Инженерные услуги для автомобилестроения
Русский язык Английский язык  
Тел.:   (495) 991-88-97
          (8482) 51-09-84
Факс.: (8482) 51-09-84
E-mail: laduga@laduga.com
МКЭ расчет нагрузок на платформу гидравлического пресса

МКЭ расчет нагрузок на платформу гидравлического пресса.

Аннотация

В тексте описана процедура проведения расчета нагрузок на платформу пресса методом конечных элементов.

Программное обеспечение, используемое в процессе работы:

1.      Solid Edge для Windows XP для трехмерного моделирования.

2.      Salome-Meca для Caelinux для обработки 3D модели и отображения результатов расчета.

3.      Code-Aster для Caelinux для расчета нагрузок методом конечных элементов.

Этот документ в большей степени предназначен для обучения начинающих работе с Salome и Code-Aster, нежели непосредственно для анализа результатов расчета. Поэтому больше внимания отдается действиям пользователя.

 

Содержание

1       Описание задачи. 1

2       Создание геометрии. 6

3       Создание сетки. 10

4       Создание командного файла для Code-Aster 16

5       Анализ выполнения. 20

6       Отображение результатов в Post-Pro. 23

7       Анализ численных результатов. 26


 

1        Описание задачи

1.1   Введение

Исследуемый объект это платформа небольшого пресса, предназначенного для смыкания-размыкания электрического контакта. Пуансон приводится в движения пневмогидравлическим приводом, который соединен с верхней частью объекта с помощью четырех шестигранных гаек, накручиваемых на штифты, которые являются частью привода.

Усилие передается на основание платформы через три колонны. Эти колонны соединены с верхней частью платформы болтами.

 


 

1.2   Упрощения и модификации модели

Модель, предназначенная для производства, была упрощения и модифицирована, чтобы лучше подходить для конечно-элементного анализа.

Упрощения:

·        Убрать маленькие отверстия.

·        Убрать шлиц под отвертку на винтах.

·        Убрать ненужные части.

Модификации:

·        Создать круглые выпуклости там, где нагрузку передают болты и гайки, чтобы ограничить зоны приложения нагрузки.

·        Наложить ограничения на колонны и болты: Code-Aster требует, чтобы контактирующие поверхности на двух соседних деталях имели общую площадь контакта, так что колонны и болты стоит скруглить так, чтобы получить поверхности идентичные поверхностям цилиндрических отверстий, в которые они вставлены.

Обрезать болты для моделирования затягивания: каждый болт был разрезан вдоль профиля чтобы получить две части на 5 мм выше того места, где болты входят в колонну. К полученным поверхностям (расположенным на расстоянии 1 мм друг от друга) была приложена сила для моделирования затягивания.


 

1.3   Параметры материала.

Для всех компонентов был использован материал со следующими параметрами:

·        Модуль Юнга E = 210.000 MPA

·        Коэффициент Пуассона v = 0.3

·        Поведение: линейная упругость.

·        Предел текучести 275 MPA. Предел прочности 430 MPA.

 

1.4   Приложенные нагрузки, связи, затяг болтов.

1.4.1        Приложенные нагрузки.

Сила привода составляет около 20 kN. Это приводит к давлению в 26 Mpa в том месте, где привод присоединен к платформе (Code –Aster требует, чтобы нагрузки выражались как давление, а не как сила).

 


1.4.2        Связи.

·        Ограничение подвижности в углублениях основания.

·        Соединение между половинками болтов (головки и части, относящейся к компоненту).

·        Соединение между верхней поверхностью колонны и нижней поверхностью отверстий, в которые колонны помещены

·        Соединение с возможностью продольного скольжения между цилиндрической поверхностью колонн и сопряженной цилиндрической поверхностью отверстий, в которые колонны помещены.

·        Соединение между болтами и отверстиями с резьбой в колоннах.

1.4.3        Затяг болтов.

Поперечное напряжение в 250 MPa приложено к каждой из двух частей болта для воспроизведения затяга. Напряжение направлено перпендикулярно к оси наружу (напряжение растяжения). Если используются болты типа 8.8, то 70% от предела текучести это примерно 450MPa, т.е. использование затяга в 250 MPa совершенно безопасно.

 


 

2        Создание геометрии

2.1   Экспорт из Solid Edge и импорт в Salome

После того, как модель полностью создана в Solid Edge (модуль Salome, предназначенный для моделирования слишком сложен для работы), мы можем экспортировать его в step-формате STEP203 или STEP214. Экспорт с помощью iges это не очень хороший вариант для сборок, поскольку Salome при импорте разбивает сборку на отдельные тела. После того как step файл создан, мы перезагружаем компьютер в Caelinux. Последующие шаги: запустить Salome, перейти в модуль Geometry, импортировать step файл.

 

 

Теперь мы можем сохранить файл анализа, назвав его STRUTTURA.hdf.

 

По умолчанию, когда Salome запускается, вид отображения – каркасный, первым шагом переключимся в режим закраски объектов. На левой панели находится дерево свойств и объектов: первый объект – составной, подобные объекты используются Salome для обозначений сборок компонентов. Мы сразу заметим, что step-файл импортирован некорректно: сборка со всеми компонентами расположена в правильном положении, но все компоненты сборки импортированы еще один раз в точку с координатами 0,0,0.


 

Одним из способов решения этой проблемы является разбиение сборки на объекты для получения доступа к каждому из элементов. Таким образом мы сможем удалить все объекты, импортированные в точку с координатами 0,0,0.

Замечание: проблема связана с взаимодействием Salome - Solid Edge, вполне вероятно, что при взаимодействии с другими CAD мы получим иные результаты.

 


2.2  Создание структуры

Давайте создадим новую структуру со всеми оставшимися объектами и назовем ее «STRUTTURA». Теперь у нас есть правильная сборка, с которой мы будем работать.

 

 

2.3  Извлечение компонентов и поверхностей

Разобьем на объекты сборку STRUTTURA (таким же образом, как ранее), и назовем каждый из полученных компонентов, как нам нравится (можно следовать схеме, предлагаемой в файле LOAD_SCHEMA.pdf). Когда процесс завершен, переходим к следующему шагу – извлечению поверхностей из каждого компонента. Нужно извлечь только те поверхности, который:

·        задействованы для наложении связей

·        задействованы для приложения нагрузок

·        предназначены для разбиения на дополнительные сетки

 

Важное замечание:

Имена, используемые в компонентах и поверхностях должны быть не длиннее 8 символов и не должны содержать символ «-», который лучше заменить на «_».

Чтобы облегчить операцию извлечения поверхностей, имеет смысл разрешить отображение только нужных компонентов, спрятав (Hide) все остальные. Чтобы выбрать несколько поверхностей зажмите клавишу shift при выборе. Изучите схему в файле LOAD-SCHEMA.pdf чтобы понять какие поверхности должны быть извлечены. По умолчанию Salome называет извлеченные поверхности Face_1, Face_2, Face_3 и т.д., их надо переименовать как указано на схеме. Работа должна быть выполнена для каждого компонента, так что задание может занять продолжительное время.


 

 

Когда эти операции завершены работа над геометрией завершаются. Сохраняем файл STRUTTURA.hdf и переключаемся на модуль Mesh.

 


 

3        Создание сетки

3.1   Вступительное замечание

Для создания сетки используются только четырехгранные элементы. Шести и восьмигранные не используются.

3.2  Создание первичной сетки

После перехода в модуль Mesh переходим к созданию первичной сетки: мы должны выделить для программы для каких геометрических объектов необходимо рассчитывать сетку и какие правила (hypothesis) использовать для этого. Желательно избегать выбора слишком качественной сетки, чтобы ограничить время вычисления и объем памяти, необходимый Salome, чтобы завершить разбиение.

В качестве вычислительных правил мы выбираем «Automatic Tetrahedralization», переключаемся на вкладку «1D», где устанавливаем значение 15 для параметра «Average Length»: это значит, что каждый элемент сетки будет иметь сторону длинной около 15 миллиметров. Это большая величина и сетка получится очень грубой, но мы будем в дальнейшем детализировать ее в некоторых местах. Если бы применили качественное разбиение на всю структуру, то количество элементов было бы столь большим, что время на выполнение анализ могло возрасти чрезмерно.


 


3.3  Локальное разбиение на сетку

Создание локальных разбиений очень похоже на создание общей сетки: единственная дополнительная информация, которую требуется указать программе – это области или объекты, для которых должно быть применено локальное разбиение. Мы будем использовать поверхности и тела, которые до этого задали при работе с модулем Geometry.

В данной работе локальные разбиения для тел применяются к каждой части болтов, т.е. для 3D-групп названных: V1A, V2A, V3A, V1B, V2B, V3B, G1A, G2A, G3A, G1B, G2B, G3B. С другой стороны локальные разбиения применяются к тем двумерным поверхностям, которые осуществляют контакт объектов друг с другом или к которым приложены нагрузки. Полный список можно найти в hdf-файле-приложении.

Для всех локальных разбиений устанавливаются следующие параметры: средняя длинна (average length) – 4 мм.

Когда задание сетки и локальных разбиений завершено, мы переходим к вычислению. Оно займет несколько секунд (до минуты).


 


3.4  Создание 3D групп сеток

Потребность в создании двумерных и трехмерных групп сеток возникает из-за необходимости выделить геометрические сущности, к которым решатель будет прикладывать нагрузки и связи. Для двумерных и трехмерных объектов схема создания групп сеток одинакова.

По умолчанию, программа назначает каждой группе имя соответствующей геометрической сущности, на которой она основана. Эти сущности мы определяли при работе с модулем Geometry.

Обратитесь к hdf файлу за списком создаваемых групп.

 


 

3.5  Создание 2D групп сеток

 

 

Работа над сеткой завершена. Сохраняем hdf файл и переключаемся на модуль Aster.


4        Создание командного файла для Code-Aster

4.1   Что такое командный файл

Командный файл это текстовый файл, содержащий правила и определения, используемые code-aster для решения исходной задачи связанной с сеткой. Кроме того он будет содержать параметры сетки, параметры групп, свойства материалов, нагрузки, внутренние и внешние связи, и наконец, параметры объектов для расчета и записи результатов. Расширение командного файла – comm.

Замечание: текстовый файл для code-aster необходимо редактировать в той операционной среде, в которой планируется запускать программу. Это связано с разницей кодирования символа перевода каретки в Windows и Linux.

4.2  Редактор EFICAS

Eficas это текстовый редактор, обладающий несколькими преимуществами, помогающими писать командный файл:

·        Ясное разделение между частями текста

·        Советы по командам, используемым в каждой части

·        Корректировка синтаксиса при сохранении comm файла

Удобнее всего начать с редактирования существующего файла, модифицируя его так, чтобы он отвечал требованиям нашей задачи. Много примеров можно найти на сайте caelinux или форуме code-aster.

 

После перехода в модуль Mesh переходим к созданию первичной сетки: мы должны выделить для программы для каких геометрических объектов необходимо рассчитывать сетку и какие правила (hypothesis) использовать для этого. Желательно избегать выбора слишком качественной сетки, чтобы ограничить время вычисления и объем памяти, необходимый Salome, чтобы завершить разбиение.

 

В качестве вычислительных правил мы выбираем «Automatic Tetrahedralization», переключаемся на вкладку «1D», где устанавливаем значение 15 для параметра «Average Length»: это значит, что каждый элемент сетки будет иметь сторону длинной около 15 миллиметров. Это большая величина и сетка получится очень грубой, но мы будем в дальнейшем детализировать ее в некоторых местах. Если бы применили качественное разбиение на всю структуру, то количество элементов было бы столь большим, что время на выполнение анализ могло возрасти чрезмерно.

 

Для нашей задачи можно использовать два файла:

Structure_2_UNLOADED.comm – к объекту приложены только силы затяга.

Structure_2_LOADED.comm – к объекту приложены силы затяга и дополнительная нагрузка от силового привода (20 kN)

 

 

Для данного случая производится просто линейный анализ.

 


4.3  Описание частей командного файла

Командный файл подразделяется на следующие части:

Ø      DEBUT: начальные инструкции.

Ø      LIRE_MAILLAGE: в этой части мы указываем для code-aster какие файлы сеток необходимо прочесть. Стандартный формат сетки для Salome – MED.

Ø      AFFE_MODELE: В этой части мы определяем для каких групп сеток необходимо трехмерное моделирование. Здесь мы добавляем все 3d группы, 2d группы с приложенными нагрузками, а также все 2d группы, используемые как “ESCLAVE” (см. часть AFFE_CHAR_MECA), которые будут двигаться под действием других трехмерных групп.

Ø      CREA_MAILLAGE: Здесь для code-aster даются инструкции по трансформации сетки в квадратичную. Это значит, что мы создаем MeshQuad из MeshLin.

Ø      DEFI_MATERIAU: В этой части определяются материалы используемые для каждой трехмерной группы сеток. В нашем случае для всех групп используется один материал, следовательно необходимо задать только его. Достаточной информацией для решения задачи является  модуль Юнга и коэффициент Пуассона.

Ø      AFFE_MODELE: Действия аналогичны предыдущей части с таким же названием, но в данном случае применяются к MeshQuad вместо MeshLin.

Ø      AFFE_MATERIAU: В данной части определяется связь между всеми материалами и всеми 3d группами. В нашем случае используется один материал для всех объектов, так что используем параметр TOUT: OUI (Все: Да).

Ø      MODI_MAILLAGE: Мы должны задать параметр ORIE_PEAU_3D: это означает, что нужен список двумерных групп на которые будет программно наложена точная нормальная ориентация. В этом списке должны быть все поверхности, к которым приложена внешняя нагрузка а также все поверхности, используемые как ESCLAVE в сопряжениях.

Ø      AFFE_CHAR_MECA: Это одна из важнейших частей файла. Здесь задаются нагрузки и сопряжения. В нашем примере мы видим:

§         DDL_IMPO: означает наложение ограничений на степени свободы конкретной группы. Наложение DX=0, DY=0, DZ=0 означает неподвижность двумерной группы сеток.

§         LIAISON_MAIL: здесь определяются условия взаимодействия сопряженных групп.

·       GROUP_MA_MAIT: подвижное тело в сопряжении (MAITRE = хозяин), это всегда трехмерный объект или группа.

·       GROUP_MA_ESCL: неподвижная поверхность (ESCLAVE = раб), это всегда двумерная группа.

·       DDL_MAIT, DDL_ESCL, DNOR: если параметр задан, это означает, что поверхности MAITRE и ESCLAVE могут скользить друг относительно друга, но без потери контакта. Если параметр отсутствует, то поверхности зафиксировано относительно друг друга и ведут себя как «приваренные».

§         FORCE_FACE: здесь описываются приложения внешних нагрузок к каждой поверхности (двумерной группе сеток). Сила определяется направлением (в нашем случае – вдоль оси z) и модулем. Замечание: Модуль должен быть указан в единицах силы на единицу площади, в нашем случае – МПа.

Ø      MECA_STATIQUE: Здесь мы сообщаем code-aster каковы в нашем случае используются граничные условия (vincoli) и материалы (Mat).

Ø      CALC_ELEM: Здесь мы определяем вид ожидаемых после вычисления результатов.

Ø      PROJ_CHAMP: Определяет необходимость результаты, полученные в MeshQuad проектировать в MeshLin.

Ø      IMPR_RESU: Здесь определяется какие конкретно результаты должны быть спроектированы в MeshLin. В нашем случае, например:

§         DEPL смещение.

§         SIGM_NOEU_DEPL нагрузки, вычисленные в соответствии со смещением.

§         EQUI_NOEU_SIGM основные и эквивалентные нагрузки в узлах.

Ø      FIN: Завершение описания задачи.


 

5        Анализ выполнения

5.1   Создание новой задачи

Чтобы создать новую задачу необходимо задать:

·        название задачи,

·        командный файл,

·        используемую сетку.

 


 

5.2  Модификация стандартных параметров

Необходимо изменить параметры code-aster (ограничение времени работы и лимит памяти) установленные на CaeLinux по умолчанию, в противном случае решатель не сможет достичь результата. Установим 1500 Мб в качестве лимит памяти и 2000 секунд в качестве ограничения на время работы.

 

 

Теперь мы можем запустить Code-Aster и ждать окончания вычислений.

 


 

5.3  Завершение вычислений

Если вычисления завершились успешно, то можно увидеть значок «OK» рядом с названием задачи в левой панели Salome. В противном случае мы увидим ярлык «Alarm» если система обнаружила какие-то трудности.

 

 

На ноутбуке с процессором Intel Centrino 1.5 GHz и 2 GB оперативной памяти вычисление заняло около 20 минут.

Теперь переходим к модулю Post-Pro.

 

6        Отображение результатов в Post-Pro.

6.1   Доступные поля.

В модуле post-pro мы получаем все результаты, которые запрашивали в code-aster для вычисления:

a) DEPL: смещение, разбитое на:

Модуль

DX

DY

DZ

b) EQUI_NOEU_SIGM: напряжение в элементах, доступное в виде:

Modulus: Модуль

VMIS: эквивалентное напряжение Мизеса

TRESCA: эквивалентное напряжение Треска

PRIN_1, PRIN_2, PRIN_3: главное напряжение

VMIS_SG: произведение VMIS на знак главного напряжения

c) SIGM_NOEU_DEPL: нагрузки, рассчитанные на основе смещений

SIXX, SIYY, SIZZ

SIXY, SIXZ, SIYZ

 

 


 

6.2. Создание и управление визуализацией

Если мы развернем дерево post-pro, то под каждым полем мы найдем слово “INCONNUE”. В качестве пример посмотрим как можно показать смещение струкутр под воздействием внешней нагрузки. У нас есть множество различных видом отображения, выберем “Defomed shape”: мы можем указать коэффициент усиления, имя и расположение полосы легенды, хотим ли мы видеть всю сборку или один или несколько ее компонентов.

 


 


 

7        Анализ численных результатов

7.1   Проверка связей

Связи между частями, соединенными болтами взаимодействуют в обе стороны: на сжатие и на растяжение. Это важно понимать особенно для плоской части колонны, находящейся в контакте с плоской внутренней частью отверстия.

Очевидно, что в реальном мире поведение подобного соединение совершенно другое: связь реагирует только на сжатие, а на разрыв она не создает сопротивления. В реальной механике строго необходимо чтобы затяг болтов был всегда сильнее, чем отрывающая внешняя нагрузка, чтобы не происходило разъединение компонентов.

Таким образом, первым шагом нашего анализа может быть такой: исследовать достаточен ли затяг болтов чтобы обеспечить контакт колонн и верхней пластины даже при приложении внешней отрывающей нагрузки. Если такая проверка будет пройдена, то мы можем предположить, что используемый тип связи, хотя «с философской точки зрения» он не верен, не повлияет на корректность модели.

Параметр, который мы можем для этого использовать – VMIS_SG, показанный на плоской поверхности колонны и соответствующей ей внутренней плоской поверхности ниши, к которой она прилегает. Если значения будут отрицательными (сжатие) то все верно.

Покажем значения VMIS_SG, относящиеся к компоненту TOP.

 


 

Мы получаем следующее изображение:

 

Заметим, что диапазон предлагаемый программой для наших целей слишком велик. Изменим отображение установив диапазон от 0 до 50 МПа.

 

 

Здесь мы видим, что снизу отверстия величина напряжения 0 или менее.


 

Проведем подобную проверки для компонента BASE:

 

 

Здесь величина нагрузки также не более нуля. Мы можем быть уверены, что поведение верно и изначальные предположения были корректны.

 

7.2 Проверка нагрузок

Покажем значения VMIS_SG для всей платформы:

 

 

Вся структура кажется неокрашенной. Фактически проблема в слишком большом диапазоне визуализации. Установим диапазон -300/+300 и создадим разрез (clipping plane) вдоль оси колонны COL3:

 

 

Мы понимаем, что нагрузка в болтах находится в районе 200-250 MPa, как мы и устанавливали в граничных условиях. Компонент ТОР кажется не нагруженным, кроме как от влияния болтов. Создадим две визуализации с диапазонами -70/+70 и -30/+30 MPa:

 

Здесь видно, что максимальная нагрузка на компонент TOP находится в районе 30 МПа, в то время как нагрузка, приходящаяся на переднюю колонну составляет около 15 МПа.

Теперь давайте посмотрим что происходит с предположительно наиболее нагруженными компонентами: TOP и COL3.

 

 

Заметно, что в объекте TOP зона максимальной нагрузки расположена вблизи точек соединения с цилиндром. В компоненте COL3 максимальные давления приходятся на отверстие с резьбой, но в наружных точках контакта с нишей давление совсем не велико. Это связано с положением колонны внутри ниши, а также с ее изгибом, приводящим к изгибу объекта TOP. Как бы то ни было нагрузки по сравнению с прочностью используемого материала очень низки.


В качестве последнего шага мы можем создать визуализацию, где показана SIXX. Это даст нам четкое представление об изгибающей нагрузке на компонент TOP:

 

 

Дальнейшие подтверждения умеренности нагрузок.

Здесь изображена деформация формы с коэффициентом усиления 500:

 


 

7.2  Разница между нагруженной и ненагруженной структурой

 

 

Здесь ненагруженная платформа сравнивается с такой же, но нагруженной. Обратите внимание на изгиб верхнего компонента.

При использовании материалов с сайта необходимо указывать ссылку на сайт и авторов
 
Автомобильный инжиниринг
Главная страница