Каплун А.Б., Морозов Е.М., Шамраева М.А. ANSYS в руках инженера:
Практическое руководство. Изд. стереотип.

Оглавление

Предисловие

Уважаемые читатели!

Вы держите в руках первую книгу на русском языке, посвященную описанию работы с программой ANSYS, выпущенную массовым тиражом.

Распространенность де-факто ANSYS в среде инженеров-расчетчиков, обусловленная широкими возможностями программы в области решения сложных проблем механики деформированного твердого тела, теплообмена, гидродинамики и электромагнитных полей, а также адаптированностью программы к конечному пользователю, не могла не вызвать потребности в специальной литературе. Надо сказать, что это общая тенденция.

Процесс технического перевооружения ведущих промышленных предприятий, головных отраслевых НИИ и т.д., имеющий место в настоящее время, и альтернативы которому нет ввиду жесткой конкуренции на отечественном и мировом рынках, требует в числе прочего и обновления материального обеспечения для задач инженерного моделирования. Это так называемые системы автоматизированного проектирования (САПР), главной задачей внедрения которых является снижение издержек и сжатие сроков проектирования и производства, за счет замены реальных процессов прототипирования, макетирования, испытаний и т.д. – их виртуальными аналогами. Рост числа рабочих мест САПР на предприятиях, несмотря на нынешние финансовые трудности, есть объективное обстоятельство, из которого вытекает факт востребованности на рынке труда специалистов, владеющих подобными технологиями, – в данном случае технологией проведения инженерного анализа с помощью CAE-системы ANSYS.

Отсюда очевидно следствие о необходимости методической подготовки таких специалистов – это веление времени, и этой цели как раз служит предлагаемая книга.

Общеизвестен дефицит литературы подобного рода, как содержащей теоретические основы численных методов, так и по собственно техническим аспектам овладения конкретной программой. Не случайно технические вузы, не сговариваясь, выпускают свои собственные методические разработки на тему введения в какую-либо САПР и включают в свою программу соответствующие курсы подготовки, в том числе по ANSYS, как самой распространенной CAE-системы. К сожалению, такая литература остается в стенах выпустившего ее вуза, не говоря уже об отсутствии унификации учебных курсов, терминологии и т.п.; кроме того, такие работы не гарантированы от ошибок.

Данная книга восполняет этот пробел.

Она характеризуется хорошим качеством изложения достаточно сложного и объемного материала, а также такими особенностями методического построения, которые позволяют рекомендовать ее как начинающим, так и опытным пользователям.

Авторам удалось органично предварить основной текст сжатым и доходчивым изложением теоретических основ метода конечных элементов, а также практическими следствиями из теории и вытекающими из них рекомендациями, что будет, безусловно, полезным, например, для студентов, изучающих строительную механику и прочность.

Книга снабжена подробно описанными примерами, что позволяет рекомендовать ее специалистам-расчетчикам, начинающим изучение программы ANSYS, а также преподавателям вузов, планирующим внедрять соответствующие учебные курсы. Введение в командный язык ANSYS, которое дается параллельно с описанием работы с интерфейсом, позволит грамотно пользоваться справочником команд, помещенным в третьей часть книги и предназначенным, в основном, для опытных пользователей.

Предисловие авторов

Численные методы расчета напряженно-деформированного состояния на основе программных комплексов для ЭВМ находят все большее распространение. Весьма большими возможностями обладает программный комплекс ANSYS (продукт фирмы ANSYS Inc.), позволяющий решать краевые задачи практически во всех инженерных приложениях, таких как: гидромеханика, колебания, теплопроводность, прочность, специфические конструкции в виде трубных систем и т.п. Заметим, что ознакомиться с возможностями программы и овладеть основными приемами работы с ней можно, используя ее учебную версию – ANSYS ED, распространяемую в рекламных целях бесплатно.

В настоящем руководстве затронуты только вопросы прочности конструкций, а именно расчета напряженно-деформированного состояния при статическом нагружении. Это ограничение введено сознательно, поскольку при изложении основ такого сложного программного комплекса, как ANSYS, невозможно, да и не нужно, охватить все области его возможного использования единовременно.

Математической основой, на которой построен вычислительный аппарат этого программного продукта, является метод конечных элементов. Поэтому в первой части книги детально, с примерами, изложен метод конечных элементов. В определенном смысле эта часть имеет самостоятельное значение. Во второй части дано последовательное изложение действий пользователя при решении задач сопротивления материалов и строительной механики, а также одномерных и двумерных задач теории упругости для тел произвольного очертания и схем нагружения. В третьей части дано описание основных команд, задание которых необходимо при вводе-выводе данных и результатов счета. Приведенный материал далеко не исчерпывает все возможности программного комплекса, однако авторы рассчитывают в дальнейшем на продолжение своей работы с целью расширения круга решаемых задач.

Авторы выражают искреннюю благодарность представительству фирмы CAD-FEM GmbH в СНГ (официальный дистрибьютор ANSYS) в лице его руководителя В.Н.Анпилова и технического специалиста А.С.Шадского за тщательное и плодотворное рецензирование рукописи книги.

Все возможные замечания по содержанию книги будут с благодарностью восприняты авторами.

Введение

При выполнении инженерных расчетов на прочность неизбежен этап создания моделей прочностной надежности элементов конструкций. С помощью таких моделей возможно выбрать материал и необходимые размеры конструкций и оценить ее сопротивление внешним воздействиям.

Моделью называется система представлений, зависимостей, условий и ограничений, описывающих исследуемый и рассчитываемый процесс или явление. Модель представляет собой отображение объективной реальности и может иметь разную природу, структуру и форму представления.

Надежностью называют свойство изделия выполнять свои функции в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени. Прочностной надежностью называют отсутствие отказов, связанных с разрушением или с недопустимыми деформациями, или, вообще, с наступлением предельного состояния в определенном смысле. Основной мерой надежности является вероятность безотказной работы изделия.

Другой, более распространенной величиной оценки прочностной надежности является запас прочности. Пусть p – параметр работоспособности изделия (например, действующее усилие, давление, эквивалентное напряжение в опасной точке и т.п.). Тогда запасом прочности называют отношение
n = p_кр/p_max,
где p_кр – критическое (предельное) значение параметра p, нарушающее нормальную работу изделия, p_max – наибольшее значение параметра в рабочих условиях.

Условие прочностной надежности записывается в виде:
n>=[n],
где [n] – допустимое значение запаса прочности. Допустимый запас прочности назначают на основании инженерного опыта эксплуатации подобных конструкций (прототипов). Ряд отраслей техники имеют нормы прочности, в которых допустимые запасы прочности регламентированы для разных условий эксплуатации. Обычный диапазон изменений [n] колеблется от 1, 3 (при стабильных условиях нагружения) до 5 и более (при переменных и динамических нагрузках). Отметим основные модели прочностной надежности, которые практически всегда (явно или неявно) присутствуют при проведении расчетов. Это модели материала, формы детали (конструкции), нагружения (условий нагружения) и предельного состояния (нарушения прочности). При разработке (назначении) моделей приходится идти на компромисс между достаточно полным и адекватным описанием рассчитываемого явления и доступностью (трудоемкостью) расчета на основе принятых моделей. Напомним, что целью расчетов является определение запасов прочности. Однако на этом пути находится этап определения напряженно-деформированного состояния, и именно данный этап рассматривается в настоящей книге.

В практике расчетов используют как аналитические, так и численные методы. Первые базируются на математических методах решения краевых задач, обычно сложных и трудоемких, и зачастую ограничены достаточно простыми геометрическими формами тел и схем нагружения. Численные методы, к которым относятся, в частности, метод конечных разностей, метод граничных интегральных уравнений, метод граничных элементов, метод конечных элементов и другие методы, напротив, не ограничены ни формой тел, ни способом приложения нагрузки. Это, наряду с повсеместным распространением мощной вычислительной техники, способствует их распространению в инженерной среде. Нередки случаи, когда важно знать эволюцию процесса деформирования (или разрушения) конструкции с продолжающимся во времени внешним воздействием. При этом естественны большие геометрические и физические нелинейности. В таких случаях обойтись без численных решений практически невозможно. Но именно такого рода задачи вполне под силу программному комплексу ANSIS (ANSYS Inc.). Механическая и математическая основа указанного программного комплекса представляет собой метод конечных элементов (МКЭ) – наиболее распространенный и достаточно универсальный метод анализа напряженно-деформированного состояния (НДС).

Книга состоит из трех частей, в первой из которых рассматривается основная идея МКЭ и алгоритм расчета, проиллюстрированный рядом простых примеров, с указанием на некоторые ограничения, связанные с применением метода. Вторая и третья части знакомят читателя с реализацией МКЭ в программном комплексе ANSYS.

Следует оговорить, что круг рассматриваемых вопросов в силу ограниченного объема книги сводится к линейно-упругому анализу НДС в случае статического нагружения. Вопросы, связанные с упругопластическими расчетами, с решением задач механики разрушения, можно найти, например, в [6].

Об авторах

Каплун Александр Борисович

Доктор технических наук, профессор. Заведующий кафедрой теоретической механики Московского института коммунального хозяйства и строительства (МИКХиС), профессор кафедры физики прочности Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ».

Известный ученый в области численных методов расчета на прочность, прикладной механики разрушения и механики усталостного разрушения многослойных материалов и конструкций. Автор более 100 печатных работ, посвященных исследованию прочности металлических и неметаллических материалов и конструкций с остаточными напряжениями и трещинами.

Морозов Евгений Михайлович

Доктор технических наук, профессор кафедры физики прочности Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ». Известный ученый в области механики разрушения и прочности твердых тел, один из инициаторов развития механики разрушения в нашей стране. Лауреат премии Совета Министров СССР, заслуженный деятель науки РФ. Включен в ряд англо- и русскоязычных книг «Кто есть кто». Кембриджским биографическим центром внесен в книгу «Outstanding scientists of the 21st century».

Автор нескольких монографий и учебных пособий, в число которых входят «Механика контактного разрушения» (в соавт. с Ю. В. Колесниковым), «Контактные задачи механики разрушения» (в соавт. с М. В. Зерниным), «Разрушение стекла» (в соавт. с С. С. Солнцевым), «Метод конечных элементов в механике разрушения» (в соавт. с Г. П. Никишковым), «Механика упругопластического разрушения» (части I и II, в соавт. с В. З. Партоном), «Прочностной анализ: ФИДЕСИС в руках инженера» (в соавт. с В. А. Левиным и А. В. Вершининым; все — М.: URSS), «Механика разрушения: Курс лекций» (в соавт. с В. М. Пестриковым; СПб., 2012), а также получившие широкую популярность руководства «ANSYS в руках инженера: Практическое руководство» (в соавт. с А. Б. Каплуном и М. А. Шамраевой), «ANSYS в руках инженера: Механика разрушения» (в соавт. с А. Ю. Муйземнеком и А. С. Шадским), «ANSYS в руках инженера: Температурные напряжения» (в соавт. с А. С. Шадским, К. Н. Жековым и А. С. Плотниковым; все — М.: URSS).

Шамраева Маргарита Александровна

Преподаватель Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ». Исследователь в области численного анализа процессов деформирования и определения условий разрушения инженерных конструкций. Автор нескольких учебных пособий.