Создание расчетной модели и расчет на прочность балок и оболочек (на примере водонапорной башни)

Геометрическая модель, используемая в данной главе, также создается средствами AutoCAD. Модель может состоять исключительно из отрезков прямых и дут окружностей или включать в себя поверхности (объекты region и body).

В данной главе рассматривается решение задачи расчета конструкции, состоящей из поверхностей и прямых линий. На поверхностях будут построены конечные элементы оболочки, а на линиях — балочные конечные элементы.

Конструкция будет нагружена собственным весом и гидростатическим давлением воды в баке. Для расчета оболочек могут быть применены конечные элементы как I, так и II порядков.

Как и в предыдущих случаях, последовательность действий сводится к следующему:

1.Создание геометрической модели средствами AutoCAD.

2.Передача построенной геометрической модели в препроцессор МКЭ ANSYS.

3.Окончательные работы по формированию геометрической модели, проводимые средствами МКЭ ANSYS.

4.Определение типа элемента, характеристик элемента и материала.

5.Создание сетки конечных элементов.

6.Приложение нагрузок и закреплений.

7.Выполнение расчета.

8.Просмотр результатов.

9.Изменение сетки КЭ и повторный расчет (при необходимости).

Создание геометрической модели средствами AutoCAD

Геометрическая модель бака включает в себя ряд объектов:

•типа solid (собственно бак, представляющий из себя совокупность цилиндра и сферических верхней и нижней крышек);

•типа region (шпангоут бака);

•линии, которые в дальнейшем будут использованы для рамы водонапорной вышки.

В ходе построения геометрической модели требуется выполнить следующие действия:

1. Построить цилиндр с центром нижнего диаметра в точке (0,0), радиусом 1 и высотой 1;

2.Построить сферу по центру, находящемуся на оси цилиндра, и ко второй точке — квадранту верхнего торца цилиндра;

3.Рассечь сферу по плоскости верхнего торца цилиндра и удалить ее нижнюю часть;

4.Полученные объекты зеркально отразить относительно плоскости XY;

5.Переместить полученные твердые тела вверх по оси Z из точки (0,0,0) в точку (0,0,20);

6.Построить и поднять фланец;

7.Построить линии рамы; при этом использовать в качестве верхних точек привязки квадранты цилиндра.

Необходимо также упомянуть, что каждый подкос рамы состоит из двух линий, имеющих общую конечную точку. Из этой общей точки выходит горизонтальная линия, представляющая собой связь между двумя соседними наклонными подкосами рамы.

Подводящая и отводящая трубы для упрощения задачи не моделируются. При наличии желания и воображения пользователь вполне в состоянии воспроизвести эти две трубы самостоятельно.

Аналогично описанному выше, созданную средствами CAD модель можно передать в формате IGES или в формате ACIS. Однако следует иметь в виду, что линии можно

передать лишь в форма-fbf

те IGES.

В случае если в препроцессор МКЭ передаются только линии, в препроцессоре потребуется построить поверхности, входящие в состав бака.

Построенная модель показана на рис. 8.1.

Возможен и другой тип построения модели. В этом случае твердотельные объекты (то есть solid и region) не строятся, а средствами AutoCAD создается каркас будущей модели.

Помимо линий рамы, в состав модели будут входить линии, на основе которых будут созданы поверхности бака и фланца. Рис. 8.2. Модель В модель потребуется вве- Рис. 8.1. Модель водонапорной башни, сти дуги окружностей и водонапорной башни, состоящая исключительно прямые линии образую- построенной из отрезков прямых и дуг щих цилиндрических ча- средствами AutoCADокружностей

Рис. 8.3. Панель Library of Element Types при выборе КЭ оболочки

Из командной строки тот же самый элемент выбирается командой ET,1,SHELL63.

Характеристики элемента оболочки задаются в два этапа, при помощи панелей Element Type for Real Constants и Real Constant, как это показано на рис. 8.4 и 8.5.

Никаких свойств присваивать данному конечному элементу не требуется, поскольку по умолчанию опции установлены на расчет изгибной оболочки. В общем случае данному типу конечного элемента можно присвоить, например, свойство расчета безмоментного напряженного состояния (когда конечный элемент работает как мембрана), но при расчете данной задачи этого не требуется.

При этом в панели Element Type for Real Constants выбирается тип конечного элемента, для которого будут вводиться характеристики.

стей бака, дуги окружностей — меридиональные сечения сферических крышек, а также прямые линии и дуги окружностей, требующиеся для построения шпангоута бака. Такая модель представлена на рис. 8.2.

Определение типа элемента, характеристик элемента и материала

Модель включает в себя объекты двух типов — тонкостенный бак со шпангоутом и опоры. Бак моделируется конечными элементами оболочки, рама — балочными конечными элементами. Поэтому из всей совокупности возможных типов конечных элементов следует выбрать в качестве применяемых два элемента. Для каждого из типов конечных элементов будут определены свои наборы характеристик, а для балочных элементов — дополнительно и характеристики поперечного сечения.

Поскольку сама процедура вызова соответствующих панелей уже описывалась в предыдущих главах, повторять подробное описание не представляется необходимым.

Для конечного элемента оболочки выбор типа элемента производится из панели Library of Element Types так, как это показано на рис. 8.3. При этом необходимо в левом списке панели выбрать раздел Shell (оболочка), а в правом списке — элемент с номером 63 (упругий элемент с двумя узлами).