37303

Провести анализ напряженно-деформированного состояния конструкции балочного типа с заданным поперечным сечением, при статическом нагружении

Курсовая

Информатика, кибернетика и программирование

Ввод координат 2 Задание материала Для задания характеристик материала выберем пункт меню Model= Mteril Модель= Материал. Рисунок 2 Задание материала и его свойств Для сохранения введенного материала в библиотеке нажмем кнопку Sve ответив при этом утвердительно на запрос о подтверждении занесения Ст. Рисунок 3 Выбор типа конечных элементов Нажмем кнопку Shpe Форма для задания формы и размеров поперечного сечения балки. Рисунок 4 Задание формы поперечного сечения балки Выберем из списка Shpe сечение Chnnel C Section...

Русский

2013-09-24

512 KB

2 чел.

1. Цель

Провести анализ напряженно-деформированного состояния конструкции балочного типа с заданным поперечным сечением, при статическом нагружении, проверить, как измениться это состояние при изменении условий закрепления.

2. Программа работы

1. Изучить основные понятия в области конечно-элементного анализа в MSC/NASTRAN, ознакомиться с его последовательностью, особенностями.

2. Ознакомиться на примере с основными принципами конечно-элементного анализа конструкций балочного типа в MSC/NASTRAN.

3. Получить у преподавателя исходные данные для расчета, переписать их в отчет.

4. Сформулировать последовательность анализа заданной конструкции.

5. Запустить (при помощи преподавателя) программу MSC/NASTRAN, изучить ее интерфейс, основные приемы работы.

6. Построить в программе MSC/NASTRAN балку, задать форму поперечного сечения, параметры конечно-элементной сетки, указать граничные условия и нагрузки, провести ее статический анализ.

7. Вывести полученные данные на экран компьютера, сделать распечатку.

8. Изменить условия закрепления балки, провести повторный статический анализ, определить как измениться напряженно-деформированное состояние конструкции.

9. Оформить отчет, продемонстрировать его преподавателю.

3. Исходные данные (задание)

Расчетная схема:

Задание: определить напряжения и деформации в балке, установить, как они изменятся, если неподвижную шарнирную опору (т. А) заменить на подвижную.

Исходные данные: F=4 кН, М=2 кН·м, a=3 м, b=2 м, с=7 м.

Форма поперечного сечения сварной балки: Швеллер (Channel (C) Section).

Высота (Н) – 110 мм,

Ширина верхней полки (Width) – 45 мм,

Ширина нижней полки (Width, Bottom) – 45 мм,

Толщина верхней полки (Thick, Top) – 15 мм,

Толщина нижней полки (Thick, Bottom) – 15 мм,

Толщина верт. стенки (Thickness) – 6 мм.

Материал – сталь 30.

4. Последовательность статического расчета балки

1) Создание геометрии

Используя пункт меню Geometry=>Curve-Line=>Coordinates (Геометрия=>Прямая =>Координаты), вводя координаты точек в появившемся окне (рис. 1), построим прямую линию с координатами концов

X=0, Y=0, Z=0 => ОК, и, для второй, точки X=7, Y=0, Z=0.

Рисунок 1 – Ввод координат

2) Задание материала

Для задания характеристик материала выберем пункт меню Model=>Material (Модель=>Материал). Появится диалоговое окно, в котором нужно указать необходимые характеристики. Для нашего элемента конструкции это Ст. 3. Введем название материала (Title), и необходимые механические свойства, как показано на рис. 2.

Рисунок 2 – Задание материала и его свойств

Для сохранения введенного материала в библиотеке нажмем кнопку Save, ответив при этом утвердительно на запрос о подтверждении занесения Ст. 3 в библиотеку материалов. Теперь он также присутствует в библиотеке. Нажмем ОК и затем Cancel для завершения задания материалов.

3) Выбор типа и параметров конечных элементов

Выберем пункт меню Model=>Property. В появившемся диалоговом окне задания свойств конечных элементов нажмем кнопку Elem/Property Type (Тип элемента/Свойства). В панели выбора элементов представлен перечень доступных в MSC/N4W конечных элементов. Для рассматриваемой задачи подходят два одномерных элемента балочного типа: Bar и Beam. Одно из различий между ними заключается в том, что Bar имеет постоянные по длине размеры сечения, а для Beam можно задавать разные размеры сечений на концах элемента.

Выберем элемент Bar, как показано на рис. 3, и нажмем ОК. При этом вид окна задания свойств элементов принимает соответствующий вид (рис. 6, с пустыми полями).

Рисунок 3 – Выбор типа конечных элементов

Нажмем кнопку Shape (Форма) для задания формы и размеров поперечного сечения балки. Появится диалоговое окно Cross Section Definition (Задание поперечного сечения). В раскрывающемся списке Shape (Форма) представлен перечень видов поперечных сечений балок (рис. 4).

Рисунок 4 – Задание формы поперечного сечения балки

Выберем из списка Shape сечение Channel (C) Section (Швеллерного типа) и введем его размеры, а также установим ориентацию оси у сечения: Orientation Direction (у) - Up (Вверх), как показано на рис. 5.

Рисунок 5 – Задание размеров сечения и ориентации оси

Цифрами 1, 2, 3, 4 указаны точки сечения, для которых в результатах расчета будут представлены значения нормальных напряжений. Нажмем ОК. После расчета характеристик сечения окно выбора свойств элемента появится снова, но в измененном виде (применительно к элементу Bar см. рис. 6).

Рисунок 6 – Окно свойств сечения после задания его типа и размеров

В нем представлены два основных раздела:

Property Values (Значения параметров), в которые входят геометрические характеристики сечения:

- Area, A - площадь;

- Moments of Inertia;

- I1 or Izz - момент инерции относительно оси z;

- I2 or Iyy - момент инерции относительно оси у;

- I12 or Izy - центробежный момент инерции относительно осей z и у;

- Torsional Constant, J - геометрическая характеристика, условно называемая моментом инерции при кручении;

- Y Shear Area - площадь сдвига в направлении оси Y;

- Z Shear Area - площадь сдвига в направлении оси Z;

- Nonstructural mass/length - дополнительная, неконструктивная масса на единицу длины;

- Stress Recovery (2 to 4 Blank=Square) - координаты Y и Z точек 1-4 сечения, для которых в выходных данных представлены значения нормальных напряжений.

Используя кнопку Save (Сохранить), можно сохранить параметры элемента в библиотеке.

В поле Title введем название элемента (Bar) и выберем из списка материал Ст. 3, как показано на рис. 6. Нажмем ОК и затем Cancel для завершения задания характеристик конечных элементов.

4) Разбиение на конечные элементы

В пункте меню Mesh=>Mesh Control=>Default Size введем размер конечных элементов 0.1 (100 мм). Значение Min Elem (Минимальное количество элементов) оставим равным 1 – по умолчанию (рис. 7).

Рисунок 7 – Задание размера конечных элементов

Выберем пункт Mesh=>Geometry=>Curve (Сетка=>Геометрия=>Линия), отметим нашу прямую и нажмем ОК (рис. 8).

Рисунок 8 – Выбор объекта

Возникнет диалоговое окно Geometry Mesh Options (Опции конечных элементов) в котором необходимо указать с каким набором Свойств (Property) мы хотим работать (рис. 9). Необходимо в соответствующем окне выбрать набор Bar и нажать ОК.

Рисунок 9 – Задание опций конечных элементов

Возникнет диалоговое окно Vector Locate-Define Element Orientation Vector (Задать вектор ориентации элемента), в котором задается ориентация оси у сечения. Отметим, что продольные оси одномерных стержневых и балочных элементов по умолчанию направляются вдоль линии, разбиваемой на конечные элементы, а направление оси у необходимо указать самостоятельно.

Направим ось у сечения вдоль оси Y базисной системы координат, задав координаты начала (Base) и конца (Tip) вектора ориентации, как показано на рис. 10. С помощью кнопки Methods (Методы) можно получить доступ к другим способам задания вектора ориентации сечения, которые часто оказываются весьма полезными.

Рисунок 10 – Задание координат вектора ориентации

При желании можно отобразить ориентацию и форму созданных конечных элементов в явном виде, воспользовавшись пунктом меню View=>Options и выбрав в категории Labels, Entity and Color параметр Element–Orientation/Shape (Элемент - Ориентация/Форма), для которого включим опцию Show Orientation (Показать ориентацию) и в списке Element Shape (Форма элемента) выберем Show Fiber Thickness (Показать толщину). Нажав Apply, OK и произведя динамическое ориентирование модели , увидим следующую картину (рис. 11).

Рисунок 11 – Ориентация и форма созданных конечных элементов в явном виде

5) Задание граничных условий

В пункте меню Model=>Constraint=>Set введем название задаваемой совокупности граничных условий – «3 опоры» (рис. 12).

Рисунок 12 – Ввод названия задаваемой совокупности граничных условий

Опоры в данном случае удобно задать в узлах сетки, поэтому выберем команду меню Model=>Constraint=>Nodal (Модель=>Граничные условия=>Узловые), отметим мышью правый крайний узел и нажмем ОК (рис. 13).

Рисунок 13 – Задание опор в узлах сетки

В появившемся диалоговом окне Create Nodal Constraints/DOF (Создание узловых связей/Степени свободы) в разделе DOF (Степени свободы) отметим ТХ, ТУ, TZ, RX, запретив перемещения узла по осям X, Y, Z (приставка Т от слова Translation – перемещение) и поворот вокруг оси Х (RX; R от слова Rotate - поворот) - рис. 14. Нажать ОК. A(TX, TY, …)

Рисунок 14 – Задание необходимых степеней свободы

Далее отметим на балке три узла справа налево и запретим для них перемещения вдоль некоторых осей. Завершение ввода – Cancel.

Рисунок 15 – Изображение модели балки с условным изображением опор

В результате получим следующее изображение модели балки (рис. 15), где рядом с условным изображением опор проставлены запрещенные степени свободы: 1 (ТХ), 2 (TY), 3 (TZ) – перемещения вдоль осей X, Y, Z; 4(RX), 5 (RY), 6 (RZ) – повороты вокруг осей X, Y, Z.

6) Формирование системы нагрузок

В пункте меню Model=>Load=>Set присвоим название совокупности нагрузок: q=20 кН/м, М=2 кН·м (рис. 16).

Рисунок 16 – Задание названий совокупности нагрузок

Зададим сосредоточенную нагрузку. Выберем пункт меню Model=>Load=>Нагрузка=>Nodal (Узловая) укажем крайнюю левую точку на балке, нажмем ОК; отметим в списке нагрузок Force (Сила), для которой введем значение FY: –4000. Нажмем ОК и затем Cancel.

Для задания момента выберем команду меню Model=>Load=>Nodal (Модель=>Нагрузка=>Узловая), отметим крайний правый узел; в появившемся диалоговом окне укажем Moment (Момент), Components и введем значение МZ: 2000. Нажав ОК и затем Cancel, завершим создание расчетной модели балки. Момент на ее изображении обозначается стрелкой с двумя концами (рис. 17).

Рисунок 17 – Модель балки после задания распределенной нагрузки и момента

Используя View=>Options отключим отображение числовых значений нагрузок, цифр около опор и шкал осей координат. Сохраним модель под именем 3 opori.mod.

7) Статический расчет

Выберем пункт меню File=>Analyze, произведем установки, как показано на рис. 18, нажмем ОК.

Подтвердим сохранение модели и нажмем кнопку Continue после окончания расчета.

Рисунок 18 – Статический расчет

5. Отображение результатов:

- эпюры напряжений и упругих линий балки

- численные значения рассчитанных напряжений и деформаций

Используя кнопки  и  выведем окно выбора выходных данных Select Postprocessing Data.

В разделе Output Set (рис. 19) представлен выполненный расчет – 1..MSC/NASTRAN Case 1.

Выберем в разделе Output Vectors для Deformation – Total Translation,

а для Contour – Bar EndB Max Comb Stress (Максимальные в сечении напряжения (нормальные) на конце В элементов балки).

Рисунок 19 – Окно выбора выходных данных

Для представления контурных данных для балок с помощью кнопки Contour , необходимо с применением команды меню View=>Select (Вид=>Выбор), при исполнении которой появляется диалоговое окно View Select (Выбор отображения); в данном окне включим опцию Beam Diagram (Эпюра) и нажмем кнопку ОК. В результате получим изображение эпюры максимальных нормальных напряжений по длине балки (рис. 20).

Рисунок 20 – Эпюра максимальных нормальных напряжений по длине балки

Аналогичным образом можно просмотреть напряжения в отдельных точках сечения, например в точке 1 – Bar EndB (A) Pt1 Bend Stress (Напряжения изгиба в точке 1 сечения на концах В (А) элементов балки).

Нажмем также кнопку  для представления деформированной оси балки (рис. 21). Ее максимальный прогиб, как указано в левом нижнем углу рис. 21, составляет 82,9 мм.

Рисунок 21 – Эпюра деформированной оси балки

Из результатов расчета следует, что прочность балки обеспечивается с коэффициентом запаса по пределу текучести – 82,9.

6. Выводы

Эпюра изгибающих моментов Qy останется той же, потому что при замене опоры на шарнирно-подвижную, исчезает реакционная составляющая, которая работает на растяжение-сжатие) и соответственно не отображается на эпюре изгибающих моментов Qy.

198376912