«Применение комплекса в инженерных задачах Предисловие   Abaqus – программный комплекс мирового уровня в области конечно-элементных прочностных расчетов, с помощью которого можно получать точные и достоверные решения для ...»

 

Применение комплекса

в инженерных задачах

Предисловие

 

Abaqus – программный комплекс мирового уровня в области конечно-элементных прочностных

расчетов, с помощью которого можно получать точные и достоверные решения для самых

сложных линейных и нелинейных инженерных проблем. Семейство продуктов Abaqus

разрабатывается и поддерживается компанией Abaqus, Inc. (USA) с 1978 года. C 2005 года

Abaqus, Inc. входит в компанию Dassault Systemes (разработчик всемирно известной CAD системы CATIA и систем управления жизненным циклом изделий PLM SmarTeam и Enovia). В качестве стратегии дальнейшего развития компанией Abaqus было анонсировано создание совершенно новой универсальной среды моделирования SIMULIA, которая будет обобщать не только все решения компаний Dassault Systemes и Abaqus, Inc. в области прочностных расчетов, но и объединять лучшие решения третьих фирм для создания мощного инструментария для реалистичного проектирования и многодисциплинарного анализа конструкции.

SIMULIA будет позволять проводить реальное моделирование конструкций, находясь в общем жизненном цикле создания изделий, что позволит значительно улучшать потребительские качества создаваемого изделия, уменьшать число необходимых натурных экспериментов и способствовать внедрению инноваций.

Данное пособие создавалось с целью дать возможность новым пользователям ознакомится с отличительными особенностями конечно-элементного комплекса SIMULIA/Abaqus и научиться решать с его помощью различные прочностные задачи. В пособие охвачены такие типы прочностного анализа как статика, динамика, частотный анализ, анализ контактных взаимодействий, термический анализ, электростатика и тп.

В настоящей работе представлено практическое пособие по применению программного комплекса SIMULIA/Abaqus в инженерных задачах. Задачи рассматриваются в полном объеме от задания геометрии и свойств конструкции, построения сетки, граничных условий, условий контакта и нагружения вплоть до получения и предоставления результатов. Материал данного пособия адаптирован к бесплатной учебной версии Abaqus Student Edition, распространяемой компанией ТЕСИС, но при этом не исключает возможность использования ее для освоения полной версии SIMULIA Abaqus. Примеры задач создавались для обучения работе с графической средой создание моделей Abaqus/CAE. Использование командной строки и импорта/экспорта геометрий рассматривались фрагментарно.

Abaqus Student Edition представляет собой полную версию SIMULIA/Abaqus, в которую было добавлено ограничение на количество узлов и элементов в сетке не более 1000. Во всём остальном Abaqus Student Edition не имеет отличий от полной версии. Так же комплект поставки Abaqus Student Edition входит полная документация на английском языке, а так же архив тестовых задач.   Подробнее о просмотре тестовых задач вы можете узнать в разделе Литература.

  © ТЕСИС, 2010.

127083, Россия, Москва, ул. Юннатов, дом 18, 7-й этаж, к. Тел./факс: +7(495) 612-4422, 612-4262, [email protected]  1    Оглавление:

Глава 1 – Введение Глава 2 - Структура САЕ-интерфейса. Моделирование статической линейной задачи для двумерного объекта на примере консольно закрепленной балки.

Глава 3 - Моделирование статической линейной задачи для трехмерного объекта на примере изгиба консольно-закрепленной балки. Использование различных типов элементов. Изменение параметров сетки.

Глава 4 - Моделирование различных типов материалов (изотропные, ортотропные, слоистые, гиперэластичные) на примере изгиба консольно-закрепленной балки. Задание пределов пропорциональности и прочности, переход к нелинейной статической задаче Глава 5 - Моделирование динамической задачи на примере свободных колебаний консольно-закрепленной балки. Анализ частотных характеристик, запись результатов анализа в отчетные файлы.

Глава 6 - Моделирование контактной задачи на примере падения твердого шара на свободный конец консольно-закрепленной балки с различными начальными условиями.Глава 7 - Моделирование контактной задачи на примере взаимодействия консольнозакрепленной балки и лежащего на ней упругого цилиндра, нагруженного поперечной силой. Запись результатов анализа в видеоклип.

Глава 8 - Моделирование статической линейной задачи на примере нагрева и охлаждения консольно закрепленной балки. Исследование возникающих температурных напряжений.

Глава 9 - Моделирование статической линейной задачи на примере электростатического взаимодействия консольно закрепленной балки с заряженными телами различной геометрической формы.

Глава 10 – Технология моделирования роста трещины  XFEM.

Глава 11 - Импортирование /экспорт геометрии и моделей Глава 12 – Дополнительные методы создания и анализа моделей Глава 13 – Создание скриптов в Abaqus/CAE Глава 14 – Система единиц а SIMULIA Abaqus Глава 15 – Литература Конечно-элементный прочностной код SIMULIA/Abaqus - это универсальная программа общего назначения, предназначенная для проведения многоцелевого инженерного многодисциплинарного прочностного анализа поведения сложных конструкций.

SIMULIA Abaqus широко применяется в различных отраслях промышленности, таких как:

- Производство энергии, (ABB, AEA Technology, SIEMENS, EPRI, Атомэнергопроект);

- Автомобилестроение (BMW, FORD, General Motors, Mercedes, Toyota, Volvo, Goodyear);

- Авиастроение/Оборона (General Dynamics, Lockheed Martin, US Navy, Boeing);

- Электроника (Intel, Hewlett-Packard, Motorola, IBM, Digital);

- Металлургия (British Steel, DuPont, Новокраматорский машиностроительный завод);

- Нефтедобыча и переработка (Exxon/Mobil, Shell, Dow);

- Производство товаров народного потребления (3M, Kodak, Gillette);

- Общая механика и геомеханика (GeoConsult, ISMES, Подземгазпром, ВНИИГ им.Веденеева).   Среди ВУЗов, использующих SIMULIA/Abaqus в научно-исследовательских и учебных целях, следует отметить СПбГПУ, МВТУ им.Баумана, МФТИ, ЮУрГУ, Пермский ГПУ, Южный Федеральный Университет и др.

Одним из серьезных преимуществ SIMULIA/Abaqus является возможность решения связанных задач мультифизики в области прочности конструкций для всех типов анализа, таких как:

• Тепло - механика (последовательное или полностью сопряженное решение) • Тепло - электричество • Поток в пористой среде - механика • Напряжения - диффузия массы (последовательно сопряженное решение) Программный комплекс SIMULIA/Abaqus позволяет учесть все нелинейности, как физические, так и геометрические, имеет большую библиотеку конечных элементов и позволяет исследовать всевозможные модели материалов, таких как металлы, бетон, грунты, эластомеры, композиты и т.д.

Программный комплекс SIMULIA/Abaqus разработан по модульному принципу. Он состоит из двух основных модулей – решателей (солверов) Abaqus/Standard и Abaqus/Explicit, пре-построцессора Abaqus/CAE и дополнительных модулей, учитывающих особенности специфических проблем (Abaqus/Aqua, Abaqus/Design, FE-Safe). Все модули удачно дополняют друг друга.

Рисунок 1: Моделирование случайного падения тепловыделяющей сборки водяного атомного Abaqus/Standard – один из двух основных решателей программного комплекса SIMULIA /Abaqus, использующий неявную формулировку метода конечных элементов. Abaqus/Standard позволяет использовать различные методы анализа статики и динамики конструкций во временной и частотной области.

Abaqus/Explicit – решатель для сильно нелинейных переходных быстротекущих динамических процессов, использующий явную схему интегрирования метода конечных элементов. На рис. представлено моделирование случайного падения тепловыделяющей сборки водяного атомного реактора на жесткое основание, выполненного в Национальной Инженерной Лаборатории в Айдахо, США.

Abaqus/Design - дополнительный модуль к Abaqus/Standard, позволяющий анализировать чувствительность к изменению параметров конструкции и проводить оптимизацию.

ABAQUS/Aqua – дополнительный модуль к Abaqus/Standard, позволяющий анализировать нагрузки на кабели, трубопроводы и другие конструкции, погруженные в воду.

FE/Safe – этот модуль использует результаты расчета SIMULIA/Abaqus для анализа усталостной прочности, долговечности, ресурсоемкости конструкций.

Abaqus/ADAMS – этот интерфейс позволяет экспортировать результаты из SIMULIA/Abaqus в ADAMS/Flex.

Abaqus for CATIA v5 – этот интерфейс позволяет готовить модели и просматривать результаты SIMULIA Abaqus непосредственно в CATIA.

Abaqus/MOLDFLOW – этот интерфейс транслирует информацию из MOLDFLOW для создания конечно-элементной модели SIMULIA/Abaqus.

Abaqus/CAE – графическая оболочка для моделирования, управления и мониторинга задач, а также для визуализации результатов расчета в SIMULIA/Abaqus.

VCCT (Crack Closure Technique)  – модуль для проектирования и предсказания разрушения и потери несущей способности авиационных конструкций из ламинированных композитных материалов.   Глава 2: Структура САЕ-интерфейса.

Моделирование статической линейной задачи для двумерного объекта на примере консольно закрепленной балки.

Запустите ABAQUS CAE. В появившемся диалоговом окне Start Session, показанном на рисунке 2.1, предлагаются 4 возможных действия:

Рисунок 2- Create Model DataBase – создание новой базы данных для модели;

Open DataBase - открытие существующей базы данных;

Run Script – запуск сценария с заранее записанными командами;

Start Tutorial – запуск программы с документацией по обучению и создание новой базы данных.

Выберите Create Model DataBase для начала работы.

Перед началом работы в ABAQUS/CAE необходимо понимать структуру графического интерфейса пользователя. Общий вид интерфейса представлен на рисунке 2. Дерево  Заголовок  Панель меню  Панель инструментов  Панель состояния  Рисунок 2-2. – рабочее окно Abaqus Перед Вами – рабочее пространство ABAQUS 6.7. Верхняя панель – панель меню, ниже ее – панель инструментов, под ней – панель состояния. В центре – рабочее окно просмотра моделей Viewport, слева от него – текущая панель компонент модулей, под ним – панель инструкций и окно сообщений. Все это составляет графический интерфейс САЕ, который изображен на рисунке 2.2. Размеры окна Viewport могут меняться, но общий вид всех панелей и их расположение неизменно.

Одной из особенностей ABAQUS является использование модулей, каждый из которых содержит некоторый набор действий, близких по значению и необходимых для построения конечно-элементной модели и дальнейших операций с ней. Это упрощает и делает более наглядной работу в ABAQUS.

Для выбора модуля в левой части панели основных компонент есть ниспадающий список Module, показанный на рисунке 2-3. В нем представлены Рисунок 2- PART – модуль, предназначенный для создания деталей, задания их геометрии, опорных точек и систем координат;

PROPERTY – модуль, предназначенный для определения материалов и сечений, применяемых в модели, а также для задания их физических характеристик;

ASSEMBLY – модуль, предназначенный для задания взаимного расположения деталей и сборки их в единую модель;

STEP – модуль, предназначенный для создания шагов расчета и определения выходных данных по результатам;

INTERACTION – модуль, предназначенный для определения взаимодействий между деталями, контактных участков и их свойств;

LOAD – модуль, предназначенный для создания нагрузок, прикладываемых к модели, а также начальных и граничных условий для нее;

MESH – модуль, предназначенный для построения сетки, фактически, в нем происходит преобразование геометрической модели в конечно-элементную;

JOB – модуль, предназначенный для создания файла выходных данных, проверки построенной модели, запуска вычислительного процесса и контроля над ним;

VISUALIZATION – модуль, предназначенный для просмотра результатов расчета и обработки полученных данных;

SKETCH – модуль, предназначенный для сохранения эскизов и чертежей полученной модели.

Так же для работы с модулями и наглядного представления элементов модели в Abaqus/CAE используется дерево. Каждый элемент в дереве отвечает за работу с конкретным модулем и создание элемента модели. Ниже обозначены наиболее часто используемые ‘элементы:.

Рисунок 2-4 – дерево модели 2.1 Статический расчет консольной балки.

Рассмотрим консольно-заделанную упругую балку длиной 10 см, прямоугольного сечения 5,0*1,0 мм2, изготовленную из дюралюминия Д16Т и подвергающуюся воздействию сосредоточенной силы величиной в 1 кН, приложенной к свободному концу. Ее общая схема представлена на рисунке 1.4. Теоретически, максимальный прогиб балки будет наблюдаться в стороны сечения.

Рисунок 2-5. – Консольно-закрепленная балка Для нашего случая = 1,4 мм.

Согласно решению этой задачи в сопротивлении материалов эпюры перерезывающих сил Qу и моментов Мz имеют вид, представленный на рисунке 1.5.

Q0                                                        M0  Рисунок 2-6 эпюра перерезывающих сил и изгибающего момента Здесь Qо = P, Мо = PL.

или дважды щёлкните на значке в дереве модели.

В процессе работы с модулями придется воспользоваться панелью инструкций (см. рисунок 2-7.).

Панель предназначена для представления пользователю информации о текущей работе, о том, какие действия от него ожидаются, а также представлены кнопки отмены и окончания работы.

Кнопка отмены текущего шага  Кнопка окончания работы Рисунок 2-7 Панель инструкций Рисунок 2- Теперь, двигаясь по узлам сетки, нарисуем линию требуемой длины. Можно также задать 2 точки в возникшем внизу окне, как это показано на рисунке 2-9, с координатами 0,0 и 100,0 и подтвердить свой выбор клавишей Enter. В случае ошибки можно произвести отмену действия при помощи кнопки Cancel.

Рисунок 2- Чтобы завершить геометрические построения, нажмите Сancel или среднюю кнопку мыши, после чего нажмите появившуюся внизу на панели инструкций кнопку Done. Для возврата к предыдущему действию служит находящаяся слева от кнопки Cancel кнопка Back.

Перейдите к следующему модулю PROPERTY. В модуле PROPERTY задается материал балки и свойства сечения. Для задания материалов можно воспользоваться либо элементом меню Material -> Create (см. рисунок 2-10), кнопкой на текущей панели инструментов, или дважды щелкнуть на иконку Materials в дереве модели.

ABAQUS позволяет задавать различные типы материалов: металлы, чугун, резину, пластмассы, композиты, а также хрупкие и сыпучие материалы. Отклик материала может сильно нелинейным, учитывающий как упругие и нелинейно-упругие, так и упругопластические, упруговязкопластические закономерности, как для изотропных, так и для анизотропных материалов.

Возможен учет ползучести.

В нем необходимо создать профиль сечения. Нажмите на кнопку Create рядом с полем Profile name В Abaqus/CAE есть набор уже готовых типов профилей. В появившемся окне Create Profile выберите Rectangular В окне Edit Profile, задайте размеры сторон сечения a = 1, b = 5.

Подтвердите ввод кнопкой ОК, после чего выберете созданный профиль в поле Profile name.

После этого в поле Material Name выберете ранее созданный материал Metal, и завершите создание сечение нажатием на ОК.

Теперь присвойте построенное сечение ранее созданной балке. Для этого раскройте элемент rts в дереве модели, в нем раскройте Part-1 и дважды щелкните по элементу, или же используйте кнопку Assign Section в текущей панели инструментов, либо команды меню Assign – Section. С помощью мыши укажите на балку, она будет выделена красным цветом. Нажмите Done. В появившемся окне выберите сечение и подтвердите выбор нажатием кнопки ОК.

Осталось только определить, как направлены сечения внутри балки. Для этого нажмите кнопку Assign Section Orientation либо используйте команду меню Assign – Beam Section Orientation. С помощью мыши укажите на балку, она будет выделена красным цветом, и подтвердите выбор нажатием кнопки Done. На панели инструкций возникнет окно, в котором вам надо задать направление вектора вдоль оси «Х» (стороны а) сечения. Введите числа 0.0, 0.0, -1. и, убедившись в правильности направления сечений, нажмите кнопку ОК.

Перейдите к модулю ASSEMBLY. Как было сказано выше модуль Assembly, служит для создания привязок (ссылок на детали) и объединения деталей в сборки. Несмотря на то, что в данной модели всего одна деталь, сборку все равно необходимо сформировать. Поскольку в нашем случае деталь всего одна, достаточно нажать кнопку Create Part Instance, либо в дереве воспользоваться командами меню Instance – Create. Появится окно со списком готовых деталей Parts. В нашем случае деталь всего одна, выберем ее – она будет выделена красным цветом, в разделе Instance Type укажите Independent и подтвердите выбор – цвет, обозначающий сборку, изменится на синий.

Если сборку создают две и более детали, то для их взаиморасположения используются элементы меню Instance->Translate, Instance->Rotate, и Instance->Rotate. В данной задаче одна деталь и эти опции не будут задействованы.

Следующая операция является очень важной при работе в ABAQUS/CAE - выбор шагов анализа.

В модуле Step задаются шаги анализа, определяются тип анализа - основной анализ (General) или анализ линейных возмущений (Linear Perturbation Step) и тип решения (статика, динамика, теплопередача и т.п.).

Поскольку ABAQUS представляет собой пакет программ и использует разные решатели в зависимости от постановки задачи, необходимо определить, каким именно решателем мы будем пользоваться. Перейдите к модулю STEP и создайте шаг расчета с помощью кнопки Create Step, или дважды кликните элемент в дереве модели, либо с помощью команды меню Step – Create. Возникнет окно Create Step, в котором уже указан начальный шаг расчета Initial. Задайте следующий шаг Static, General и присвойте ему имя – Loading. Нажав на кнопку Continue, вызовите окно редакции шага расчета Edit Step, В графе Description укажите тип решаемой задачи - Console Beam.

Активируйте опцию нелинейного анализа, указав Nlgeom=On, и нажмите OK.

В модуле STEP есть еще две важные функции, Create Field Output и Create History Output. Они позволяют задавать переменные, которые надо определить в ходе расчета – напряжения, энергии, деформации и т.п. Часть из них задается автоматически. Просмотреть заданные по умолчанию выходные параметры, а также внести изменения можно с помощью сопутствующих го менеджеров – они есть в каждом модуле и вызываются одинаковыми кнопками. Так же доступ к этим функциям можно получить через соответствующие элементы дерева модели, а доступ к их менеджерам – кликнув по названию правой кнопкой мыши и выбрав Manager… Используйте менеджер для Field Output через соответствующую кнопку, либо с помошью команд меню Output – Field Requests – Manager. Появится окно Field Output Requests Manager.

Нажмите кнопку Edit, чтобы выбрать необходимые выходные данные из списка. В этом менеджере, как и в любом другом, можно также создавать, изменять, копировать и удалять соответствующие компоненты текущего модуля. Выход из менеджера осуществите кнопкой Dismiss.

В нашей задаче нет взаимодействий, поэтому модуль INTERACTION опустим. Перейдем сразу к модулю LOAD.

Задайте сосредоточенную силу, действующую на конец балки, дважды кликнув по элементу дерева меню, или с помощью кнопки Create Load, либо команд меню Load – Create.

Укажите шаг, на котором действует нагрузка (Loading), присвойте имя, Tip Load, определите категорию Category нагрузки Mechanical и тип нагружения Types for Selected Step как сосредоточенная сила Concentrated Force.

Нажмите кнопку Continue и перейдите к следующему окну Edit Load. В нем укажите точку на конце балки, как показано на рисунке 2-18 и задайте величину сосредоточенной силы CF2 = Нажатием кнопки ОК подтвердите выбор. Нагрузка на балку задана.

Граничные условия задайте аналогично, закрепив неподвижно другой, ненагруженный конец. Для этого дважды щелкните по элементу дерева модели, или используйте кнопку Create BC либо команды меню BC – Create.

В появившемся окне Create Boundary Condition задайте на шаге Initial категорию граничного условия Mechanical и его тип Symmetry/Antisymetry/Encastre. Присвойте заделке имя BeamBound.Нажмите кнопку Continue. Укажите на свободный конец балки, подтвердите выбор и, нажав кнопку Done, перейдите к следующему окну Edit Boundary Condition. В нем выберите последнюю графу Encastre, то есть нулевые линейные и угловые перемещения в указанной точке, и нажмите ОК.

Создание конечно-элементной сетки – является одним из важных этапов создания конечноэлементной модели. В ABAQUS/CAE для создания сетки и ассоциации свойств конечных элементов с заданными свойствами, предназначен модуль Mesh.

Перейдите в модуль MESH. Прежде, чем построить сетку, надо определить размеры элементов.

С этой целью в ABAQUS используется опция Seed.

Нажмите на кнопку Seed Part Instance и продолжайте удерживать треугольную закладку в ее нижнем правом углу, пока не появится подменю, в котором выберите кнопку Seed Edge By Number либо воспользуйтесь командами меню Seed – Edge By Number. С помощью мыши выделите балку и в окне на панели инструкций задайте количество элементов вдоль нее - 10.

Подтвердив ввод кнопкой Done, вы увидите на балке ряд окружностей, обозначающих предполагаемые положения узлов сетки. Можно также задать размер элемента другими способами, например, кнопками Seed Edge By Size или Seed Edge Biased.

Теперь необходимо определить, на основе каких элементов будет построена модель балки.

После нажатия кнопки Assign Mesh Controls или вызова команд меню Mesh – Controls появляется окно, в котором надо указать категорию используемых элементов, для одномерных элементов это не нужно. Кнопка Assign Element Type или команды меню Mesh – Element Type вызывает окно выбора типа элементов сетки Выберите тип элемента B21H, как это показано на рисунке, задав линейный порядок элемента, содержащегося в стандартной библиотеке, из разряда балочных, работающего на сдвиг в гибридной формулировке.

Теперь, когда все готово для построения сетки, нажмите кнопку Mesh Part Instance или используйте команды меню Mesh – Part Instance – Create. Нажмите ОК, и балка покроется одномерной сеткой. Конечно-элементная модель готова.

Перейдите к модулю JOB. С помощью кнопки Create Job либо команд меню Job – Create, или дважды кликнув по элементу в дереве модели создайте файл данных с расширением *.odb, из которого после окончания расчета можно считать результаты. В появившемся окне Create Job, присвойте этому файлу имя Beam2D-Bending. Имя надо задавать уникальным, это позволит избежать путаницы, когда у вас накопится много файлов *.odb.

Для продолжения нажмите кнопку Continue и в окне Edit Job, задайте тип вычисления Full Analisys, очередность выполнения Background и время на подтверждение Immediately.

Можете также указать описание выполняемой работы, Bending static, это особенно полезно, когда к модели прикладываются различные нагрузки, задаются разные граничные условия или есть несколько шагов расчета. Подтвердите ввод нажатием кнопки ОК. Вычислительный процесс сформирован. Чтоб запустить его, раскройте элемент дерева модели, кликните правой кнопкой по процессу Beam2D-Bending и выберите Submit, или же вызовите Job Manager соответствующей кнопкой либо командами меню Job –Manager и нажмите на кнопку Submit.

Надпись Running говорит о работе процесса, когда она сменится на Completed - нажимайте кнопку Results, чтобы просмотреть результаты расчета. Вы автоматически перейдете в модуль VISUALISATION. Кнопка Fast Plot Deformed показывает вид деформированной модели, кнопка Plot Undeformed возвращает исходную модель, кнопка Plot Contour отображает распределение по модели результирующей переменной, по умолчанию – напряжения по Мизесу, в виде цветовых градаций. Как обычно, все эти кнопки продублированы одноименными командами в меню Plot.

Можете заказать распределение любой переменной, используя команду меню Result – Field Output. В возникшем окне, укажите интересующую вас переменную. Там же можно заказать переменную, определяющую экранную деформацию модели – она вовсе не обязательно должна совпадать с физической деформацией. Обратите внимание, что некоторые переменные состоят из нескольких компонент, и в списке внизу вы можете определить именно ту, которая вам нужна, учитывая оригинальную систему координат ABAQUS: X, Y и Z нумеруются, соответственно, 1, 2 и 3. Теперь сравните максимальную величину прогиба всей балки с ее расчетным значением, выбрав Results at nodes – U –U2.

Глава 3: Моделирование статической линейной задачи для трехмерного объекта на примере изгиба консольно-закрепленной балки. Использование различных типов элементов. Изменение параметров сетки.

На этот раз продолжим рассмотрение консольно-заделанной балки из предыдущего занятия, но будем моделировать ее уже трехмерными элементами.

Создайте новую базу данных модели. Поскольку вы уже знакомы с некоторыми командами ABAQUS, не будем повторяться, описывая уже известные вам действия. Создайте деталь, присвойте ей имя 3DBeam и в окне Create Part задайте новый тип детали, а именно – трехмерное деформируемое твердое тело, путем определения Modeling Space = 3D, Type = Deformable, Base Feature задайте Shape = Solid, Type = Extrusion, то есть объемный объект, полученный выдавливанием (также его можно построить вращением или протягиванием вдоль кривой).

Обратите внимание на то, что размер рабочего окна Approximate Size надо задать равным 20.

Нажав кнопку Continue, подтвердите свой выбор и приступайте к геометрическим построениям.

На панели текущих инструментов модуля PART нажмите кнопку Create Lines:Rectangle либо воспользуйтесь командами меню Add – Line - Rectangle. Теперь можете строить сечение прямо на экране с помощью мыши или заданием углов прямоугольника -2.5, -0.5 и 2.5, 0.5. После нажатия клавиши Enter завершите построение сечения кнопкой Done, и в появившемся на панели инструкций окне задайте глубину выдавливания 100. В окне просмотра модели появится трехмерная балка в виде прямоугольного параллелепипеда. (Рисунок 3.1) Используйте кнопки динамического вращения View Rotate, динамического увеличения/уменьшения View Zoom, панорамирования View Pan и шейдинга Display Hidden, Display Shaded и Display Wireframe для просмотра полученного объекта. Также могут быть полезны кнопки View Fit, показывающая весь объект в центре окна просмотра модели, и кнопка View Zoom Rectangle, позволяющая увеличивать часть объекта внутри выбираемой мышью прямоугольной области.

В модулях PROPERTY, ASSEMBLY и STEP действия ничем не отличаются от описанных в предыдущей главе, за исключением задания сечения. Во-первых, профиль задавать уже не надо.

Во-вторых, при создании сечения в окне Create Section укажите категорию Solid и тип Homogeneous, то есть однородное твердотельное сечение. Выбрав в окне Edit Section созданный заранее материал, и толщину сдвига в собственной плоскости Plane stress/strain thickness = 1, подтвердите ввод кнопкой ОК, после чего присвойте сечение балке дважды кликнув на элементе Section Assignment в дереве модели, или командой Assign Section, вызываемой из панели меню, либо с помощью соответствующей кнопки.

Перейдите к модулю LOAD. Необходимо так же, как и в предыдущей главе, приложить сосредоточенную силу к некоторой точке. Очевидно, она должна располагаться на оси жесткости балки, но точки для нее пока не созданы. Для преодоления подобных затруднений в ABAQUS есть семейство команд разбиения Partition. Вызываются они из панели меню Tools – Partition или кнопкой на текущей панели инструментов Partition Sketch: Face. В появившемся окне Create Partition укажите тип разбиения Face и метод Sketch. После нажатия кнопки ОК на экране с помощью мыши выделите грань на свободном конце, к которой будет приложена нагрузка, и нажмите Done. В появившемся на панели инструкций окне выберите horizontal and on the top и выделите мышью соответствующее ребро грани, то есть верхнее горизонтальное. Используйте кнопку Create Lines Connected или команду меню Add – Connected Lines, чтобы построить на этой грани отрезок, разбивающий ее на две равные части. После нажатия кнопки Done вы увидите, что к грани добавилось новое ребро. Его тоже надо разбить пополам, чтоб получить точку точно в центре грани. Для этого нажмите кнопку Partition Edge By Parameter, или воспользуйтесь командами меню Tools – Partition - в окне Create Partition задайте тип разбиения Edge и метод Enter Parameter. Укажите мышью вновь созданное ребро и в появившемся на панели инструкций окне задайте параметр разбиения, обозначающий расстояние от начала ребра до точки разбиения в долях от длины ребра, равным 0.5 и нажмите кнопку Create Partition.

Подтвердите создания разбиения кнопкой Done. Теперь модель готова к приложению нагрузки.

Сама сосредоточенная сила задается так же, как и в случае двумерной балки, только точку ее приложения надо указать в центре торца балки. Граничное условие тоже задается аналогично случаю двумерной балки, на шаге Initial, с тем лишь различием, что закрепить надо не точку, а всю грань, противоположную той, к которой приложена нагрузка. Обратите внимание на то, что эта грань не должна быть скрытой, возможно, балку понадобится развернуть в окне просмотра с помощью кнопки View Rotate.

Перейдите к модулю MESH. Используйте команду меню Seed – Instance либо кнопку Seed Part Instance. Задайте минимальный размер элемента равным 1. Вдоль больших ребер балки возникло слишком много элементов, уменьшите их количество командами меню Seed – Edge By Size или нажмите кнопку Seed Edge By Size, находящуюся в подменю, возникающем при удерживании треугольной закладки на кнопке Seed Part Instance. Выделите все 4 образующие балки, удерживая клавишу Shift. В случае ошибки отмените выбор отдельной грани клавишей Ctrl. В появившемся на панели инструкций окне задайте размер элемента вдоль указанных ребер равным 20. Нажмите кнопку Done – теперь на балке находится всего 60 узлов предполагаемой сетки. С помощью команды Mesh – Controls или соответствующей кнопки задайте гексаэдрическую форму элемента Shape = Нех и структурный способ построения сетки Technique = Structured. С помощью команды Element Type или соответствующей кнопки выберите тип элемента C3D8H, задав линейный порядок элемента, содержащегося в стандартной библиотеке, из разряда 3D Stress, то есть работающего во всех трех направлениях по своему объему в гибридной формулировке. Создайте сетку командами меню Mesh – Instance или соответствующей кнопкой на текущей панели инструментов модуля MESH, подтверждая действие кнопкой Done.

Действия в модулях JOB и VISUALISATION идентичны тем, что имели место для двумерного случая. Не забывайте о том, что имя файла выходных данных должно быть уникальным, например, Beam3D-Bending.

Просмотр результатов стал более наглядным, поскольку теперь мы имеем дело с трехмерным объектом. Сравните их с результатами, полученными для двумерной балки. Для этого загрузите файл Beam2D-Bending.odb, созданный на предыдущем занятии. Саму модель загружать не обязательно. Создайте дополнительное окно просмотра модели с помощью команд меню Viewport – Create, в котором вы будете просматривать двумерную балку. Масштабируйте их так, как вам удобно. Чтоб перейти от окна к окну, надо сделать его активным, выбрав его в окне меню Viewport. Погрешность оцените самостоятельно.

Глава 4: Моделирование различных типов материалов (изотропные, ортотропные, слоистые, гиперэластичные) на примере изгиба консольно-закрепленной балки. Задание пределов пропорциональности и прочности, переход к нелинейной статической задаче.

На предыдущем занятии мы моделировали балку, сделанную из изотропного материала – дюрали, предположив, что деформация линейно зависит от напряжения. Но, как известно, в реальных материалах участок пропорциональности не бесконечен, и в общем случае диаграмма растяжения имеет вид, представленный на рисунке 4.1. На ней есть участок пластичности, характеризующийся тем, что значительные деформации сопровождаются небольшими изменениями напряжения. Таким образом, для любого моделируемого материала статическая задача может стать нелинейной после перехода предела пропорциональности.

Рассмотрим моделирование это явление в ABAQUS. Откройте файл, созданный во время работы с предыдущей главой и присвойте ему новое имя Beam-Materials. Менять геометрию, шаг расчета, нагрузку, граничные условия и сетку не будем, так что перейдем сразу в модуль PROPERTY и создадим в нем новый материал уже известным вам способом или путем нажатия кнопки Create в менеджере материалов. Задайте новые свойства описав медь: Density = (кг/м3), Young’s Modulus = 4.3e+8, Poisson’s Ratio = 0.28. Теперь в меню Mechanical выберите пункт Plasticity – Plastic. Появится таблица, по умолчанию состоящая из одной строки и двух столбцов: Yield Stress и Plastic Strain. В них, соответственно, задается напряжение и соответствующая ему пластическая деформация в табличном виде. Обратите внимание на то, что эта деформация отнулевая, поскольку так описываются не точки на диаграмме растяжения, а отклонение от прямой с углом наклона, равным арктангенсу модуля Юнга. Заполните таблицу так, как показано на рисунке 4.2. Заметим, что первое число в ней соответствует пределу пропорциональности, а последнее – пределу прочности материала.

Yield Stress Plastic Strain Рисунок 4- Присвойте материалу новое имя - Copper. Далее известным вам методом задайте сечение балки на основе вновь созданного материала и присвойте его вашей модели. Перейдите в модуль JOB и создайте в нем новый вычислительный процесс с собственным именем, например, Beam3DPlastic. Нажав кнопку Submit, начните вычисления и просмотрите результаты. Обратите внимание на то, как изменились напряжения – они существенно упали при попадании на участок пластичности. Деформации, тем не менее, изменились не так сильно – материал «потек».

Но медь – изотропный материал. Попробуем теперь задать материал ортотропный, например, фанеру. Для этого создайте в менеджере материалов новый материал с именем Plywood.

Задайте плотность материала: Density = 1460 (кг/м3). В разделе Mechanical задайте свойство Elastic, в появившемся окне найдете поле Type и переключите с его помощью тип материала с Isotropic на Orthotropic. Определите матрицу жесткости фанеры: D1111 = 2.3е+8 Па, D1122 = 3.8е+5 Па, D2222 = 4.3е+8 Па, D1133 = 5.6е+5 Па, D2233 = 1.4е+7 Па, D3333 = 1.8е+9 Па, D1212 = 2.7е+5 Па, D1313 = 1.6е+6 Па, D2323 = 4.3е+5 Па. Теперь надо задать ориентацию материала.

Для этого сначала создайте локальную систему координат Datum Csys при помощи кнопки Create datum Plane: 3 Points или команд меню Tools – Datum, Type = Csys, Method = 3 points. В появившемся окне Create Datum Csys выберите Coordinate System Type как Rectangular и задайте новой системе имя, по умолчанию Datum csys-PlyWood. Нажав кнопку Continue, выберите точку начала координат в месте приложения силы, в центре свободного торца балки.

Появятся новые координатные оси, выделенные красным цветом. Подтвердите ввод нажатием кнопки Create Datum. Нажмите на панели инструментов кнопку Assign Material orientation или используйте команды меню Assign – Material orientation. Укажите мышью на всю балку и нажмите кнопку Done. Теперь выделите мышью вновь созданную систему координат и нажмите на кнопку Axis-3 для ориентации усиленного волокна фанеры вдоль балки. Подтвердите нулевой угол отклонения от оси кнопкой Enter и завершите ориентацию материала кнопкой ОК. Повторите все действия по созданию нового вычислительного процесса с именем Beam3D-Orthotropic и просмотрите полученные результаты.

Далее рассмотрим моделирование композитных материалов. Они состоят из ортотропных слоев, повернутых под разными углами друг относительно друга и склеенных в слоистый пакет. Для этого создайте новый материал с именем Composite и определите Elastic как Engineering Constants. Задайте следующие свойства: Density = 4850 (кг/м 3), Young’s Modulus: Е1 = 3.6е+8 Па, Е2 = 2.8е+7 Па, Е3 = 4.5е+7 Па, Nu12 = 0.34, Nu13 = 0.23, Nu23 = 0.28, G12 = 3.2e+7 Па, G13 = 4.0e+7 Па, G23 = 6.2e+7 Па. После этого нажмите кнопку ОК. Проведите вычислительный процесс с новым именем, например, Beam3D-Composite, не забыв, как и в предыдущем случае, после присвоения балке свойств сечения задать и ориентацию материала. Просматривая результаты расчета, обратите внимание на распределение напряжений по слоям поперек балки, взяв в качестве переменной для вывода Primary Variable давление Pressure Nominal Stress Nominal Strain 0.6 1.6 Задайте плотность материала Density=1870 кг/м3 и выберите 1.8 6.8 которой будете аппроксимировать потенциал энергии деформации Рисунок 4-3 сами пробные данные, то есть точки, по которым будет построена диаграмма растяжения для резины. Для этого нажмите кнопку Test Data и выберите подопцию Uniaxial test data. Заполните появившуюся на экране таблицу Suboption Editor так, как показано на рисунке 4.3. Здесь Nominal Stress и Nominal Strain – номинальные напряжения и соответствующие им деформации. Подтвердите ввод, нажав ОК. В ABAQUS есть разные модели для задания гиперэластичных материалов: полиномиальная, Муни-Ривлина, Марлоу, АррудыБойса и другие. Мы уже задали полиномиальную модель с N=2. Чтобы увидеть, насколько точно она соответствует экспериментальным данным, необходимо произвести оценку материала. Это можно сделать непосредственно в менеджере материалов, указав вновь созданный материал и нажав кнопку Evaluate, либо с помощью команд меню Material – Evaluate – Rubber. Возникнет окно Evaluate Material.

В нем задайте Source как Test data, а в качестве тестов для модели материала Standard Tests выберите одноосное растяжение-сжатие Uniaxial и чистый сдвиг Planar. Для каждого из них задайте масштаб деформации Nominal Strain, то есть верхний предел деформаций в таблице пробных данных, в нашем случае 12. Откройте закладку Strain Energy Potentials и выберите модели, для которых будет проведено сравнение с пробными данными, например, Polynomial, Mooney-Rivlin и Odgen. Подтвердите ввод нажатием кнопки ОК. Если все сделано правильно, на экране появятся графики, показывающие процессы нагружения пробного образца для эксперимента и заданных моделей потенциала энергии деформации. Обратите внимание на погрешность полиномиальной модели и закройте графики, а потом проведите известные действия по созданию нового вычислительного процесса с именем, например, Beam3D-Rubber.

Ориентацию материала задавать на этот раз не надо. Просмотрите результаты расчета и определите различие деформаций медной и резиновой балки при идентичных условиях нагружения.

Глава 5: Моделирование динамической задачи на примере свободных колебаний консольно-закрепленной балки. Анализ частотных характеристик, запись результатов анализа в отчетные файлы.

Рассмотрим проведение расчета свободных колебаний балки, то есть колебаний, возбуждаемых в балке при мгновенном снятии ранее действовавших нагрузок. Используем результат предыдущего расчета, полученного при работе с главой 2, из которого в качестве исходных данных берутся деформации балки на последнем шаге. Откройте файл, содержащий модель трехмерной балки, и сохраните, присвоив ему новое имя.

Для проведения расчета необходимо создать копию модели, результаты расчета которой уже есть. Необходимо вызвать менеджер моделей, используя команду меню Model – Copy Model и скопировать Model-1 в Model-2. Теперь все действия будут проводиться с новой моделью. Теперь создайте новый шаг анализа – линейный динамический расчет. Для этого вернитесь в модуль STEP. Дважды кликните по элементу STEPS в дереве модели, либо запустите в этом модуле менеджер, отвечающий за создание и редактирование шагов анализа Step – Manager, или создайте новый шаг, используя кнопку Create. Выберите Procedure type = General, метод анализа – Dynamic, Implicit. Назовите шаг Dynamic Loading.

В окне Edit Step задайте параметры по выбору шага. В Basic укажите описание Free Веам, и период времени Time Period, в течение которого будут рассматриваться колебания балки – 12 с.

В Incrementation задайте тип – Fixed, максимальное число шагов – 200, постоянный шаг по времени Increment size – 0,1 с. В параметрах Other введите коэффициент численного демпфирования Numerical damping control parameter, равный -0.3 (знак «минус» обязателен) и нажмите кнопки ОК и Dismiss.

Для задания опций вывода процессов History Output по времени необходимо определить точки, в которых будут записываться данные в зависимости от времени. Делается это следующим образом: запустите менеджер групп, выбрав элемент меню Tools – Set – Manager, в котором создается новая группа кнопкой Create. В эту группу будет входить одна точка – та, к которой на шаге Loading была приложена сила. По умолчанию расчетная группа точек геометрической модели носит имя Set-1, но ей можно присвоить и собственное имя при помощи кнопки Rename, что бывает особенно полезно при анализе комбинированных конструкций. Укажите заданную точку мышью и нажмите кнопки Done, а затем Dismiss. Запустите менеджер временных зависимостей результатов, кликнув правой кнопкой мыши по элементу дерева модели History Output Requests и выбрав пункт Manager, или же при помощи команд меню Output – History Output Request – Manager или соответствующей кнопки. В этом менеджере для шага Dynamic Loading задаются свои переменные для вывода, в частности перемещения, скорости и ускорения Displacement/ Velocity/Acceleration заданной выше группы Set-1, которую необходимо указать в окне Domain, выбрав раздел Set.

Задайте для этого шага условия нагружения через модуль LOAD. Так как на этом шаге рассматриваются свободные колебания балки, то необходимо убрать нагрузку, приложенную на предыдущем шаге. Для этого надо выделить ее в менеджере нагрузок и изменить состояние Propagated на состояние Inactive кнопкой Deactivate.

Следующее действие – это, собственно, организация файла выходных данных и запуск расчета с помощью модуля JOB. В этом модуле, используя менеджер заданий, создайте новый вычислительный процесс при помощи кнопки Create, после чего запустите его кнопкой Submit.

Не забудьте присвоить этому процессу уникальное имя - Beam3D-Frequencies.

После окончания расчета откройте полученные результаты известным способом – нажатием кнопки Results в менеджере заданий или открытием в модуле VISUALIZATION соответствующего файла выходных данных с расширением *.odb.

Для просмотра колебательного процесса по времени в ABAQUS/CAE необходимо воспользоваться командами меню Animate – Time History либо кнопкой Time History Animate.

Начнётся воспроизведения колебательного процесса. Для динамического отображения возникающих в балке напряжений воспользуйтесь кнопкой Allow Multiple Plot States и после ее нажатия – Plot Contours on Deformed Shape Изменить параметры анимации можно, нажав на кнопку Animation Options, расположенную на панели инструкций. В частности, для того чтобы просмотреть колебательный процесс от начала до конца, один раз, без повторений необходимо в появившемся окне Animation Options задать параметр Mode в значение Play once.

Управление анимацией (запуск, остановка, пошаговый переход к следующему кадру) проводится с панели инструкций посредством набора кнопок Animation Controls. Для вывода графиков по времени необходимо воспользоваться элементом меню Result – History output. В появившемся окне выбирается переменная, по которой требуется построить график. Например, выберите переменную, отвечающую за вывод графика перемещения точки, к которой на шаге Dynamic Loading была приложена сила Spatial Displacement: U1 at Node XX in NSET SET-1. При нажатии на кнопку Plot на экран будет выведен график указанной переменной. Для изменения параметров выводимого графика служит кнопка XY Curve Options. При ее нажатии возникнет одноименное окно, дающее возможность изменить вид выводимой кривой: задать вид линии кривой, вид выводимых символов. Также может быть полезна кнопка XY Plot Options, при ее нажатии появится окно изменения параметров области построения, таких, как легенда и сетка.

Глава 6:. Моделирование контактной задачи на примере падения твердого шара на свободный конец консольнозакрепленной балки с различными начальными условиями.

Одной из характерных особенностей ABAQUS является большой набор средств, служащих для анализа взаимодействий. Рассмотрим простое взаимодействие упругого и абсолютно жесткого тел. Проведите известные вам действия, открыв файл с консольно-заделанной балкой и сохранив его под другим именем, и удалите нагрузку с помощью кнопки Delete так, что балка должна быть свободна уже на первом шаге расчета Loading. Теперь при помощи команд меню Create – Part либо одноименной кнопки создайте новую деталь, а именно – трехмерное абсолютно жесткое тело, путем определения Modeling Space = 3D, Type = Discrete Rigid, а в разделе Base Feature задайте Shape = Shell и Type = Revolution, то есть методом построения новой детали послужит вращение. Назовите модель Ball. Нажмите кнопку Continue и при помощи кнопки Create Arc:

Center and 2 Endpoints на панели инструментов или команд меню Add – Arc – Center/Endpoints на плоском виде нарисуйте дугу окружности в центре с точкой (0.0, 0.0), началом в точке (0.0, 5.0) и концом в точке (0.0, -5.0). Будьте внимательны! Сначала задается верхняя точка, потом нижняя так, чтобы вся дуга лежала справа от центральной пунктирной линии CenterLine. Затем замкните дугу отрезком при помощи кнопки Create Lines Connected или команд меню Add – Line – Connected Lines. Завершите геометрические построения кнопкой Cancel и подтвердите ввод кнопкой Done. Теперь появится окно Edit Revolution, в котором надо указать угол вращения Angle = 360.0 и еще раз подтвердить ввод. Последнее, что необходимо сделать, это добавить опорную точку при помощи команд меню Tools – Reference Point в точке (0.0, 0.0, 0.0) и подтвердить ввод клавишей Enter. Шар готов. На этом определение геометрических характеристик деталей закончено. Если потребуется изменить характеристики деталей, то это можно сделать с помощью элемента меню Feature – Edit или кнопки Edit Feature, выбрав в панели состояния требуемую деталь при помощи мыши.

Для задания физических свойств деталей необходимо перейти в модуль PROPERTY. В окне Edit Material создайте материал Plastic Metal при помощи известных команд меню Material – Create, у которого следующие упругие характеристики: Density =7850 (кг/мм3), Young’s Modulus Е=2e+ МПа, Poisson’s Ratio=0.3. Пластические характеристики материала задаются, используя закладки Mechanical – Plasticity – Plastic так, как показано на рисунке 6-1.

Yield Plastic Далее создайте однородное сечение для твердотельных элементов, 3000 0 используя элемент меню Section – Create или соответствующую кнопку.

3400 0.03 Перед тем как присвоить созданные свойства балке, необходимо убедится, что 4000 0.07 она в панели состояния является активной деталью.

Один из самых важных этапов это создание сборки деталей посредством их 4800 0. пространственных привязок. Перейдите в модуль ASSEMBLY. В сборке участвуют две детали, Beam и Ball, то есть шар и балка. Включение привязок в 5300 0. сборку осуществляется двойным кликом по элементу Instances дерева модели, или с помощью команд меню Instance – Create или кнопки Instance Part, как 5350 0. во второй главе. Теперь необходимо отцентрировать балку относительно шара. Надо переместить деталь против направления оси «Y» на 5.5 мм и 5000 0. против направления оси «Z» на 50 мм, воспользовавшись элементом меню  Рисунок 61  Instance - Translate или кнопкой Translate Instance. Укажите мышью на балку, она выделится красным цветом, и нажмите кнопку Done. Внизу, в окне на панели управления сначала задается начальная координата вектора переноса, а затем конечная. Совсем не обязательно, чтобы это были точки, принадлежащие деталям.

Например, введите пару точек (0.0, 5.5, 50.0) и (0.0, 0.0, 0.0). После задания последней координаты деталь переносится в требуемое положение, которое надо подтвердить, нажав кнопку ОК.

В модуле STEP включите опцию нелинейного анализа NlGeom = On и создайте еще один шаг расчета, аналогичный имеющемуся, по умолчанию – Step-2. Описание его укажите как Motion.

Модуль INTERACTION еще не рассматривался подробно в данном руководстве. Как было сказано ранее, этот модуль служит для определения взаимодействий деталей в сборке, а также задания свойств этих взаимодействий. Новое взаимодействие задается двойным кликом по элементу в дереве модели, или командами меню Interaction – Create, либо кнопкой Create Interaction. Появляется окно Create Interaction (рисунок 6.2), в котором укажите для первого шага расчета Loading, Types for selected step как поверхностный контакт Surface-to-surface contact (Standard). После выбора опций кнопкой Continue на экране задаются контактные зоны, главная (master) и подчиненная (slave). Сначала выбирается главная поверхность. Из двух контактных поверхностей главная поверхность должна быть более жесткой, в данной задаче это шар. На экране выбранная поверхность становиться красной.

необходимо развернуть деталь так, чтобы была видна верхняя сторона балки, и выбрать ее выступающую часть. Развернуть сборку можно, используя панель видов, которая вызывается при использовании команд меню View – Views Toolbox… F8.

После выбора подчиненной поверхности кнопкой Done в окне Edit Interaction (рисунок 6.3) необходимо задать другие свойства соединения. Немаловажное значение имеет задание параметров подгонки узлов, которая необходима при проникновении главной поверхности в подчиненную поверхность. В секции Slave Node Adjustment требуется выбрать опцию Adjust only to remove overclosure (подгонять только проникающие узлы). Формулировку проскальзывания (Sliding Formulation) задайте конечное проскальзывание - Finite Sliding.

Эти свойства задаются при использовании команд меню Mechanical – Tangential Behavior и Mechanical – Normal Behavior, соответственно. Для Tangential Behavior задайте формулировку Friction Formulation как Penalty, укажите направленность Directionality Isotropic изотропной и введите коэффициент трения Friction Coefficient = 0.05. Для Normal Behavior оставьте настройки, используемые по умолчанию. Закройте все окна нажатием кнопок ОК.

В модуле LOAD шар необходимо закрепить по всем степеням свободы, применив граничное условие Encastre. Это условие должно присутствовать на начальном шаге (Initial) и распространяться на все остальные шаги интегрирования. Условие задаётся, используя опцию Create в Boundary Condition Manager. Тип граничного условия для всех шагов Symmetry/Antysymmetry/Encastre. В качестве области применения граничного условия, необходимо использовать не весь шар, а только его опорную точку Reference Point.

В качестве воздействия – имитации падения шара – задается перемещение грани балки вдоль оси “Y”. Для этого также используйте Boundary Condition Manager, в котором на шаге Motion на боковом свободном торце балки задайте граничное условие типа Displacement/Rotation – перемещение по оси «Y» на 10 мм, то есть U2 = 10. Помимо воздействия необходимо закрепить боковые грани балки от перемещений вдоль оси «Z» и вращения вокруг оси «X» и «Y». Для этого на шаг Initial задайте граничное условие Symmetry/Antysymmetry/Encastre типа ZSYMM, которое распространяется на все шаги анализа. Всего должно быть 4 граничных условия, включая заделку торца балки. Она наследуется из файла, полученного ранее, однако объект, к которому она приложена, уже удален. Выделите BC-1 в менеджере граничных условий и нажмите кнопку Edit. ABAQUS выдаст предупреждение и предложит вам заново задать граничное условие, для чего нажмите кнопку Yes. В появившемся окне Edit Boundary Condition нажмите кнопку Edit Region, после чего выберите для заделки удаленный от шара торец балки.

Перейдите в модуль MESH. От разбиения сетки в контактных задачах очень сильно зависит сходимость решения. Правильно созданная сетка может значительно сократить время решения.

Сначала проводится разбиение главной поверхности. Сетка здесь должно быть более крупной, чем на подчиненной поверхности. Используя команды меню Seed – Instance или кнопку Seed Part Instance задайте размер элемента по периметру шара равным 2 мм. Далее с помощью кнопки Assign Mesh Controls или вызова команд меню Mesh – Controls измените тип объемных элементов на треугольники TRI. Создание сетки по шару произведите обычным образом, используя команды меню Mesh – Instance или кнопку Mesh Part Instance.

В свою очередь, сетка балки в зоне контакта должна быть более мелкой. Для того, чтобы измельчить новую сетку, необходимо разбить ее посредине на две подобласти. Эта операция проводится в три этапа. Сначала создается вспомогательная плоскость, направляющая для разбиения, потом проводится разбиение на подобласти, после чего можно строить конечноэлементную сетку. Построение направляющей плоскости осуществляется с помощью команд меню Tools – Datum. В появившемся окне Create Datum задайте тип направляющей как плоскость Plane и метод ее построения Point and Normal. Выбранный метод требует задать точку и нормаль и может быть вызван при использовании кнопки Create Datum: Plane by Edge. Точка выбирается посредине балки, а в качестве нормали одно из ее длинных ребер. На экране плоскость будет отображена желтой прерывистой линией. Используя вспомогательную плоскость, можно провести разбиение балки на две половины. Для этого необходимо снова воспользоваться элементом меню Tools – Partition. Выбирается тип разбиваемого объекта – Cell и метод - Use datum plane. Тот же результат можно получить, нажав на кнопку Partition Cell: Use Datum Plane.

На экране выбирается созданная вспомогательная плоскость, после нажатия кнопки Create Partition она автоматически разбивает балку – единственный деформируемый объемный объект.

Не забудьте нажимать кнопку Cancel для завершения каждой операции! После разбития на подобласти на балке можно создавать сетку. Для начала задается предварительное разбиение модели. Глобальное разбиение проведите с помощью опции Seed – Instance. Необходимо на экране указать на разбиваемую деталь и задать приблизительный размер элемента – 0.25 мм.

Этот размер выбирается из условия размещения 4 элементов по толщине пластины, 2 элементов недостаточно для достижения сходимости. Такая сетка слишком густая, и достаточно иметь подробное разбиение только в зоне контакта. Для того чтобы загрубить сетку в зонах, отдаленных от зон контакта, необходимо воспользоваться опцией по направленному сгущению сетки.

Вызывается эта опция с помощью элемента меню Seed – Edge biased или кнопки Seed edge:

Biased. На экране выбираются продольные ребра балки (8 ребер). На ребра надо указать в области, близкой к середине детали, там, где будет производиться сгущение сетки. В панели инструкций вводится соотношение между максимальной и минимальной длиной элементов на ребре, а также количество элементов. Соотношение между длинами задается равным 4, количество элементов 40.

Можно также загрубить сетку по ширине пластины. На экране необходимо выбрать 8 ребер на торцах. Изменить разбиение с помощью элемента меню Seed - Edge By Number или соответствующей кнопки. В окне инструкций задайте количество элементов, равное 4.

Если вы пользуетесь Abaqus Student Edition, Вам следует помнить про ограничение !  количества узлов, в данном случае измените размеры элемента, тем самым изменив Прежде чем приступить непосредственно к генерации сетки, необходимо определить тип элементов, которые будут участвовать в ее создании. Для этого используется команды меню Mesh – Element Type или кнопки Assign Element Type. На экране выберите с помощью мыши подобласти, для которых надо определить тип элементов – обе части балки. А в окне Element Type определите характеристики элементов следующим образом: библиотека Standard, семейство 3Dstress, порядок элементов Linear, тип HEX. Так заданный элемент классифицируется как C3D8I. При этом необходимо обратить внимание, что в задачах контакта с изгибом лучше всего использовать элементы типа Incompatible modes.

Создание сетки для балки следует производить по каждой ее половине отдельно, используя элемент меню Mesh – Region или кнопку Mesh Region.

Создание вычислительного процесса и запуск расчета произведите известным вам способом. Как всегда, имя файла задания и его описание должно быть уникальными. Например, Beam3D&Ball и Roquelle соответственно. Во время расчета можно просмотреть процесс его выполнения (отчет, записываемый в *.sta-файл): записанные шаги и изменение шага, погрешности и так далее. А также, нажав на кнопку Results, можно автоматически загрузить уже рассчитанные результаты для просмотра.

На этом занятии мы рассмотрели особенности представления результатов в контактных задачах.

По умолчанию в CAE для контактных задач задается вывод контактных напряжений, а также зазора между контактными поверхностями.

Для вывода поля контактных напряжений необходимо воспользоваться опцией Result – Field Output, в поле переменных Primary Variables выбирается переменная CPRESS Contact pressure at surface nodes. После выбора данной функции необходимо развернуть деталь так чтобы была видна область контакта. Используя элемент меню Animate – Time History можно получить анимированную картину деформирования пластины по шагам интегрирования.

Расстояние между контактирующими поверхностями можно вывести в виде поля, также используя элемент меню Result – Field Output, в котором в качестве Primary Variables, задается COPEN – Contact opening at nodes.

Глава 7: Моделирование контактной задачи на примере взаимодействия консольно-закрепленной балки и лежащего на ней упругого цилиндра, нагруженного поперечной силой. Запись результатов анализа в видеоклип.

На этот раз будем решать контактную динамическую задачу. Откройте все тот же файл с балкой и сохраните его, как всегда, под новым именем. Положим на нее цилиндр и посмотрим, что произойдет, когда к нем будет приложена нагрузка. На этот раз цилиндр будет не абсолютно жестким телом, а упругим, но намного более жестким по сравнению с балкой. Итак, имеется модель консольно заделанной упругой балки, на которую действует перерезывающая сила, и статический шаг расчета. До начала действия силы необходимо задать контакт балки с лежащим на ней цилиндром, на который действует поперечная сила. После воздействия силы тип шага расчета надо поменять на динамический, так как необходимо проследить движение цилиндра во времени.

В модуле PART при помощи описанных ранее действий создайте новую деталь путем выдавливания Extrusion из окружности цилиндра. Все действия такие же, как и при создании балки, с тем лишь отличием, что в качестве шаблона для выдавливания надо задать окружность радиусом 5 и с центром в начале координат при помощи команд меню Add – Circle или кнопки Create Circle: Center and Radius. Для удобства приложения силы задайте окружность так, чтобы нажатие кнопки мыши, задающее ее радиус, приходилось на самую верхнюю точку окружности.

Также можно задать окружность путем ввода координат центра (0.0,0.0) и точки на ее периметре (0.0, 5.0). Высота цилиндра (глубина выдавливания Extrusion Depth) равна 10, то есть вдвое шире грани балки.

В модуле PROPERTY задайте новый материал Alloyed Steel (легированная сталь) со свойствами Young’s Modulus E = 9.9e+10, Poisson’s Ratio =0.25, Density = 7800кг/м3, создайте соответствующее сечение и присвойте его цилиндру.

В модуле ASSEMBLY создайте сборку из балки и цилиндра. Поскольку балка уже включена в сборку, выделите только цилиндр, по умолчанию – Part-2, и нажмите ОК. Альтернативно, можно было создать новую сборку из двух деталей, а затем удалить старую, как это делалось в предыдущей главе.

Обратите внимание на то, что цилиндр должен лежать на балке, для этого его надо повернуть на 90° относительно оси «Y» и сдвинуть по этой оси на 5.5 мм вверх, на 5 мм вперед вдоль оси «Х» и на мм вдоль балки по оси «Z». Делается это при помощи команд меню Part – Instance – Rotate и Part – Instance – Translate соответственно.

Также можно использовать кнопки Rotate Part Instance и Translate Part Instance.

Чтобы повернуть цилиндр, сначала задайте ось вращения – единичный орт «Y» путем ввода координат (0.0,0.0,0.0) и (0.0,1.0,0.0), а затем укажите угол поворота Angle of rotation = 90.

Подтвердите новое положение Position of Instance нажатием кнопки ОК. Чтоб переместить его, введите координаты вектора переноса (0.0,0.0,0.0) и (-5.0,5.5,20.0), и также подтвердите новое положение нажатием ОК.

В модуле STEP должен быть изменен шаг расчета – статический (по умолчанию – Step-1, он уже наследован из предыдущей базы данных) удалите кнопкой Delete в соответствующем менеджере Step Manager, и на его месте назначьте новый динамический шаг расчета Dynamic, Implicit, с соответствующим описанием, Rolling. Время расчета Time Perriod задайте равным 24 с. Нажмите закладку Incrementation и задайте Type как Fixed, после чего введите Increment Size = 0.1, и Maximum Number of Increments = 400.

Перейдите в модуль INTERACTION. Подобно тому, как это делалось на предыдущем занятии, задайте контакт между балкой и цилиндром, с формулировкой трения Friction Formulation без проскальзывания Frictionless на шаге Initial. Не забудьте, что главной является внешняя поверхность цилиндра! Верхняя поверхность балки – подчиненная, несмотря на ее закрепление, поскольку он менее жесткая.

В модуле LOAD уже имеется одно граничное условие для балки. Теперь добавьте граничное условие Create Boundary Condition на шаге Initial, чтобы ограничить перемещения цилиндра относительно поверхности контакта. Для этого выберите тип Symmetry/Antisymmetry/ Encastre и укажите мышью, удерживая клавишу Shift, две боковых грани цилиндра, потом нажмите кнопку Done и задайте граничное условие как Xsymm. Затем надо задать нагрузки. На динамическом шаге расчета приложите силу к цилиндру при помощи кнопки Create Load или соответствующих команд меню. В окне Create Load укажите тип нагружения Types for Selected Step как Concentrated Force из категории Category механических нагрузок Mechanical, при помощи мыши выберите, удерживая клавишу Shift, две верхних точки цилиндра и подтвердите ввод кнопкой Done, а в окне Edit Load задайте ее величину CF2 = -200 (Н), CF3 = 100000 (Н).

В модуле MESH надо измельчить верхнюю поверхность балки. Однако, на балке уже имеется старая сетка, ее надо стереть, использовав команд меню Mesh – Delete Instance Mesh или кнопку Delete Instance Mesh. Затем выделите всю балку при помощи мыши и нажмите кнопки Done, а потом ОК. Когда сетка исчезнет, при помощи команд меню Seed – Instance или кнопки Seed Part Instance задайте глобальный размер элемента на всей балке равным 1 мм, а затем используйте команды меню Seed – Edge by Size или соответствующую кнопку Seed Edge By Size, затем, удерживая клавишу Shift, выделите мышью 4 длинных ребра балки.

Подтвердив выбор, введите размер элемента вдоль этих ребер равным 5 и снова подтвердите ваш выбор. После команды Mesh Part Instance вы увидите, как изменилась сетка на балке.

Теперь аналогично постройте сетку для цилиндра, на этот раз использовав команду Seed – Edge by Number или соответствующую кнопку Seed Edge By Number, после чего выделите мышью задающие цилиндр окружности, удерживая клавишу Shift, и задайте количество элементов вдоль них равным 24. Далее сетка достраивается известным уже вам способом.

В модуле JOB создайте новый вычислительный процесс с уникальным именем Beam&Cyl-1.

Запустите его кнопкой Submit и пронаблюдайте полученные результаты в режиме анимации, нажав кнопку Animate Scale Factor или при помощи команд меню Animate – Scale Factor.

Полученный процесс можно переписать из модуля VISUALIZATION в видеоклип, что бывает особенно удобно при демонстрации результатов полученных расчетов, когда нет возможности воспользоваться пакетом ABAQUS непосредственно. Для этого используйте команды меню Animate – Save as. Укажите область захвата Capture как видимое окно Current viewport.

Присвойте ожидаемому файлу уникальное имя Rolling Cyl, и задайте его расширение как *.avi, после чего нажмите кнопку ОК. Теперь можно выйти из ABAQUS/CAE и открыть результат расчета в любой подходящей программой.  Глава 8: Моделирование статической линейной задачи на примере нагрева и охлаждения консольно закрепленной балки. Исследование возникающих температурных напряжений.

Рассмотрим такой вид статического нагружения, как тепловое воздействие. При теплопередаче температура U изменяется в зависимости от времени пропорционально теплопроводности материала: U t = Q c U. Здесь с – теплопроводность, – оператор Лапласа, Q – тепловой поток.  Произведите те же действия, что и в начале пятого занятия так, чтобы модель состояла из консольно заделанной балки без каких-либо нагрузок. В модуле PROPERTY войдите в менеджер свойств, выберите имеющийся материал и нажмите кнопку Edit. Необходимо добавить дюрали новые свойства. В ABAQUS теплопроводность, строго говоря, отличается от cи задается на единицу длины (для сечения). Помимо того, ABAQUS для определения величины с объемного тела требует задания теплового параметра q = WU, где W – внутренняя энергия на единицу объема. Выберите закладку Thermal и определите теплопроводность Conductivity = 3750 Дж/°С*м*с, а также тепловой параметр Specific Heat = 0.15 Дж/°С*м3.

Подтвердите выбор кнопкой ОК и выйдите из менеджера свойств.

В модуле STEP удалите имеющийся шаг расчета и замените его теплопереносом Heat transfer.

Время расчета Time Period задайте равным 4 с. Нажмите закладку Incrimination и задайте Type как Fixed, после чего введите Increment Size = 0.15, и Maximum Number of Increments = 100. Можно также изменить описание Description на, например, Thermal Load. Затем войдите в менеджер выходных данных Field Output Manager и выделите в нем существующее поле переменных, по умолчанию – F-Output-1. После нажатия кнопки Edit выберите в появившемся окне в качестве расчетных переменных, помимо уже имеющихся, температуру TEMP в точках интегрирования из раздела Thermal. Подтвердите выбор кнопкой ОК и выйдите из менеджера.

Перейдите в модуль LOAD и известным вам способом создайте новую нагрузку. В появившемся окне Create Load выберите категорию нагрузки Category – Thermal и тип Type for Selected Step Surface heat flux. При помощи мыши укажите область нагрева – свободный торец балки и снова подтвердите выбор. В окне Edit Load задайте Distribution как Uniform, то есть однородное распределение теплового потока. Укажите величину этого потока Magnitude равным Дж/с*м3. Подтвердите выбор нажатием ОК.

В модуле MESH удалите имеющуюся сетку для балки. Нажмите кнопку Assign Element Type или используйте команды меню Mesh – Element Type, и в появившемся окне задайте семейство Family элементов как Heat transfer, а тип Element Type – как конвективно-диффузионный Convection/Diffusion. Теперь заново постройте сетку для всей балки, оставляя уже имеющееся разбиение.

В модуле JOB создайте новый вычислительный процесс с уникальным именем, например, Beam3D-Heat, и запустите его при помощи описанных ранее действий.

Теперь снова войдите в модуль LOAD. В менеджере нагрузок выберите имеющуюся нагрузку, по умолчанию – Load-1, и нажмите кнопку Edit. Измените знак потока – пусть балка охлаждается.

Для этого задайте его величину Magnitude равной -1000 Дж/с*м3. Подтвердите ввод и создайте новый вычислительный процесс, например, Beam3D-Freeze. В модуле VISUALIZATION сравните изменения температур нагретой и охлажденной балок. Видно, что ближе к заделке элементы практически не меняют свою температуру. При помощи команд Result – Field Output выберите температуру TEMP в качестве первичной переменной Primary Variable и нажмите ОК. Откройте в другом окне результат предыдущего вычислительного процесса и сравните их.

Глава 9: Моделирование статической линейной задачи на примере электростатического взаимодействия консольно закрепленной балки с заряженными телами различной геометрической формы.

Рассмотрим еще один вид взаимодействий – электростатические силы. Как известно, на заряд q в поле E действует сила Кулона F=q*E, где E=Q/40r2. Сообщим балке заряд и, поместив ее в поле, пронаблюдаем за ее поведением. В ABAQUS для восстановления напряжений необходима модель на основе материала с пьезоэлектрическими свойствами. Поле будем для простоты создавать наведенным в диэлектрическом образце.

Откройте файл с трехмерной моделью балки, сохраните его под новым именем и отредактируйте так же, как и на предыдущей главе, сняв все нагрузки. Создайте новую деталь в модуле PART, так же, как вы строили балку, с единственным отличием – это должен быть куб 20*20.

В модуле PROPERTY задайте те же свойства, что и для балки. Можно непосредственно присвоить кубу имеющееся сечение, созданное ранее, по умолчанию Section-1. Теперь необходимо отредактировать сам материал, сделав его диэлектриком. Для этого откройте окно Edit Material для уже имеющегося материала, нажмите закладку Other, выберите Electric и добавьте ему следующие свойства: Piezoelectric – симметричный трехмерный тензор 3*3* задается компонентами коэффициентов пропорциональности между напряженностью и напряжением в элементе eijk = 12, 0, 0, 2, 4, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 0 ; Dielectric – задается величиной диэлектрической проницаемости = 6.

Перейдите в модуль ASSEMBLY и создайте новую сборку из имеющихся деталей, просто добавив куб. Перенесите его вдоль оси «Z» на 50 мм и вдоль оси «Y» на 80 мм, удалив от балки, при помощи команд меню Part – Instance – Translate или соответствующей кнопки. Вектор переноса задайте, например, как (0.0,30.0,90.0).

В модуле INTERACTION определите взаимодействие типа Surface-to-Surface contact (Stanard) известным вам способом. В качестве главной поверхности возьмите внешнюю грань куба, ближайшую к балке, в качестве подчиненной – внешний торец балки, ближайший к кубу. В окне Edit Interaction в разделе Slave Node Adjustment выберите отказ от взаимной подгонки узлов Do not adjust Slave Nodes. Проскальзывание задайте как Small Sliding, коэффициент трения в формулировке Penalty введите равным 0.12, а в опциях проникающего взаимодействия Normal Behavior укажите Use augmented Lagrange.

Затем перейдите в модуль LOAD и закрепите куб, приложив граничное условие Symmetry/Antisimmetry/ Encastre к его верхней грани, а в качестве нагрузки задайте электростатическое взаимодействие, сообщив балке заряд 1 мКл. Для этого создайте новую нагрузку и в окне Create Load выберите категорию нагружения Category как Electrical, а тип ее Type for Selected Step как Concentrated Сharge. В окне Edit Load выберите при помощи мыши верхнюю точку посередине свободного торца балки – на ребре, построенном на втором занятии для получения точки приложения механической силы, с подтверждением ввода кнопкой Done.

Затем введите соответствующую величину заряда Magnitude = 1e-6 и подтвердите ввод кнопкой ОК.

В модуле MESH удалите имеющуюся сетку для балки. Затем постройте новые сетки. В качестве опции определения размера элемента выберите Seed Edge By Number, задав по 4 элемента вдоль ребра куба и 16 элементов вдоль длинных ребер балки. Тип элементов возьмите C3D8E, задав семейство Family элементов для куба и балки как Piezoelectric.

Перейдите в модуль JOB, в котором создайте новый вычислительный процесс с уникальным именем, например, Charge-1. Запустите его кнопкой Submit и проследите за возникающими деформациями и напряжениями в обеих деталях, перейдя в модуль VISUALIZATION при помощи нажатия кнопки Results. Куб остается на месте, и напряжений в нем практически не возникает, что объясняется его поперечным размером относительно балки, которая, находясь в его наведенном находящимся на ней зарядом поле, начинает притягиваться к кубу.

А теперь сохраните вновь построенную базу данных по модели, повторите все произведенные действия с той лишь разницей, что в качестве куба постройте шар так, как это было описано на пятом занятии, радиусом 5 мм, и главной поверхностью при взаимодействии сделайте всю внешнюю поверхность шара. При построении сетки для шара возьмите размер элемента по периметру равным единице и не забудьте использовать пьезоэлектрические элементы типа HEX.

Присвойте новому вычислительному процессу уникальное имя, например, Charge-2, и сравните полученные для шара и куба результаты, открыв в соседних окнах соответствующие *.odb-файлы.

Обратите внимание на то, что напряжения, возникающие в балке, не линейны, в отличие от аналогичного нагружения перерезывающей силой.

Глава 10: Технология моделирования роста трещины XFEM.

В данной главе описываются основные этапы работы с технологией XFEM.

Рассматривается задача о статическом нагружении пластины с начальной краевой 1.1 Геометрическая модель пластины:

Создадим новую деталь. Для этого используем инструмент Create Part. В появившемся окне Create Part (рис. 5.2) дайте детали имя Plate, и примите следующие установки: 2D (двухмерного), Deformable (деформируемого) тела и Shell (оболочка) в качестве базового свойства. В поле Approximate size введите 1.

Щелкните Continue, для перехода к созданию чертежа.

В появившемся рабочем поле, воспользовавшись инструментом, создаём квадрат со стороной 1 м (рис.

5.3). Завершите создание чертежа в режиме Эскиз, нажав кнопку Done в панели ввода.

1.2 Геометрическая модель трещины:

Зададим геометрию трещины. Для этого используем инструмент Create Part. В появившемся окне Create Part (рис. 5.4) дайте детали имя Crack, и примите следующие установки: 2D (двухмерного), Deformable (деформируемого) тела и Wire в качестве базового свойства. В поле Approximate size введите 1. Щелкните Continue для перехода к созданию чертежа.

В появившемся рабочем поле построим прямую горизонтальную линию длиной 0. м, которая будет представлять собой геометрию трещины. Для этого используем Create Lines Connected. Теперь необходимо задать координаты инструмент двух точек в поле ввода, появившемся в панели ввода - (-0,5; 0) и (-0,4; 0). После выполнения всех геометрических построений нажмите кнопку Done.

2. Присвоение свойств материала и сечения к геометрии Создадим материал с именем Metal, с модулем упругости 70 GPa и коэффициент Пуассона 0.3. В Дереве Модели дважды щелкните по контейнеру Materials, чтобы создать новый материал. В Material, задайте имя материала Metal, в выпадающем меню выберите MechanicalElasticity->Elastic и введите в соответствующих полях: 70E9 и 0.3.

Затем зададим критическое напряжение при достижении, которого трещина начинает расти. Для этого в окне Edit Material выберите Damage for Traction Separation Laws=> Maxps Damage и введите в соответствующем поле значение критического напряжения - MPa. Щелкните OK, чтобы подтвердить создание материала (рис. 5.5).

Теперь перейдём к определению сечения. В Дереве Модели дважды щелкните по контейнеру Sections, чтобы создать новое сечение. В диалоговом окне Create Section создайте сечение с именем Plate, типа Solid, Homogoneous и щелкните Continue. Появится окно свойств сечения Edit Section (рис.5.6). В качестве материала выберите Metal. Установите флажок для Plane stress/strain thickness, В Дереве Модели раскройте контейнер Assembly. Затем дважды щелкните по контейнеру Instances. Появится диалоговое окно Create Instance (рис. 5.7), содержащее список всех деталей в текущей модели. В нём для добавления в сборку выберите Crack, Plate и щелкните Apply.

В Дереве Модели дважды щелкните по контейнеру Step. В окне Create Step задайте имя нового шага анализа – Static.

Примите тип Static, General и щелкните Continue (рис. 5.8).

В появившемся окне Edit Step, оставьте все настройки решателя без изменений и нажмите Ок.

Сформируем запрос на вывод данных. Для этого нужно воспользоваться контейнером Field Output Output Requests в Дереве Модели. В появившемся окне нужно к выходным переменным по умолчанию добавить переменную PHILSM (Failure/Fracture => PHILSM) (функция расстояния, для описания поверхности трещины).

5. Задание трещины и контактных взаимодействий.

Перейдите в модуль Interaction. Используя главное меню (рис. 5.9), откройте окно Create Crack (рис. 5.10) для задания трещины. Выберите тип создаваемой трещины XFEM. Нажмите Continue.

Теперь нужно выбрать область, в которой находится трещина (рис. 5.11):

В появившемся окне Edit Crack (рис.

5.12). выберите расположение трещины.

Нажмите Select.

Теперь нужно выбрать заданную ранее начальную краевую трещину (рис. 5.13):

После определения трещины необходимо задать взаимодействия в модели. В Дереве Модели дважды щелкните по контейнеру Interaction. В появившемся окне Create Interaction, на начальном шаге Initial выберите XFEM crack growth и нажмите Continue (рис. 5.14).

6. Задание граничных условий и нагрузок.

На правую грань пластины накладываются ограничения по перемещениям. Для моделирования данного ГУ нужно в окне Create Displacement/Rotation и нажать Continue (рис.

5.16).

Теперь щелкните по правой грани пластины и в появившемся окне Edit Boundary Для моделирования растягивающих усилий нужно в окне Create Load выбрать тип Pressure и нажать Continue (рис. 5.18) Кликните по верхней и нижней грани пластины и нажмите Done. После этого в окне Edit Load введите численное значение усилия, задаваемого как давление -1E+008 Па (рис.

5.19).

Общий вид модели с приложенной нагрузкой и граничными условиями 7. Создание конечно-элементной модели.

Перейдём к модулю Mesh. С учетом ограничения на количество конечных элементов, в Global Seeds введите размер элемента – 0.035 (рис. 5.21).

Произведите разбиение пластины на конечные элементы (рис. 5.22):

Чтобы создать задание на расчёт в Дереве Модели дважды щелкните по контейнеру Jobs. Появится диалоговое окно Create Job. Назовите задание - Crack, и щелкните Continue (рис. 5.23).

Появится окно свойств задания. Щелкните OK, чтобы принять все установки по умолчанию. При помощи инструмента Job Manager откройте окно Job После завершения расчёта, вы сможете просмотреть результаты с помощью модуля Visualization. В Job Manager щелкните по кнопке Results, и Abaqus/CAE откроет результаты расчёта в модуле Visualization и выведет на экран недеформированную форму модели.

Распределение напряжений по Мизесу:

Как видно из рисунка 5.25, для данного расчетного случаю напряжения в вершине трещины не достигают критического значения, поэтому распространения трещины не происходит. Для прослеживания пути распространения краевой трещины необходимо либо увеличивать нагрузку, действующую на модель, либо уменьшать значение критического напряжения в свойствах материала.

Данная задача является учебной, и даёт Вам возможность варьирования исходных параметров модели:

1. Геометрия модели.

2. Геометрия трещины и их число.

3. Модель материала и критерий распространения трещины.

4. Задание специфичных свойств контакта в области распространения трещины.

5. Изменение граничных условий и нагрузок, действующих на модель.

6. Изменение качества и плотности КЭ сетки На рисунке 5.27 показан путь распространения начальной краевой трещины при следующих изменениях в исходной модели:

1. Начальная краевая трещина повёрнута на угол 30.

2. Значение критического напряжения: 100 MPa.

Глава 11: Импортирование/экспорт геометрии и моделей Импортирование детали в Abaqus/CAE из CAD программы проектирования - не всегда простой процесс. Возможности успешного импортирования возрастут, если помнить об ограничениях возникающих при представлении геометрии в файл. Ниже перечислены типы файлов, которые могут быть импортированы в Abaqus/CAE и экспортированы из него:

3D XML (file_name.3dxml) 3D XML это формат разработанный Dassault Systmes на базе языка XML для кодирования трехмерных изображений и данных. Этот формат является открытым и расширяемым, позволяет легко распространять через сеть и встраивать в существующие приложения трехмерные графические объекты. 3D XML позволяет многократно уменьшить размер файла по сравнению с традиционными базами данных. Для просмотра и интеграции файлов 3D XML вам потребуется 3D XML плеер от Dassault Systmes. Так же вы можете просмотреть файлы 3D XML в CATIA V5.

Вы можете экспортировать данные из зоны просмотра Abaqus/CAE в этот формат.

ACIS (file_name.sat)  ACIS - библиотека твердых тел моделируемых функциями Spatial, большинство продуктов автоматизированного проектирования поддерживает ACIS-формат. Вы можете импортировать и экспортировать модели ACIS-формата, кроме того, вы можете импортировать и экспортировать эскиз из файла с ACIS расширением.

AutoCAD (file_name.dxf) Двухмерные профили, сохраненные в AutoCad (.dxf) файлах могут быть импортированы как автономные эскизы. Однако, Abaqus/CAE поддерживает только ограниченное число объектов AutoCad, и вы должны использовать этот формат, только если никакие другие форматы не доступны.

CATIA V4 (file_name.model, file_name.catdata, or file_name.exp) CATIA - пакет программ автоматизированного проектирования разработанный IBM и Dassault Systems. Вы можете импортировать детали из CATIA-файлов, однако, вы не можете экспортировать детали из ABAQUS/CAE в формат CATIA.

CATIA V5 Elysium Neutral File или Elysium Neutral Assembly File (file_name.enf_abq or.eaf_abq) Для переноса геометрий и сборок из CATIA V5 существует плагин генерирующий файлы геометрий и сборок в формате Elysium Neutral File (.enf) и Elysium Neutral Assembly File (.eaf) соответственно. Вы можете использовать это формат для переноса деталей и сборок из CATIA V5 в Abaqus/CAE.

CATIA V5 parts and assemblies (file_name.CATPart or.CATProduct) С помощью опциональной надстройки CATIA V5 Associative Interface add-on для Abaqus/CAE вы можете импортировать файлы и сборки в формате CATIA V5.

I-DEAS Elysium Neutral File (file_name.enf_abq) В Abaqus/CAE доступен plug-in который строит геометрию в формате I-Deas. Вы не можете экспортировать из ABAQUS/CAE в формат I-Deas.

IGES (file_name.igs) IGES - нейтральный формат данных, разработанный для графического обмена между автоматизированным системами проектирования. Вы можете импортировать и экспортировать модели Iges-формата, кроме того, вы можете импортировать и экспортировать эскиз из файла с Iges расширением.

Parasolid (file_name.x_t, file_name.x_b, file_name.xmt_txt, or file_name.xmt_bin) Parasolid - библиотека твердых тел моделируемых функциями разработанными «Unigraphics Solutions». Вы можете импортировать файлы данного формата,но не можете экспортировать из Abaqus. CAD - программы поддерживающие данный формат: Unigraphics, SolidWorks, Solid Edge, FEMAP, и MSC.Patran.

STEP (file_name.stp) СТАНДАРТ для обмена данными модели, (Международная Организация по Стандартизации 10303-1) который пытается преодолевать некоторые из недостатков IGES. ISO AP203 стандарт разработан(предназначен), чтобы обеспечить представление механического изделия всюду по его циклу жизни, независимому от любой специфической системы.

VDA-FS (file_name.vda) Verband der Automobilindustrie Flachлn Schnittstelle (VDA-ФС) формат родившийся благодаря немецкой авто индустрии. VDA-FC и IGES файлы содержат математическое представление модели в формате ASCII; однако, стандарт VDA-FC концентрируется на информации по геометрии. Дополнительная информация, закрытая по IGES стандарту, типа измерений, текста, и цветов, не запасена в файле VDA-FC.

VRML (file_name.wrl) “Язык Моделирования Виртуального мира “ (VRML) - стандарт Международной Организации по Стандартизации, для трехмерных изображений в web-браузере или автономном VRML клиенте.

Это - открытый, независимый, трехмерный язык моделирования на основе вектора, который кодирует машинно-генерируемую графику. Файлы VRML-ФОРМАТА могут быть во много раз меньшими чем типичные файлы базы данных. VRML файлы открываются программами CORTONA и COSMO.

Output database (output_database_ name.odb), ABAQUS/Standard and ABAQUS/Explicit input files- форматы пакета Abaqus.

Когда вы импортируете твердую деталь, ABAQUS/CAE пробует создавать аналогичную твердую деталь. Точно так же, когда вы импортируете оболочную деталь, ABAQUS/CAE пробует создавать связанную оболочную деталь. Если деталь импортирована успешно, деталь считают действительной и точной. Однако, если точность первоначальной детали - меньше чем точность, используемой ABAQUS/CAE, деталь может быть неточна или недействительна. В большинстве случаев вы можете продолжить работать с неточной деталью; однако, вы не можете работать с недействительной деталью.

Вы можете импортировать деталь и впоследствии использовать набор инструментов в модуле Part, чтобы “отремонтировать” деталь и устранить неточности возникшие в следствие импорта в Abaqus/CAE. Альтернативно, вы можете импортировать деталь и восстановить ее в течение процесса импорта.

Во время процесса импорта ABAQUS/CAE выводит окно в котором вы можете изменить следующие параметры :

Convert to analytical representation (Аналитическое представление) Convert to precise representation (Преобразовать к четкому виду) В большинстве случаев установки по умолчанию приводят к наилучшему результату.

Приведем пример импортирования трехмерной балки рассмотренной в предыдущих главах. Для начала создадим трехмерную балку в одной из CAD программе поддерживающей вышеперечисленные форматы, пусть это будет SolidWorks.(Рисунок 10.1) Рисунок 10- Сохраним балку в формате пригодном для импортирования в Abaqus (см. рис. 10.2).

Рисунок 10- Вернемся к Abaqus. В панели меню выберите FILE -> ImportPart в появившемся окне выберете файл с балкой и нажмите OK. Появиться окно изменения(восстановления) параметров детали(Рисунок 10.3), в нашем случае деталь простая поэтому не могло возникнуть неточностей в следствии импорта, нажмите OK, деталь импортирована. В нижнем окне сообщений вы увидите информацию о результатах импортирования, если возникнет ошибка или сообщение о невозможности импорта следует вернуться к окну изменения параметров детали и воспользоваться опциями изменения параметров детали.

Рисунок 10- Глава 12. Дополнительные методы создания и анализа моделей:

В данной главе создадим и рассмотрим более сложную модель.

11.1 Обзор Рисунок 11- В этой главе вы создадите составную деталь из двух проушин, соединенных болтом. Финальная сборка детали представлена на рис.11-1  Создание модели состоит из следующих этапов:

“Создание первой проушины,” 11. ” Назначение свойств секции проушины петли,” 11. ”Создание и модификация второй проушины” 11. “Создание болта,”11. “Сборка модели,”11. ”Определение шагов анализа,”11. ”Создание поверхностей для использования в контактных взаимодействиях,”11. ”Определения контакта между поверхностями модели,”11. ” Приложение граничных условий и нагрузок к сборке ” 11. ” Построение сетки для сборки.” 11. ”Выполнение расчета.” 11.12.

11.2 Создание первой части проушины Чтобы в начале создании модели, вы создадите первую часть — половину петли. Модель Abaqus/CAE состоит из геометрических элементов, вы создаете деталь, объединяя эти элементы.

Данная часть петли состоит из следующих базовых элементов:

a) Куб — базовый элемент, так как он является первым элементом детали.

b) Фланец, который вытягивается из куба. Он также включает отверстие большого диаметра, через которое вставляется штифт.

c) Небольшое отверстие для смазки в одном из углов фланца.

11.2.1 Создание куба Чтобы создать куб (базовый элемент), вы создадите твердотельную, трехмерную выдавленную деталь и дадите ей имя. Затем вы создадите эскиз ее профиля (0.04 м0.04 м) и выдавите этот профиль на заданное расстояние (0.04 м), чтобы создать базовый элемент первой части петли.

Желаемый куб показан на рисунке 11-2.

Рисунок 11-2 Модель, используемая для учебного примера с поворотной петлей.

Чтобы создать куб:

1. Запустите Abaqus/CAE и создайте новую базу данных модели.

2. В Дереве Модели дважды кликните по контейнеру Parts, чтобы создать новую деталь.

Появится диалоговое окно Create Part.

3. Дайте детали имя Hinge-hole. Примите следующие установки по умолчанию:

d) Three-dimensional (трехмерное) deformable (деформируемое) твердое тело.

e) Solid extrusion (твердотельное выдавливание) базового элемента.

4. В текстовом поле Appropriate size наберите 0.2. Вы будете моделировать петлю, используя в качестве единицы длины метры, и ее общая длина составит 0.14 м; поэтому величина 0. метра является достаточной для примерного размера детали. Кликните Continue, чтобы создать деталь.

5. Из палитры инструментов эскиза выберите инструмент прямоугольника.

6. Нарисуйте произвольный прямоугольник и кликните 2-й кнопкой мыши где-нибудь в графическом окне, чтобы выйти из этого инструмента.

7. С помощью инструмента Add Dimension обозначьте размеры верхнего и левого ребра Важно: Чтобы успешно завершить урок, важно, чтобы вы использовали установленные размеры и не отклонялись от приведенного примера; в противном случае вы столкнетесь с трудностями 8. Кликните по кнопке Done в панели инструкция, чтобы выйти из эскиза. Abaqus/CAE откроет диалоговое окно Edit Base Extrusion.

9. В появившемся окне введите значение 0.04 для Depth и нажмите Continue.

11.2.2 Добавление фланца к базовому элементу Теперь вы добавите твердотельный элемент — фланец — к базовому элементу. Вы выберите одну грань куба, чтобы определить плоскость эскиза и выдавите нарисованный профиль на половину глубины куба. Куб с фланцем показаны на рисунке 11-3.

Рисунок 11-3 К базовому элементу добавлен фланец.

Чтобы добавить фланец к базовому элементу:

1. В главном меню выберите Shape—>Solid—>Extrude.

2. Выберите грань для определения плоскости рисования эскиза. Выберите переднюю грань куба, как показано на рисунке 11-4.

Рисунок 11-4 Выберите отмеченную сеткой грань для определения плоскости эскиза. Выберите указанное ребро для правильного позиционирования эскиза.

3. Выберите ребро, которое видно как вертикальное в правой части эскиза, как показано на Рисунок 11-5 Используйте средство Эскиза для построения профиля фланца.

4. C помощью инструментов Magnify View и Pan View настройте вид области, в которой будет размещаться фланец:

5. Как и раньше, будет сначала нарисована примерная форма нового геометрического элемента. Из палитры инструментов Эскиза выберите инструмент связанной линии.

6. Постройте прямоугольную часть фланца, нарисовав три линии следующим образом:

a. Начните в любой точке справа от куба, соедините линию с верхней правой вершиной b. Протяните следующую линию к нежней правой вершине куба. Этой линии автоматически будет присвоено вертикальное ограничение.

c. Заключительная линия протягивается от правой нижней вершины куба до произвольной Совет: Если вы допустили ошибку в процессе рисования, используйте в Эскизе инструменты отката 7. Кликните 2-й кнопкой мыши в графическом окне, чтобы выйти из инструмента «соединительной линии».

8. Уточните рисунок, определив следующие ограничения и размеры: Используйте инструмент ограничительных связей, чтобы наложить ограничение на верхнюю и нижнюю линию эскиза, так чтобы каждая из них была горизонтальной.

a. Присвойте ограничение равной длины этим двум линиям (используйте [Shift]+Click, чтобы b. Проставьте размеры линии, так чтобы ее длина была равна 0.02 м. Появится эскиз, как Рисунок 11-6 Нарисуйте прямоугольную часть фланца.

9. Замкните профиль, добавив дугу полуокружности, используя инструмент «окружность через 3 точки». Выберите две вершины на открытых концах прямоугольника в качестве концевых отточек дуги, начиная с верхней точки. Выберите любую точку справа от эскиза в качестве точки, через которую будет проходить дуга.

a. Определите ограничение касания между концами дуги и горизонтальными линиями, 10. Кликните 2-й кнопкой мыши в графическом окне, чтобы выйти из инструмента «окружность через 3 точки». Результирующая дуга показана на рисунке 11-7.

Рисунок 11-7 Добавьте криволинейную часть фланца.

11. Из палитры Эскиза выберите инструмент «окружность с центром и точкой на периметре»

, чтобы нарисовать отверстие фланца. Центр круга должен совпадать с центром только что созданной дуги. Точка периметра должна быть расположена справа от центральной a. Используйте инструмент «размер», чтобы изменить значение радиуса на 0.01 м.

b. Установите размер вертикального расстояния между центром окружности и точкой периметра. Отредактируйте этот размер, чтобы расстояние стало равно 0. (Если расстояние уже равно 0, вы не можете добавить вертикальный размер). Это подгонит расположение точки на периметре таким образом, что она будет в той же горизонтальной плоскости, как и центральная точка.

Замечание: Когда вы строите сетку детали, Abaqus/CAE размещает узлы всегда там, где появляются вершины вдоль ребер; поэтому расположение вершин на окружности круга влияет на результирующую сетку. Размещение их в той же горизонтальной плоскости, что и центр круга приведет к сетке высокого качества.

12. Окончательный чертеж показан на рисунке 11-8.

Рисунок 11-8 Окончательный эскиз.