46
Analiza numeryczna stanów przemieszczeń, odkształceń i naprężeń podczas procesu ...
Po włączeniu programu Ansys wymagane jest dokonanie następujących czynności w pulpicie startowym:
· Ustawienie licencji programu: License -> Ansys Multiphysics-Ls-dyna (1)
· Wybór folderu do pracy (2)
· Nazwanie symulacji (3)
Rys. 3.1. Pulpit startowy programu Ansys 10
Następną czynnością jest określenie zakresu obliczeń. Badane zjawisko ma charakter strukturalny (Structual). Jego dynamiczna specyfika wymusza zastosowanie algorytmu obliczeń metody różnic centralnych (Ls-dyna Explicit), który szerzej opisany jest w rozdziale 2.3.
Korzystając z menu bocznego należy uruchamiać okno preferencji Main menu -> Preferances (1). Następnie wybrać moduł Structural (2) i algorytm obliczeń Ls-dyna Explicit (3).
Rys. 3.2. Określenie zakresu obliczeń
W badanym modelu występują dwa elementy ukazane na schemacie (Rys. 1.2.). Do wprowadzana ich geometrii wymagana jest znajomość następujących parametrów:
Geometria blachy:
l = 0,1 [m]
k = 0,1 [m]
h = 0,006 [m]
d = 0,006 [m]
g = 0,001 [m]
r = 0,0005 [m]
Średnica kuli:
D = 0,01 [m]
Najpierw tworzone są punkty jednego z profilów blachy. Należy otworzyć okno dialogowe Main menu -> Preprocesor -> Modeling -> Create -> Keypoints -> On Working Plalne (1), podać wartość pierwszego punktu (2) i zatwierdzić (3). Czynności te są powtarzane dla każdego z wprowadzanych punktów.
Rys. 3.3.1 Tworzenie punktów
Następnie powstałe punkty łączy się za pomocą linii - okno dialogowe Main menu -> Preprocesor -> Modeling -> Create -> Lines -> Straight Line (1), należy wypisać numery punktów, które mają zostać połączone (2) i zatwierdzić (3). Czynności te należy powtórzyć dla każdej z wprowadzanych linii.
Rys. 3.3.2. Tworzenie linii
W celu wiernego odtworzenia geometrii należy zaokrąglić naroża przekroju blachy.-okno dialogowe Main menu -> Preprocesor -> Modeling -> Create -> Lines -> Line Fillet (1), podać numery linii, których naroże ma być zaokrąglone (2), zaakceptować wybór krawędzi (3), określić promień zaokrąglenia (4) i zatwierdzić (5). Czynności te należy powtórzyć dla każdego zaokrąglenia.
Rys. 3.3.3. Zaokrąglanie naroży
Kolejnym etapem jest wyciągnięcie gotowego profilu tak, aby powstała z niego płaszczyzna. Proces ten należy podzielić na trzy fazy, co jest konieczne do wykonania prawidłowej dyskretyzacji. Należy otworzyć okno dialogowe Main menu -> Preprocesor -> Modeling -> Operate -> Lines -> Along Lines (1), włączyć opcje Box (2), zaznaczyć linie profilu blachy (3), zaakceptować wybór linii (4), zaznaczyć linie pomocniczą, na której długość zostanie wyciągnięty profil (5) i zatwierdzić (6). Czynności te należy wykonać jeszcze dwukrotnie, analogicznie dla kolejnych profili.
Rys. 3.3.4. Wyciąganie linii w płaszczyznę
Rys. 3.3.5. Obrazy poszczególnych etapów wyciągania
Ostatnią czynnością tworzenia geometrii blachy jest sklejenie wyciągniętych fragmentów tak, aby tworzyły jednolity element - okno dialogowe Main menu -> Preprocesor -> Modeling -> Operate -> Booleans -> Glue -> Areas (1), należy włączyć opcję Box (2), zaznaczyć sklejane fragmenty (3) i zatwierdzić (4).
Rys. 3.3.6. Klejenie powierzchni
2. Tworzenie geometrii kuli:
Aby stworzyć kule należy otworzyć okno dialogowe Main menu -> Preprocesor -> Modeling -> Create -> Volumes -> Sphere -> Solid Sphere (1), określić położenie i promień kuli (2), oraz zatwierdzić (3).
Rys. 3.3.7. Tworzenie kuli
Wymagana jest zmiana położenia kuli, tak by znajdowała się ponad środkiem blachy - okno dialogowe Main menu -> Preprocesor -> Modeling -> Move/Modify -> Volumes (1), zaznaczyć przemieszczany element (2), zaakceptować (3), określić wartość przemieszczenia po osi Z (4) i zatwierdzić przemieszczenie (4).
Rys. 3.3.8. Przesunięcie kuli
1. Typ elementu:
Geometria blachy i możliwość rozpatrywania problemu jedynie za pomocą modelu przestrzennego wymusiła zastosowanie elementu typu shell przeznaczonego dla geometrii płaskościennej. Moduł Ls-dyna posiada element tego typu o linowej funkcji kształtu (Shell 163). Rys. 3.4.1
Dla drugiego ciała – kuli zastosowano element przestrzenny typu solid (Solid 164).
Tematyka typu elementu szerzej opisana jest w rozdziale 2.2.1.
Rys. 3.4.1. Budowa elementu typu Shell 163 [10]
Aby określić typ elementu, którym ma być podzielona geometria należy otworzyć okno dialogowe Main menu -> Preprocesor -> Element Type -> Add/Edit/Delete (1), dodać nowy typ elementu Add…(2), wybierać typ elementu dla blachy Thin Shell 163 (3), i zaakceptować przez Apply (4).
Rys. 3.4.2. Definiowanie typu elementu dla blachy
Analogicznie postępujemy dla określenia typu elementu dla kuli. Dodanie nowego typu elementu Add… (1), wybranie odpowiedniego typ elementu 3D Solid 164 (2), zatwierdzenie (3) i zamknięcie okna Element Type (4).
Rys. 3.4.3. Definiowanie typu elementu dla kuli
2. Charakterystyka materiałowa:
Do określenia właściwości materiałów służy model charakterystyki materiałowej. Tradycyjnie elementem wyjściowym jest statyczna charakterystyka materiału naprężenie (s ) - odkształcenie (e ). Charakterystykę tę traktuje się jako liniową, gdzie podstawowym parametrem jest moduł sprężystości. Przyjmując tak daleko idące uproszczenia, analiza zjawisk udarowych nie odzwierciedla w pełni rzeczywistości. Dotychczasowe tendencje w tym zakresie dotyczą głównie modeli ciągłych, w których związki w zakresie deformacji nietrwałych przyjmowane są na ogół jako liniowo-sprężyste, opisane modułem Younga i współczynnikiem Poissona. Zaś w zakresie deformacji trwałych przyjmuje się rozmaite złożone zależności, tworzone pod kątem różnych materiałów (np. funkcja płynięcia Hubera–Misesa, model Perzyny, model Cowpera–Symondsa, funkcje izotropowego zniszczenia itp.) [11].
Blachę falistą o kinematycznym wzmocnieniu plastycznym odwzorowuje zastosowany model Cowpera–Symondsa. Model Cowpera–Symondsa szerzej opisany jest w rozdziale 2.4.
Badana blacha wykonana jest ze stali St3 i posiada następujące parametry materiałowe:
Dane materiałowe stali St3:
moduł Younge’a - 200e9
moduł Poisona - 0.27
gęstość - 7865
granica sprężystości - - 310e6
moduł umocnienia - 610e6
naprężenia krytyczne - - 0.75
Parametr C - 40
Parametr P - 5
Element uderzający - kula jest ciałem nieodkształcalnym, to też jej model materiałowy jest znacznie mniej skomplikowany. Jest ona wykonana ze stali St45 a jej parametry materiałowe wyszczególnione są poniżej:
Dane materiałowe stali St45
moduł Younge’a - 210e9
moduł Poisona - 0.30
gęstość - 7800
W celu zamodelowani materiału blachy należy otworzyć okno dialogowe Main menu -> Preprocesor -> Material Props -> Material Models (1), wybrać z dostępnych opcji model odpowiadający właściwością badanej blachy LS- DYNA > Nonlinear > Inelastic > Kinematic Hardening > Plastic Kinematic (2), uzupełnić tablice stałych materiałowych (3) i zatwierdzić (4).
Rys. 3.4.4. Definiowanie charakterystyki materiałowej blachy
Aby dodać nowy model materiałowy należy z belki menu wcisnąć Material -> New Model… (1), podać numer ID nowego materiału (2) i zatwierdzić (3).
Rys. 3.4.5. Tworzenie nowego modelu
Następnie należy stworzyć model materiałowy kuli LS- DYNA -> Rigid Material (1), uzupełnić tablice stałych materiałowych (2), zatwierdzić (3), a następnie zamknąć okno definiowania materiału (4).
Rys. 3.4.6. Definiowanie charakterystyki materiałowej kuli
Aby nadać odpowiednią grubość blachy należy nadać grubość typu elementu Shell. W tym celu należy otworzyć okno dialogowe Main menu -> Preprocesor -> Real Constans (1), następnie Add…(2), wybrać typ elementu Shell163 (3), zaakceptować wybór elementu (4), zaakceptować numer identyfikacyjny właściwości elementu (5), wpisać wartości grubości dla każdego noda elementu (6) i zatwierdzić (7).
...
maciaszek