УДК [62-112+624.01]:004.9SolidWorks Simulation
ББК 30.4с515
А60
А60 SOLIDWORKS Simulation и FloEFD. Практика, методология, идеология. –
М.: ДМК Пресс, 2018. – 658 с.: ил.
Алямовский А. А.
ISBN 978-5-97060-646-9
Книга продолжает серию публикаций, посвящённых решению инженерных задач
в среде SOLIDWORKS Simulation, включающей инструменты для анализа прочности
– собственно Simulation; гидрогазодинамики и теплопередачи – Flow Simulation;
кинематики и динамики механизмов – Motion. Материал основан на практическом
опыте автора. Каждая глава посвящена отдельному объекту, представляющему определённый
класс конструкций и обладающему методической ценностью. Изложение
начинается с постановки задачи, затем следует анализ с точки зрения пригодности
имеющихся инструментов. Подробно описаны построение расчётной модели
в рамках реального технического задания, вычислительный процесс, получение
результатов, их анализ и интерпретация.
Издание в первую очередь будет полезно инженерам, которым требуется понимание
объектов через моделирование процессов, происходящих в них и вокруг них.
УДК [62-112+624.01]:004.9SolidWorks Simulation
ББК 30.4с515
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 ответст венности за возможные ошибки, связанные с использованием книги.
ISBN 978-5-97060-646-9
© Алямовский А. А., 2018
© Оформление, издание, ДМК Пресс, 2018
Стр.3
Оглавление
Введение .............................................................................................................10
Глава 1. Жёсткость, прочность и динамика оросительной системы
в линейной и нелинейной балочных моделях .........................................13
1.1. Постановка задачи ......................................................................................13
1.2. Расчётная геометрическая балочная модель ............................................15
1.3. Статический линейный анализ ..................................................................16
1.4. Частотный анализ .......................................................................................26
1.5. Устойчивость ...............................................................................................28
1.6. Статический нелинейный анализ ..............................................................29
1.7. Динамический нелинейный анализ ..........................................................32
1.8. Динамический линейный анализ ..............................................................38
1.9. Выводы .........................................................................................................43
Глава 2. Анализ применимости стеклопластика
для изготовления секции мобильного моста ............................................44
2.1. Постановка задачи ......................................................................................44
2.2. Расчётная геометрическая модель металлической конструкции ...........46
2.3. Материалы ...................................................................................................48
2.4. Граничные условия .....................................................................................49
2.5. Контакты и соединители ............................................................................51
2.6. Сетка ............................................................................................................52
2.7. Результаты и их интерпретация для металлической конструкции .........54
2.8. Металлокомпозитный вариант ..................................................................58
2.9. Сравнительный анализ вариантов конструкции ......................................66
2.10. Выводы .......................................................................................................67
Глава 3. Ветровое воздействие на тонкостенный резервуар ................68
3.1. Постановка задачи ......................................................................................68
3.2. Способы переноса аэродинамических нагрузок в прочностную
модель ................................................................................................................70
3.3. Особенности построения геометрической модели ..................................72
3.4. Аэродинамический расчёт .........................................................................76
3.5. Расчёт на прочность с использованием модели листового
металла ...............................................................................................................82
Стр.4
4
Оглавление
3.6. Расчёт на прочность с ручным переносом аэродинамических
нагрузок в прочностную модель ......................................................................93
3.7. Искусственный приём автоматического переноса
аэродинамических нагрузок в прочностную модель с оболочками ..............95
3.8. Оценка устойчивости в линейной постановке .........................................97
3.9. Выводы .........................................................................................................97
Глава 4. Вибрационный анализ прибора
с подвижными элементами ............................................................................99
4.1. Постановка задачи ......................................................................................99
4.2. Особенности построения расчётной модели ..........................................100
4.3. Эффективные модели подшипников в задачах собственных
частот и вибрации ...........................................................................................108
4.3.1. Оценка радиальной жёсткости ..........................................................108
4.3.2. Оценка осевой жёсткости ...................................................................119
4.3.3. Виртуальные пружины как аналоги виртуальных
подшипников ................................................................................................123
4.3.4. Выводы по прогнозированию характеристик виртуальных
подшипников и пружин ...............................................................................126
4.4. Замена подшипников виртуальными сущностями
в расчётной модели прибора .......................................................................127
4.5. Моделирование приводов ........................................................................130
4.6. Вычислительная модель ...........................................................................131
4.7. Настройки вычислительного процесса ....................................................133
4.8. Сетка ..........................................................................................................134
4.9. Результаты по собственным частотам .....................................................137
4.10. Датчики ....................................................................................................147
4.11. Результаты расчётов при вибрационном нагружении .........................148
4.11.1. «Жёсткие» подшипники, возбуждение по z ....................................149
4.11.2. «Податливые» подшипники, возбуждение по z ..............................153
4.11.3. «Жёсткие» пружины, возбуждение по z ...........................................154
4.11.4. «Жёсткие» подшипники, возбуждение по x ....................................155
4.11.5. «Жёсткие» подшипники, возбуждение по y ....................................157
4.11.6. «Податливые» подшипники, возбуждение по x ..............................159
4.11.7. «Жёсткие» пружины, возбуждение по x ...........................................159
4.11.8. «Податливые» пружины, возбуждение по x ....................................161
4.12. Влияние демпфирующих свойств системы на динамику ....................162
4.13. Факторы, снижающие точность расчёта................................................164
4.14. Практическая ценность результатов .....................................................164
4.14. Выводы .....................................................................................................167
Стр.5
Оглавление
5
Глава 5. Рациональные алгоритмы и настройки
для расчёта гидродинамики центробежного насоса
с параметрическим анализом и оптимизацией ......................................168
5.1. Постановка задачи ....................................................................................169
5.2. Расчётная модель ......................................................................................170
5.3. Граничные условия и настройки вычислительного процесса ...............175
5.4. Анализ влияния настроек сетки на сходимость и точность ..................184
5.5. Учёт сжимаемости жидкости ...................................................................191
5.6. Анализ кавитации .....................................................................................194
5.7. Выводы из исследований по подготовке моделей и анализу
настроек вычислительного процесса .............................................................195
5.8. Параметрический анализ и оптимизация ..............................................197
5.9. Выводы из параметрических и оптимизационных исследований .......210
Глава 6. Динамика виброизолированных систем...................................211
6.1. Постановка задачи ....................................................................................211
6.2. Типовые конструкции виброизоляторов и их свойства .........................213
6.3. Типовые испытания ..................................................................................218
6.4. Термины и определения ...........................................................................221
6.5. Моделирование простой колебательной системы .................................223
6.5.1. Постановка задачи ..............................................................................223
6.5.2. Использование модели движения .....................................................223
6.5.3. Идентификация демпфирующих характеристик в модели
движения .......................................................................................................253
6.5.4. Моделирование простой колебательной системы
в прочностной модели .................................................................................255
6.5.5. Идентификация демпфирующих характеристик
в прочностной модели .................................................................................269
6.6. Вибрационный анализ в прочностной модели .......................................270
6.7. Оценка демпфирования в направлениях x и y ........................................275
6.8. Типовые схемы крепления аппаратуры посредством
виброизоляторов .............................................................................................278
6.9. Реализация практической модели динамических испытаний ..............279
6.9.1. Базовая геометрическая модель ........................................................279
6.9.2. Реализация динамической схемы в модели движения:
вибрация .......................................................................................................287
6.9.3. Динамика системы в модели движения: вибрация ..........................291
6.9.4. Динамика системы в модели движения: удар ..................................295
6.9.5. Реализация динамической схемы в прочностной модели ...............297
6.9.6. Динамика системы в прочностной модели: вибрация ....................306
Стр.6
6
Оглавление
6.9.7. Динамика системы в прочностной модели: случайные
колебания ......................................................................................................312
6.9.8. Динамика системы в прочностной модели: удар .............................316
6.10. Использование функционала нелинейной динамики
для имитации удара и вибрации ....................................................................321
6.11. Библиотеки и стандартные объекты ......................................................321
6.12. Перспективы............................................................................................325
6.13. Выводы .....................................................................................................325
6.14. Технические аспекты ..............................................................................326
Глава 7. Тепловой расчёт пульта нагрузок ................................................328
7.1. Постановка задачи ....................................................................................328
7.2. Адаптация геометрической модели для гидрогазодинамики ...............330
7.3. Расчётная модель ......................................................................................330
7.4. Иерархическое представление и присвоение граничных условий .......336
7.4.1. Локальная модель резистора ..............................................................337
7.4.2. Локальная модель арматуры резистора ............................................340
7.4.3. Локальная модель платы ....................................................................341
7.4.4. Локальная модель блока резисторов .................................................344
7.4.5. Глобальная модель прибора ...............................................................345
7.5. Особенности моделирования сетки (решётки) на входе и выходе ........347
7.6. Настройки расчётной сетки ......................................................................350
7.7. Настройки вычислительного процесса ....................................................353
7.8. Анализ вычислительного процесса ..........................................................357
7.9. Результаты и их интерпретация ...............................................................358
7.10. Оценка влияния постановки задачи на тепловое состояние
конструкции .....................................................................................................363
7.10.1. Гравитация и потенциал давления ..................................................364
7.10.2. Наличие сеток на входе и выходе .....................................................365
7.10.3. Условия снаружи ................................................................................368
7.10.4. Влажность ...........................................................................................371
7.11. Расчёт эффективных тепловых характеристик проволочного
сопротивления .................................................................................................373
7.11.1. Построение типовой ячейки .............................................................373
7.11.2. Эффективная теплопроводность по оси z .......................................376
7.11.3. Эффективная теплопроводность по оси x .......................................379
7.11.4. Удельная теплоёмкость .....................................................................381
7.11.5. Выводы по задаче расчёта эффективных тепловых
характеристик ...............................................................................................385
7.12. Анализ характеристик вентилятора для использования
в расчётной модели .........................................................................................385
7.13. Эффективные характеристики сетки как пористой среды ..................394
Стр.7
Оглавление
7
7.14. Выводы .....................................................................................................399
7.15. Доработка модели по результатам анализа ..........................................400
Глава 8. Тепловой расчёт редуктора с принудительным
воздушным и водяным охлаждением ......................................................409
8.1. Постановка задачи ....................................................................................409
8.2. Традиционная методика полуэмпирического анализа .........................411
8.3. Методология совместного использования численного метода
и полуэмпирического расчёта ........................................................................412
8.4. Адаптация геометрической модели для гидрогазодинамики ...............413
8.5. Расчётная модель ......................................................................................419
8.6. Результаты и их интерпретация ..............................................................432
8.7. Выводы .......................................................................................................437
Глава 9. Гидродинамический тепловой анализ
автомобильного радиатора – многоуровневая модель .......................438
9.1. Постановка задачи ....................................................................................439
9.2. Варианты построения вычислительной модели ....................................442
9.3. Структура многоуровневой модели .........................................................444
9.3.1. Радиатор ..............................................................................................445
9.3.2. Трубка для пограничного слоя ...........................................................447
9.3.3. Трубка для сопротивления условной среды ......................................455
9.3.4. Пористая среда для местного сопротивления в трубке ....................459
9.3.5. Пористая среда для сопротивления блока трубок ............................461
9.3.6. Сопротивление по воде с местными сопротивлениями трубок ......463
9.3.7. Сопротивление по воде на глобальной модели с блоком,
имитирующим пакет трубок........................................................................467
9.3.8. Ячейка для теплоотдачи от воды к воздуху ......................................473
9.3.9. Учёт изменения температуры по высоте ..........................................490
9.3.10. Поправка по мощности на излучение трубок и пластин
в среду ...........................................................................................................495
9.3.11. Поправка по мощности на теплообмен окружения
с бачками и рамой ........................................................................................498
9.3.12. Полная мощность ..............................................................................504
9.3.13. Ячейка для воздушного сопротивления ..........................................505
9.3.14. Полное воздушное сопротивление ..................................................507
9.4. Составляющие теплоотдачи и интегральные характеристики
радиатора .........................................................................................................508
9.5. Выводы по расчёту исходной конструкции .........................................509
9.6. Улучшение тепловых характеристик .......................................................510
9.7. Расчёт модифицированной конструкции ...............................................515
Стр.8
8
Оглавление
Глава 10. Термоупругость автомобильного радиатора .........................519
10.1. Постановка задачи ..................................................................................520
10.2. Варианты построения геометрической расчётной модели .................520
10.3. Эффективные свойства однородной среды, имитирующей
массив пластин ................................................................................................522
10.3.1. Эффективные свойства в направлении оси z ..................................524
10.3.2. Эффективные свойства в направлении оси x ..................................532
10.3.3. Эффективные свойства в направлении оси y ..................................535
10.3.4. Термоупругое состояние ...................................................................538
10.3.5. Эффективные свойства в плоскости yz ............................................542
10.3.6. Эффективные свойства в плоскости zx ............................................550
10.3.7. Эффективные свойства в плоскости xy ............................................552
10.3.8. Вычисление эффективных характеристик по результатам
виртуальных экспериментов .......................................................................557
10.3.9. Выводы по расчёту эффективных характеристик ..........................559
10.4. Расчётная модель радиатора ..................................................................561
10.5. Настройки вычислительного процесса .................................................564
10.6. Результаты и их интерпретация .........................................................571
Глава 11. Кинематика, динамика и точность
циклоидальных передач ..............................................................................577
11.1. Описание циклоидальной передачи .....................................................577
11.2. Решение для кинематической системы ................................................579
11.3. Решение для динамической системы ....................................................586
11.4. Анализ точности механизма ..................................................................594
11.5. Выводы .....................................................................................................596
Глава 12. Расчёт четырёхпролётного анкерного участка
линии электропередачи ................................................................................597
12.1. Постановка задачи ..................................................................................597
12.2. Расчётная модель ....................................................................................598
12.3. Расчёт по упругой нелинейной модели для одной плети ....................599
12.4. Расчёт по модели движения для одного пролёта .................................605
12.4. Расчёт по модели движения для трёх пролётов с гирляндами ............617
12.5. Учёт других нагрузок ..............................................................................622
12.6. Выводы .....................................................................................................625
Глава 13. Опорожнение бака с воздухом через клапан .......................626
13.1. Постановка задачи ..................................................................................626
13.2. Методологические особенности задачи опорожнения сосуда ............627
10.7. Термоупругая модель с переменной температурой .............................571
10.8. Выводы .....................................................................................................576
Стр.9
Оглавление
9
13.3. Расчёт посредством калькулятора: исходные данные .........................630
13.3.1. Вычислительная модель для расчёта массового расхода
в нестационарной постановке .....................................................................631
13.3.2. Использование калькулятора: процедура и результаты ................641
13.4. Пошаговая имитация сброса давления .................................................644
13.4.1. Вычислительная модель ...................................................................644
13.4.2. Пошаговый алгоритм с учётом неизотермического
характера процесса ......................................................................................645
13.4.3. Реализация пошагового алгоритма во Flow Simulation..................649
13.4.4. Сравнение результатов калькулятора и численного расчёта ........655
13.5. Выводы .....................................................................................................656
Литература ........................................................................................................657
Стр.10