Содержание
Введение
1 Техническое задание
1.1 Наименование разрабатываемоймодели
1.2 Основание для разработки
1.3 Требования к базовомупрограммному обеспечению (ПО)
1.4 Состав и параметры аппаратногообеспечения системы..
2 Выбор и обоснование средствреализации
2.1 Выбор CAD – пакета
2.2 Выбор CAE – пакета
3 Построение и расчет модели…
3.1 Создание объемной модели детали средствами CAD — пакета
3.2 Определение свойств материала
3.3 Подготовка модели к расчету
3.3.1 Задание ограничений
3.3.2 Приложение нагрузок
3.3.3 Разбиение модели на конечныеэлементы
4 Результаты расчета
4.1 Решение модели с заданнымиграничными условиями
4.2 Графическое представление решения
5 Оптимизация расчета размераэлемента МКЭ под ресурсы ЭВМ
5.1 Задание параметров
5.2 Запуск процесса оптимизации
Заключение
Литература
Введение
На современном этапе развития науки и техники уже сложно представить проектирование изделий иконструкций без САПР. Трудности в разработке промышленных изделий поставилиинженеров перед необходимостью сочетания эффективных методов изученияособенностей поведения изделий с сочетанием реального прототипа.
Не смотря на то, что практическоерешение реальных промышленных задач механики, как правило, сводятся к решениюсистем дифференциальных уравнений в частных производных, первым этапом прирешении подобных задач, с помощью CAD/CAE пакетов является построениетрехмерного прототипа исследуемого изделия. Второй этап – наиболее важен, нанем производятся необходимые расчеты и оптимизация изделий. Именно поэтому, наиболее ответственную роль среди всего многообразия CAD/CAEпрограмм играют пакеты конечно-элементного анализа. Круг решаемых ими задачохватывает почти все сферы инженерных расчетов.
Также CAD/CAE системы позволяют быстро и удобно обрабатывать иоформлять полученные результаты.
В данной работе будутрассмотрены:
· Моделированиеобъемной конструкции в CADпакете.
· Расчёт напряжённо-деформированногосостояния объемной конструкции при помощи САЕ пакета.
·
/>1 Техническое задание
/>/>/>/>1.1Наименование разрабатываемой модели
В качестверазрабатываемой модели выступает твердотельная модель объемной конструкции.Модель проходит два этапа до реализации конечного результата. На первом этапеданная модель проектируется средствами CAD-системы, на втором этапе производится расчетнапряженно-деформированного состояния этой конструкции с помощью CAE-системы – конечно-элементногопакета. />1.2 />/>Основание для разработки
Выполнение расчетного задания по курсу «Вычислительнаяматематика» за седьмой семестр./>/>/>/>1.3 Требования к базовому программному обеспечению (ПО)
Для обеспечения получения результата выполненной работы требуется наличиена компьютере установленной и стабильно работающей операционной системы Windows 98/ 2000/XP и программных пакетов: CAD – SolidWorks2006 и CAE – COSMOSWorks/>1./>/>4 Состав и параметры аппаратногообеспечения системы
Минимальные требования, которым должен удовлетворятькомпьютер, используемый для реализации данной системы:
— процессор 1500 мHz и выше;
— 5Гб свободного дискового пространства;
— оперативная память 512Мб;
— видеоадаптер SVGA, с доступными параметрамиразрешения 800x600 High Color (16-bit).
2 Выбор и обоснование средствреализации
2.1 Выбор CAD– пакета
Существует множество CAD-пакетов, таких как Компас, AUTOCAD, INVENTOR 5.0.
Autodesk Inventor (AI) — программа трехмерногопараметрического моделирования объектов большой сложности, котораяпредназначенная для организаций, разрабатывающих сложные машиностроительныеизделия.
КОМПАС 3D содержит все необходимые средствадля создания трехмерных моделей, обладает интуитивно – понятным интерфейсом.Основная задача, решаемая системой — моделирование изделий с цельюсущественного сокращения периода проектирования и скорейшего их запуска впроизводство.
Для созданиятвёрдотельной модели был выбран CAD-пакет3D-моделирования «SolidWorks». Его основными особенностями являются:дружественный и интуитивно — понятный интерфейс, относительная простота вработе.Стоит отметить простоту в установке этого пакета на компьютер.
2.2 Выбор CAE – пакета
Существует множество CAЕ-пакетов, таких как «COSMOSWorks», «ANSYS» и т.д.Для реализации второго этапа работы был выбранконечно элементный пакет «COSMOSWorks». Данный пакет обладает широчайшими возможностями, и способен решатьзадачи намного превосходящие данную. Так же как и вышеописанный CAD – пакет, он обладает интуитивнопонятным интерфейсом. Можно регулировать точность расчетов из-за измененияналожения сетки. «COSMOSWorks»является необходимым тяжелым конечно-элементным пакетом для применения его вобласти САПР.
3Построение и расчет модели
3.1Создание объемной модели детали средствами CAD– пакета
Объемная конструкциядетали вид которой, представлен на рисунке 1, был создан в пакете “SolidWorks”, моделирование осуществлялось пошаговым образом, с применением нескольких команд. Первоначально рисовалась наэскизе двумерная модель, затем в режиме 3D формировалась трёхмерная деталь.
Последовательностьдействий приведена ниже на рисунках с 1 по 5:
/>
Рисунок 1 – Объемнаяконструкция детали
/>
Рисунок 2 – Создание трехмерногоэскиза
/>
Рисунок 3 — Созданиеобъемной модели с помощью операции «Повернутая бобышка/основание»
/>
Рисунок 4 — Объемнаямодель, и создание оболочки
/>
Рисунок 5 – Готовая 3D модель
3.2Определение свойств материала
После того как детальсмоделирована, задаются физические характеристики материала, которые вдальнейшем влияют на конечный результат. Материал задается его свойствами: вданном случае это модуль Юнга, коэффициент Пуассона. Для того что бы этосделать материал детали необходимо добавить в новую базу данных .
Чтобы добавить материал вновую базу данных материалов и назначить его для детали:
В дереве конструированияFeatureManager сделайте следущее:
1.Нажмите правой кнопкойна «Твердотельные».В выпадающем списке выберете «Применить материал ко всем…».Появится окно «Материал». На панели «Выбрать источник материала» выберите пункт«Библиотечные файлы». Далее нужно выбрать «Алюминий». Этот материал будетиспользоваться в качестве основы для нового материала.
2. Далее на панели«Выбрать источник материала» выберите пункт «Определенный пользователем».Теперь в правой части окна, на вкладке «Свойства» вы можете задать требуемыесвойства материала:
Модуль Юнга :700000
Коэффициент Пуассона: 2.6
/>
Рисунок 6 – Физическиесвойства материала
3. Нажмите «OK». Алюминийбудет назначен для детали.
3.3Подготовка модели к расчету
На этом этап 3D моделирования закончен, свойстваматериала определены.
Для начала расчетовнеобходимо создать набор параметров, так называемое «Упражнение». Для этогонеобходимо выбрать пункт меню «COSMOSWorks/Упражнение…» или нажать на кнопку упражнение на панели инструментов «COSMOSWorks – Основные функции» После чего нужнобудет ввести имя упражнения, и затем из выпадающего списка выбрать пункт «Сеткана твердом теле», и нажать «ОК» (Рисунок 14).
/>
Рисунок 7 – Созданиенового упражнения
3.3.1Задание ограничений
Для задания ограничений иприложения нагрузок используется панель инструментов «COSMOSWorks – Нагрузки» (Рисунок 15) илиподраздел меню «COSMOSWorks\Нагрузки/Ограничения».
/>
Рисунок 8. Панельинструментов COSMOSWorks – Нагрузки.
Чтобы зафиксировать граниотверстий:
1. Нажмите кнопку«Ограничения» или «COSMOSWorks\Нагрузки/Ограничения\Ограничения…».
2. Затем указываемнужные нам грани (Рисунок 16).
3. Тип фиксациивыбираем «Зафиксирован»
4. Нажмите кнопку«ОК»
/>
Рисунок 9 –Модель с заданными ограничениями
3.3.2.Приложение нагрузок
На этом этапеопределяется параметры приложения сил к модели.
Области модели, накоторые действуют силы показаны розовым цветом. Силы, действующие на модель, вабсолютном значении, при первом нагружении все равны 300 Н.
Для того чтобы приложить силу к нашей модели:
1. Нажмите кнопку«Сжатие» на панели инструментов «COSMOSWorks – Нагрузки» или «COSMOSWorks\Нагрузки/Ограничения\Сжатие…»;
2. Устанавливаемгалочку «Перпендикулярно выбранной грани»;
3. Выбираем грани ккоторым будет приложена сила (Рисунок 17);
4. Выбираем единицыизмерения СИ;
5. Указываемзначение приложенной силы – 300 Н/м;
6. Нажимаем «ОК»;
/>
Рисунок 10 – Модель сприложенной нагрузкой
3.3.3.Разбиение модели на конечные элементы
Для тогочтобы наложить сетку на нашу модель выполняем следующие действия:
1. Нажмите кнопку«Сетка» на панели инструментов «COSMOSWorks – Основные функции» или «COSMOSWorks\Сетка\Создать…»;
2. Задаём глобальныйразмер 0.4мм.
3. Нажимаем кнопку«ОК».
/>
Рисунок 11 – Модель,разбитая на конечные элементы
4 Результаты расчета
4.1 Решение модели с заданными граничными условиями
После заданиявсех необходимых величин, производится расчет конструкции. Для запуска анализанужно на панели инструментов «COSMOSWorks – Основные функции» нажать на кнопку «Выполнить» или выбрать пункт меню«COSMOSWorks\Выполнить». Начнется анализ, ипоявится окно хода выполнения.
4.2 Графическое представление решения
На рисунке 12графически представлена степень напряжения конструкции, в зависимости отразличных тонов.
/>
Рисунок 12 –Напряжение
Таблица № 1 – Узлы сминимальным и максимальным напряжениемМин Место Макс Место 3.47304e-005 (-3.54819 mm, 0.00915862 (-1.46231 mm, Элемент: 5825 -16.9865 mm, Элемент: 9148 -0.213655 mm, 0.111401 mm) 0.097734 mm)
На рисунке 13графически представлена степень смещения узлов конструкции в зависимости отразличных тонов.
/>
Рисунок 13 –Перемещение
Таблица № 2 –Узлы с максимальным и минимальным перемещениемИмя Мин Место Макс Место Построение1 0 m (2.3154 mm, 0.000241492 m (-1.42 mm, Узел: 878 -4.84815 mm, Узел: 25613 -13.6739 mm, -2.43674e-014 mm) -1.28693e-015 mm)
На рисунке 14графически представлена степень деформации конструкции.
/>
Рисунок 14 –Деформация
/>
Рисунок 22 –Максимальная нагрузка детали
Из рисункавидно что деталь выше напряжения 2.757е+007 N/m2 начинает разрушаться.
5«Оптимизация расчета» размера элемента МКЭ под ресурсы вычислительной системы.
5.1 Заданиепараметров
Необходимо оптимизироватьсетку (размер конечного элемента), чтобы точность расчетов и нагрузка системныхресурсов были оптимальными. Для этого проведем еще несколько подобныхвычислений при значении сетки равном 2, 1, 0.4 мм. Вычисления с более мелкимразмером конечного элемента конфигурация компьютера провести не позволила.
5.2 Запускпроцесса оптимизации
После задания всехнеобходимых величин, расчеты конструкции производятся аналогичным образом.
Результаты вычисленийприведены в таблице 3.
Размер элемента
(мм)
Количество
элементов
Количество
узлов
Время
вычислений 2 791 1589 1сек 1 2783 5488 2 сек 0.4 13408 26626 5 сек
/>
Рисунок 23 – Минимальныйразмер сетки (0.4 мм)
Заключение
В результате работы был проведен расчет напряженно- деформированногосостояния твердотельной модели при помощи конечно-элементного пакета COSMOSWorks. Можно сделать вывод о том, что CAD/ CAE системы позволяют быстро и с высокой точностьювыполнять практическое решение реальных промышленных задач механики.
Пакет COSMOSWorks является лидером среди множествапакетов, позволяющих решать всевозможные инженерные задачи. COSMOSWorks позволяет относительно быстропроизводить достаточно сложные расчеты, а также выводит полученные результаты вудобной для пользователя форме.
Литература
1. Макарова Е.И. Моделированиеповерхностей: Учебное пособие/АлтГТУ.- Барнаул.:1994, — 51с.
2. Помаев, А.Т. Инструменты и средства SolidWorks: Справочное пособие / А.Т. Помаев,И.П. Ливанов.— М.: Едиториал УРСС,2006. —316 с.