Исследования надежности индивидуального снаряжения (часть 2. Расчет)

Здравствуйте, в данной статье я продолжу тему, начатую ранее. В данной части статьи будет более подробно рассмотрено построение геометрии, расчеты и их анализ. В аналогию снова приведу, схожую по тематике, статью Дианы.

Построение геометрии

В качестве САПР, в которых выполнялась работа, были выбраны:

Для построения 3-хмерной модели:

1. SolidWorks 2008;
2. Autodesk Inventor Professional 2013.

Для расчета:

1. Femap;
2. Ansys Mechenical APDL;
3. Autodesk Simulation Multiphisics.

Размеры для модели брались с реальной конструкции. Карабин был изначально построен в SolidWorks, а затем, по аналогии, строился в Autodesk Inventor. Наиболее часто использовались операции:

• выдавливание (Insert > Boss/Base > Extrude);
• вырезание (Insert > Сге > Extrude);
• выдавливание по направлению (Insert > Boss/Base > Sweep);
• тело вращения (Insert > Boss/Base > Revolve);
• создание плоскостей для рассечения (Insert > Surface > Extrude);
• разделение твердого тела на несколько тел с помощью опорных кривых (Insert > Features > Split).

Первым эскизом было создание основной формы карабина. Далее показана дуга, с созданными креплениями для защелки; вид полностью построенной модели карабина, затем изображен процесс разрезания геометрии для структурированной сетки и изображена дуга карабина, разрезанная на восьмиугольные элементы.

Создание основной формы карабина

Дуга, с креплениями

Конечная модель карабина

Разрезание геометрии

Дуга, разрезанная на восьмиугольные элементы

После создания геометрической модели необходимо было перейти к конечно-элементной. Для этого в Femap импортировался файл в нейтральном формате *.x_t, сохраненный ранее в программе SolidWorks. В Femap, в пункте Model > Property > Elem/Property Type указываем, что мы работаем с моделью, состоящей из твердых тел (Solid). После этого были заданы свойстка материала: модуль упругости, равный 2,1е11 Па и коэффициент Пуассона, равный 0,3. Наложены условия закрепления, задана нагрузка в виде силы в 7000 H и проводилась разбивка на КЭ автоматически генерируемой сеткой с заданием минимального количества элементов на линию и размером элемента. Для ANSYS, используя инструменты FEMAP, генерировался командный файл, включающий в себя КЭ сетку, нагрузки, свойства материала и тип решаемой задачи. В Autodesk Simulation использовалась модель, созданная в Autodesk Inventor, т.к. с импортом детали в нейтральных форматах и импортом КЭ модели возникли некоторые трудности. Отдельно задавались нагрузки, закрепления, материал и производилась разбивка на КЭ сетку. На рисунках ниже показаны внешний вид сетки полученной в Femap при автоматической разбивке на конечные элементы с указанием минимального размера КЭ на линиях и структурированная КЭ сетка.

Внешний вид автоматической сетки

Внешний вид структурированной сетки

Результаты расчетов

На этом о построении, думаю, достаточно. Поэтому перейду к результатам расчета. Основной задачей данной курсовой работы было знакомство с конечно-элементным комплексом, проведение ряда тестовых расчетов и анализ полученных данных. Для того чтобы иметь базу для сравнения, были проведены 12 тестовых расчетов, при различных размерах сетки и в различных САЕ пакетах. Конструкция находится под действием силы, приложенной на одну из поверхностей. В течение расчетов не менялись характеристики материала, закрепления, тип элемента.

На рисунках ниже отображены картины распределения суммарных узловых перемещений и максимальных эквивалентных напряжений. Размер КЭ в результатах, приведенных ниже равен 0,001м. В качестве модели приведения к эквивалентным напряжениям была взята модель, принятая фон Мизесом.

Перемещения

Напряжения

В результирующей таблице приведены значения эквивалентных напряжений, размеры используемых сеток, приблизительное число узлов и элементов и разницы в процентах с КЭ в 2 раза меньшими, чем сравниваемые.

В рамках данной работы не ставилась задача максимально точного решения задачи о нахождении НДС конкретной конструкции. Картина распределения НДС не менялась с измельчением сетки. Под разностью результатов понималось отношение разности значений сравниваемой величины и той, с которой сравнивают к значению сравниваемой величины и умноженное на 100%. Под сравниваемыми величинами подразумевались эквивалентные напряжения.

Выводы

Невзирая на высокие напряжения в ~1200 МПа, при использовании высокопрочных инструментальных сталей с пределами текучести Ϭт выше 1200 МПа конструкция выдержит приложенную к ней нагрузку. Обращая внимание на то, что максимальные перемещения составили ~4мм, можно предположить, что высокие напряжения были получены в том числе и из-за линейной постановки задачи, без учета пластичности. Результаты, полученные в программых продуктах Femap, ANSYS и Autodesk Simulation практически совпадают, что может говорить о предположительной достоверности САЕ расчетов с реальными напряжениями в конструкции. В программах Femap и ANSYS для достижения результатов, отличающихся от умельченной в 2 раза сетки менее чем на 10%, потребовалось меньше ресурсов, т.е. результат достигался при более крупной сетке. В Femap и ANSYS сходимость была достигнута при размере элемента 2мм, а в Autodesk Simulation – для размера в 1мм.

В заключение предлагаю Вам посмотреть слайдшоу со всеми результатами в различных системах.

Ansys

FEMAP

Autodesk Simulation

Немного позднее будут опубликованы результаты защиты и более подробное описание проблем, с которыми столкнулся при выполнении курсовой работы.

С Уважением, Сергей Куценко.