Цель работы: получение навыков работы с программно-методическим комплексом ANSYS.
Теоретическая часть
Исследование проведения объекта с помощью ANSYS предполагает выполнение следующих действий:
Препроцессор ANSYS выполняет большинство своих операций на основе ключевых точек (keypoints), которые могут формироваться непосредственно пользователем как самостоятельные элементы или автоматически при формировании таких элементов как прямоугольник или окружность. При этом для окружности ключевыми точками, сформированными по умолчанию, будут ее центр и четыре точки, делящие окружность на четыре равные части.
Следует отметить, что в ANSYS нет возможности отмены последней операции, поэтому после правильно полученного результата рекомендуется запоминать его в рабочей базе данных.
Подготовка к выполнению работы
  1. Запуск программы: Пуск → Программы → ANSYS_ED_5.4 → Interactive
  2. В окне начального диалога необходимо указать имя работы (Initial jobname), например Lab1 и нажать кнопку RUN. В следующем появившемся окне нажать кнопку OK.
После этого появятся основные рабочие окна ANSYS (см. рис. 1):
Utility Menu — содержит набор утилит для работы с файлами, контроля, выбора, графического контроля, задания общих параметров.
Input— окно, позволяющее задавать команды (или только ее параметры) с клавиатуры.
Main Menu — основное меню первичных ANSYS-функций.
Toolbar — окно наиболее общих функций ANSYS, из которых необходима функция SAVE_DB — сохранение базы данных и, возможно, восстановление базы данных RESUM_DB — восстановление базы данных.
Output — окно вывода сообщений, которое необходимо для контроля.
Graphics — окно формирования графических изображений пре- и постпроцессора.
Рис. 1.  
Описание задачи
Исследовать напряженное состояние швеллера, изображение которого представлено на рис. 2.
Рис. 2.  
Размеры на рис. 2 указаны в метрах, (в системе СИ, с которой по умолчанию работает ANSYS).
Швеллер изготовлен из стали (модуль Юнга , коэффициент Пуассона ). Толщина — м.
Построение геометрии объекта
Задаем ключевые точки:
Main menu → Preprocessor → Modeling → Create → Keypoints → On Working Plane
Появляется следующее меню:
Рис. 3.  
В окне Input задаем парами (Х и Y), через запятую координаты ключевых точек. Заканчиваем ввод для каждой пары нажатием клавиши Enter. Список пар значений :
Таблица 1    
0,0
0.2,0
0.2,0.02
0.02,0.02
0.02,0.18
0.18,0.18
0.18,0.2
0,0.2

После последней пары нажимаем ОК в меню, показанном на рис. 3. Аналогичным образом заканчиваются все операции при наличии выпадающего меню. Если в процессе ввода ключевая точка не отобразилась в окне Graphics, следует выполнить команды:
Utility Menu → Plot → Replot
В результате выполнения в окне Graphics будем иметь следующий результат:
Рис. 4.  
Соединяем ключевые точки прямыми линиями:
Main menu → Preprocessor → Modeling → Create → Lines → Lines → Straight Line
Появляется меню создания линий. В окне Graphics c помощью мыши указываем начало и конец каждой линии с помощью соответствующих ключевых точек, начиная с точки с координатами 0,0. Заканчиваем операцию нажимая ОК в выпавшем меню.
Результат действий должен иметь следующий вид:
Рис. 5.  
Если результат совпадает с рис. 5, то сохраняем его в базе данных. Для этого в окне Toolbar нажимаем SAVE_DB, если нет, то необходимо его исправить с помощью удаления неправильно построенных элементов. Для этого следует обратиться к пункту удаления элементов.
Выполняем скругления во внутренней части швеллера:
Main menu → Preprocessor → Modeling → Create → Lines → Line Fillet
В окне Graphics с помощью мыши указываем две линии, на которых должно быть выполнено скругление и нажимаем ОК в выпавшем меню. Появляется меню, в котором указаны номера линий. В оконе RAD этого меню необходимо задать радиус скругления. Операцию Line Fillet необходимо выполнить дважды для нижнего и верхнего скруглений. После выполнения операции окно Graphics будет иметь следующий вид:
Рис. 6.  
Создаем окружность:
Main menu → Preprocessor → Modeling → Create → Lines → Arcs → Arcs → Full Circle
В окне Input задаем через запятую координаты центра окружности 0.02,0.18 — нажимаем Enter. Задаем координаты точки на окружности 0.025,0.18 и снова нажимаем Enter. Заканчиваем ввод нажатием кнопки ОК в выпавшем меню.
Создаем две области:
Первая область образуется внешним контуром детали, вторая — окружностью. После этого вычтем из первой вторую, получив таким образом нужную область.
Main menu → Preprocessor → Modeling → Create → Areas → Arbitrary → Bye Lines
С помощью мыши указываем все линии внешнего контура. Нажимаем ОК в выпавшем меню. Область закрашивается монотонным цветом. В Utilytes Menu выполняем команды Plot → Lines, для того чтобы увидеть окружность. Повторяем команду создания области:
Main menu → Preprocessor → Modeling → Create → Areas → Arbitrary → Bye Lines
В качестве линий образующих вторую область указываем четыре дуги окружности. Нажимаем ОК в выпавшем меню.
Выполняем команду:
Main menu → Preprocessor → Modelinig → Оperate → Booleans → Subtract → Areas
С помощью мыши указываем произвольную точку в большой области и нажимаем ОК в выпавшем меню, указываем точку внутри окружности и снова нажимаем ОК в выпавшем меню. В результате окно Graphics будет иметь следующий вид:
Рис. 7.  
На этом формирование облика изделия заканчивается.
Удаление элементов
В тех случаях, когда необходимо удалить неправильно построенный элемент, выполните команду:
Main Menu → Preprocessor → Modeling → Delete
Далее следует выбрать ключевые точки (Keypoints), линии (Lines) или области (Areas), которые могут быть удалены, как автономно, так и с подчиненными элементами. Например выбор пункта меню Area and Below вызовет удаление линий и ключевых точек, связанных с этой областью. Если подчиненные элементы принадлежат не только удаляемому элементу, они удалены не будут, о чем будет выдано предупреждение. После выбора соответствующего пункта меню следует указать элементы, подлежащие удалению (при этом они будут выделены). Заканчивается операция нажатием кнопки ОК в открывшемся меню.
Восстановление из базы данных
В любой момент работы может быть восстановлено состояние, которое было ранее сохранено в базе данных. Для этого в окне Toolbar необходимо выбрать пункт RESUM_DB, при этом все действия, выполненные после последнего сохранения будут потеряны.
Выбор типа конечного элемента
Для выбора типа конечного элемента следует выполнить следующую команду:
Main Menu → Preprocessor → Element Type → Add/Edit/Delete
Появляется выпадающее меню, в котором выбираем пункт Add. Появляется еще одно меню с библиотекой типов элементов. Выбираем вид анализа Structural Solid и тип элемента Quad 8node (четырехугольный восьмиузловой) и нажимаем ОК в этом меню. Таким образом, выбран 8-ми узловой элемент для анализа напряжений. В предыдущем меню появится первый тип элемента — PLANE82. Выбираем в этом меню пункт Options…, при этом появляется меню с параметрами элемента К3, К5, К6. Устанавливаем для параметра К3 значение Plane strs w/thk, что означает анализ напряжений с учетом толщины материала. Нажимаем ОК в этом меню и Close в предыдущем.
Задание свойств материала
Свойства материала задаются следующей командой:
Main Menu → Preprocessor → Material Props → Constant → Isotropic
Появляется окно с указанием типа материала, в котором нажимаем ОК, после чего откроется окно со свойствами материала. В этом окне задаем модуль Юнга (Young's Modulus EX) и коэффициент Пуассона (Poisson's ratio <minor> NUXY) . Нажимаем ОК в этом меню.
Задаем толщину швеллера, для чего выполняем команду:
Main Menu:Preprocessor → Real Constants…
В открывшимся меню выбираем пункт Add, во вновь появившимся меню нажимаем ОК. После этого появляется еще одно меню, в котором задаем толщину (THK) и нажимаем ОК. В оставшемся окне нажимаем Close.
Разбиение области на конечные элементы
Для разбиения области выполняем команду
Main Menu → Preprocessor → Mesh Tool…
Появляется окно Mesh Tool создания и модификации конечно-элементной сетки. Наиболее простой вариант создания сетки — автоматический. Для этого выбираем пункт Smart size и устанавливаем его значение с помощью горизонтально лифта равным 5. Затем нажимаем кнопку Mesh. Область разбивается на конечные элементы, сетка при этом отображается в окне Graphics. Окно Mesh Tool после этого можно закрыть, нажав Close.
Задание граничных условий и нагрузок
Выполняем команду:
Main Menu → Preprocessor → Solution → Loads → Apply → Structural → Displacement → On Nodes
С помощью мыши указываем узлы, перемещения которых по какой-либо координате должны быть равны нулю (правый и левый нижние углы) и нажимаем ОК в выпавшем меню. Появляется следующее меню, в котором следует указать тип закрепления узлов. Выбираем подпункты UX и UY и нажимаем ОК. В окне Graphics отображается закрепление узлов. После этого выполняем команду:
Main Menu → Solution → Loads → Apply → Structural → Forse/Moment → On Nodes
С помощью мыши указываем узел, к которому приложена сила (правый верхний). Появляется меню, в которм нуно указать направление действия силы: выбираем пункт FY и задаем значение, равное . Знак минус означает, что сила направлена противоположно положительному направлению оси Y. Нажимаем ОК в этом меню.
Решение
Выполняем команду:
Main Menu → Solution → Solve → Current LS
Появляется выпадающее меню, в котором нажимаем ОК. После решения появляется информационное окно, в котором нажимаем Close.
Просмотр результатов решения с помощью постпроцесора
Для просмотра результатов выполняем команду:
Main Menu → General PostProc → Read Results → Last Set
В этом подменю выполняем команду Plot Result → Deformed Shape. В открывшемся меню выбираем вид отображения в постпроцессоре — деформированное и недеформированное состояние (Def + undeformed) и нажимаем ОК. Получаем в масштабе исходное и деформированное состояние швеллера. В этом же меню выполняем команду Counter Plot → Element Solu… Откроется меню, в котором можно выбрать отображение напряжений по оси Х, по оси У и др.