Лабораторная работа 6. Пластина переменной толщины 38

Выполнение работы................................................................................ 38

Задание свойств материала..................................................................... 38

Описание свойств конечных элементов.................................................. 38

Генерация конечно-элементной сетки..................................................... 39

Задание граничных условий. Создание нагрузки................................. 39

Создание уравнения, описывающего изменение толщины пластины... 39

Лабораторная работа 7. Статический анализ напряженно-деформированного состояния подкрепленной пластины. 40

Выполнение работы................................................................................ 40

Задание свойств материала..................................................................... 40

Описание свойств конечных элементов.................................................. 41

Генерация конечно-элементной сетки..................................................... 41

Задание граничных условий................................................................... 43

Создание нагрузки.................................................................................. 43

Выполнение расчета................................................................................ 44

Построение изображения деформированного состояния..................... 44

Построение изображения напряженного состояния.............................. 45

Лабораторная работа 8. Совместное использование в одной конечно-элементной модели разных типов элементов 46

Построение геометрической модели...................................................... 46

Описание свойств конечных элементов.................................................. 46

Генерация конечно-элементной сетки..................................................... 47

Задание граничных условий................................................................... 49

Задание нагружения................................................................................ 49

Обработка результатов расчета............................................................. 50

Лабораторная работа 9. Cтатический анализ напряженно-деформированного состояния ферменной конструкции 51

Выполнение работы................................................................................ 51

Описание свойств конечных элементов.................................................. 52

Задание граничных условий................................................................... 53

Создание нагрузки.................................................................................. 53

Выполнение расчета................................................................................ 54

Построение изображения деформированного состояния..................... 54

Лабораторная работа 10. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЛОСКОЙ ФЕРМЫ 55

Построение геометрии модели............................................................... 55

Задание свойств материала..................................................................... 55

Описание свойств конечных элементов.................................................. 56

Задание граничных условий................................................................... 57

Задание нагружения................................................................................ 57

Обработка результатов расчета.............................................................. 58

Лабораторная работа 11. Моделирование объемной детали........................................................................................................... 59

Выполнение работы................................................................................ 59

Задание свойств материала..................................................................... 59

Описание свойств конечных элементов.................................................. 59

Создание геометрии модели................................................................... 59

Генерация конечно-элементной сетки..................................................... 60

Лабораторная работа 12. Расчет объемного (Solid) тела на примере статического расчета.................................................. 62

Построение геометрической модели...................................................... 62

Задание свойств материала и конечных элементов............................... 64

Генерация конечно-элементной сетки..................................................... 65

Задание нагружения................................................................................ 67

Выполнение конечно-элементного анализа........................................... 67

Обработка результатов расчета............................................................. 67

Лабораторная РАБОТА 13. Расчет сложного объемного (Solid) тела на примере статического расчета прочности трубопровода........................................................................................... 69

Построение геометрической модели...................................................... 69

Задание свойств материала..................................................................... 74

Задание свойств используемых конечных элементов............................ 74

Генерация конечно-элементной сетки..................................................... 74

Задание граничных условий................................................................... 75

Задание нагружения................................................................................ 76

Выполнение конечно-элементного анализа........................................... 77

Обработка результатов расчета............................................................. 77

Работа со слоями..................................................................................... 78

Лабораторная работа 14. Контактная задача расчета посадки деталей с натягом........................................................ 80

Построение геометрической модели...................................................... 80

Задание свойств материала и конечных элементов............................... 86

Генерация конечно-элементной сетки..................................................... 88

Задание граничных условий................................................................... 94

Задание нагружения................................................................................ 97

Выполнение конечно-элементного анализа........................................... 98

Обработка результатов расчета............................................................. 99

Лабораторная РАБОТА 15. моделиРОВАНИЕ контактного взаимодействия технологическОГО бойкА с обрабатываемОЙ деталЬЮ..................................................................................................... 101

Геометрическая модель......................................................................... 101

Задание свойств материала и конечных элементов.............................. 104

Генерация конечно-элементной сетки................................................... 105

Задание граничных условий................................................................. 117

Задание нагружения.............................................................................. 118

Выполнение конечно-элементного анализа........................................ 119

Анализ результатов расчета................................................................. 121

Пластическое деформирование............................................................ 122

Лабораторная РАБОТА 16. моделиРОВАНИЕ КОНТАКТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ уплотнительного кольца и диска притира......................................................................................................................... 124

Геометрическая модель......................................................................... 124

Задание свойств материала и конечных элементов.............................. 130

Генерация конечно-элементной сетки................................................... 132

Задание граничных условий................................................................. 139

Задание нагружения.............................................................................. 143

Обработка результатов расчета............................................................ 145

Упругое деформирование притира и уплотнительного кольца.......... 148

Приложение 1................................................................................ 149

Приложение 2................................................................................ 152

ВВедение

Femap – это система, основанная на методе конечных элементов и предназначенная для расчета статических напряжений и деформаций, устойчивости, определения собственных частот и форм колебаний, анализа тепловых установившихся и переходных процессов, а также задач статики и динамики в нелинейной постановке для широкого класса машиностроительных и других конструкций. Femap сочетает в себе мощные аналитические возможности процессора MSC/NASTRAN и легкость работы с графическим пользовательским интерфейсом среды Windows.

Геометрические модели для Femap, являющиеся основой конечно-элементных моделей, можно формировать как с помощью препроцессора самой системы, так и импортировать их из какой-либо другой CAD-системы, с которой Femap имеет интерфейс (форматы: DXF, IGES, ACIS, Parasolid, стереолитография). В любом из этих случаев система обеспечивает генерацию полной конечно-элементной модели на базе заданной геометрии. Возможности генерации конечно-элементных сеток (КЭС) в препроцессоре системы варьируются в широких пределах: от формирования сеток вручную, на основе указанных опорных точек, до полностью автоматической генерации сетки для сложных частей геометрической модели.

Необходимые для проведения анализа характеристики материалов и балочных сечений могут задаваться пользователем самостоятельно или выбираться из соответствующих библиотек, имеющихся в системе. Предусмотрена возможность моделирования практически всех типов материалов, включая композиты, гиперупругие и другие современные материалы.

Для моделирования внешних факторов, оказывающих влияние на конструкцию, в системе имеется большой выбор способов нагружения и закрепления конечно-элементной модели.

Кроме того, система может работать и с уже готовыми конечно-элементными моделями, которые были сформированы с помощью других систем и переданы в Femap с использованием соответствующих интерфейсов.

Перед проведением какого-либо расчета необходимо быть уверенным в правильности сформированной модели. Поэтому в Femap предусмотрен постоянный контроль процесса моделирования, который помогает избежать проникновения ошибок в создаваемую модель. Достигается это посредством визуальной обратной связи системы с пользователем. Кроме того, Femap располагает развитым набором средств для выявления и устранения ошибок, которые трудно или невозможно заметить визуально. Так Femap позволяет выявлять совпадающие (сдублированные) геометрические объекты, обнаруживать неправильные соединения элементов, рассчитывать массовые и инерционные свойства, оценивать условия закрепления модели. Каждый из этих методов может быть использован в любое время для обнаружения потенциальных ошибок, которые могут привести к ненужным временным и материальным затратам.

По окончании процесса формирования модели, с помощью системы Femap можно осуществить ее конечно-элементный анализ, построенный на алгоритмах, которые обеспечивают максимальную точность, скорость и достоверность решения.

Постпроцессор системы Femap располагает мощными средствами визуализации, позволяющими по завершении расчетов быстро обрабатывать полученные результаты, а также рядом инструментов для дальнейшей численной обработки этих результатов. Все существующие типы результатов можно изображать также в виде изолиний, а некоторые в виде эпюр и векторов. Любой тип данных может быть представлен и в форме графиков. Кроме того, Femap позволяет линейно объединять результаты предыдущих вариантов расчета, а также решать заданные пользователем уравнения.

Перед началом работы с системой необходимо отметить, что в ней нет привязки к какой либо системе единиц измерения и пользователь сам должен с этим определиться.

Обратите внимание на то, что Femap предполагает использование согласованной системы единиц измерения. Поэтому необходимо следить за тем, чтобы в одной модели не происходило их смешение (например, использование сантиметров и метров в одной задаче недопустимо и др.)

Начало работы в Femap

Запустить систему Femap можно, воспользовавшись соответствующим ярлыком на рабочем столе. После этого на экране появится главное окно.

Интерфейс пользователя

Главное окно функционально объединяет все интерфейсные элементы среды моделирования (см. рис. 1).

Рис. 1

Главное меню содержит названия групп команд, через которые отражен весь инструментарий приложения. Названия групп команд в соответствии с расположением на панели главного меню – File (Файл), Geometry (Геометрия), Model (Модель), Mesh (Сетка), Modify (Изменить), List (Список), Delete (Удалить), Group (Группы), View (Вид), Help (Справка). В каждом пункте главного меню находится выпадающее меню со списком команд, некоторые из них имеют подменю.

* – в данном случае файл без имени.

Панель инструментов View (Вид) содержит кнопки, в основном дублирующие команды меню View, которые позволяют управлять процессом отображения разрабатываемой модели.

Графическое окно служит для отображения разрабатываемой модели и результатов расчётов. Оно имеет кнопки минимизации, изменения размера и закрытия. В окне представлена глобальная система координат X,Y,Z; координатные оси в рабочей плоскости (по умолчанию – в плоскости XY); начало координат в виде точки.

Можно определить несколько графических окон, показывающих различные виды модели и/или результаты расчётов. Подробно эти возможности приложения будут рассмотрены позже, в соответствующей лабораторной работе.

Окно сообщений выводит диагностику выполнения команд. Имеет вертикальную полоску прокрутки. Окно раскрывается или сворачивается до прежних размеров при двойном щелчке на ней или из курсорного меню при нажатии правой кнопки мыши (пункт Dock/Undock). Пункт этого меню Lines так же позволяет установить количество вводимых строк сообщений.

Строка подсказкидаёт краткую информацию о командах меню и панелей, а так же количестве узлов и конечных элементов модели.

Статусная строка состоит из ряда окошек, в которых указываются текущие значения идентификаторов свойств конечных элементов (Prop), нагрузок (Ld), граничных условий (Con), групп (Grp) и результатов (Out).

Курсорное меню появляется при нажатии правой кнопкой мыши и содержит ряд наиболее часто употребляемых команд. Состав команд курсорного меню меняется в зависимости от места нажатия – в графическом окне, в окне состояния, в окне сообщений или в окошке статусной строки.