Dave Looman, ANSYS, Inc.
Расчет НДС в локальных зонах, или подмоделирование, предполагает использование двух раздельных конечно-элементных (КЭ) моделей. Первая из них является полной моделью исследуемого объекта и применяется для расчета нагрузок, действующих на всю модель. В дальнейшем эти нагрузки используются как исходные граничные условия для расчета НДС локальной модели. Вторая КЭ-модель более детально описывает объект в выбранном месте. Для этой части модели строится более мелкая сетка, которая позволяет точнее выполнять расчет «локального» НДС. Этот метод требует больших трудозатрат на подготовку модели и планирование, особенно если рассматривать много локальных частей модели и расчетных случаев. В то же время высокая степень структурированности модулей ANSYS Workbench и поддержка двусторонней ассоциативной связи с CAD-системами значительно упрощают выполнение подобных расчетов в ANSYS.
Для реализации этого метода в расчетном модуле DesignSimulation (DS) необходимо использовать дополнительный набор команд, написанных на APDL, которые задаются в объекте Command в дереве расчета.
В данной статье будет показан пример расчета с применением метода подмоделиро- вания с подробным описанием всех этапов расчетного процесса: от работы с геометрической моделью до расчета усталостной долговечности (всего пять шагов).
1-й шаг. Создание (или импорт из CAD) геометрической модели
Полная CAD-модель изогнутой трубной сборки
Рассмотрим пример расчета напряжений в трубчатом сварном узле, состоящем из отдельных соединенных между собой сегментов. Данный узел — один из небольших фрагментов металлоконструкций, из которых собирают направляющие американских горок. Геометрическая модель узла (рис. 1) была создана в модуле ANSYS DesignModeler.
Эта секция нагружается роликами вдоль двух верхних труб; нагрузка, обусловленная силой тяжести и центробежными силами, передается на большую трубу через соединительные элементы и далее на несущую металлоконструкцию.
2-й шаг. Генерация сетки для полной модели
Каждая деталь разбивается на КЭ-сетку независимо, и между ними создаются контактные элементы типа «поверхность с поверхностью». Контактные пары могут быть использованы в качестве поверхностей интерполяции граничных условий, поскольку получены при вырезании части модели из полной. На рис. 2 представлен пример КЭ-сетки с контактом типа «поверхность с поверхностью».
Полная модель
3-й шаг. Расчет полной модели для определения зон локальных концентраций напряжений
Результаты расчета НДС сохраняются в текущую рабочую директорию проекта в формате базы данных ANSYS. Решение полной модели также необходимо для интерполяции граничных условий для расчета подмодели.
4-й шаг. Создание подмодели на основе CAD-модели и генерация КЭ-сетки для подмодели
После определения зон с высокой концентрацией напряжений можно перейти к созданию подмодели на базе исходной CAD-геометрии (рис. 3). Для этого модель режется на части, а затем ненужные фрагменты модели просто подавляются. При подавлении тел автоматически сохраняется геометрическая связанность объектов, то есть подавленные тела не изменяют своего положения относительно глобальной системы координат.
Для передачи (интерполяции) перемещений из полной модели в подмодель необходимо создать выборки геометрических объектов (Named Selection) в местах сопряжения подмодели с полной моделью. На эти выборки в дальнейшем будут ссылаться команды специального макроса.
5-й шаг. Интерполяция граничных условий из полной модели в подмодель и запуск задачи на решение
Геометрия подмодели критической структурной детали
Интерполяция выполняется посредством команд небольшого макроса, который вставляется в раздел дерева расчета подмодели (Environment branch). Пример команд макроса показан на рис. 4.
Команды, содержащиеся в этом макросе, считывают базу данных и данные результатов полной модели и выполняют интерполяцию перемещений (команда CBDOF). После этого подмодель активируется, прикладываются интерполированные граничные условия и далее запускается решение для подмодели. При расчете учитываются и все внешние нагрузки, такие как сила тяжести или температура. Расчетный модуль ANSYS Workbench при подмоделировании помимо своей основной функции позволяет проводить анализ результатов расчета, как и при выполнении «обычного» расчета.
При расчете НДС локальной модели участки с высокими концентрациями напряжений оцениваются более точно.
В приведенном примере КЭ-сетка, сгенерированная с настройками «по умолчанию», довольно грубо описывает место концентрации напряжений, что может привести к некорректным результатам при расчете усталостной долговечности. Поэтому требуется измельчение сетки в указанных местах. Для достижения нужной размерности сетки в локальной зоне концентрации напряжений можно использовать фильтр типа «Сфера» (Sphere of influence). Фрагмент КЭ-сетки для подмодели с локальной зоной измельчения представлен на рис. 5. После измельчения сетки заново запускаем процедуру решения для подмодели. При этом интерполяция граничных условий будет выполнена для новой КЭ-модели, так как макрос перезаписывает все файлы, созданные ранее (до измельчения сетки). Интерполяция выполняется на основе данных файла результатов полной модели, который остается в текущей рабочей директории проекта. В данном примере для оценки НДС подмодели применялись эквивалентные напряжения.
Дерево моделирования, показывающее процедуру подмоделирования
При использовании метода расчета НДС в локальных зонах сохранение связанности геометрических объектов обеспечивается применением модуля ANSYS DesignModeler для создания как полной модели, так и подмодели.
Все операции сохраняются в дереве расчета, и при последующей загрузке расчетной модели не представляет особого труда разобраться, что и для чего было сделано ранее.
Обратите внимание, что можно создать любое количество подмоделей на основе интерполяции граничных условий, полученных из результатов решения полной модели.
Все варианты расчета подмоделей будут включены в дерево расчета, и это позволит легко просматривать все интересующие нас места в одной сессии расчетного модуля DS. Однако пользователи должны строго выполнять следующее условие: поверхности сопряжения полной модели и подмодели, на которые интерполируются граничные условия из полной модели, должны располагаться на достаточном удалении от зоны концентрации напряжений.
Детализация сетки подмодели с использованием функции сферы влияния
Геометрия подмоделей может изменяться благодаря наличию двусторонней связи с модулем ANSYS DesignModeler или с другими CAD- пакетами.
Более подробно метод подмоделирования описан в главе 9 (Submodeling) раздела Advanced Analysis Techniques Guide.
Перевод статей для раздела «Мастер-класс» выполнен А. Черновым в 2007 году специально для журнала «ANSYS Solutions. Русская редакция».
