View
22
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
A.E.F. (SW) - suport laborator nr.3 – sem.II
1
Tipuri de analiză realizate cu SW Simulation.
Analiză STATICĂ LINIARĂ
În acest laborator sunt atinse următoarele aspecte:
✓ prezentarea tipurilor de analiză realizate cu SW Simulation, ✓ realizarea analizei statice liniare, ✓ interpretarea rezultatelor, ✓ factorul de siguranță & optimizarea produsului
⚫ Tipuri de analiză
SW Simulation realizează aproape toate tipurile de analiză cu elemente finite care
sunt, în general, efectuate în industrie. Aceste analize, împreună cu domeniul lor de
utilizare sunt prezentate în continuare:
1) Analiza statică
Acest tip de analiză este unul dintre cele mai des utilizate. În analiza statică, sunt
aplicate solicitări asupra unui corp, la care acesta reacționează și se deformează
corespunzător. Pentru a amortiza efectul acestor solicitări, în corpul analizat apar forțe
interne și reacțiuni pentru a anula dezechilibrul creat de solicitările exterioare. Aceste
forțe interioare generează tensiuni și deformații.
Analiza statică se referă la calcularea deplasărilor, tensiunilor și deformațiilor apărute
la aplicarea solicitărilor externe, pe baza unor convenții, cum ar fi:
- solicitările sunt aplicate lent și gradual până la magnitudinea maximă, după
care rămân constante;
- relația între solicitări și răspunsurile rezultate sunt liniare. Se poate presupune
acest lucru dacă:
o materialele utilizate respectă legea lui Hooke de proporționalitate;
o deplasările rezultate în urma solicitărilor sunt în de ajuns de mici pentru
a se ignora schimbarea de rigiditate a materialului;
o condițiile limită nu variază în timpul solicitării
Dacă toate convențiile menționate mai sus sunt îndeplinite, atunci se poate realiza
analiza statică liniară. În condițiile în care una sau mai multe dintre convenții nu se
respectă, atunci se impune realizarea unei analize statice neliniare.
2) Analiza dinamică
În general, acest tip de analiză se realizează în condițiile în care solicitarea variază în
timp. Un exemplu comun pentru această situație este evaluarea răspunsului unei
clădiri în timpul unui cutremur. Fiecare structură vibrează la o anumită frecvență
(frecvență proprie v vibrație proprie). Când o structură este excitată de o solicitare
dinamică care coincide cu frecvența proprie, structura suferă deformații foarte mari
A.E.F. (SW) - suport laborator nr.3 – sem.II
2
(plastice). Acest fenomen este denumit rezonanță. Amortizarea preîntâmpină
răspunsul distructiv al structurilor la solicitări rezonante.
La modelarea reperelor, forma acestora se bazează pe geometria nedeformată. În
realitate, apar unele solicitări (ex: propria greutate), care sunt în permanență prezente
și pot cauza modificări considerabile la nivelul structurii. Acestea pot avea un impact
hotărâtor asupra răspunsului structurii la solicitări dinamice.
3) Analiza vibrațiilor aleatorii
Inginerii utilizează acest tip de analiză pentru a determina modul cum o structură sau
un dispozitiv răspunde la zguduire constantă (ex: mersul cu trenul, autobuzul, avionul,
etc.). Așadar, majoritatea componentelor de la bordul vehiculelor sunt analizate astfel.
Vibrațiile generate în vehicule din cauza motoarelor, condițiilor de drum, etc. sunt o
combinație dăunătoare de multe frecvențe din mai multe surse, care au o anumită
natură aleatorie.
4) Analiza spectrului de răspuns
Inginerii utilizează acest tip de analiză pentru a determina modul cum o structură sau
un dispozitiv răspunde la o solicitare neașteptată sau la șocuri. Se presupune că
aceste solicitări neașteptate sau șocuri apar în punctele de graniță, care sunt în mod
normal, fixate.
În ingineria mecanică se utilizează foarte des acest tip de analiză pentru componente
din reactoare, pompe, valve, conducte, condensatoare, etc. La această analiză se
caută tensiunile, vitezele, accelerațiile sau deplasările maxime care apar după șoc.
5) Analiza dinamică temporală
Prin această analiză se obțin grafice de răspuns pentru structuri care suportă solicitări
dinamice pe o anumită perioadă de timp.
6) Analiza vibrațiilor tranzitorii
La agățarea unei corzi de chitară, aceasta trece de la o stare inactivă la una de vibrație
pentru a genera un ton muzical. Aceste tonuri se aud mai tare la început, după care
se diminuează progresiv până la inactivitate. Acest lucru arată că în fiecare moment
după încetarea solicitării, condițiile se schimbă permanent.
Când un motor electric este pornit, la un moment dat, ajunge să funcționeze constant.
Pentru a ajunge în această stare, pornește de la 0 rpm și trece printr-un număr indefinit
de viteze până la viteza de operare. Când un obiect vibrează, sunt generate tensiuni
A.E.F. (SW) - suport laborator nr.3 – sem.II
3
interne. Aceste tensiuni pot fi devastatoare dacă se ajunge la rezonanță între
generatorul de vibrații și structura care suportă aceste vibrații.
Pentru că mediul este în permanentă schimbare, inginerii trebuie să cunoască valorile
frecvențelor și tensiunilor pe tot parcursul îndeplinirii obiectivului propus de către
obiectul proiectat.
Deseori, vibrațiile tranzitorii sunt extrem de violente și de scurtă durată (șocuri). În
realitate, aceste șocuri sunt foarte rar un lucru bun și de cele mai multe ori sunt
neprevăzute, dar apar oricum. Din cauza vibrațiilor, șocul este totdeauna mult mai
distructiv decât în cazul aplicării graduale a aceleiași solicitări.
7) Analiza modală
Prin natura lor, vibrațiile implică mișcări repetitive. Fiecare încheiere a unei secvențe
complete de mișcare este denumită ciclu. Frecvența este definită printr-un număr de
cicluri într-o perioadă de timp (cicluri pe secundă v „Hertz”), iar fiecare corp, luat
individual, are o frecvență proprie.
Inginerii trebuie să proiecteze repere astfel încât rezonanța să nu apară în operarea
normală a mașinilor. Acesta este scopul principal al analizei modale. Ideal, prima
instanță are o frecvență mai ridicată în raport cu orice altă frecvență cu potențial de
inițiere. În mod frecvent, rezonanța nu poate fi evitată, mai ales pentru perioade scurte
de timp. De exemplu, când un motor termic pornește și trebuie să ajungă la viteza
normală de funcționare, produce o gamă largă de frecvențe, așa că poate trece și
printr-o stare de rezonanță.
8) Analiza flambajului
Dacă se apasă cu mâna pe o doză de băuturi răcoritoare, probabil că nu se va
întâmpla mare lucru. Dacă se calcă, pe respectiva doză, la un moment dat, aceasta
se va turti subit. Această turtire neașteptată și violentă este denumită „flambaj”.
Structurile cu pereți subțiri au tendința de flambare sub acțiunea solicitărilor axiale.
Flambajul apare când energia reținută în membrană este transformată în energie de
îndoire, fără să apară vreo schimbare asupra solicitării inițiale.
În cele mai multe cazuri, flambajul este catastrofal. Acesta nu apare din cauza
tensiunilor ci din cauza instabilității geometrice. Odată ce structura începe să se
deformeze, aceasta nu mai poate suporta nici măcar o fracție din solicitarea inițială.
Cel mai mare neajuns este că flambajul apare la o solicitare relativ mică față de limita
de rezistență a materialului. De aceea, structurile ușoare, tip grindă cu zăbrele, sunt
predispuse către flambaj, în comparație cu structurile voluminoase.
A.E.F. (SW) - suport laborator nr.3 – sem.II
4
Flambajul apare, aproape totdeauna, la solicitări de compresiune, iar inginerii
urmăresc în general cele mai mici valori ale tensiunilor la care flambajul poate apărea.
Când flambajul este factorul decisiv în proiectare, calcularea mai multor moduri de
cedare a structurilor ajută la localizarea zonelor deficitare din model.
9) Analiza termică în stare constantă
După cum se cunoaște deja, sunt trei mecanisme de transfer al căldurii: conducție,
convecție și radiație. Analizele termice calculează distribuția temperaturilor într-un
corp determinate de aceste mecanisme.
Interesul în analiza termică în stare constantă se orientează către condițiile când
corpul ajunge la un echilibru termic, fără să conteze timpul necesar pentru a ajunge în
această stare.
În mod normal, singura proprietate necesară pentru realizarea acestui tip de analiză
este conductivitatea termică.
10) Analiză termică tranzitorie
Interesul în analiza termică tranzitorie este reprezentat de cunoașterea stării termice
a unui corp la momente diferite, într-o perioadă de timp.
De exemplu, în proiectarea unui termos, proiectantul știe că, la un moment dat lichidul
din interior va ajunge la aceeași temperatură cu cea a mediului exterior, dar îl
interesează să cunoască viteza de scădere a temperaturii din interior. În acest caz, în
afară de conductivitatea termică, mai sunt necesare și densitatea, căldura specifică,
profilul temperaturii inițiale și perioada de timp dorită.
11) Analiza la cădere
Aceste analize simulează efectele unei căderi pe o suprafață dură sau flexibilă asupra
unei componente sau ansamblu. Pentru efectuarea acestui tip de analiză, suprafața
pe care se realizează căderea este considerată plană, iar forțele implicate sunt
gravitația și forța de reacțiune.
12) Analiza oboselii
Oboseala este mai degrabă un studiu decât o analiză. Acest studiu este utilizat pentru
a verifica efectele încărcării și descărcării repetate aplicate unui corp. Elementul de
bază pentru acest studiu este rezultatul obținut dintr-o analiză statică sau dinamică.
13) Analiza recipientelor sub presiune
Acest tip de analiză permite inginerilor să combine rezultatele dintr-o analiză statică
A.E.F. (SW) - suport laborator nr.3 – sem.II
5
cu diverși factori suplimentari și să interpreteze rezultatele. Astfel, se poate combina
studiul static algebric cu o ecuație liniară sau cu rădăcina pătrată a sumei pătratelor.
14) Analiza optimizării produsului
Studiul optimizării este utilizat pentru a regândi un proiect prin:
- definirea de variabile multiple utilizând parametri de simulare sau variabile
globale;
- definirea condițiilor limită multiple;
- definirea multiplelor obiective utilizând senzori;
- evaluarea alegerilor de proiectare prin definirea parametrilor care stabilesc
materialele de constricție ca variabile.
⚫ ANALIZA STATICĂ LINARĂ
Se cere analizarea unei componente care este fixată de coada circulară și pe a cărei
suprafețe superioare plane este aplicată o solicitare de 980 N (fig.3.1). Trebuie
determinat și optimizat factorul de siguranță corespunzător modelului.
Fig.3.1 Modelul propus pentru analiză
a) Începerea analizei
Se deschide componenta destinată analizei, după care:
- click pe săgeata de sub butonul Study Advisor și se alege opțiunea New Study ;
- click pe butonul Static dacă nu este preselectat deja. Se specifică denumirea
analizei în caseta editabilă, afișată deasupra listei cu tipurile de analize (fig.3.2);
Fig.3.2. Inițierea analizei statice liniare
A.E.F. (SW) - suport laborator nr.3 – sem.II
6
- click pe butonul din fereastra Analysis Manager. O pagină cu denumirea analizei
va fi adăugată la baza zonei grafice, iar instrumentele necesare acestui tip de analiză
apar în banda de comenzi (fig.3.3).
Fig.3.3 Mediul de configurare al analizei statice liniare
b) Atribuirea materialului
- click pe butonul Apply Material din bara de comenzi;
- se selectează Cast Alloy Steel din lista afișată în partea stângă a casetei de dialog,
după care click pe butonul Apply, pentru atribuirea materialului (fig.3.4);
Fig.3.4 Caseta de dialog Material
c) Configurarea condițiilor limită
• Aplicarea constrângerilor
- click pe săgeata de sub butonul Fixture Advisor din bara de comenzi sau click
dreapta pe eticheta Fixtures din fereastra Analysis Manager și se alege opțiunea
Fixed Geometry din lista desfășurabilă, respectiv meniul contextual;
A.E.F. (SW) - suport laborator nr.3 – sem.II
7
- se selectează suprafața circulară a modelului pentru a o fixa, după care se apasă
butonul (fig.3.5);
Fig.3.5 Fixarea geometriei circulare a modelului
• Aplicarea solicitărilor
- click pe săgeata de sub butonul External Loads Advisor din bara de comenzi
sau click dreapta pe eticheta External Loads din fereastra Analysis Manager și se
alege opțiunea Force din lista desfășurabilă, respectiv meniul contextual;
- se selectează suprafața plană a modelului, pentru a aplica solicitarea;
- click pe caseta editabilă Force Value din fereasta Property Manager și se înscrie
valoare de 980, după care se apasă butonul (fig.3.6);
Fig.3.6 Aplicarea solicitării pe suprafața plană a modelului
d) Discretizarea modelului
Dacă nu este necesară editarea explicită a mărimii elementelor din rețeaua
discretizată, această etapă se poate face automat în timpul rulării analizei, sistemul
discretizând automat modelul.
A.E.F. (SW) - suport laborator nr.3 – sem.II
8
De cele mai multe ori, trebuie intervenit în caracterizarea elementelor pe anumite zone
de interes. Așadar, pentru definirea explicită a mărimii elementelor discretizate, trebuie:
- click pe săgeata de sub butonul Run din bara de comenzi sau click dreapta pe
eticheta Mesh din fereastra Analysis Manager și se alege opțiunea Create Mesh
din lista desfășurabilă, respectiv meniul contextual;
- se marchează caseta Mesh Parameters, iar sistemul afișează mai multe opțiuni de
realizare a rețelei discretizate;
- se înscriu valorile necesare în casetele editabile, apoi se marchează caseta
Automatic transition și se apasă butonul (fig.3.7);
Fig.3.7 Discretizarea modelului
- click dreapta pe eticheta Mesh din fereastra Analysis Manager și din meniul
contextual se selectează opțiunea Apply Mesh Control ;
- se selectează elementele de suprafață care sunt de interes, după care se
deplasează cursorul Mesh Density către opțiunea Fine, până se ajunge la o mărime
potrivită a elementelor (Fig.3.8);
- click pe butonul Create Mesh pentru a crea și actualiza rețeaua discretizată.
Fig.3.8 Discretizarea explicită a anumitor suprafețe ale modelului
A.E.F. (SW) - suport laborator nr.3 – sem.II
9
e) Rularea analizei
- click pe butonul Run din bara de comenzi și sistemul va începe calcularea și
soluționarea analizei configurate.
- la finalizarea procesului, rezultatul analizei este afișat în zona grafică (fig.3.9);
- inițial este afișat graficul corespunzător tensiunilor echivalente (Von Mises), dar
pentru a afișa unul din celelalte răspunsuri, click dreapta pe eticheta respectivă din
fereastra Abalysis Manager, după care se alege opțiunea Show din meniul
contextual.
Fig.3.9 Afișarea rezultatului obținut după rularea analizei
f) Rezultate – factor de siguranță
- pentru a verifica și alte rezultate (factorul de siguranță), în afara celor afișate inițial,
click dreapta pe Results din fereastra Analysis Manager, după care se alege
opțiunea Define Factor Of Safety Plot ;
Fig.3.10 Afișarea graficului corespunzător factorului de siguranță
- dacă există vreun criteriu pentru verificarea factorului de siguranță, atunci se
selectează una dintre opțiunile din lista desfășurabilă Criterion, din zona Step 1 of
A.E.F. (SW) - suport laborator nr.3 – sem.II
10
3, dacă nu există un astfel de criteriu, atunci sistemul va analiza proprietățile
materialului și va decide automat cel mai potrivit criteriu;
- click pe butonul , iar graficul corespunzător factorului de siguranță este afișat
(fig.3.10)
g) Optimizarea produsului
În graficul corespunzător factorului de siguranță, se observă că există zone în modelul
analizat în care valoarea este subunitară, ceea ce presupune că modelul se află în
zona de pericol.
În acest caz, fie este necesară schimbarea materialului atribuit modelului, fie creșterea
dimensiunilor în zona afectată.
Pentru cazul în care materialul trebuie schimbat cu unul mai rezistent (în general mai
scump), click dreapta pe eticheta Material din fereastra Analysis Manager, după
care se alege opțiunea Apply/Edit Material.
După alegerea materialului se apasă butonul Apply pentru atribuirea noului material
modelului analizat, apoi butonul Close.
Se rulează din nou analiza și se constată că modelul se află în siguranță integral
(fig.3.11), factorul de siguranță având o valoare minimă de peste 1.5.
Fig.3.11 Rularea analizei utilizând un nou material
BIBLIOGRAFIE
o V.ZICHIL, V.A. CIUBOTARIU, Rezolvarea de probleme utilizând metoda
elementelor finite cu Siemens NX Nastran – note de curs & suport de laborator,
Ed. Alma Mater, Bacău, RO, ISBN 978-606-527-620-8, 2018
o Dassault Systemes SolidWorks Corporation, SolidWorks Simulation Technical
Support Manual, DSSC Publication, USA, PMT1640-ENG, 2018
o M.WEBER, G.VERMA, SolidWorks Simulation Black Book, Ed.
CADCAMCAEWORKS, USA, ISBN 978-1-523-39374-9, 2016
o SolidWorks Online Help - Simulation
Recommended