Pro/MECHANICA: Structure and Thermal Analysis

Pro/MECHANICA: Structure and Thermal Analysis

Version 2001

Глава 3 - Идеализация оболочки

Упражнение 3a - Автоматическое создание оболочки

Упражнение 3a - Автоматическое создание оболочки

Цель

После завершения этого упражнения Вы будете способны:

Создавать оболочечно-элементную модель

Устанавливать нагрузки, ограничения и свойства материала

Выполнить анализ детали

Это хорошая идея, использовать элементы оболочки, когда размер толщины меньше, чем 1/10 самой короткой кромки конструктивного элемента.

В этом упражнении Вы используете настройку идеализации оболочечных элементов, прогон и анализ воздействия давления на тонкостенный бак, показанный на рисунке 3-13. Для создания оболочечных элементов используйте опцию Auto Detect из меню MIDSURFACES. Трехмерные оболочечные элементы подобны поверхностным элементам, которые используются для представления тонкостенных структур. Резервуар был создан в Pro/ENGINEER с использованием поверхностных конструктивных элементов, потом с помощью опции Use Quilts > Thin из меню SOLID OPTS стенке была придана толщина в [0.5мм].

Рисунок 3-13

Вы используете существующую симметрию для создания вертикального разреза резервуара, чтобы удалить переднюю половину резервуара. Затем Вы анализируете часть резервуара, показанную на рисунке 3–14.

Сетка на рисунках 3-14 и 3-15 иллюстрирует форму труб.

Рисунок 3-14

Задачи Моделирования

Задание 1: Открытие файла детали auto_shell в Pro/ENGINEER.

1. Откройте файл auto_shell.prt. Деталь показана на рисунке 3–15.

Модель показана в не закрашенном состоянии для наглядности.

Рисунок 3-15

Система единиц по умолчанию - Inch lbm Second. При желании изменить систему единиц, выберите её в диалоговом окне Units Manager и нажмите кнопку . Открывается диалоговое окно Warning. Выберите опцию Interpret Existing Numbers (Same Dims) и нажмите кнопку .

2. Уберитесь, что выбрана система единиц mmNs.

Задание 2: Запуск Pro/MECHANICA.

1. Выберите из меню Applications > Mechanica. Открывается диалоговое окно Unit Info. Нажмите кнопку для запуска Pro/MECHANICA.

2. Выберите Structure. Деталь выглядит как показано на рисунке 3-16.

Рисунок 3-16

Задание 3: Определение типа модели.

Тип модели по умолчанию - 3D.

1. Выберите Model > Model Type. Открывается диалоговое окно Model Type.

2. Выберите 3D в диалоговом окне Model Type и нажмите кнопку .

Задание 4: Определение оболочечных элементов.

1. Выберите Structure > Model > Idealizations > Shells > Midsurfaces > Auto Detect. Модель закрашивается красным и жёлтым цветом. Жёлтая закраска представляет внутреннюю поверхность резервуара, а красная закраска представляет наружную поверхность. Эти поверхности спариваются для образования средней поверхности.

Парные поверхности сжимаются в среднюю поверхность по умолчанию. Оболочечные модели затем создаются на этой средней поверхности.

2. Выберите Compress > Shells Only. Появляется сообщение: Problem constructing shell model skeleton near highlighted region в строке сообщений.

3. Выберите Applications > Standard для возврата в Pro/ENGINEER.

Относительная точность (0.0012мм) не требуется для очень тонких конструктивных элементов.

4. Выберите Set Up > Accuracy.

5. Введите [0.0002] для относительной точности детали при запросе.

6. Введите [Yes] для полной регенерации детали.

7. Запустите Pro/MECHANICA и повторите шаги 1 и 2 из задания №4.

Оболочки могут быть плоскими или изогнутыми.

8. Выберите ShowCompress для отображения кромок средней поверхности, как показано на рисунке 3–17.

Рисунок 3-17

9. Выберите ShowBoth. Кромки средней поверхности, выделенные желтым цветом между двумя поверхностями модели, будут использоваться для создания оболочечных элементов. Кромки двух других поверхностей модели показаны зелёным цветом. Увеличьте вид кромок, как показано на рисунке 3–18.

Рисунок 3-18

10. Выберите Done и нажмите кнопку для завершения создания оболочек.

11. Выберите Done/Return из меню MEC STRUCT.

12. Выберите Settings и убедитесь, что опция включена Use Pairs.

13. Выберите Done > Structure.

Задание 5: Приложение нагрузки.

В этой задаче Вы приложите нагрузку давления ко внутренним поверхностям модели. Эта нагрузка представляет давление оказанное на внутренние стенки резервуара, когда он герметизирован.

1. Из меню STRC MODEL выберите Loads > New > Pressure или нажмите иконку . Открывается диалоговое окно Pressure, как показано на рисунке 3–19.

Рисунок 3-19

2. Напечатайте [preload] в поле Name.

Наборы нагрузок и ограничения обеспечивают логичный способ организации ваших объектов моделирования так, чтобы Вы могли определить анализ ясно и эффективно. Набор нагрузок - это все нагрузки, которые воздействуют на модель совместно.

3. Одобрите предлагаемую по умолчанию опцию, LoadSet1 из Member of Set.

4. Нажмите иконку Surface(s) в секции References и выберите все внутренние поверхности, чтобы определить поверхности, к которым будет приложена нагрузка давления. Выберите Done Sel.

5. Выберите Uniform в раскрывающемся меню Distribution в качестве распределение давления (другая опция - Function Of Coordinates).

6. Введите [0.1] в поле P для величины давления. Это значение следует изменить в соответствии с Вашей системой единиц. Давления 0.1MPa равняется 100kPa (в системе SI), что почти равно атмосферному давлению.

7. Нажмите кнопку для просмотра нагрузки.

8. Нажмите кнопку и выберите Done/Return для завершения применения нагрузки. Модель теперь выглядит как показано на рисунке 3-20.

Рисунок 3-20

Задание 6: Управление настройками нагрузки и видимостью.

1. Выберите из главного меню View > Simulation Display > Settings. Открывается диалоговое окно Simulation Display, как показано на рисунке 3-21.

Рисунок 3-21

Исследуйте настройки диалогового окна Simulation Display. Обратите внимание, для отображения стрелок нагрузки могут быть выбраны опции Tails Touching и Individual Colors, чтобы помочь Вам визуализировать нагрузки. На закладке Visibilities Вы можете отключить нагрузки, чтобы видеть где приложены ограничения.

2. Отключите нагрузки, чтобы лучше видеть ограничения выбрав Simulation Display > Visibilities из меню View и отменив выбор LoadSet1 в окне Load/Constraint Sets.

3. Нажмите кнопку для закрытия диалогового окна Simulation Display.

Задание 7: Применение ограничений.

Так как Вы используете в своих интересах симметрию модели, Вы должны тщательно думать об ограничениях и как они приложены к модели. В этой задаче Вы ограничите верхнюю и боковую кромки входной/выходной труб.

Оболочечные элементы имеют шесть степеней свободы (3 перемещения, 3 вращения).

1. Выберите Constraints > New > Edge/Curve или нажмите иконку .

2. В диалоговом окне Constraints напечатайте [sidepipe] в поле Name. Одобрите предлагаемую по умолчанию для Member of Set опцию, ConstraintSet1. Выберите наружные кромки труб, выберите Done Sel, выберите Fixed для всех шести степеней свободы.

3. Нажмите кнопку . Ограничения выглядят как показано на рисунке 3-22.

Рисунок 3-22

Задание 8: Применение симметричных ограничений.

Для редактирования и удаления набора ограничений выберите Constraint Sets.

1. Выберите Constraints > Create > Edge/Curve.

2. В диалоговом окне Constraints напечатайте [symedges] в поле Name. Ограничение Member of Set - ConstraintSet1. Выберите кромку модели на плоскости симметрии и выберите Done Sel. Может быть выбрана как внутренняя, так и внешняя кромка, так как они будут полностью сжаты на одну и ту же среднюю плоскость.

3. Выберите Fixed для перемещения по Z и Free для перемещения по X и Y.

4. Выберите Fixed для вращения относительно осей X и Y, и Free для вращения относительно оси Z.

5. Нажмите кнопку . Ограничения выглядят как показано на рисунке 3-23.

Рисунок 3-23

6. Нажмите кнопку для завершения назначения ограничений.

Задание 9: Применение материала.

В этой задаче Вы выберете материал для сосуда, работающего под давлением.

1. Выберите Model > Materials в меню Structure. Открывается диалоговое окно Materials.

2. Раскройте список в секции Materials in Library и выберите SS (нержавеющая сталь).

3. Нажмите кнопку для перемещения SS в секцию Materials in Model.

4. Нажмите кнопку и выберите Part для назначения материала детали резервуара.

5. Выберите резервуар, затем Done Sel.

6. Нажмите кнопку для просмотра и проверки свойств материала, нажмите кнопку .

7. Нажмите кнопку для завершения назначения материала.

8. Включите нагрузки, чтобы лучше видеть ограничения выбрав Simulation Display > Visibilities из меню View и отменив выбор LoadSet1 в окне Load/Constraint Sets.

Задачи Анализа

Задание 10: Настройка анализа.

В этой задаче Вы определите тип анализа. Сначала сосуд анализируется с использованием опции сходимости Quick Check для проверки на наличие ошибок.

1. Выберите Analyses из меню MEC STRUCT. Открывается диалоговое окно Analysis.

2. Выберите Static из раскрывающегося меню New Analysis.

3. Нажмите кнопку . Появляется диалоговое окно Static Analysis Definition.

4. Напечатайте [shell_tank] в поле Name (shell_tank - теперь название поддиректории, содержащей все полученные файлы).

5. Напечатайте [shell_tank analysis] в поле Description.

6. Для статического анализа напряжения Вам нужно определить или выбрать ограничение и наборы нагрузок. Вы их создали предшествующих шагах. В данном случае это ConstraintSet1 и LoadSet1.

7. Выберите Quick Check из раскрывающегося списка Method для типа сходимости, чтобы определить, был ли анализ правильно настроен на первом прогоне.

8. Нажмите кнопку в диалоговом окне Static Analysis Definition и кнопку в диалоговом окне Analyses для завершения настройки анализа.

Задание 11: Проверка обоснованности модели.

1. Выберите Check Model из меню MEC STRUCT. Эта команда проверяет достоверность имитационной модели. Появляется диалоговое окно с сообщением об отсутствии ошибок.

2. Нажмите кнопку для завершения команды по проверке модели.

Задание 12: Запуск анализа.

1. Выберите Run из меню MEC STRUCT. Открывается диалоговое окно Run, как показано на рисунке 3–24.

Файлы и каталоги Pro/MECHANICA созданы в рабочем каталоге Pro/ENGINEER. Следовательно, это хорошая идея, создать новую поддиректорию для каждой модели, установить её в качестве рабочего каталога и хранить здесь файл детали.

Рисунок 3-24

2. Нажмите кнопку в диалоговом окне Run для настройки позиций для временных и выходных файлов, формат выходных файлов и распределение RAM.

3. Нажмите кнопку для одобрения настроек по умолчанию и закрытия диалогового окна Run Settings.

4. Нажмите кнопку для запуска анализа. Открывается диалоговое окно Question, как показано на рисунке 3-25.

Рисунок 3-25

5. Нажмите кнопку в диалоговом окне Question. Вы увидите сообщение: The design study has started. Как только проверка на ошибки будет завершена, появляется диалоговое окно Run. Pro/MECHANICA потребуется несколько минут на решение проблемы.

Файл системного журнала содержит резюме прогона части AutoGEM, также Pro/MECHANICA пишет в этот файл статус AutoGEM и сообщения об ошибке.

6. Нажмите кнопку в диалоговом окне RUN в течение пробега или после того, как он закончится, чтобы видеть информацию (например, резюме AutoGEM и время CPU).

7. Нажмите кнопку для закрытия диалогового окна Log.

8. Нажмите кнопку в диалоговом окне. Анализ Quick Check завершён.

Задание 13: Решение модели с использованием опции сходимости Multi-Pass Adaptive.

В этой задаче модель прогоняется через решающее устройство с повышением полиноминального порядка проблемных элементов при каждом прогоне. Прогоны продолжаются до решения сходимости или до достижения максимального порядка многочлена (по умолчанию - 6, максимум - 9).

1. Выберите Analyses и нажмите кнопку в диалоговом окне Analyses. Появляется диалоговое окно Static Analysis Definition.

2. Выберите Multi-Pass Adaptive из раскрывающегося меню Method.

3. Введите [9] в поле Polynomial Order и введите [10] в поле Percent Convergence секции Limits.

4. Выберите опцию Local Displacement, Local Strain Energy, and GlobalRMS Stress в секции Converge on. Открывается диалоговое окно Static Analysis Definition, как показано на рисунке 3–26.

Рисунок 3-26

5. Перейдите на закладку Output и выберите все опции в секции Calculate.

6. Нажмите кнопки и для завершения настроек анализа.

7. Выберите Run и нажмите кнопку в диалоговом окне Run. Включите опцию Use elements from existing study. Нажмите кнопку для одобрения выбора и закрытия диалогового окна Run Settings.

8. Нажмите кнопку для запуска анализа. Открывается диалоговое окно Question, как показано на рисунке 3-27.

Рисунок 3-27

9. Нажмите кнопку в диалоговом окне Question.

10. Нажмите кнопку в диалоговом окне Question обнаружения ошибки. В окне появляется сообщение: The design study has started. Pro/MECHANICA потребуется несколько минут на решение проблемы.

11. Нажмите кнопку в диалоговом окне Run для просмотра информации (например, прогон не сходится в секции Measures, max_disp_mag - 3.55e-2 единицы длины, система создала 50 элементов и т.д.).

12. Нажмите кнопку для закрытия диалогового окна Summary.

13. Нажмите кнопку для закрытия диалогового окна RUN.

Задачи по обработке результатов

Задание 14: Отображение результатов

В этой задаче Вы создадите и отобразите цветной график напряжения Мизеса.

1. Выберите Results и нажмите в открывшемся диалоговом окне кнопку для сохранения текущей модели. Открывается диалоговое окно Untitled Result Window.

2. Нажмите кнопку . Открывается диалоговое окно Create Result Window, как показано на рисунке 3–28.

Рисунок 3-28

3. Нажмите кнопку для одобрения названия окна по умолчанию - window1. Открывается диалоговое окно Design Study for Result Window "window 1".

В диалоговом окне RUN Settings Вы указали, где все выходные файлы должны быть сохранены.

4. Название анализа - shell_tank и его поддиректория называется shell_tank. Выберите поддиректорию shell_tank с помощью поля Current Directory и раскрывающегося меню Drive. Поддиректория shell_tank появляется в поле Study.

5. Нажмите кнопку . Открывается диалоговое окно Define Contents for Results Window "window1".

6. Выберите Stress из раскрывающегося меню Quantity и выберите von Mises из раскрывающегося меню Quantity.

7. Включите опцию Average, введите [0] в поле Feature Angle (для отображения всех кромок элементов).

8. Нажмите кнопку в диалоговом окне Define Contents for Result Window. Появляется окно window1, как показано на рисунке 3-29.

Рисунок 3-29

9. Выберите Edit > Copy или нажмите кнопку . Открывается диалоговое окно, как показано на рисунке 3-30.

Рисунок 3-30

10. Напечатайте [deformation] в поле To New Result Window. Нажмите кнопку . Открывается диалоговое окно Define Contents for Results Window "deformation".

11. Выберите Displacement из раскрывающегося меню Quantity, включите опцию Deformed и нажмите кнопку для одобрения выбора.

Убедитесь, что в окне Display Result Window выбрана только опция deformation.

12. Нажмите кнопку . Выберите деформацию в диалоговом окне Display Result Window, как показано на рисунке 3–31.

Рисунок 3-31

Деформация происходит как Вы ожидали?

13. Нажмите кнопку . Открывается окно деформации, как показано на рисунке 3-32.

Рисунок 3-32

Обратите внимание, резервуар не способен противостоять приложенному давлению и очевидно "раскрывает" свою формулу от ограничений.

Задание 15: Используйте предопределённые критерии, чтобы изучить сходимость.

1. Выберите Edit > Copy или нажмите иконку . Открывается диалоговое окно, как показано на рисунке 3-33.

Рисунок 3-33

2. Напечатайте [convm] в поле To New Result Window. Открывается диалоговое окно Define Contents for Results Window "convm".

3. Выберите Measure из раскрывающегося меню Quantity и нажмите кнопку button. Открывается диалоговое окно Select a Measure, как показано на рисунке 3–34.

Рисунок 3-34

4. Выделите max_stress_vm и нажмите кнопку . Открывается диалоговое окно Define Contents for Results Window "convm".

5. Нажмите кнопку .

Введите [condef] и [constr] в качестве названий для окон результатов.

6. Повторите шаги с 1 по 5 из Задания 15 для создания критерия для max_disp_mag и strain_energy.

7. Нажмите иконку или выберите View > Display. Открывается диалоговое окно Display Result Window, как показано на рисунке 3-35.

Рисунок 3-35

8. Выберите только convm в диалоговом окне и нажмите кнопку для просмотра max_stress_vm. Появляется график сходимости, как показано на рисунке 3-36.

Рисунок 3-36

Обратите внимание, напряжение Мизеса ведет себя беспорядочно. Это из-за того, напряжение Мизеса - локальный критерий и воздействует на локальное расширение резервуара.

9. Нажмите кнопку . Открывается диалоговое окно Display Result Window.

10. Выберите в диалоговом окне только condef и нажмите кнопку для просмотра max_disp_mag. Появляется график сходимости, как показано на рисунке 3-37.

Рисунок 3-37

11. Повторите шаги от 9 до 10 из Задания 15 для отображения графика сходимости strain_energy как показано на рисунке 3–66.

Рисунок 3-38

Обратите внимание как смещение и кривые потенциальной энергии деформации устойчиво увеличиваются с каждым проходом без признака сходимости.

Задание 16: Анимация графиков эквивалентных напряжений по гипотезе энергии формоизменения (Мизеса) и деформации.

Используйте анимацию для проверки на наличие ошибок и для проверки полученных результатов.

Анимации полезны для гарантии, что Ваша модель деформируется корректно, в соответствии с приложенными нагрузками и ограничениями.

1. Нажмите кнопку или выберите View > Display, выделите window1 в Display Result Window и нажмите кнопку .

2. Нажмите иконку или выберите Edit > Result Window. Открывается диалоговое окно Define Contents for Results Window "window1". Включите опцию Deformed, примите значение Scale по умолчанию (10%), включите опцию Animate, примите значение Frames по умолчанию (8) и выберите Reverse. Нажмите кнопку .

3. Выберите View > Start для запуска анимации. Нажимайте Step Back или Step Forward для перемещения по кадрам анимации.

Убедитесь, что в окне Display Result Window выбрана только опция deformation.

4. Повторите шаги с 1 по 3 из задания 16 для анимации графика деформации.

Задание 17: Исследование меню Info.

В этом задании Вы будете исследовать опции меню SHOW CTL. Вы также расположите точку и значение максимального напряжения.

1. Нажмите кнопку или выберите View > Display, выделите только window1 в Display Result Window и нажмите кнопку .

2. Нажмите иконку или выберите Edit > Result Window. Открывается диалоговое окно Define Contents for Results Window "window1". Включите опции Deformed и Animate. Нажмите кнопку .

3. Выберите Info > Model Max. Расположение и значение максимального напряжения Мизеса появляется на экране, как показано на рисунке 3–39.

Рисунок 3-39

4. Измените размер окна на проблемной области.

5. Выберите Info > View Max для просмотра максимального напряжения Мизеса в этой области.

6. Исследуйте другие опции меню DYNQ CTL. Например, опция Dynamic Query показывает уровни напряжения твердотельной детали при перемещения курсора вдоль модели при удерживаемой левой кнопке мышки. После завершения нажмите кнопу .

Задание 18: Проверка результатов.

1. Просмотрите Ваши результаты. Модель деформируется в соответствии с приложенными Вами ограничениями и нагрузками. Материальные свойства, нагрузки и ограничения проверены и ведут себя как ожидалось.

Pro/MECHANICA считывает толщину оболочки непосредственно с твердотельной модели Pro/ENGINEER.

2. Вычислите нагрузку давления по сечению резервуара. Это простое вычисление указывает, что толщина резервуара должна быть увеличена (толщина резервуара равна 0.5мм; она должна быть увеличена до 1мм).

3. Выберите Done/Return из меню MEC STRUCT. Нажмите кнопку в диалоговом окне.

Задание 19: Запуск Pro/MECHANICA в независимом режиме.

Сетка в Pro/MECHANICA генерируется автоматически; тем не менее, она может быть видима только в независимом режиме. В этом задании Вы запустите Pro/MECHANICA в независимом режиме и исследуете FEA сетку.

1. Выберите Indep Mec > Structure.

2. При запросе введите [Y].

3. Прочитайте информационное сообщение и нажмите кнопку .

Для удаления объектов моделирования в независимом режиме (например, нагрузки, твёрдотельные элементы) выберите Edit > Delete > Entity.

4. Напечатайте [auto_shellM] в качестве названия новой модели и нажмите кнопку . Познакомьтесь с интерфейсом независимого режима и меню Design.

5. Нажмите кнопку , выберите Iso и нажмите кнопку . Модель выглядит как показано на рисунке 3–40 (отображение нагрузок и ограничений отключено).

Для модификации нагрузок выберите Edit > Loads.

Рисунок 3-40

6. Выберите Model > Elements > AutoGEM.

7. Выберите Surface > All и нажмите клавишу Enter. Pro/MECHANICA начинает создавать сетку модели. Секция AutoGEM Summary диалогового окна показана на рисунке 3–41.

Рисунок 3-41

Обратите внимание, AutoGEM создала 19 Tri и 31 Quad элементов. Переместитесь через это диалоговое окно, чтобы видеть Element Limits.

8. Нажмите кнопку для закрытия диалогового окна AutoGEM.

Задание 20: Модификация опция отображения в независимом режиме Pro/MECHANICA.

В этой задаче Вы закрасите модель и исследуете видимость объектов моделирования в независимом режиме.

1. Выберите Settings из меню Display. Открывается диалоговое окно Display Settings, как показано на рисунке 3-42.

Рисунок 3-42

2. Выберите Flat Shade из раскрывающегося меню Display Type, выберите Coarse из раскрывающегося меню Display Quality, выберите Elements из раскрывающегося меню Shade, выберите Dot раскрывающегося меню points, включите опцию Shrink All Elements и выберите White из раскрывающегося меню Background Color.

3. Нажмите кнопку . Модель теперь выглядит как показано на рисунке 3-43.

Рисунок 3-43

4. Выберите Display > Master Visibilities. Открывается диалоговое окно Master Visibilities, как показано на рисунке 3-44.

Рисунок 3-44

5. Познакомьтесь с этим диалоговым окном, изменяя опции, и просмотре результаты в окне отображения.

6. Сохраните модель и закройте окно.

Context

Main Paige