Основы конечно – элементного анализа

Реферат

Тема выпускной квалификационной работы по программе магистратуры – «Исследование напряженно – деформированного состояния сварной консоли»

Автор – Евсигнеева Н.А.

Руководитель – к.т.н., доцент Котельников А.А.

ВКР включает 116 страниц текста, 20 иллюстраций, 9 таблиц, количество использованных источников – 56.

В работе изложены актуальные вопросы применения численного метода при проектировании в сварочном производстве. Произведен сравнительный анализ различных методов. Приведены примеры применения компьютерных технологий в процессе исследования нагруженного состояния сварной детали, оптимизирована конструкция консоли.

Работа может быть полезна конструкторам, технологам и аспирантам, работающим и обучающимся в области машиностроения, строительстве и в смежных отраслях.

 

Abstract

The theme of the final qualifying work on the Master's program - "Research of the stress-strain state of the welded cantilever"

Author - Evsigneva N.A.

Leader - Ph.D., associate professor Kotelnikov A.A.

WRC includes 116 pages of text, 20 illustrations, 9 tables, the number of sources used - 56.

The paper presents topical issues of the application of the numerical method in the design of welding production. Produced a comparative analysis of various methods. Examples of the use of computer technology in the process of studying the loaded state of a welded part are given, the design of the console has been optimized.

The work may be useful to designers, technologists and graduate students working and studying in the field of engineering, construction and related industries.

 

 

Содержание

Предисловие…………………………………..……….………………..…7

 Введение…………………………………………………....…….………..8

1. Основная часть

Конечно – элементный анализ

1.1 Основы конечно – элементного анализа……………......….….9

1.2  Идеализация геометрии и абстракция…………………..……11

1.3  Библиотека конечных элементов ………………….…...…..13

1.4  Препроцессорная подготовка анализа………………...…...19

1.5  Постпроцессорная подготовка……………………….….….32

1.6 Конечно – элементные программные пакеты…….………...34

2. Исследовательская часть

2.1 Объект исследования……………………………….……....….36

2.2  Расчет на прочность сварных соединений консоли методом сопротивления материалов……………………………………..….40

2.3 Расчет на прочность сварных соединений консоли методом конечных элементов……………………………………………….46

 2.3.1 Подготовка к конечно-элементному анализу………...46

 2.3.2 Расчет на прочность сварных соединений консоли методом конечных элементов при помощи решателя Компас-3D V13(APM FEM)…………… …………………………………..…49

2.3.3 Расчет на прочность сварных соединений консоли методом конечных элементов при помощи решателя SolidWorks Simulation………………………………………………………….50

2.3.4 Расчет на прочность сварных соединений консоли методом конечных элементов при помощи решателя NX Nastran………..................................................................................…51

2.4 Применение метода конечных элементов в оптимизации конструкции сварного соединения………………………………..52

3.   Заключение ………….………………………………...…...…..57

4.   Библиографический список…………………………...….........60

Приложение А.Сборочный чертеж консоли……….………..……..61

Приложение Б. Отчет, полученный решателем Компас-3D V13(APM FEM), при нагружении консоли распределенной силой 4000 Н……62

Приложение В. Отчет, полученный решателем Компас-3D V13(APM FEM), при нагружении верхней балки консоли распределенной силой 7000 Н…………………………………………………………………..69

Приложение Г. Отчет, полученный решателем Компас-3D V13(APM FEM), при нагружении консоли распределенной силой 9800 Н……74

Приложение Д. Отчет, полученный решателем SolidWorks Simulation, при нагружении консоли распределенной силой 4000Н……………..79

Приложение Е. Отчет, полученный решателем SolidWorks Simulation, при нагружении консоли распределенной силой 7000 Н…………….89

Приложение Ж. Отчет, полученный решателем SolidWorks Simulation, при нагружении консоли распределенной силой 9800 Н……………..99

Приложение К. Анализ зависимости напряжения от распределенной силы- решатель NX Nastran. Нагружение консоли распределенной силой 4000 Н……………………………………………………………109

Приложение Л. Анализ зависимости напряжения от распределенной силы- решатель NX Nastran. Нагружение консоли распределенной силой 7000 Н……………………………………………………………..110

Приложение М. Анализ зависимости напряжения от распределенной силы- решатель NX Nastran. Нагружение консоли распределенной силой 9800 Н……………………………………………………………..111

Приложение Н. Статья, опубликованная в журнале "Сварочное Производство"  (№3 2018)………………………………………………….112

Приложение П. Сборочный чертеж консоли со скруглением R=100 мм..116

 

 

Предисловие

Цель данной магистерской работы – автоматизировать труд специалистов, занимающихся проектированием сварных конструкций. Материалы, представленные в работе, будут полезны при разработке новых изделий.

Прикладное значение работы заключается в том, что применение ее результатов позволяет решить широкий круг задач, связанных с обеспечением надёжности и конкурентоспособности продукции машиностроительного производства, а именно: получение продукции с требуемыми точностными показателями за счёт перераспределения допустимых отклонений входных параметров технологического процесса. Результаты работы можно применять в машиностроении, строительстве и других отраслях промышленности. В работе изложены актуальные вопросы применения численного метода при проектировании в сварочном производстве. Приведены примеры применения компьютерных технологий.

Работа может быть полезна конструкторам, технологам и аспирантам, работающим и обучающимся в области машиностроения, строительстве и в смежных отраслях.

 

Введение

Использование численных методов при проектировании различных конструкций и машин продиктовано необходимостью постоянного повышения надёжности и качества изделий, а также возможностью использовать новые современные материалы, учитывать сложные условия работы современных конструкций при необходимости повышать их конкурентоспособность и надёжность.[1,2] Максимальный эффект от использования технологий численного инженерного анализа достигается при их использовании, начиная с самых ранних стадий проектирования. При этом снижаются стоимость изделия, вероятность возникновения рисков и срок выпуска изделия на рынок.

Обычно инженер-конструктор для предварительной оценки прочности/работоспособности конструкции применяет инженерные подходы, которые в основном состоят из представления конструкции в виде простых узлов и элементов, для которых существуют аналитические оценки поиска напряжённо-деформированного состояния. К таким оценкам можно отнести использование простейших формул для поиска напряжений в балках при их растяжении, изгибе или кручении, поиска относительного удлинения, моментов инерции, сил реакции и т.д. Инженер - конструктор вынужден работать с большим количеством специализированной литературы для поиска необходимых выражений и законов.

С началом использования систем численного анализа все меняется. Инженер обретает возможность моделировать конструкции и машины любой сложности с любой степенью детализации. У него появляется инструмент для анализа реального распределения напряжений и деформаций в конструкции.

Основная часть

Конечно – элементный анализ

Исследовательская часть

Объект исследования

Магистральные трубопроводы — это сооружения, которые осуществляют транспортировку нефти, нефтепродуктов, воды, газов и прочих веществ с производства или места добычи к конечной точке применения. К магистральным трубопроводам относятся трубопроводы и ответвления (отводы) от них диаметром до 1420мм включительно с избыточным давлением транспортируемого продукта не выше 10 МПа, предназначенные для транспортировки:

· природного газа или нефтяного углеводородного газа из районов их добычи до мест потребления;

· искусственного углеводородного газа от мест производства до мест потребления;

· сжиженных углеводородных газов (пропана, бутана и их смесей) из мест производства до мест потребления;

· нефти из районов ее добычи (от головных перекачивающих насосных станций) до мест потребления (нефтебаз, перевалочных баз, нефтеперерабатывающих заводов или нефтехимических комплексов, пунктов налива, отдельных промышленных предприятий и портов);

· нефтепродуктов от мест их производства (нефтеперерабатывающих заводов ил нефтехимических комплексов) до мест потребления (нефтебаз, перевалочных баз, пунктов налива, отдельных промышленных предприятий и портов);

· товарной продукции в пределах головных и промежуточных газокомпрессорных, нефте- и нефтепродуктоперекачивающих насосных станций, станций подземного хранения газа, газораспределительных станций, замерных пунктов.

Магистральные трубопроводы в зависимости от условного диаметра подразделяются на четыре класса:

I. от 1000 до 1400мм

II. от 500 до 1000мм

III. от 300 до 500мм

IV. менее 300мм

Согласно СНиП 2.05.06-85* магистральные газопроводы в зависимости от рабочего давления в трубопроводе подразделяются на два класса:

I – при рабочем давлении свыше 2,5 до 10,0 МПа включительно;

II – при рабочем давлении свыше 1,2 до 2,5 МПа включительно.

Сталь, из которой изготовляются трубы для магистральных трубопроводов, должна иметь:

а) предел прочности и предел текучести, соответствующие расчетным данным, исходя из которых определена толщина стенок труб;

б) относительное удлинение не менее 18%;

в) отношение предела текучести к пределу прочности не более 0.85;

г)  ударную вязкость при температуре -20° не менее 3кГм/см².

Рисунок 6 – Секция магистрального трубопровода

 

Основное требование к сварной конструкции заключается в том, что значения напряжений от реального нагружения должно быть меньше допускаемых напряжений. Однако, не всегда удается воспроизвести во время испытаний реальную нагрузку, особенно эта проблема актуальна для крупногабаритных изделий. В таких случаях необходимо использовать другие методы исследований. Исследование методом конечных элементов (КЭ) позволит смоделировать нагружения, максимально приближенные к реальному, с достаточной точностью вычислить напряжения, в отличие от метода сопротивления материалов, где задается слишком большой запас прочности.

Заключение

Библиографический список

 

1. Гончаров П.С., Ельцов М.Ю., Коршиков С.Б., Лаптев И. В., Осиюк В.А. NX для конструктора машиностроителя. – М.: Изд-во ДМК. 2010 г. 504 с.

2.  Норенков И.П., Кузьмин П.К. Информационная поддержка наукоемких изделий. CALS-технологии. – М.: Изд-во МГТУ им Н.Э Баумана. 2002 г. 320 с.

3.  Г.А.Николаев. Расчет сварных соединений и прочность сварных конструкций. Издательство «Высшая школа». Москва – 1965

4. В.К. Манжосов. Расчет стержня при растяжении – сжатии: Методические указания.-Ульяновск: УлГТУ, 2001.-20с.

5. Трубы и детали трубопроводов на давление свыше 100 до 320 МПа. Нормы и методы расчета на прочность. ОАО "ИркутскНИИхиммаш". Москва. Стандартинформ. 2011

6.  Котельников А. А. Компьютерное моделирование в сварочном производстве/ Котельников А. А., Абышев К. И., Алпеева Е. В., Брусенцев А.А.; Юго-Зап. гос. ун-т. Курск, 2013. 228 с.:ил.258, Библиогр.: с 222-223.

7.  Котельников А. А. Компьютерные технологии в науке, образовании и производстве: /А. А. Котельников; Юго-Зап. гос. ун-т. Курск, 2011. 436 с.:табл.13, ил.127, прилож.21. Библиогр.: с. 349.

8.  Алпеева Т. В. Роботизированная сварка многосортаментных трубчатых элементов: монография / Т.В. Алпеева, В.М. Емельянов, А.А. Котельников; Юзг-Зап. гос. ун-т. Курск, 2011. 128 с.:ил.50, табл.2. Библиогр.: с. 117-127. 9. Конечно-элементный анализ в SolidWorks Simulation{calregion. ru. CAD/CAM/CAE проектирование в САПР. 10. Современные технологии автоматизации: Журнал. – Россия: СТА – Пресс, 4/2002.

9. Котельников А. А. Применение метода конечных элементов в расчетах сварных конструкций: монография/ А. А. Котельников, К. И. Абышев, Е. В. Алпеева; Юго-Зап. гос. ун-т. Курск, 2014. 128 с.: ил.99, табл.25,. Библиогр.:с. 126.

10.  Иосилевич Г.Б., Строганов Г.Б., Шарловский Ю.В. Затяжка и стопорение резьбовых соединений. Справочник. Изд.2, перераб. и доп. 1985. 224 с.

Приложение А

Сборочный чертеж консоли

Приложение Б

Информация о проекте

 

Модель

Информация о материалах

N	Имя детали	Материал
1	C:\Users\1\Desktop\k.m3d	Сталь

 

 

Название материала: Сталь

Предел текучести [МПа]	235	По-умолчанию
Модуль упругости нормальный [МПа]	200000	По-умолчанию
Коэффициент Пуассона	0.3	По-умолчанию
Плотность [кг/м^3]	7800	По-умолчанию
Температурный коэффициент линейного расширения [1/C]	0.000012	По-умолчанию
Теплопроводность [Вт/(м*C)]	55	По-умолчанию
Предел прочности при сжатии [МПа]	410	По-умолчанию
Предел выносливости при растяжении [МПа]	209	По-умолчанию
Предел выносливости при кручении [МПа]	139	По-умолчанию

 

Информация о нагрузках

Наименование	Выбранные объекты	Параметры нагрузки
Распределенная сила: Распределённая сила:2	Грани: 1	Вектор силы: X = 0; Y = 0; Z = 4000 Величина: 4000 H

 

Информация о закреплениях

Наименование	Выбранные объекты	X [мм]	Y [мм]	Z [мм]	Rot. X [град]	Rot. Y [град]	Rot. Z [град]
Закрепление: Закрепление:2	Грани: 1	Запрещ.	Запрещ.	Запрещ.	-	-	-

 

Конечно-элементная сетка

Результаты

Информация о проекте

Дата создания отчёта	26.01.2018; 12:00:08
Путь к файлу	C:\Users\1\Desktop\k.m3d

 

Модель

Информация о материалах

N	Имя детали	Материал
1	C:\Users\1\Desktop\k.m3d	Сталь

 

Название материала: Сталь

Предел текучести [МПа]	235	По-умолчанию
Модуль упругости нормальный [МПа]	200000	По-умолчанию
Коэффициент Пуассона	0.3	По-умолчанию
Плотность [кг/м^3]	7800	По-умолчанию
Температурный коэффициент линейного расширения [1/C]	0.000012	По-умолчанию
Теплопроводность [Вт/(м*C)]	55	По-умолчанию
Предел прочности при сжатии [МПа]	410	По-умолчанию
Предел выносливости при растяжении [МПа]	209	По-умолчанию
Предел выносливости при кручении [МПа]	139	По-умолчанию

 

Информация о нагрузках

Наименование	Выбранные объекты	Параметры нагрузки
Распределенная сила: Распределённая сила:2	Грани: 1	Вектор силы: X = 0; Y = 0; Z = 7000 Величина: 7000 H

 

Информация о закреплениях

Наименование	Выбранные объекты	X [мм]	Y [мм]	Z [мм]	Rot. X [град]	Rot. Y [град]	Rot. Z [град]
Закрепление: Закрепление:2	Грани: 1	Запрещ.	Запрещ.	Запрещ.	-	-	-

 

Конечно-элементная сетка

Результаты

Реферат

Тема выпускной квалификационной работы по программе магистратуры – «Исследование напряженно – деформированного состояния сварной консоли»

Автор – Евсигнеева Н.А.

Руководитель – к.т.н., доцент Котельников А.А.

ВКР включает 116 страниц текста, 20 иллюстраций, 9 таблиц, количество использованных источников – 56.

В работе изложены актуальные вопросы применения численного метода при проектировании в сварочном производстве. Произведен сравнительный анализ различных методов. Приведены примеры применения компьютерных технологий в процессе исследования нагруженного состояния сварной детали, оптимизирована конструкция консоли.

Работа может быть полезна конструкторам, технологам и аспирантам, работающим и обучающимся в области машиностроения, строительстве и в смежных отраслях.

 

Abstract

The theme of the final qualifying work on the Master's program - "Research of the stress-strain state of the welded cantilever"

Author - Evsigneva N.A.

Leader - Ph.D., associate professor Kotelnikov A.A.

WRC includes 116 pages of text, 20 illustrations, 9 tables, the number of sources used - 56.

The paper presents topical issues of the application of the numerical method in the design of welding production. Produced a comparative analysis of various methods. Examples of the use of computer technology in the process of studying the loaded state of a welded part are given, the design of the console has been optimized.

The work may be useful to designers, technologists and graduate students working and studying in the field of engineering, construction and related industries.

 

 

Содержание

Предисловие…………………………………..……….………………..…7

 Введение…………………………………………………....…….………..8

1. Основная часть

Конечно – элементный анализ

1.1 Основы конечно – элементного анализа……………......….….9

1.2  Идеализация геометрии и абстракция…………………..……11

1.3  Библиотека конечных элементов ………………….…...…..13

1.4  Препроцессорная подготовка анализа………………...…...19

1.5  Постпроцессорная подготовка……………………….….….32

1.6 Конечно – элементные программные пакеты…….………...34

2. Исследовательская часть

2.1 Объект исследования……………………………….……....….36

2.2  Расчет на прочность сварных соединений консоли методом сопротивления материалов……………………………………..….40

2.3 Расчет на прочность сварных соединений консоли методом конечных элементов……………………………………………….46

 2.3.1 Подготовка к конечно-элементному анализу………...46

 2.3.2 Расчет на прочность сварных соединений консоли методом конечных элементов при помощи решателя Компас-3D V13(APM FEM)…………… …………………………………..…49

2.3.3 Расчет на прочность сварных соединений консоли методом конечных элементов при помощи решателя SolidWorks Simulation………………………………………………………….50

2.3.4 Расчет на прочность сварных соединений консоли методом конечных элементов при помощи решателя NX Nastran………..................................................................................…51

2.4 Применение метода конечных элементов в оптимизации конструкции сварного соединения………………………………..52

3.   Заключение ………….………………………………...…...…..57

4.   Библиографический список…………………………...….........60

Приложение А.Сборочный чертеж консоли……….………..……..61

Приложение Б. Отчет, полученный решателем Компас-3D V13(APM FEM), при нагружении консоли распределенной силой 4000 Н……62

Приложение В. Отчет, полученный решателем Компас-3D V13(APM FEM), при нагружении верхней балки консоли распределенной силой 7000 Н…………………………………………………………………..69

Приложение Г. Отчет, полученный решателем Компас-3D V13(APM FEM), при нагружении консоли распределенной силой 9800 Н……74

Приложение Д. Отчет, полученный решателем SolidWorks Simulation, при нагружении консоли распределенной силой 4000Н……………..79

Приложение Е. Отчет, полученный решателем SolidWorks Simulation, при нагружении консоли распределенной силой 7000 Н…………….89

Приложение Ж. Отчет, полученный решателем SolidWorks Simulation, при нагружении консоли распределенной силой 9800 Н……………..99

Приложение К. Анализ зависимости напряжения от распределенной силы- решатель NX Nastran. Нагружение консоли распределенной силой 4000 Н……………………………………………………………109

Приложение Л. Анализ зависимости напряжения от распределенной силы- решатель NX Nastran. Нагружение консоли распределенной силой 7000 Н……………………………………………………………..110

Приложение М. Анализ зависимости напряжения от распределенной силы- решатель NX Nastran. Нагружение консоли распределенной силой 9800 Н……………………………………………………………..111

Приложение Н. Статья, опубликованная в журнале "Сварочное Производство"  (№3 2018)………………………………………………….112

Приложение П. Сборочный чертеж консоли со скруглением R=100 мм..116

 

 

Предисловие

Цель данной магистерской работы – автоматизировать труд специалистов, занимающихся проектированием сварных конструкций. Материалы, представленные в работе, будут полезны при разработке новых изделий.

Прикладное значение работы заключается в том, что применение ее результатов позволяет решить широкий круг задач, связанных с обеспечением надёжности и конкурентоспособности продукции машиностроительного производства, а именно: получение продукции с требуемыми точностными показателями за счёт перераспределения допустимых отклонений входных параметров технологического процесса. Результаты работы можно применять в машиностроении, строительстве и других отраслях промышленности. В работе изложены актуальные вопросы применения численного метода при проектировании в сварочном производстве. Приведены примеры применения компьютерных технологий.

Работа может быть полезна конструкторам, технологам и аспирантам, работающим и обучающимся в области машиностроения, строительстве и в смежных отраслях.

 

Введение

Использование численных методов при проектировании различных конструкций и машин продиктовано необходимостью постоянного повышения надёжности и качества изделий, а также возможностью использовать новые современные материалы, учитывать сложные условия работы современных конструкций при необходимости повышать их конкурентоспособность и надёжность.[1,2] Максимальный эффект от использования технологий численного инженерного анализа достигается при их использовании, начиная с самых ранних стадий проектирования. При этом снижаются стоимость изделия, вероятность возникновения рисков и срок выпуска изделия на рынок.

Обычно инженер-конструктор для предварительной оценки прочности/работоспособности конструкции применяет инженерные подходы, которые в основном состоят из представления конструкции в виде простых узлов и элементов, для которых существуют аналитические оценки поиска напряжённо-деформированного состояния. К таким оценкам можно отнести использование простейших формул для поиска напряжений в балках при их растяжении, изгибе или кручении, поиска относительного удлинения, моментов инерции, сил реакции и т.д. Инженер - конструктор вынужден работать с большим количеством специализированной литературы для поиска необходимых выражений и законов.

С началом использования систем численного анализа все меняется. Инженер обретает возможность моделировать конструкции и машины любой сложности с любой степенью детализации. У него появляется инструмент для анализа реального распределения напряжений и деформаций в конструкции.

Основная часть

Конечно – элементный анализ

Основы конечно – элементного анализа

Первые разработки метода конечных элементов (МКЭ) были выполнены в 50-х годах для решения задач сопротивления материалов. В 60-е годы математики получили строгие формулировки для этого метода, после чего он становится общим средством изучения задач в частных производных, понемногу вытесняя метод конечных разностей, который рассматривался в период своего апогея как универсальное средство решения задач такого типа. После подробного математического его исследования оказалось, что при негладких входных данных задачи МКЭ часто сходится быстрее, чем метод конечных разностей, а иногда вообще обладает оптимальной скоростью сходимости. Начиная с 1970 г. этот метод становится все более популярным среди инженеров всех специальностей благодаря работам Зинкевича, Галлагера, Одена, Лиона, Равьяра, Сильвестера[1].

Базовый принцип, лежащий в основе КЭ анализа, состоит в разбиении математической модели рассматриваемой области на непересекающиеся подобласти (конечные элементы) и решении поставленной задачи на каждом элементе. Множество элементов, их свойств, граничных условий называется КЭ моделью. Поведение каждого элемента описывается определённым конечным числом степеней свободы, которые в сумме определяют число степеней свободы КЭ модели. Основные шаги МКЭ: идеализация, дискретизация решение системы дифференциальных уравнений. Под идеализацией будем понимать переход от реальной физической модели к упрощенной (измеренной) математической. Однако математические модели имеют бесконечное число степеней свободы, что влечёт за собой практическую нереализуемость решения задачи на сложной математической модели. Ограничение числа степеней свободы модели называется дискретизацией, а модель – дискретной моделью. Обратный дискретизации процесс называется континуализацией, а идеализации – идентификацией. Каждый этап численного моделирования вносит ту или иную погрешность в результаты расчёта.

Всегда следует помнить, что КЭ анализ – это всегда компромисс (или баланс) опыта самого инженера, точности результата, мощности вычислительной техники, времени расчёта, времени построения модели и т.д.