Все ответы об инженерном анализе

Опция Inertia Relief в ANSYS Workbench Mechanical

Аватар пользователя Sergey Khrulev
0 7340

 

Рис 1: Подъемная нагрузка в центре плоской пластины, превышающая ее вес

Введение

В статическом анализе ANSYS Workbench Mechanical существует опция с названием Inertia Relief. Поясним принцип действия Inertia Relief на примере. Рассмотрим конструкцию с определенным весом, и вертикальной нагрузкой, которая этот вес превышает. Например, при квазистатическом моделировании летящего самолета с использованием распределенных нагрузок, скажем из CFD расчета, может возникнуть некоторая погрешность, разность между весом и подъемными силами. Без опор в вертикальном направлении, глобальная матрица жесткости является сингулярной, и решения не существует. Если в модели достаточно опор, чтобы избежать вертикального движения, но при этом нагрузка не совпадает в точности с весом, то в местах закрепления возникнут большие силы реакции. В анализе переходных процессов (transient analysis), при отсутствии вертикального ограничения, конструкция просто получила бы ускорение на разность между весом и приложенной силой, и, в итоге, двигалась бы и колебалась по ходу расчета. Inertia Relief же приводит МКЭ модель к точному равновесию по разности сил (приложенная сила минус вес) в статическом расчете за счет инерционных сил по всей конструкции, таким образом, что реакция в вертикальной опоре будет равна нулю. В зависимости от положения и направления приложенной силы по отношению к центру тяжести, ускорения могут присутствовать как в поступательных X, Y и Z направлениях, так и во вращательном виде вокруг тех же X, Y и Z направлений. Таким образом, Inertia Relief помогает уравновесить не до конца уравновешенную конструкцию, что бывает очень полезно при решении квазистатических задач.

При такой постановке задачи требуется, чтобы масса была адекватно представлена, опор было ровно столько, сколько нужно, чтобы предотвратить движение тела как жесткого целого, нагрузки были приложены, а сама опция Inertia Relief - активирована. Команду IRLF в ходе решения ANSYS введет самостоятельно.

Inertial Relief в модели Workbench Mechanical

В интерфейсе Workbench Mechanical опция Inertia Relief находится в статическом анализе, ветвь Analysis Settings - рис 2.

 

Рис 2: Включение Inertia Relief в статическом анализе

Согласно ANSYS help нужно учитывать следующие условия и ограничения:

Inertia Relief – это опция ИСКЛЮЧИТЕЛЬНО для линейного статического расчета
Чтобы уравновесить действующие нагрузки рассчитываются ускорения. Опоры в конструкции должны только исключать перемещение тела как жесткого целого (6 для 3D конструкции). Сумма сил реакции в точках закрепления будет нулевой. Ускорения вычисляются из матриц масс элементов и приложенных сил. Необходимо ввести данные для вычисления массы (например, плотность). Вычисляются как поступательные, так и вращательные ускорения.

  •  
    • Опция работает только с  линейным статическим расчетом
    • Нелинейности, элементы работающие, в узловой системе координат, осесимметричные или плоского деформированного состояния не допускаются.
    • Модели, содержащие и 2D и 3D типы элементов или условия симметрии не рекомендуется использовать.
    • Нагрузки прикладываются как обычно. Перемещения и напряжения вычисляются как обычно.
    • Симметричные модели не подходят для анализа с inertia relief.

Обратите внимание на необходимость иметь опоры, “достаточные только” для предотвращения движения тела как жесткого целого, и наличие массы в модели. Слабые пружины “Weak Springs” должны быть выключены.

 

Создание МКЭ модели с Inertia Relief

Так же, как и на рис 1, была создана плоская пластина, разбитая оболочечными элементами. Поверхность модели разделена на две части таким образом, что одна из этих частей является окружностью, к которой прикладывается направленное вверх давление . Гравитация направлена вниз.
 

Рис 3: Модель для статического расчета с приложенным поддерживающим давлением

На рис 3 и рис 4 видно, что к окружности было приложено удаленное перемещение Remote Displacement, в котором заданы нулевые перемещения и повороты по X, Y и Z, и деформируемое поведение (Deformable), чтобы не запрещать локальные деформации. Как упоминается далее, опирание по вершинам может оказаться более предпочтительным.
 

Рис 4: Remote Displacement для предотвращения движения тела как жесткого целого – 6 степеней свободы ограничены

В качестве проверки возьмем и силовую и моментную реакции при обработке результатов (рис 5). С опцией Inertia Relief они должны быть нулевыми.
 

Рис 5: Силовая и моментная реакции в Remote Displacement

Перемещения конструкции принимают вполне ожидаемую форму, как видно по рисунку 6. Конструкция приподнимается по центру, но вжимается вниз гравитацией и Inertia Relief ускорениями, приложенными таким образом, чтобы совпадать с чистой приложенной силой.
 

Рис 6: Перемещения по оси Y


В конце шага по времени, текстовый вывод решения содержит информацию по ускорениям Inertia Relief, уравновешивающим модель с нулевыми реакциями:

          *********  TOTAL LOAD SUMMARY  *********
                                              X-AXIS      Y-AXIS      Z-AXIS
 FORCES AT CENTER OF MASS.................. 0.80779E-26  10.189     0.96935E-26
 MOMENTS ABOUT ORIGIN......................-0.57601E-06 0.10340E-24-0.44384E-07
 MOMENTS ABOUT CENTER OF MASS..............-0.76797E-06 0.10340E-24-0.40969E-07


          *********  INERTIA RELIEF SUMMARY  *********
                                              X-AXIS      Y-AXIS      Z-AXIS
 INERTIA RELIEF TRANSLATIONAL ACCELERATIONS 0.12250E-21 0.15452E+06 0.14701E-21
 INERTIA RELIEF ROTATIONAL ACCELERATIONS...-0.38801E-04 0.13836E-23-0.74542E-06

 ****************************************************
 *************** FINISHED SOLVE FOR LS 1 *************

В данном примере ускорения являются нулевыми по всем направлениям кроме оси Y, поскольку давление действует по той же оси. Ускорения только уравновешивают приложенные нагрузки, поэтому нет и реакций в опорах, предотвращающих движение тела как жесткого целого. Это те самые ускорения, которые мы могли бы увидеть в анализе переходных процессов (transient analysis) если бы не учитывали вибрации в отклике. Реакции можно считать нулевыми - рис 7:
 

Рис 7: Силовые реакции в Remote Displacement можно считать нулевыми 

Моментные реакции также имеет смысл проверить - рис 8:
 

Рис 8: Моментные реакции в Remote Displacement можно считать нулевыми

Можно использовать и другие способы ограничения движения тела как жесткого целого, как на рис 9, где закреплены перемещения по оси Y (UY) в трех вершинах, по X (UX) – в двух вершинах, и по Z (UZ) – в одной:
 

Рис 9: Альтернативный способ опирания для предотвращения движения тела как жесткого целого

Опять же реакции можно считать нулевыми, и результаты по перемещениям хоть и очень близки, но все же не идентичны. На рис 10 вертикальные перемещения в диапазоне от 0.0 до 0.027502мм, в то время как на рис 6 - от -0.025613 до .0020924. Разница в итоговых перемещениях может быть вызвана влиянием удаленного перемещения на повороты оболочек. Как правило опирание по вершинам является предпочтительным.
 

Рис 10: Вертикальные перемещения при опирании на вершины

Идентичные результаты по напряжениям - рис 11:
 

Рис 11: Идентичные напряжения в двух случаях запрещения движения тела как жесткого целого

 

Выводы

Workbench Mechanical поддерживает Inertia Relief в статическом анализе, при выполнении определенных условий. Опция Inertia Relief активируется в Analysis Settings модуля static structural, и требует ровно столько закреплений, сколько нужно для предотвращения движения тела как жесткого целого по направлениям X, Y, Z, ROTX, ROTY и ROTZ. В итоге силы реакции в этих опорах должны получиться нулевыми. В текстовом выводе процесса решения можно посмотреть на ускорения, созданные силовым дисбалансом.

Материал взят с сайта simutechgroup.com

Добавить комментарий

Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии