Динамика и прочность, теплообмен, долговечность

Современная конкурентоспособная продукция должна одновременно удовлетворять требованиям прочности и безопасности при минимальной массе и стоимости изготовления. В связи с этим инженеры и конструкторы постоянно заняты вопросами снижения толщин и размеров, а также выяснением влияния этих изменений на прочность и долговечность.

В условиях конкурентной гонки все ведущие мировые промышленные компании сегодня пользуются передовыми средствами проектирования и расчётов. Математическое моделирование средствами ANSYS применяется в расчётах механики и теплообмена тысячами компаний по всему миру уже более 40 лет и постоянно развивается, включая в свой состав все современные разработки и технологии.

Сегодня при помощи ANSYS грамотный инженер может учесть все особенности проектируемой конструкции, такие как материалы, формы выточек и скруглений, условия нагружения и закрепления. Ещё до изготовления прототипа и его испытаний появляется возможность обоснованно внести в конструкцию изменения, необходимые для её надёжной работы. Это позволяет сократить срок разработки, количество натурных испытаний, а также качество изделий, следовательно, сэкономить значительную часть средств.

ANSYS предоставляет широчайший набор возможностей для расчётов задач механики и оптимизации.

Программные продукты ANSYS позволяют выполнять как общие расчеты, так и проводить глубокий детализированный анализ конструкций в области механики деформируемых твердых тел. Пользователям ANSYS доступны возможности проведения линейных, нелинейных, междисциплинарных анализов прочности. Инструменты моделирования ANSYS широко используются практически во всех отраслях промышленности. ANSYS популярен среди пользователей с различными знаниями: от инженеров-разработчиков до узких специалистов благодаря тому, что он включает в себя полный набор линейных и нелинейных элементов, материалов от металлов до резин и широкий выбор доступных решателей.

Очень широкий спектр линейных и нелинейных задач статики и динамики может быть успешно решён средствами ANSYS Mechanical. Средства моделирования ANSYS позволяют выполнять как общие расчеты, так и проводить глубокий детализированный анализ конструкций в области механики деформируемых твердых тел.

Расчёты, выполняемые при помощи ANSYS Mechanical:

  • Прочность изделий и сооружений при статическом нагружении в линейной и нелинейной постановке. Учёт множественного контакта между деталями. Учёт больших деформаций, нелинейных моделей материалов (пластические деформации в металлах, эластомеры, грунты и пр.) и нелинейных длительных процессов – ползучесть, нейтронное распухание. Учёт динамического изменения температурного поля
  • Расчет на устойчивость в линейной и нелинейной постановке, анализ закритического поведения конструкции
  • Механика разрушения — анализ критической длины трещины, а также анализ процессов расслоения и разрушения клеевого соединения
  • Расчет на прочность при вибрационном нагружении — анализ собственных форм и частот конструкции, расчет на прочность при вибрационном нагружении детали с заданным и случайным спектром, расчет роторной динамики
  • Расчеты долговечности машиностроительного изделия на основе анализа много- и малоцикловой усталости, моделирования накопления усталостных повреждений в процессе переменного нагружения и роста усталостных трещин
  • Расчеты на прочность при динамическом нагружении — удар, пробивание, смятие, разрушение, взрыв, землетрясение (Явная динамика)

Для решения уникальных по своей специфике задач определения нагрузок и воздействий на плавучие и морские сооружения разработан модуль ANSYS Aqua.

Для оценки долговечности работы изделия определения одного лишь напряжённо-деформированного состояния в большинстве случаев недостаточно. В самых простых моделях и случаях расчёт усталостной прочности допустимо производить при помощи аналитических методов. В сложных же случаях, при большом объёме модели, несимметричном нагружении, когда максимальные напряжения в различные моменты времени меняют своё расположение, без специальных инструментов не обойтись. ANSYS предлагает два программных решения оценки усталостной прочности и долговечности – это ANSYS Fatigue и ANSYS nCode.

Ряд производственных задач требует отыскания таких характеристик системы тел, как скорости, ускорения, а также усилия и моменты сил, передаваемые от детали к детали при больших поворотах и перемещениях. Несмотря на то, что такой тип задач можно в относительно простых случаях (при достаточно малых перемещениях относительно исходного положения) решать при помощи других солверов, оптимальным с точки зрения точности и затраченного времени является именно ANSYS Rigid Body Dynamic.

Моделирование движения шестерённого механизма

Использование композитных материалов – это перспективное направление развития множества отраслей промышленности, таких как авиакосмическая, автомобилестроительная, кораблестроение, оборонная промышленность, строительство и др. Однако расчёты конструкций, включающих композитные материалы, остаются сложными и трудоёмкими. Учёт слоистой структуры, анизотропных механических свойств, драпировки и различий характеристик материалов при сжатии и растяжении требует нестандартного подхода к моделированию. Модуль ANSYS Composite PrepPost включает в себя весь функционал, который может потребоваться для анализа многослойных композиционных структур.

Всесторонний анализ и инженерные расчеты обычно применяются как средство оценки характеристик прочности и надёжности деталей, узлов при заданном наборе CAD-размеров, нагрузок и свойств материалов.

Кроме того, расчеты можно использовать для разрешения вопросов «что, если»:

  • что произойдет, если нагрузка изменится на 10%?;
  • какие параметры действительно влияют на поведение системы, а какие – нет?;

На такие вопросы можно ответить после соответствующего параметрического исследования модели.

Выделяют два типа параметрического анализа: детерминированный и вероятностный. В первом случае предполагается, что все параметры непрерывно изменяются в пределах заданного диапазона (задавая пространство проектных параметров), а ожидаемый результат является непрерывным откликом различных характеристик. Детерминированный анализ – это первый шаг, который необходимо сделать для изучения особенностей изделия и поиска подходящей конструкции в пространстве проектных параметров. Когда допустимый вариант конструкции найден, необходимо задать следующий вопрос: насколько отказоустойчива полученная конструкция?

Ответ на этот вопрос даёт вероятностный параметрический анализ.

Нагрузки, размеры и свойства материалов являются недетерминированными параметрами. У размера есть определенный допуск, свойства материалов зависят от процесса изготовления, нагрузки могут изменяться в некоторой области. Как изменение этих параметров влияет на характеристики изделия? Какова вероятность отказа изделия? Ответы на эти вопросы можно получить при помощи инструмента ANSYS DesignXplorer.

Ещё один путь оптимизации конструкций основан на анализе топологии.

Топологическая оптимизация – это методы нахождения наилучшей с точки зрения прочности конструкции не привязанной к исходной CAD геометрией. В ANSYS топологическая оптимизация реализуется при помощи ACT расширения Topology Optimization.

Модель оптимизированной конструкции

Многие задачи, с которыми сталкиваются инженеры и исследователи, включают в себя эффекты из различных областей физики. К примеру, для определения прочности конструкции может быть необходимо учесть динамически изменяющееся поле температур, поле давления жидкости, газа, или влияние электромагнитного поля. Для таких расчётов в оболочке ANSYS Workbench, предусмотрена возможность переноса результатов одного расчёта для использования в другом, позволяющая объединять результаты (ANSYS Multiphysics).

ACT (Application Customization Toolkit) – это специальный набор инструментов автоматизации расчётов и расширения расчетных возможностей на базе ANSYS Mechanical в среде ANSYS Workbench. ANSYS ACT предоставляет широкие возможности для создания и настройки пользовательского функционала, а также реализации собственных уникальных расчётных методик.

На клиентском портале ANSYS доступно для скачивания большое количество готовых ACT-приложений. Все они разработаны для различных целей.

Продукты