Изделия из армированных материалов достаточно часто применяются в строительстве, машиностроении, спортивной и медицинской отраслях. Как правило, армированными называют изделия, внутри которых находятся специальные укрепляющие элементы – пластины или балки (волокна), имеющие бОльшую жёсткость по сравнению с основным материалом. В качестве примеров таких конструкций можно привести железобетонные блоки и изделия из композитных материалов.
Для удобной работы с композитами существует ANSYS Composite PrepPost, а вот способ моделирования отдельных армированных деталей и частей рассмотрим в данной статье.
Современный подход к моделированию изделий
В Mechanical APDL армирующие волокна удобнее всего моделировать при помощи специальных «армирующих» элементов. Эти элементы – REINF263, REINF264, REINF265 – связываются со стандартными элементами прочностного/термического анализа по общим узлам.
Если раньше пользователю было необходимо самому следить за совпадением узлов сеток деталей, то, начиная с версии ANSYS 18.0, доступен на данный момент самый передовой и удобный в использовании метод создания моделей с внедрёнными армирующими элементами, который называется «Mesh Independent Reinforcing». Как следует из названия, данный метод не зависит от сетки конечных элементов, поэтому пользователю не нужно следить за тем, чтобы узлы сеток основной и армирующей деталей совпадали.
Но, обо всём по порядку.
Сначала перечислим принимаемые допущения, о которых следует помнить при моделировании армирования:
- Размеры сечения армирующих волокон и балок, а также толщины армирующих пластин должны быть малы по сравнению с их длинами.
- Элементы основного материала скреплены между собой и не могут перемещаться относительно друг друга
- В прочностном анализе армирующие элементы не имеют жёсткости на изгиб, кручение и трансверсальный (из плоскости) сдвиг (для пластин). Таким образом, элементы воспринимают только осевые нагрузки.
- В термическом анализе температура не изменяется по сечению или толщине армирующих элементов.
- Армирующие элементы могут иметь свойства пластичности, ползучести, упрочнения/разупрочнения
Армирующие элементы бывают двух форм: дискретные (discrete) и распределённые (smeared).
При использовании дискретных элементов REINF264 (SECTYPE,SECID,REINF,DISC) каждое волокно/балка моделируется отдельно от остальных.
При использовании распределённых элементов (SECTYPE,SECID,REINF,SMEAR) армирующие части моделируются при помощи слоёв элементов REINF263 или REINF265, представляющих собой мембраны.
Алгоритм создания армированной модели
Как было отмечено выше, рассмотрим порядок действий для построения модели без необходимости обращать внимание на совместность узлов сетки деталей.
- При помощи стандартных средств ANSYS создаём твердотельную модель основного материала (возьмём 3D случай), строим сетку, задаём граничные условия и контакты, если требуется.
Основной материал может быть представлен элементами SOLID185, SOLID186, SOLID187, SOLID285, SOLSH190, SHELL181, SHELL281, BEAM188, BEAM189, PIPE288, PIPE289 и LINK180. - Создаём армирующие элементы (стержни или поверхности), находящиеся внутри модели основного материала, чтобы модели пересекались. Строим сетку при помощи стандартных инструментов.
- Создаём новый тип элементов MESH200 и присваиваем его армирующим частям.
- Задаём характеристики MESH200 элементов (площадь сечения армирующих волокон, расстояние между ними и пр.) при помощи команд SECTYPE, SECDATA и SECCONTROL.
- Используем команду EREINF.
EREINF - создаёт подходящий вид армирующих элементов
- находит пересечения между основной моделью и элементами MESH200
- создаёт элементы REINF26x на месте MESH200
В зависимости от взаимного расположения основных элементов и MESH200 команда EREINF работает немного по-разному.
Если коротко, то EREINF создаёт REINF26x элементы на месте MESH200 только там, где последние пересекаются с элементами основного материала.
Пример использования
В качестве примера работы методики создания армированных деталей приведём решение задачи трёхточечного изгиба двух деталей в Workbench (на рисунке ниже изображены симметричные части балок). Первая деталь укреплена восемью стальными балками, а вторая – двумя поверхностями. Для первой используется DISCRETE метод армирования, для второй – SMEARED.
Результаты расчёта с применением командных вставок приведены на рисунке ниже.
Более подробно о способе моделирования отдельных армированных деталей и частей читайте в статье блога.
CAE Expert - Интегратор технологий ANSYS и официальный партнер ANSYS на территории России и СНГ. Осуществляет продажи и внедрение программного обеспечения ANSYS, оборудования и технологий. Занимается разработкой учебных курсов, проводит обучение и повышение квалификации для специалистов на собственной образовательной базе. Выполняет инженерные расчеты для предприятий.
Более 25 лет уникального опыта на рынке цифровых технологий. Подразделение Группы компаний «ПЛМ Урал», которая специализируется на внедрении передовых CAD/CAE/CAM/CAI/PLM решений, предназначенных для цифрового сопровождения изделия на всех этапах его жизненного цикла. ГК «ПЛМ Урал» является одним из крупнейших поставщиков САПР в РФ.
