книги / САПР изделий из композиционных материалов. Моделирование процессов деформирования и разрушения в среде ANSYS

i=1

:a22

E,i,i+1

i=i+1

*if,i,Le,4,:a22

Листинг 9.8. Пример использования условного оператора для создания цикла

Другие примеры использования условного оператора приведены в приложениях, использующих командный метод решения задачи.

9.4. Операторы ввода-вывода

Ввод данных

При вводе данных следует учитывать следующее:

–разделитель между считываемыми данными в полях − запятая;

–ввод форматный;

–размер числового поля − до 16 символов.

Диапазоны данных:

–вещественных чисел: ± 1,0Å−32... ± 1,0Å+32;

–целых чисел: 0...± 9 999 999;

–строковых переменных: до 130 символов. Имена файлов:

–ANSYS-ôàéë: до 32 символов, в том числе до 4 под расширение;

–пользовательский файл: полное имя: до 96 символов; имя каталога:

до 64 символов; имя файла (по умолчанию в текущем каталоге) − до 32 символов, в том числе до 8 под расширение.

Параметрическая замена в имени файла − %???%. Пример: M=5, TEST% M % → TEST5.

Считывание данных в массив осуществляется с помощью оператора

*VREAD èëè ìåíþ :
Utility Menu	Parameters	Array Parameters	Read from file...
èëè
Utility Menu	Parameters	Array Parameters	Define/Edit...
Utility Menu	Parameters	Array Parameters	Fill...

171

Синтаксис оператора *VREAD:

*VREAD, ParR, Fname, Ext, Dir, NCOL,

ãäå ParR − имя переменной массива, предопределенной оператором *SET; Fname − имя файла источника (максимум 32 символа), если отсутствует − чтение продолжается от текущего устройства ввода данных типа терминала (клавиатура); Ext − расширение имени файла (максимум 8 символов); Dir − имя каталога (максимум 64 символа), если этот параметр пропущен, обращение идет к текущему каталогу; NCOL − число столбцов матрицы для заполнения (значение по умолчанию = 1).

Считывание скалярных данных из файла осуществляется с помощью оператора *VREAD или меню:

Utility Menu Parameters Restore Parameters...

При форматном вводе описатель формата должен следовать сразу за оператором считывания. Допускаются описатели форматов в синтаксисе языка ФОРТРАН для вещественных (F, E, D) и строковых данных (А). Не допускаются описатели целых чисел (I) и управления списком (*).

Пример ввода массивов из файла текстового типа приведен в листинге 9.9:

count_sam = 69	! Число образцов
*DIM, AA, , count_sam	! Описание массива
*VREAD, AA(1), ‘A’, ‘txt’,	! Считывание из файла A.txt
(f5.1)	! текущего каталога
*DIM, BB, , count_sam	! Описание массива
*VREAD, BB(1), ‘B’, ‘txt’,	! Считывание из файла B.txt
(f4.1)	! примеры формата: 12.3, -4.5

Листинг 9.9. Фрагмент программы для ввода данных

Вывод данных

Вывод данных массива во внешний текстовый файл в отформатированной последовательности осуществляется с помощью команды *VWRITE или меню:

Utility Menu Parameters Array Parameters Write to file...

Синтаксис оператора * VWRITE:

*VWRITE, Par1, Par2, Par3, Par4, Par5, Par6, Par7, Par8, Par9, Par10,

172

где элементами данных Par1..Par10 могут быть параметры массива, скалярные параметры, символьные параметры (скаляр или массив) или константы, заключенные в апострофы.

Запись скалярных данных в файл осуществляется с помощью оператора * VWRITE или меню:

Utility Menu Parameters Save Parameters...

Пример программного кода для вывода данных в текстовый файл приведен в листинге 9.10.

count_sam = 69		Число образцов
Out_file=’res_tens_plastic’		Имя файла для вывода
/out,Out_file,txt,,		Вывод комментариев в файл
/com, N	S_integr	S_max S_min (MPa)! Заголовок
/out		закрыть файл для записи
……………………………………………
*DO,I,1,count_sam		___Начало Цикла по образцам___
……………………………………………
/out,Out_file,txt,,append
*vwrite,curr_num,(s_integr/B),		Добавление записей в файл
y_max,y_min
(F3.0,3x,f8.2,3x,f8.2,3x,f8.2)		формат вывода
/out		закрыть файл для записи
*ENDDO		___Конец цикла по образцам____

Листинг 9.10. Фрагмент программы для ввода данных

Командные файлы ANSYS-приложений создаются в любом текстовом редакторе, поддерживающем текстовую кодировку. Файл, как правило, состоит из блока ввода информации путем присвоения конкретных значений (числовых, строковых) формальным параметрам модели и исполняемой части. Возможна модульная организация программы с помощью оператора /INPUT, как это показано в прил. 17.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Аношкин А.Н. Теория и технология намотки конструкций из полимерных композиционных материалов: учеб. пособие / А.Н. Аношкин; Перм. гос. техн. ун-т. Пермь, 2003. – 118 с.

2.Басов К.А. ANSYS в примерах и задачах: Совместная работа в системах CAD и ANSYS / К.А. Басов. – М.: КомпьютерПресс, 2002. – 223 с.

3.Беляев Н.М. Методы теории тепловодности: учеб. пособие для вузов: в 2 ч. Ч. 1 / Н.М. Беляев, А.А. Рядно. М.: Высшая школа, 1982. 327 с.

4.Блох А.Г. Теплообмен излучением: справ. / А.Г. Блох, Ю.А. Журавлев, Л.Н. Рыжков. М.: Энергоатомиздат, 1991. 432 с.

5.Вильдеман В.Э. Структурно-феноменологическая модель механики и разрушения анизотропных композитов: метод. указания / В.Э. Вильдеман, А.А. Ташкинов, Р.Я. Газизов; Перм. политехн. ун-т. Пермь, 1991. 27 с.

6.Галагер Р. Метод конечных элементов. Основы: [пер. с англ.] / Р. Галагер. – М.: Мир, 1984. – 428 с.

7.Гуняев Г.М. Структура и свойства полимерных волокнистых композитов / Г.М. Гуняев. М.: Химия, 1981. 232 с.

8.Зенкевич О. Конечные элементы и аппроксимации: [пер. с англ.] / О. Зенкевич, К. Морган. – М.: Мир, 1986. – 318 с.

9.Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике: [пер. с англ.] / О. Зенкевич.

– Ì.: Ìèð, 1975. – 473 ñ.

10.Иванов В.В. Методы вычислений на ЭВМ: справ. пособие / В.В. Иванов. Киев: Наукова думка, 1986. 584 с.

11.Каплун А.Б. ANSYS в руках инженера: практ. руководство / А.Б. Каплун, Е.М. Морозов, М.А. Олферьева. – 2-å èçä., èñïð. – Ì.: ÓÐÑÑ, 2004. – 269 ñ.

12.Лежнева А.А. Метод конечных элементов: учеб. пособие / А.А. Лежнева, А.И. Цаплин, И.Н. Шардаков; Перм. политехн. ин-т. Пермь, 1981. 73 с.

13.Меткалф М. Описание языка программирования Фортран 90: [пер. с англ.] / М. Меткалф, Дж. Рид. М: Мир, 1995. 302 с.

14.Мещерский И.В. Сборник задач по теоретической механике / И.В. Мещерский. М.: Наука, 1986. 448 с.

174

15.Миронович Л.И. Основные понятия о композиционных материалах. Типы. Структура. Свойства: метод. указания для самостоятельной работы студентов / Л.И. Миронович, Ю.В. Соколкин; Перм. политехн. ин-т. Пермь, 1990. 18 с.

16.Наседкин А.В. Конечно-элементное моделирование на основе ANSYS. Программы решения статических задач сопротивления материалов с вариантами индивидуальных заданий / А.В. Наседкин. Ростов-н/Д, 1998. 44 с.

17.Сборник задач по сопротивлению материалов / под ред. В.К. Качурина. М.: Наука, 1970. 432 с.

18.Чекалкин А.А. Динамика и устойчивость композитных конструкций: учеб. пособие / А.А. Чекалкин, А.Г. Котов; Перм. гос. техн. ун-т. Пермь, 2006. – 66 с.

19.Чекалкин А.А. Лекции по механике конструкций из композиционных материалов / А.А. Чекалкин, А.А. Паньков; Перм. гос. техн. ун-т. Пермь, 1999. – 150 с.

20.Чигарев А.В. ANSYS для инженеров: справ. пособие / А.В. Чигарев, А.С. Кравчук, А.Ф. Смалюк. – М.: Машиностроение-1, 2004. – 512 с.

21.Ши Д. Численные методы в задачах теплообмена: [пер. с англ.] / Д. Ши. М.: Мир, 1988. 544 с.

22.Янишевская А.Г. Использование программного комплекса ANSYS при рас- четах тепловых процессов в машиностроении: учеб. пособие / А.Г. Янишевская, И.Н. Пергун. – Омск: Èçä-âî Îìñê. ãîñ. òåõí. óí-òà, 2001. – 95 ñ.

ПРИЛОЖЕНИЯ

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

Приложение 1

Плоский изгиб балок [16]

Рассмотрим классическую задачу сопротивления материалов о прямом изгибе в одной плоскости упругой многопролетной балки с кусоч- но-постоянными изгибными жесткостями. Внешними силовыми факторами, вызывающими такой изгиб, могут являться сосредоточенные силы, моменты и распределенные нагрузки с кусочно-линейным изменением интенсивности.

Требуется составить программу расчета конкретной задачи из данного класса так, чтобы при небольших изменениях можно было бы рас- считывать и другие подобные задачи. Сервис программы должен быть достаточно независимым от частной задачи и обеспечивать нахождение реакций опор, значений перерезывающих сил, изгибных моментов, изгибных напряжений и формы изогнутой оси балки. Результаты следует представить в текстовом и графическом видах.

В качестве примера рассмотрим изгиб балки из задачи 9.1 сборника задач по сопротивлению материалов [17]; расчетная схема представлена на рис. П1.1. Данная балка отнесена к декартовой системе координат 0XYZ òàê, ÷òî îñü Õ направлена вдоль оси балки, проходящей через центры тяжести поперечных сечений. Оси Y è Z направлены вдоль главных осей инерции сече- ния, а начало отсчета расположено в левом конце балки. Прямой поперечный изгиб здесь осуществляется в плоскости (0XY). В соответствии с данными, взятыми из условия и решения задачи, примем: à = 2 ì; q = 2 ò/ì; Ì = 2 ò·ì; Å = 2·106 êãñ/ñì2 (сталь); À = 28,9 ñì2; J =2030 ñì4; h = 20 см. Значение осевого момента инерции Jzz , площади поперечного сечения À и высоты h взяты из характеристик двутавра стальной балки с номером профиля 20 à.

176

Рис. П1.1. Расчетная схема конструкции

Вариант программы для пакетного режима ANSYS, предназначенной для решения данной задачи, показан ниже. Отметим, что подходящим КЭ для задач плоского изгиба является балочный элемент ВЕАМ3. Для этого элемента силы F считаются положительными, если их направления совпадают с положительным направлением оси (0Y). Наоборот, распределенные нагрузки q считаются положительными, если их направления противоположны направлению +Y. Наконец, моменты Ì = Ìz положительны при направлениях вращения против часовой стрелки. Степенями свободы КЭ ВЕАМЗ являются узловые перемещения UX, UY и угол поворота ROTZ.

Балку необходимо разбивать на КЭ ВЕАМ3 так, чтобы в пределах каждого элемента были бы постоянными изгибные жесткости EJzz, распределенные нагрузки менялись бы максимум линейно, а внутри элементов не находились бы опоры и точки приложения активных сил и моментов. Для рассматриваемой задачи достаточно всего два элемента ВЕАМ3. Здесь, однако, использованы три элемента одинаковой длины. Добавление «лишнего» элемента позволяет улучшить графические представления результатов, поскольку при построении графиков внутри отдельного элемента используется только 9 промежуточных точек (KEYOPT(9) = 9 для ВЕАМ3).

Последовательность действий через ГПИ:

– описать скалярные переменные N_el (число КЭ), abeam (длина одного пролета балки), f_r (имя текстового файла для вывода результатов), ext_r (расширение файла); меню:

Utility Menu Parameters Scalar Parameters...

Ввести в строке ввода: N_el = 3 Accept abeam = 200Accept f_r = ‘beam_3’Acceptext_r = ‘txt’AcceptClose

177

– задать тип КЭ; меню:

Main Menu → Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete Add

Beam → 2D elastic 3;

– задать геометрические характеристики сечения (двутавр ¹ 20а): площадь поперечного сечения (AREA = 28.9), момент инерции (IZZ = 2030) и высоту (HEIGHT = 20) балок в форме вещественных констант; меню:

Main Menu	Preprocessor	Real Constants Add/Edit/Delete				Add
– описать свойства материала; достаточно задать только модуль уп-
ругости (МПа); меню:
Main Menu	Preprocessor	Material Props ... ÅÕ			2å6.
Для более поздних версий ANSYS соответственно:
Main Menu	Preprocessor		Material Props		Material Models
Structural	Linear Elastic		Isotropic
– создать контурные узлы по координатам на плоскости; меню:
Main Menu	Preprocessor	Create Nodes		In Active CS →
NODE	Node Number		1
X,Y,Z	Location in active CS		0	0	0	Apply
NODE	Node Number		2
X,Y,Z	Location in active CS abeam			0	0	Apply
NODE	Node Number		3
X,Y,Z	Location in active CS		2*abeam	0	0	Apply
NODE	Node Number		4
X,Y,Z	Location in active CS		3*abeam	0	0	Apply

–создать линейные элементы по парам узлов в последовательности: 1 − 2; 2 − 3; 3 − 4; ìåíþ:

Main MenuPreprocessorCreateElements Auto NumberedThru Nodes выбрать узлы 1 и 2 Apply; выбрать узлы 2 и 3 → Apply è ò.ä.

–задать условия закрепления: заделка в узле 4 (ограничение по перемещениям и углу поворота) и подвижный шарнир в узле ¹ 1 (ограниче- ние по перемещениям по оси Y); ìåíþ:

Main Menu Preprocessor (Solution) (Define) Loads Apply DisplacementsOn Nodesвыбрать узел 4All DOFApplyвыбрать узел 1 UY OK;

– задать условия нагружения − описать распределенную нагрузку, приложенную к первому элементу балки; меню:

178

Рис. П1.2. Листинг результатов расчета реакции

Main Menu → Preprocessor (Solution)

→ (Define) Loads → Apply → Pressure → On Beams → выбрать первый элемент балки → OK → в диалоговом окне в поле VALI внести значение: 20 → OK;

– задать условия нагружения – изгибающий момент в узле 2; меню:

Main Menu → Preprocessor (Solution) → (Define) Loads → Apply → Force/Moment → On Nodes → выбрать узел 2 → OK → в диалоговом окне в поле Lab выбрать MZ, в поле VALUE внести значение: –2e5 →

OÊ;

– запустить решатель; меню:

Main Menu → Solution → Solve → Current LS;

– просмотреть опорные реакции (рис. П1.2); варианты меню:

Main MenuGeneral PostprocList ResultsReaction SoluAll items; Utility Menu → List → Results → Reaction Solution → All items.

Сравнить полученный результат со значениями из задачника, приведенными в табл. П1.1.

			Ò à á ë è ö à Ï 1 . 1
	Значения опорных реакций
	Ry ïðè õ = 0 (êãñ)	Ry ïðè õ = 3à (êãñ)		Ìz ïðè õ = 3à (êãñ·ñì)
Ответ из задачника	2570	1430		−2.56e+5
Решение ANSYS	2574.1	1425.9		−2.5556e+5

Приложение 2

Кручение стержней [16]

При решении задач кручения в рамках теории сопротивления материалов в ANSYS подходящими КЭ являются ВЕАМ4 и РIРЕ16. Эти элементы имеют степенями свободы узловые смещения UX, UУ, UZ и углы поворота ROTX, ROTY, ROTX в двух концевых узлах. С их помощью можно решать разнообразные задачи растяжения-сжатия, изгиба и кру- чения стержневых систем (в том числе и для сложного напряженного состояния).

Элемент ВЕАМ4 является обобщением плоского балочного элемента ВЕАМ3 на трехмерный случай. Если ось X − продольная ось элемента, то моментом, вызывающим кручение, будет момент МХ. Для задач кручения стержней требуется задавать модуль сдвига G = μ,

àтакже специальную геометрическую характеристику поперечного сечения Jk, которая для кругового сечения совпадает с полярным моментом инерции Jp. В списке констант (Real Constants) для элемента ВЕАМ4 находим моменты инерции IZZ, IXX и IXX на второй, третьей и восьмой позициях списка соответственно. При этом под моментом инерции IXX подразумевается крутящий момент инерции. IXX либо задается явно, либо вычисляется по формуле: IXX = IYY + IZZ, если IXX не определен явно или IXX=0. Для задания IXX можно использовать команду RMORE, R7, R8,…, R12 в виде RMORE, IXX или команду RMODIF.

Для стержней круглого сечения предпочтительнее использовать «трубчатый» КЭ РIРЕ16. Этот элемент представляет собой полую трубку, и для сплошного круглого стержня следует просто задать толщину трубки, равную радиусу сечения. Среди констант элемента (Real Constants) достаточно определить внешний диаметр OD и толщину стенки TKWALL: R, NSET, OD, TKWALL.

Âкачестве примера рассмотрим задачу 4.33 из [17]. Здесь стальной стержень круглого сечения с защемленными торцами скручивается двумя равными и одинаково направленными моментами Ì = 8·104 (кг·см). Геометрические данные задачи следующие: диаметр стержня d = 10 ñì;

à= 60 ñì; b = 80 см. Требуется определить реакции в заделках и угол закручивания в сечении õ = à + b/2 (ðèñ. Ï2.1).

180