Femap & Nastran. Инженерный анализ методом конечных элементов (3000,00 руб.)

Стр.3

Стр.4

Стр.5

Стр.6

Стр.7

Стр.8

Стр.9

Стр.10

Стр.11

Стр.12

Стр.13

Стр.14

ББК 32.973018.2я73 Ш61 Шимкович Д. Г. Ш61 Femap & Nastran. Инженерный анализ методом конечных элементов – М.: ДМК Пресс, 2018. – 704 с., ил. (Серия «Проектирование»). ISBN 9785970606339 В книге рассматривается расчет конструкций в среде широко известного пакета моделирования и конечноэлементного анализа Femap & Nastran (MSC.visualNastran), предназначенного для работы в среде Windows. Для данного программного продукта характерен широкий спектр возмож ностей, ориентированных на создание полноценной конечноэлементной модели и выполнения самых разнообразных видов расчетов: линейного и нелинейного прочностного анализа, исследования на устойчивость, расче та собственных форм и частот колебаний, осуществления динамического, ча стотного и теплового анализа конструкции, оптимизации ее параметров. В книге на многочисленных примерах последовательно рассматриваются все этапы построения расчетных моделей конструкций: разработка геомет рии, создание конечноэлементной сетки, формирование нагрузок и гранич ных условий, выполнение различных видов расчетов, начиная от самых пер вых шагов до использования расширенных средств моделирования, свойств материалов и конечных элементов, обмена данными с широко известными САПРпрограммами: AutoCAD, SolidWorks, SolidEdge, Pro Engineer и др. Основной круг примеров дан из практики проектирования машин и обо рудования грузоподъемного типа. Книга ориентирована на инженеров и конструктороврасчетчиков, а так же на студентов и аспирантов технических вузов, использующих методы компьютерного моделирования и анализа конструкций. ББК 32.973018.2я73 Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами без письменного разрешения владельцев авторских прав. Материал, изложенный в данной книге, многократно проверен. Но, поскольку вероятность технических ошибок все равно существует, издательство не может гарантировать абсолютную точность и правильность приводимых сведений. В связи с этим издательство не несет ответ ственности за возможные ошибки, связанные с использованием книги. ISBN 9785970606339 © Шимкович Д. Г. © ДМК Пресс, 2018

Стр.3

Содержание Предисловие ко второму изданию................................................................................ 14 Из предисловия к первому изданию .................................................................................. 15 Часть 1 Глава 1 Состав и конфигурирование программы ....................... 21 1.1. Системные требования ............................................................................ 22 1.2. Описание структуры пакета MSC.vN4W......................................... 23 1.3. Конфигурирование ................................................................................... 25 1.3.1. Конфигурирование Windows ............................................................. 25 1.3.2. Конфигурирование MSC.vN4W ......................................................... 26 1.4. Типы файлов в MSC.vN4W .................................................................... 28 1.4.1. Файлы, создаваемые при работе в среде моделирования ............... 29 1.4.2. Файлы, создаваемые в процессе конечноэлементного расчета ..... 29 Глава 2 Среда моделирования ........................................................................ 31 2.1. Интерфейс пользователя........................................................................ 32 2.2. Обзор команд меню................................................................................. 35 2.2.1. File ........................................................................................................ 35 2.2.2. Tools ..................................................................................................... 38 2.2.3. Geometry ............................................................................................. 42 2.2.4. Model ................................................................................................... 42 2.2.5. Mesh ..................................................................................................... 43 2.2.6. Modify .................................................................................................. 44 Основы работы в MSC.visualNastran for Windows ...................................................................................................... 19

Стр.4

4 Содержание 2.2.7. List ......................................................................................................... 44 2.2.8. Delete ................................................................................................... 45 2.2.9. Group ................................................................................................... 45 2.2.10. View ................................................................................................... 45 2.2.11. Help .................................................................................................... 46 Глава 3 Основы геометрического моделирования ................ 49 3.1. Этапы подготовки расчетной модели ................................................. 48 3.2. Создание точек .......................................................................................... 48 3.2.1. Создание точек заданием их координат ........................................... 49 3.2.2. Создание точек с помощью мыши. Запись макроса выбора шага.... 50 3.3. Построение прямых линий ..................................................................... 52 3.3.1. Способы построения прямых линий ................................................... 52 3.3.2. Отображение идентификаторов геометрических объектов ............. 53 3.4. Построение дуг и окружностей ............................................................ 54 3.4.1. Команды построения дуг и окружностей ........................................... 54 3.4.2. Построение окружности по ее центру и радиусу .............................. 55 3.5. Использование сплайнов ....................................................................... 55 3.5.1. Понятие о сплайне .............................................................................. 56 3.5.2. Способы построения сплайнов ........................................................... 56 3.6. Создание поверхностей ......................................................................... 58 3.6.1. Виды поверхностей ............................................................................. 58 3.6.2. Создание поверхностей по углам и кромкам .................................... 58 3.6.3. Образование поверхности выдавливанием или вращением контура ...................................................................... 59 3.6.4. Динамическое ориентирование модели ............................................ 60 3.6.5. Вытягивание поверхности по направляющей линии .......................... 61 3.6.6. Образование плоскости, поверхностей цилиндра и сферы ............. 62 3.6.7. Смещение поверхности ...................................................................... 62 3.6.8. Граничные поверхности ...................................................................... 62 Глава 4 Основы расчета конструкций в MSC.vN4W................... 65 4.1. Основы метода конечных элементов ................................................. 66 4.1.1. Исходные положения .......................................................................... 66 4.1.2. Уравнения равновесия ........................................................................ 67

Стр.5

Содержание 5 4.1.3. Матрица жесткости ............................................................................. 69 4.1.4. Основные задачи и уравнения расчета конструкций ........................ 69 4.1.5. Пример использования метода конечных элементов ........................ 71 4.2. Статический расчет пластины ............................................................... 74 4.2.1. Создание геометрии ........................................................................... 75 4.2.2. Задание материала ............................................................................ 77 4.2.3. Выбор типа и параметров конечных элементов ................................. 78 4.2.4. Разбиение на конечные элементы ...................................................... 80 4.2.5. Задание граничных условий ............................................................... 81 4.2.6. Задание нагрузок ............................................................................... 82 4.2.7. Расчет модели...................................................................................... 84 4.2.8. Просмотр и форматирование результатов расчета................................................................................................. 86 4.2.9. Модифицирование модели ................................................................ 91 4.3. Устойчивость пластины ............................................................................ 92 4.3.1. Создание геометрии ........................................................................... 93 4.3.2. Задание нагрузки ............................................................................... 95 4.3.3. Расчет................................................................................................... 96 4.3.4. Анализ результатов ............................................................................ 97 4.4. Статический расчет балки ................................................................... 100 4.4.1. Создание геометрии ........................................................................ 100 4.4.2. Характеристики материала ............................................................. 100 4.4.3. Выбор типа и параметров конечных элементов .............................. 101 4.4.4. Разбиение на конечные элементы ................................................... 104 4.4.5. Задание граничных условий ............................................................ 105 4.4.6. Задание нагрузок ............................................................................ 106 4.4.7. Расчет................................................................................................ 107 4.4.8. Отображение результатов .............................................................. 107 4.5. Собственные частоты и формы колебаний .................................... 109 4.5.1. Разработка модели .......................................................................... 109 4.5.2. Расчет................................................................................................ 110 4.5.3. Отображение результатов расчета ................................................ 111 4.6. Использование Мастера построения модели .............................. 113 4.6.1. Подготовка к работе Мастера ........................................................ 114 4.6.2. Основные шаги................................................................................. 114 4.6.3. Загрузка геометрии ......................................................................... 115 4.6.4. Создание условий закрепления ...................................................... 116 4.6.5. Приложение нагрузок...................................................................... 117 4.6.6. Расчет модели и визуализация результатов ................................... 118 4.6.7. Средства модификации модели ...................................................... 120

Стр.6

6 Содержание Часть 2 Средства моделирования и анализа .................................... 121 Глава 1 Расширенные средства геометрического моделирования .......................................................................... 123 1.1. Принципы и способы создания трехмерных моделей ............... 124 1.1.1. Взаимосвязь геометрической и конечноэлементной моделей ...... 124 1.1.2. Структура пространственных геометрических моделей ................ 125 1.2. Создание объемов .................................................................................. 125 1.2.1. Создание объемов по угловым точкам и поверхностям ................. 125 1.2.2. Образование объемов выдавливанием и вращением ................... 127 1.2.3. Цилиндрические и сферические объемы ......................................... 128 1.3. Создание и редактирование твердых тел ...................................... 129 1.3.1. Геометрическое ядро твердотельного моделирования ................... 129 1.3.2. Активизация твердых тел ................................................................. 131 1.3.3. Способы создания твердых тел ....................................................... 131 1.3.4. Образование твердых тел выдавливанием и вращением .............. 131 1.3.5. Твердотельные примитивы ............................................................... 134 1.3.6. Сшивка и расшивка твердых тел ..................................................... 135 1.3.7. Команды модифицирования твердых тел ........................................ 135 1.3.8. Логические операции над телами ................................................... 136 1.3.9. Команды рассечения твердых тел ................................................... 138 1.3.10. «Очистка» тел ................................................................................ 140 1.4. Кривые на поверхностях ...................................................................... 141 1.4.1. Линия пересечения тел .................................................................... 141 1.4.2. Проецирование кривых на поверхности ........................................ 142 1.4.3. Параметрические кривые на поверхностях .................................... 142 1.4.4. Линия пересечения тела плоскостью............................................... 142 1.5. Системы координат. Управление рабочей плоскостью............. 143 1.5.1. Системы координат .......................................................................... 143 1.5.2. Управление рабочей плоскостью .................................................... 144 1.6. Пример расчета корпуса механизма поворота манипулятора............................................................................................ 145 1.6.1. Создание геометрии ........................................................................ 146 1.6.2. Разбиение на конечные элементы ................................................... 152 1.6.3. Задание граничных условий ............................................................ 155 1.6.4. Задание нагрузок ............................................................................ 155 1.6.5. Расчет модели и отображение результатов .................................... 157

Стр.7

Содержание 7 1.7. Использование срединной поверхности ........................................ 165 1.7.1. Команды формирования срединной поверхности ......................... 165 1.7.2. Создание и редактирование простых поверхностей .................................................................................... 165 1.7.3. Автоматическое создание срединной поверхности ....................... 167 1.7.4. Формирование сложных поверхностей .......................................... 168 1.7.5. Задание атрибутов сетки на срединной поверхности ................... 170 1.7.6. Пример использования срединной поверхности ............................ 170 1.8. Редактирование геометрии ................................................................. 178 1.8.1. Команды копирования ..................................................................... 178 1.8.2. Команды модифицирования ............................................................ 180 1.8.3. Команды удаления ........................................................................... 190 1.9. Контроль геометрии ............................................................................... 190 1.9.1. Выделение совпадающих точек ....................................................... 190 1.9.2. Методика работы с совпадающими точками.................................. 191 1.9.3. Создание и просмотр групп совпадающих точек ........................... 192 1.9.4. Контроль других объектов ............................................................... 194 1.10. Слои и группы ........................................................................................ 194 1.10.1. Сравнительная характеристика слоев и групп ............................. 195 1.10.2. Команды создания и использования слоев ................................... 195 1.10.3. Команды создания и использования групп ................................... 197 1.11. Импорт и экспорт геометрии ............................................................ 203 1.11.1. Форматы графических файлов ..................................................... 204 1.11.2. Импорт геометрии.......................................................................... 204 1.11.3. Экспорт геометрии ......................................................................... 211 Глава 2 Конечноэлементное представление моделей ............ 213 2.1. Задание функциональных зависимостей ....................................... 214 2.2. Материалы................................................................................................. 217 2.2.1. Изотропные материалы ................................................................... 218 2.2.2. Ортотропные материалы ................................................................. 219 2.2.3. Анизотропные материалы ............................................................... 221 2.2.4. Высокоэластичные материалы ......................................................... 221 2.2.5. Функциональные зависимости для материалов ............................. 222 2.3. Узлы и конечные элементы ................................................................... 225 2.3.1. Узлы и системы координат ............................................................... 226 2.3.2. Линейные (одномерные) элементы ................................................. 228 2.3.2. Плоские (двумерные) элементы ....................................................... 236

Стр.8

8 Содержание 2.3.3. Пространственные (объемные) элементы ........................................ 241 2.3.4. Другие элементы .............................................................................. 245 2.4. Основные способы разбиения модели на конечные элементы ........................................................................... 255 2.4.1. Ручное формирование конечных элементов ................................... 256 2.4.2. Создание постоянных связей ........................................................... 258 2.4.3. Автоматизированное создание конечноэлементной сетки .......... 258 2.5. Построение конечноэлементной сетки на основе геометрической модели ................................................... 259 2.5.1. Основные команды задания параметров сетки .............................. 259 2.5.2. Интерактивное формирование параметров сетки ......................... 263 2.5.3. Дополнительные средства задания параметров сетки ................... 264 2.5.4. Задание атрибутов конечных элементов ........................................ 267 2.5.5. Улучшение параметров сетки на поверхности ............................... 268 2.5.6. Исключение подобластей ................................................................ 269 2.5.7. Выбор геометрических объектов для разбиения ............................ 270 2.6. Построение конечноэлементной сетки без геометрической модели ................................................................ 275 2.6.1. Построение сетки между заданными точками ................................ 276 2.6.2. Построение сетки между группами узлов ....................................... 278 2.6.3. Создание связей между узлами ...................................................... 279 2.6.4. Создание сетки в переходных областях ......................................... 282 2.7. Редактирование и переразбиение конечноэлементной модели ............................................................... 283 2.7.1. Редактирование сетки ...................................................................... 283 2.7.2. Измельчение, обновление и укрупнение сетки .............................. 284 2.7.3. Создание и очистка сетки ................................................................ 286 2.7.4. Формирование сетки в STLмоделях ............................................... 288 2.7.5. Образование ребер жесткости ....................................................... 289 2.7.6. Сглаживание сетки ........................................................................... 289 2.8. Команды копирования и модифицирования сетки ..................... 289 2.8.1. Копирование сетки .......................................................................... 290 2.8.2. Создание сетки выдавливанием, вращением и вытяжкой .............. 290 2.8.3. Перенумерация объектов конечноэлементной модели ................ 293 2.8.4. Присоединение узлов и элементов к геометрии ............................. 295 2.8.5. Команды обновления параметров элементов................................. 295 2.9. Средства контроля конечноэлементного разбиения ................ 296 2.9.1. Объединение совпадающих узлов ................................................. 296 2.9.2. Проверка расположения узлов в заданной плоскости .................. 296

Стр.9

Содержание 9 2.9.3. Совпадающие элементы .................................................................. 297 2.9.4. Контроль параметров элементов .................................................... 297 Глава 3 Нагрузки и граничные условия................................................. 301 3.1. Типы нагрузок ........................................................................................... 302 3.1.1. По природе воздействия .................................................................. 302 3.1.2. По способу приложения к объектам модели ................................... 302 3.2. Объемные нагрузки ................................................................................ 303 3.2.1. Задание объемных нагрузок ........................................................... 303 3.2.2. Особенности формирования объемных нагрузок .......................... 304 3.3. Узловые и элементные нагрузки ........................................................ 305 3.3.1. Узловые нагрузки ............................................................................. 305 3.3.2. Элементные нагрузки....................................................................... 308 3.3.3. Нелинейные нагрузки ...................................................................... 309 3.4. Нагрузки, прикладываемые к геометрическим объектам ................................................................. 312 3.4.1. Разложение геометрических нагрузок на узловые ........................................................................................ 312 3.5. Манипулирование нагрузками .......................................................... 318 3.5.1. Создание нового набора нагрузок копированием ........................ 318 3.5.2. Комбинации нагрузок ...................................................................... 318 3.5.3. Создание нагрузок из выходных данных........................................ 320 3.5.4. Создание нагрузок из реакций связей ........................................... 320 3.5.5. Масштабирование нагрузок ........................................................... 320 3.6. Граничные условия (связи) ................................................................... 321 3.6.1. Узловые связи ................................................................................... 321 3.6.2. Использование свойств симметрии модели .................................... 323 3.6.3. Уравнения связей ............................................................................. 325 3.6.4. Граничные условия на геометрических объектах ........................... 326 3.6.5. Расширенные типы граничных условий на геометрических объектах............................................................ 327 3.6.6. Модифицирование условий закрепления ...................................... 332 3.6.7. Контроль условий закрепления ....................................................... 333 3.4.2. Нагрузки в точке .............................................................................. 313 3.4.3. Нагрузки на линии ........................................................................... 313 3.4.4. Нагрузки на поверхности ................................................................ 317

Стр.10

10 Содержание Глава 4 Способы и параметры расчета моделей ...................... 335 4.1. Способы расчета модели в MSC.vN4W ......................................... 336 4.2. Расчет в пункте меню File ⇒ Analysis .............................................. 336 4.2.1. Общая характеристика параметров расчета ................................. 336 4.2.2. Параметры секций File Management Section и Executive Control ... 337 4.2.3. Параметры секции Case Control ...................................................... 341 4.2.4. Пример расчета многовариантного нагружения ............................ 346 4.2.5. Параметры секции Bulk Data ........................................................... 357 4.2.6. Пример входного файла .................................................................. 376 4.2.7. Основные параметры при модальном анализе .............................. 376 4.3. Расчет в пункте меню Model ⇒ Analysis ........................................ 384 4.3.1. Менеджер наборов параметров расчета ....................................... 384 4.3.2. Создание набора параметров расчета .......................................... 386 4.3.3. Пример формирования параметров многовариантного нагружения ........................................................ 393 4.4. Методика расчета в пункте меню File ⇒ Export ⇒ Analysis Model ........................................................................................................... 395 Глава 5 Преобразования и вывод результатов ............................ 399 5.1. Преобразования выходных данных ................................................. 400 5.1.1. Активизация, создание наборов и векторов выходных данных .... 400 5.1.2. Задание значений векторов ............................................................ 405 5.1.3. Выполнение операций над выходными данными ............................ 405 5.1.4. Одновременное создание однотипных векторов ........................... 422 5.1.5. Векторы приложенных нагрузок ..................................................... 422 5.1.6. Представление результатов в новой системе координат ............... 423 5.1.7. Экстраполяция .................................................................................. 428 5.1.8. Преобразование комплексных векторов ........................................ 431 5.1.9. Разложение комплексных векторов ................................................ 437 5.2. Получение числовых значений результатов ................................. 439 5.2.1. Выбор адресата информации ......................................................... 440 5.2.2. Запрос .............................................................................................. 441 5.2.3. Сравнение векторов ........................................................................ 442 5.2.4. Неформатированная таблица данных ............................................ 443

Стр.11

Содержание 11 5.2.5. Таблица в стандартном формате ..................................................... 443 5.2.6. Таблица в заданном формате ......................................................... 445 5.2.7. Баланс сил ........................................................................................ 447 5.2.8. Числовые данные с графиков .......................................................... 449 5.3. Удаление выходных данных ................................................................ 450 Часть 3 Задачи расчета конструкций ........................................................ 451 Глава 1 Линейный статический анализ конструкций............. 453 1.1. Выбор параметров и расчет коробчатых балок .......................... 454 1.2. Оптимизация параметров пластины ................................................ 462 1.3. Расчет фермы ............................................................................................ 468 1.4. Особенности расчета сварных конструкций ................................ 474 1.4.1. Модель единого тела ....................................................................... 475 1.4.2. Модель тела с зазором .................................................................... 476 1.4.3. Модель срединной поверхности ..................................................... 477 1.5. Сопряжение узлов на смежных поверхностях ............................. 480 Глава 2 Устойчивость элементов конструкций. Нелинейный анализ.............................................................................. 487 2.1. Характеристика задач устойчивости ............................................... 488 2.1.1. По типу нагрузок .............................................................................. 489 2.1.2. По наличию геометрических несовершенств или поперечных нагрузок ................................................................ 491 2.1.3. По характеру проявления ................................................................ 492 2.1.4. По типу перехода в закритическое состояние ................................ 492 2.2. Нелинейный анализ задачи Эйлера ................................................ 494 2.3. Продольнопоперечный изгиб стержня ........................................... 502 2.4. Местная устойчивость тонкостенных конструкций ..................... 513 2.5. Системы с перескоками (ферма Мизеса) ...................................... 517

Стр.12

12 Содержание Глава 3 Контактные задачи ................................................................................ 521 3.1. Балка на опорах скольжения .............................................................. 522 3.2. Контакт ролика с поверхностью ........................................................ 532 3.3. Контакт пластин ....................................................................................... 539 Глава 4 Динамический анализ конструкций ................................... 547 4.1. Общая характеристика задач динамики ....................................... 548 4.2. Задание параметров динамических расчетов ............................. 552 4.3. Динамическое приложение нагрузки .............................................. 555 4.4. Метод разложения по собственным формам ............................... 559 4.5. Вынужденные колебания ...................................................................... 563 4.6. Конструкция на вибрирующем основании .................................... 570 4.7. Спектральный отклик при ударном воздействии ........................ 573 4.8. Анализ неконсервативных задач устойчивости .......................... 579 Глава 5 Расчет тепловых воздействий .................................................. 599 5.1. Основные задачи теплового воздействия ...................................... 600 5.2. Методика формирования и расчета модели ................................ 604 5.2.1. Подготовка модели для термопрочностного расчета ..................... 604 5.2.2. Подготовка модели для теплового расчета..................................... 606 5.2.3. Задание опций расчета ................................................................... 621 5.3. Температурные напряжения в ферме .............................................. 623 5.4. Тепловой анализ режущего инструмента при естественной конвекции ............................................................... 628 5.5. Термопрочность режущего инструмента ........................................ 634 5.6. Вынужденная конвекция ....................................................................... 638 5.7. Расчет нестационарного температурного поля ........................... 650 5.8. Излучение во внешнее пространство .............................................. 657

Стр.13

Содержание 13 5.9. Излучение в ограниченном пространстве ............................... 665 5.10. Устойчивость решения задач радиационного теплообмена .............................................................................. 670 Приложения ................................................................................................... 679 Приложение 1. Параметры диалогового окна View Options ........... 680 Приложение 2. Основные виды выходных параметров .................... 682 Приложение 3. Типы аргументов и функций .......................................... 684 Приложение 4. Характерные сообщения об ошибках при отладке модели ................................................................................ 685 Приложение 5. Содержание файлов примеров ................................... 687 Список литературы ................................................................................. 693 Предметный указатель....................................................................... 696

Стр.14