1. Введение
В этой статье на простом примере рассматривается моделирование троса с использованием Femap with Simcenter Nastran (обратите внимание, что тросом считается элемент модели, который может воспринимать только растягивающую нагрузку).
Хотя не каждый шаг в создании и решении модели детализирован, целью было предоставить достаточную информацию, чтобы позволить пользователю повторить анализ. Обратите внимание, что эта статья была создана на основе работы, выполненной с использованием Femap v12, но она должна быть в равной степени подходящей и для других версий Femap. Также обратите внимание, что единицы СИ использовались повсюду.
2. Модель / Анализ
Примером модели является простая квадратная стальная рама (балки «I») размером 2 х 2 м с «крепежным» тросом, проходящим по диагонали между двумя противоположными углами. Каркас стальной конструкции был смоделирован с использованием восьми балочных элементов с каждой стороны, а трос смоделирован с использованием одного стержневого элемента. Стержневой элемент (CROD в NX Nastran) может выдерживать растягивающие, сжимающие и скручивающие нагрузки, но не изгибающие нагрузки.
Балочные элементы BEAM ссылаются на линейный материал, но стержневой элемент ROD относится к материалу, который включает в себя «нелинейно-упругую» кривую напряжения-деформации – она используется для придания стержневому элементу его жесткости только при растяжении. Модель закреплена в двух нижних углах и подвержена сдвиговым нагрузкам, которые деформируют раму от квадрата до параллелограмма. Были проанализированы два варианта нагрузки - один вызывает сжатие в стержне, другой - натяжение. Модель была решена с использованием решения NX Nastran SOL 106 (нелинейная статика) — это необходимо для учета нелинейных свойств материала.
Конечно-элементная модель (только элементы) показана на рисунке 1.
3. Свойства материала
Были определены два свойства материала - одно для стальных балок BEAM («Steel BEAM» - см. рисунки 2 и 3), а другое - для троса ROD («Steel ROD - нелинейные» - см. рисунки 4, 5 и 6).
Обратите внимание, что материал для стержневого элемента ROD был определен как «нелинейно-упругий» материал (Nonlinear Elastic), и что он ссылается на функцию Stress vs. Strain Function, которая определяет кривую деформирования. При растяжении наклон кривой деформирования равен модулю упругости троса (в этом случае он был установлен равным модулю упругости материала). При сжатии наклон кривой деформирования устанавливается значительно меньшим.
Обратите внимание, что если предполагается, что стержневой элемент ROD не несет нагрузки при сжатии, то теоретически наклон кривой деформирования при сжатии будет равен нулю. Однако использование нулевого значения может привести к численным проблемам при анализе
модели, поэтому вместо этого определяется небольшое значение, отличное от абсолютного нуля. После анализа можно проверить осевое усилие в любом элементе стержня ROD, представляющем трос, подвергаемый сжатию, чтобы увидеть, является ли данная величина значительной. Если это так, то может быть целесообразным уменьшить значение наклона кривой деформирования при сжатии.
4. Физические свойства
Балочные элементы BEAM, представляющие стальной каркас, были определены как «I» балки, имеющие высоту 0,1 м, ширину 0,04 м и толщину 0,004 м - см. рисунок 7.
Стержневой элемент ROD, используемый для моделирования троса, был определен диаметром 0,02 м - см. рисунок 8.
Обратите внимание, что в диалоговом окне определения свойств элемента ROD (рисунок 8) нет возможности определить форму «поперечного сечения»
и, следовательно, данные свойств поперечного сечения должны быть определены напрямую. При желании требуемые данные о свойствах поперечного сечения можно получить, создав таблицу свойств балки BEAM для соответствующего сечения, а затем вручную скопировав значения в таблицу свойств для стержневого элемента ROD. Обратите внимание, что опция «Additional Options, кнопка «Cable» в диалоговом окне задания свойств стержневого элемента ROD (рисунок 8) следует игнорировать - эта опция не применяется, когда решателем является NX Nastran.
5. Закрепления
Модель была ограничена во всех степенях свободы, кроме вращения вокруг оси Z в двух узлах на нижнем краю рамы - см. рисунки 9 и 10.
6. Нагрузки
Нагрузка была приложена как узловая сила к одному из узлов в верхней части рамы. Фактически были определены два варианта нагрузки: Случай 1: 1000N в положительном глобальном направлении оси X - см. рисунок 11.
Случай 2: 1000N в отрицательном глобальном направлении оси X - см. рисунок 12.
Результаты этих двух вариантов нагружения позволяют оценить работу троса на сжатие и растяжение.
7. Настройка анализа
Модель была решена для обоих вариантов нагружения одновременно как нелинейный статический анализ NX Nastran SOL 106. Этот тип решения необходим для обеспечения учета нелинейных свойств материала, используемых для моделирования поведения троса. На рисунке 13 показан менеджер настроек анализа.
8. Результаты
Результаты анализа показывают, что поведение конструкции сильно различается для двух вариантов нагружения. Для «Случая 1» сила была приложена в положительном глобальном направлении оси X, тем самым подвергая стержневой элемент ROD сжимающей нагрузке. Результаты показывают пиковое смещение для рамы 3,26e-3 м и осевую силу в стержневом элементе -5,356e-5N (т. е. "Ноль") - см. рисунок 14.
Для «Cлучая 2» сила была приложена в отрицательном глобальном направлении оси X, тем самым подвергая стержневой элемент растягивающей нагрузке. Для этого варианта нагружения результаты показывают меньшее пиковое смещение для рамы 1,10e-3 м и осевую силу в стержневом элементе 1372,1 N - см. рисунок 15.
Следовательно, ясно, что стержень ROD действует желаемым образом, то есть переносит нагрузку только при воздействии натяжения, тем самым имитируя характеристики троса.
Попробуйте Siemens Femap и познакомьтесь с самыми современными возможностями моделирования в пре-/постпроцессоре Femap вместе с вычислительными возможностями ведущего в отрасли решателя Simcenter Nastran.
Посмотрите, как эти комплексные приложения для моделирования и анализа могут помочь Вам сэкономить деньги и сократить время выхода изделия на рынок благодаря оптимизированным проектам, уменьшению числа прототипов и натурных испытаний.
По этой ссылке Вы получите доступ к полной версии Siemens Femap: Base Module с дополнительным модулем Dynamic Response. Нет ограничений по количеству сохранений, размерам моделей или другим факторам, которые ограничивают Вашу способность моделировать и анализировать готовые проекты изделий.
.svg)
.jpg)
.jpg)
