О применении армирующих элементов в Mechanical

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.

1. 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.
2. Создаём армирующие элементы (стержни или поверхности), находящиеся внутри модели основного материала, чтобы модели пересекались. Строим сетку при помощи стандартных инструментов.
3. Создаём новый тип элементов MESH200 и присваиваем его армирующим частям.
4. Задаём характеристики MESH200 элементов (площадь сечения армирующих волокон, расстояние между ними и пр.) при помощи команд SECTYPE, SECDATA и SECCONTROL.
5. 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:

Положение элементов MESH200 в модели	Действие команды EREINF
MESH200 полностью находятся внутри твердотельной детали	Работает
MESH200 полностью находятся вне твердотельной детали	Не работает
MESH200 частично находятся внутри твердотельной детали, частично – вне	Работает только для находящихся внутри элементов
MESH200 не параллелен элементам beam, link или pipe	Не работает
Находятся вне положения сечения beam, link или pipe элементов	Не работает
Частично находятся внутри сечения beam, link или pipe элементов	Работает только для находящихся внутри элементов
Не параллельны shell элементам или слоистым solid’ам	Не работает
Находятся вне shell элементов или слоистых solid’ов	Не работает
Частично находятся внутри shell элементов или слоистых solid’ов	Работает только для находящихся внутри элементов

 

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.

Командная вставка, создающая армирующие элементы на месте балок (Discrete армирование):

/prep7                               !Переходим из /SOL в /PREP7

esel,s,mat,,discrete1         !Выбираем только элементы с номерами материалов discrete элементов

esel,a,mat,,discrete2         !Параметрам discrete_ значения присвоены в ветви Geometry

esel,a,mat,,discrete3         !при помощи matid каждого из тел

esel,a,mat,,discrete4        

esel,a,mat,,discrete5

esel,a,mat,,discrete6

esel,a,mat,,discrete7

esel,a,mat,,discrete8

mmm1=3001                            !номер армирующего материала

sss1=2001                            !номер сечения армирующих элементов

eee1=1001                            !номер элементов для армирующих частей

mp,ex,mmm1,30e4,                     !Создаём новый материал с номером mmm1 для армирующих элементов

mp,nuxy,mmm1,0.2                     !Форма элементов - 4-узловые трёхмерные оболочки

et,eee1,mesh200,0                    !Создаём новый тип элементов mesh200 с номером eee1

sectype,sss1,reinf,discrete          !Создаём новый тип сечения с номером sss1

secdata,mmm1,0.28273,mesh            !Указываем материал и площадь сечения

seccontrol,0,1                !Опции для сопротивления растяжению/сжатию, удаление материала, занятого армирующими элементами                                 

emodif,all,type,eee1                 !Меняем построенные элементы на mesh200

emodif,all,mat,mmm1                  !Присваиваем новым элементам материал

emodif,all,secnum,sss1        !Указываем характеристики сечения

esel,a,mat,,discretesolid            !Выбираем только элементы основного материала

ereinf                               !Создаём армирующие элементы

alls                                 !Выбираем все элементы модели

/sol                                 !Возвращаемся в /SOL

 

Командная вставка, создающая армирующие элементы на месте пластин (Smeared армирование):

/prep7                               !Переходим из /SOL в /PREP7

esel,s,mat,,smeared1                 !Выбираем только элементы с номерами материалов smeared элементов

esel,a,mat,,smeared2                 !Параметрам smeared_ значения присвоены в ветви Geometry

mmm2=3002                            !номер армирующего материала

sss2=2002                            !номер сечения армирующих элементов

eee2=1009                            !номер элементов для армирующих частей

mp,ex,mmm2,30e4,                     !Создаём новый материал для армирующих элементов и его свойства

mp,nuxy,mmm2,0.2                    

et,eee2,mesh200,0                    !Создаём новый тип элементов mesh200 со срединными узлами

keyopt,eee2,1,6                      !Форма элементов - 4-узловые трёхмерные оболочки

emodif,all,type,eee2                 !Меняем построенные элементы на mesh200

emodif,all,mat,mmm2                  !Присваиваем новым элементам материал

emodif,all,secnum,sss2        !Указываем характеристики сечения

sectype,sss2,reinf,smear             !Создаём новый тип сечения

secdata,mmm2,100.5,5,,,mesh          !Указываем материал и площадь сечения

seccontrol,0,1               

esel,a,mat,,smearedsolid

ereinf                               !Создаём армирующие элементы                              

alls                                 !Выбираем все элементы модели

/sol                                 !Возвращаемся в /SOL

 

Результаты расчёта с применением данных командных вставок приведены на рисунке ниже.