Pro/MECHANICA: Structure and Thermal Analysis
Version 2001
Глава 4 - Типы модели
Упражнение 4b - Анализ плоской деформации
Цель После завершения этого упражнения Вы будете способны:
Задавать тип plane strain модели
Настраивать анализ плоской деформации
Анализировать модель с использованием plane strain типа модели
Применять термическую нагрузку
В этом упражнении Вы будете использовать идеализации модели типа плоской деформации для настройки, прогона и анализа длинного теплообменника. Теплообменник показан на рисунке 4–31. Теплообменник состоит из основной трубы, сделанной из магниевого сплава, и внешнего кожуха с продольными ребрами, сделанными из алюминия. Внутренняя труба нагружена давлением в 500MPa или 500psi (в зависимости от вашей системы единиц) и вся модель нагрета до температуры 100°C. Деталь может быть проанализирована с использованием твёрдотельных элементов, но задача может быть выражена 2D геометрией, что уменьшит время вычисления, уменьшая количество элементов в модели.
В модели плоской деформации геометрия определена 2D эскизом на плоскости XY, где нормаль деформации к эскизу является нулевой.
Рисунок 4-31
Помните, симметрия требует симметричной геометрии, ограничений, нагрузок и материалов.
Вы будете использовать преимущество симметрии, чтобы упрощать задачу, Вы проанализируете только четверть модели. Обратите внимание, внутренняя трубка и внешний кожух определены как единая геометрическая модель, несмотря на наличие различных материалов. Вы будете анализировать деталь, показанную на рисунке 4–32.
Рисунок 4-32
Задачи Моделирования
Задание 1: Открытие детали с названием heat_exchanger и запуск Pro/MECHANICA.
1. Откройте файл heat_exchanger.prt. Деталь показана на рисунке 4-33.
Рисунок 4-33
2. Убедитесь, что выбрана система единиц mmNs.
3. Запустите Pro/MECHANICA. Деталь выглядит как показано на рисунке 4-34.
Рисунок 4-34
Задание 2: Создание поверхностных регионов.
Определённая геометрия является четвертью передней грани модели. Вы будете использовать имитационные конструктивные элементы Pro/MECHANICA, чтобы делить геометрию на две области для назначения различных материалов. Вы сделаете это определением поверхностных регионов.
1. Выберите Model > Features > Surf Region > Create > Sketch > Done.
2. Выберите переднюю поверхность в качестве плоскости эскиза, а TOP в качестве ссылочной плоскости. Эскиз базовых кривых показан на рисунке 4-35.
Используйте опции меню Simulate Feats для помощи в определении объектов моделирования (например, нагрузок, материалов).
Рисунок 4-35
3.
Нажмите иконку 
.
4. Выберите переднюю грань.
5. Выберите Done Sel > Done.
6. Нажмите кнопку 
. Поверхностный регион выделяется красным цветом.
7. Нажмите кнопку 
.
8. Выберите Done\Return.
Задание 3: Определение типа модели.
1. Установите тип модели на Plane Strain.
2. Нажмите кнопку 
.
3. Выберите оба поверхностных региона. Грани выделяются по мере их выбора. Выберите Done Sel. Грань выделяется фиолетовым цветом.
4. Нажмите кнопку 
. Выберите систему координат по умолчанию PRT_CSYS_DEF.
5. Нажмите кнопку 
. Появляется диалоговое окно
Confirmation, как показано на рисунке 4–36. Это диалоговое окно позволяет Вам определить, что типа модели изменён.
Рисунок 4-36
6. Нажмите кнопку 
для завершения выбора типа модели.
Задание 4: Создание цилиндрической системы координат.
В этой задаче, Вы создадите цилиндрическую систему координат, которая необходима для типов нагрузок и ограничений, которые Вы прилагаете к модели.
1. Выберите Features > Coord System > Create > Default >Cylindrical.
2. Обратите внимание, ось Z новой системы координат (CSO) совпадает с осью Z системы координат по умолчанию. Ось X = 0 параллельна оси X системы координат по умолчанию.
3. Выберите Done\Return.
Задание 5: Применение нагрузок.
Вы приложите однородную силу на единицу площади к внутренней кромке модели, как показано на рисунке 4-37, чтобы имитировать нагрузку давления.
Рисунок 4-37
1. Выберите Loads > New > Edge/Curve или нажмите иконку 
. Открывается диалоговое окно
Force/Moment, как показано на рисунке 4-38.
Рисунок 4-38
2. Напечатайте [pressureload] в поле Name.
3. Нажмите кнопку 
для определения нового набора нагрузок. Открывается диалоговое окно
Load Set, как показано на рисунке 4-39.
Рисунок 4-39
4. Введите [pressure] в поле
Name и нажмите кнопку 
для закрытия диалогового окна
Load Set.
5. В диалоговом окне
Force/Moment нажмите кнопку Curve(s) 
и выберите внутреннюю кромку, как показано на рисунке 4–39. Выберите Done Sel для завершения выбора.
6. Нажмите кнопку
Coordinate system и выберите предопределённую CS0.
7. Выберите Force Per Unit Area в первом раскрывающемся меню в секции Distribution, и Uniform из второго раскрывающегося меню.
8. Введите [500] в поле Force R.
9. Нажмите кнопку 
для просмотра нагрузки.
10. Нажмите кнопку 
. Модель теперь выглядит как показано на рисунке 4-40.
Рисунок 4-40
Задание 6: Приложение температурной нагрузки.
Предположите, что модель ненапряжена (ссылочная температура равна 0°C) и термическая нагрузка применяется ко всей (глобальной) модели.
1. Выберите New > Temperature.
Для импорта температурных нагрузок используйте опции MEC/T, Temp и External Temp из меню LOAD.
2. Выберите Global Temp из меню Temp LOAD или нажмите иконку 
. Появляется диалоговое окно
Global Temperature, как показано на рисунке 4-41.
Рисунок 4-41
3. Напечатайте [TempLoad] в поле Name.
4. Нажмите кнопку 
для определения нового набора нагрузок. Открывается диалоговое окно
Load Set.
5. Напечатайте [temperature] в поле Name.
6. Нажмите кнопку 
для закрытия диалогового окна
Load Set.
7. Введите [212°C] в поле Model Temperature.
8. Нажмите кнопку для закрытия диалогового окна. На модели появляется символ, представляющий температурную нагрузку, как показано на рисунке 4–42.
Рисунок 4-42
9. Выберите Done/Return для завершения приложения нагрузок.
Задание 7: Применение ограничений.
1. Так как Вы используете симметрию, Вам нужно прилагать ограничения к горизонтальным и вертикальным симметричным кромкам. Продумайте тщательно, как эти кромки могут быть ограничены. Эти кромки могут двигаться только радиально в направлении наружу.
Задание 8: Применение горизонтальных ограничений.
1. Выберите Constraints > New > Edge/Curve или нажмите иконку 
. Открывается диалоговое окно
Constraint, как показано на рисунке 4–43.
Рисунок 4-43
2. Напечатайте [x_edge] в поле Name.
3. Нажмите кнопку 
для определения нового набора ограничений. Открывается диалоговое окно
Constraint Set.
4. Напечатайте [symedge] в поле Name.
5. Нажмите кнопку для закрытия диалогового окна.
6. Нажмите кнопку
Curve(s) 
и выберите две горизонтальные кромки, как показано на рисунке 4-44. Выберите Done Sel.
Рисунок 4-44
7. Нажмите кнопку
Coordinate system и выберите предопределённую CS0.
8. Нажмите кнопку 
для свободного
R Translation.
9. Нажмите кнопку для закрытия диалогового окна. Модель теперь выглядит как показано на рисунке 4-45.
Рисунок 4-45
Задание 9: Применение вертикальных ограничений.
1. Выберите Constraints > New > Edge/Curve или нажмите иконку 
. Открывается диалоговое окно
Constraint.
2. Введите [y_edge] в поле Name и выберите symedge их раскрывающегося меню Member of Set.
3. Нажмите кнопку
Curve(s) и выберите две вертикальные кромки. Выберите Done Sel.
4. Нажмите кнопку
Coordinate system и выберите предопределённую CS0.
5. Нажмите кнопку для свободного
R Translation.
6. Нажмите кнопку для закрытия диалогового окна. Модель теперь выглядит как показано на рисунке 4-46.
Рисунок 4-46
7. Выберите Done/Return для завершения приложения ограничений.
Задание 10: Применение материала.
AL2014 - свойства материала для алюминия.
1. Добавьте AL2014 в Materials секции Model диалогового окна Materials.
2. Нажмите кнопку 
и назначьте материал к наружному поверхностному региону, как показано на рисунке 4–47, используя опцию Face/Surface.
Рисунок 4-47
MG - свойства материала для магниевого сплава.
3. Добавьте MG в Materials секции Model диалогового окна Materials.
4. Нажмите иконку 
и назначьте материал к внутреннему поверхностному региону используя опцию Face/Surface.
5. Нажмите кнопку 
для закрытия диалогового окна.
Задачи Анализа
Задание 11: Настройка анализа.
1. Настройте Quick Check анализ для проверки на наличие ошибок. Напечатайте [heat_exchanger] в качестве названия анализа.
2. Для статического анализа напряжения Вам нужно определить или выбрать ограничение и наборы нагрузок. Используйте опцию symedge для набора ограничений и pressure и temperature опции для набора нагрузки. Обратите внимание, для данного анализа может быть выбран только один набор ограничений, в то же время наборов нагрузок может быть выбрано несколько.
3. Проверьте обоснованность модели
Задание 12: Запуск анализа.
1. Выберите Run в меню Structure. Открывается диалоговое окно Run.
2. Нажмите кнопку 
для запуска анализа.
Файл системного журнала содержит резюме части прогона AutoGEM, Pro/MECHANICA также пишет в этот файл статус AutoGEM и сообщения об ошибке.
3. Нажмите кнопку 
, чтобы видеть файл системного журнала в течении и после прогона для просмотра информации относительно анализа.
4. Нажмите кнопку 
после завершения прогона.
5. Нажмите кнопку 
в диалоговом окне
RUN. Максимум напряжение Мизеса для нагрузок давления и температуры - 1260MPa и 366MPa соответственно и Pro/MECHANICA создала пять твердотельных 2D элементов.
6. Нажмите кнопку 
для закрытия диалогового окна
Summary.
7. Нажмите кнопку 
для закрытия диалогового окна
RUN.
Задачи по обработке результатов
Задание 13: Отображение результатов
Создайте и отобразите диаграммы напряжений Мизеса и деформаций, используя комбинацию нагрузок давления и термических нагрузок. Анимируйте диаграмму деформаций, чтобы видеть поведение ограничений.
1. Выберите Results и нажмите кнопку 
для сохранения текущей модели. Открывается диалоговое окно
Untitled Result Window.
2. Нажмите кнопку 
. Открывается диалоговое окно
Create Result Window, как показано на рисунке 4-48.
Рисунок 4-48
3. Нажмите кнопку 
для одобрения названия окна по умолчанию,
window1. Открывается диалоговое окно Design Study for Result Window "window1".
В диалоговом окне RUN Settings Вы указали, где все выходные файлы должны быть сохранены.
4. Название анализа - heat_exchanger и его поддиректория называется heat_exchanger. Выберите директорию heat_exchanger, используя поле Current Directory и раскрывающееся меню Drive. Поддиректория heat_exchanger появляется в поле Study (не выбирайте heat_exchanger двойным щелчком).
5. Нажмите кнопку . Открывается диалоговое окно
Load Set Combination, как показано на рисунке 4-49.
Рисунок 4-49
6. Включите опцию Combine Load Sets.
Комбинационный коэффициент - 1. Вы можете изменить этот коэффициент для различных комбинаций нагрузок.
7. Включите опции Pressure и Temperature.
8. Нажмите кнопку . Открывается диалоговое окно
Define Contents for Results Window "window1".
9. Выберите Stress из раскрывающегося меню Quantity и выберите von Mises из раскрывающегося меню Quantity. По умолчанию
значение опции Display установлена Fringe.
Опция Feature Angle отображает кромки элементов в окне отображения в интервале от 0 до 45°. Когда установлено значение 0°, кромки элементов полностью отображены, а когда установлено 45°, кромки элементов не отображаются.
10. Введите [0] в поле Feature Angle (для отображения всех кромок элементов).
11. Нажмите кнопку 
в диалоговом окне Define
Contents for Result Window. Появляется окно window1, как показано на рисунке 4-50.
Рисунок 4-50
12. Определите место максимального напряжение Мизеса используя опции Info и Model Max.
13. Создайте окно деформаций. Появляется деформированная диаграмма смещений, как показано на рисунке 4-51. Включите опцию Deformed.
Рисунок 4-51
Горизонтальные и вертикальные кромки могут перемещаться только радиально наружу.
14. Анимируйте диаграмму деформации, чтобы убедиться, что симметричные граничные условия ведут себя как ожидалось.
15. Выберите Done\Return из меню MEC STRUCT и нажмите кнопку 
.
Задание 14: Модификация пределов элемента.
Вы измените пределы элемента, чтобы увидеть их влияние на число элементов.
1. Выберите Settings из меню MECHANICA.
2. Выберите AGEM Settings. Открывается диалоговое окно AutoGEM Settings.
3. Нажмите кнопку 
. Открывается диалоговое окно
Element Limits, как показано на рисунке 4-52.
Рисунок 4-52
4. Введите [7] в поле Min секции Edge.
5. Введите [173] в поле Max секции Edge.
6. Введите [7] в поле Min секции Face.
7. Введите [173] в поле Max секции Face.
8. Введите [30] в поле Max Allowable Edge Turn (Degrees).
9. Нажмите кнопку 
для закрытия диалогового окна
Element Limits.
10. Нажмите кнопку для закрытия диалогового окна
AutoGEM Settings и выберите Done.
11. Откройте диалоговое окно
RUN и нажмите кнопку 
. Отключите опцию
Use elements from existing study. Запустите анализ.
12. Нажмите кнопку 
в диалоговом окне
RUN. Максимальное эквивалентные напряжения по гипотезе энергии формоизменения (Мизеса) для давления и термических нагрузок равны 1353MPa и 368MPa. Эти напряжения повысились, так как имеется большее количество элементов на внутренней дуге модели. Число элементов увеличилось до 13.
Задание 15: Отображение результатов.
1. Создайте и отобразите цветную диаграмму напряжений Мизеса, как показано на рисунке 4–53.
Рисунок 4-53
2. Выберите Edit > Legend Value для редактирования легенды минимального и максимального напряжений Мизеса (показана в верхнем левом углу). Диаграмма выглядит как показано на рисунке 4-54.
Коэффициент теплового расширения магния больше чем алюминия; поэтому большая часть нагрузки алюминием получается от расширения магниевого сердечника.
Рисунок 4-54
Напряжение очень равномерно, хотя оно показывает небольшую концентрацию на внутренней части дуг кожуха.
3. Создайте и отобразите цветную диаграмму нормальных напряжений в направлении ZZ с комбинированными нагрузками, как показано на рисунке 4–55.
Рисунок 4-55
Это напряжение вызывает осевое сжатие трубки в и будет главной причиной высокого напряжения Мизеса, имеющего отношение к термической нагрузке.
4. Сохраните модель и закройте окно.