Ферма в ANSYS: Динамика. Mechanical APDL 18.2

В программу МКЭ-Ф в скором времени будет добавлена возможность динамического анализа ферм. Для численных экспериментов, применим пока учебную версию ANSYS, которую можно бесплатно загрузить с официального сайта разработчика. Рассматривается динамическая задача. Её постановка, с точки зрения пользователя, отличается от статики только тем, что необходимо задавать два шага нагружения (англ. load step), указывать плотность материала и выставить нужные галочки при выборе типа анализа. Статья получилась большая. Ферма в ANSYS:

Ферма в ANSYS. Схема задачи А. — Схема задачи. Красной линией показана нагрузка, которая прикладывается в узле 5 вниз. Величина нагрузки в течение 0,01 с составляет -1000Н (удар — это первый шаг), а затем нагрузка резко снимается и ферма колеблется самостоятельно (второй шаг). Рассматриваемый участок состоит из двух шагов нагружения и имеет общую длительность 0,2 с.

Ферма в ANSYS: Содержание

Результаты задачи на собственные колебания.
Ход решения. Краткое описание.
Ход решения. Детальное описание.

Результаты задачи на собственные колебания

В статье о собственных колебаниях ферм были получены следующие результаты для задачи А:

Решение задачи А на собственные частоты фермы (ANSYS) — Решение задачи А на собственные колебания фермы (ANSYS). Первая частота собственных колебаний равна 160 Гц.

Теперь, когда мы будем рассматривать динамический отклик, главным образом постараемся выявить в полученном далее результате первую частоту, равную 160 Гц. Технически, наверное можно визуально выявить и вторую и третью частоты, но для этого следует как-то удачно подобрать ферму, точку приложения нагрузки и рассматриваемый узел.

Ход решения (ферма в ANSYS): краткое описание

Решение будет выполнено по следующему плану. Всего-то 26 шагов 🙂

Выбор отображаемых инструментов графического интерфейса.
Добавление в задачу нового типа конечного элемента (стержень — Link180).
Установка свойств материала: плотность, модуль Юнга, коэффициент Пуассона.
Контроль. Проверка при помощи инструмента List.
Добавление нового поперечного сечения. Установка характеристик сечения. Площадь.
Удобства. Работаем с WorkPlane. Настройка сетки. Отображение WorkPlane.
Создание узлов.
Создание элементов. Проверка наличия типа КЭ, поузловое создание КЭ.
Контроль. Проверка при помощи инструмента List.
Удобства. Настройка PlotCtrls. Нумерация КЭ, узлов и вывод на экран всех элементов разными цветами.
Новый переходный (Transient) анализ. Метод — Full.
Установка заделок. Для первого узла, для второго узла.
Установка нагрузки в узле 5.
Контроль. Результат на экране.
Настраиваем решение. Sol’n Controls. Вкладки Basic и Transient. Время действия первого шага нагружения 0,01 сек.
Шаг нагружения готов. Сохранение шага нагружения.
Контроль. Просмотр всех команд в Session Editor.
Начинаем работу над вторым шагом. Снимаем нагрузку с 5-го узла.
Установка нового значения конечного времени для второго шага нагружения (0,2 сек).
Запись второго шага нагружения со снятой нагрузкой.
Контроль. Файлы s01 и s02 в папке задачи. Содержимое файла первого шага нагружения.
Ферма в ANSYS. Решение задачи.
Обработка результатов. Выбор данных, выбор интересующего узла, вывод графика.
Контроль. Результирующий график на всем отрезке времени моделирования.
Сокращение временного интервала для построения графика.
Анализ частоты.

Ход решения: детальное описание

1 Выбор отображаемых инструментов графического интерфейса

Выбор дисциплин (отображаемых инструментов).

2 Добавление в задачу нового типа конечного элемента (стержень — Link180)

Динамический отклик фермы. Выбор типа КЭ (стержневой элемент).

3 Установка свойств материала: плотность, модуль Юнга, коэффициент Пуассона

4 Контроль. Проверка при помощи инструмента List

Материал (проверка) — Материал (проверка при помощи инструмента List).

5 Добавление нового поперечного сечения: Установка характеристик сечения, площадь

Сечение - новый ID — Сечение — новый ID.

Сечение - имя и площадь. — Сечение — устанавливаем имя и задаем площадь.

6 Удобства. Работаем с WorkPlane. Настройка сетки. Отображение WorkPlane

Настройка WorkPlane ANSYS 18.2. — Настройка WP. Вход.

7 Создание узлов

Создать узлы на WP. Настройка WorkPlane п.6 позволяет быстро и точно размещать узлы в рабочем окне.

8 Создание элементов. Проверка наличия типа КЭ, поузловое создание КЭ

Атрибуты новых КЭ. Проверка наличия нужных типов КЭ (Link180).

Создание первого КЭ. — Создание первого КЭ, от 1-го до 2-го узла.

9 Контроль. Проверка при помощи инструмента List

10 Удобства. Настройка PlotCtrls. Нумерация КЭ, узлов и вывод на экран всех элементов разными цветами

Настройка нумерации. — Настройка нумерации в PlotCtrls.

Настройка нумерации - параметры. — Настройка нумерации — параметры.

11 Новый переходный (Transient) анализ. Метод — Full

Выбор анализа на динамический отклик - настройка типа. — Выбор анализа на динамический отклик — настройка типа.

12 Установка заделок

Создание заделки. Выбор узла. — Создание заделки. Выбор первого узла. Здесь заделка по всем степеням свободы.

Создание заделки. Выбор степеней свободы. — Создание заделки. Выбор степеней свободы, ограниченных в первом узле.

Создание заделки. Второй узел. — Создание заделки для второго узла аналогично. Выбор степеней свободы, ограниченных во втором узле.

13 Установка нагрузки в узле 5

Как выбрать узел для приложения силы — см. первый рисунок п.12. Вместо «Displacements» в сиреневом блоке дерева выбираем «Force/Moment». Если в случае заделки нам предлагалось выбрать закрепляемые степени свободы, то здесь выбираются компоненты прикладываемой к узлу силы.

14 Контроль. Результат на экране

Итог по лоадстепу. — Итог по созданию первого шага нагружения.

15 Настраиваем решение. Sol’n Controls. Вкладки Basic и Transient. Время действия первого шага нагружения 0,01 сек

Solution Controls - Basic. — Solution Controls — Basic. Длительность шага нагружения равна 0,01 с. Размер шага по времени в численном решении уравнений равен 0,0005 с.

Solution Controls - Transient. — Solution Controls — Transient. «Stepped loading» означает ступенчатый, скачкообразный характер нарастания нагрузке в начале шага нагружения. Далее нагрузка равна установленному значению в течение времени «Time at end of loadstep» (см. предыдущий рисунок).

16 Первый шаг нагружения определен. Сохранение шага нагружения

17 Контроль. Просмотр всех команд в Session Editor

18 Начинаем работу над вторым шагом. Снимаем нагрузку с 5-го узла

19 Установка нового значения конечного времени для второго шага нагружения (0,2 сек)

Настройка длительности второго шага нагружения. ANSYS v18.2 Transient. — Настройка длительности второго шага нагружения.

20 Запись второго шага нагружения со снятой нагрузкой

21 Контроль. Файлы s01 и s02 в папке задачи. Содержимое файла первого шага нагружения

Файл шага 1 (с нагрузкой). Нагрузка отмечена выделением в предпоследней строке.

Файлы шагов нагружения можно менять вручную перед запуском решателя.

22 Ферма в ANSYS. Решение задачи

Решение задачи на динамический отклик фермы в ANSYS 18.2 - с шага 1 до шага 2. — Решение — с шага 1 до шага 2.

23 Обработка результатов. Выбор данных, выбор интересующего узла, вывод графика

Выбор данных для визуализации. TimeHist Postproc.

Внимание! При построении графика должна быть выбрана строка UY_2.

24 Контроль. Результирующий график на всем отрезке времени моделирования

На данном графике видно, как ведет себя конструкция при ударе (т.е. до t=0,01 с) и после.

Во время удара, конструкция делает пару колебаний под нагрузкой, а затем, после снятия нагрузки колеблется с большей амплитудой.

25 Сокращение временного интервала для построения графика

Изменить диапазон времени. Настройка Time-History Properties.

26 Анализ частоты

При достаточно высоком разрешении по шагу, можно определять период колебаний довольно точно.

График от 0 до 0.012с. Для замера периода. Имеем: T = 0,0097 — 0,0036 = 0,0061 c.

Частота колебаний это величина, обратная периоду: f = 1/T = 1/0,0061 = 163,93Гц. Напоминаю, что согласно полученным в предыдущей статье данным, результат первой частоты составляет 160 Гц. Имеем отличие в 4 Гц.