ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΣΤΙΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΕΣ

ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΣΤΙΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΕΣ 2o Mάθημα: χρήση των CAD/CAM/CAE στην ανάπτυξη προϊόντων Λεωνίδας Αλεξόπουλος Βοηθοί διδασκαλίας: Δημήτριος Βενετσάνος, Γιάννης Μελάς

Άδεια Χρήσης Το παρόν υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons και δημιουργήθηκε στο πλαίσιο του Έργου των Ανοικτών Ακαδημαϊκών Μαθημάτων από την Μονάδα Υλοποίησης του ΕΜΠ. Για υλικό που υπόκειται σε άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναφέρεται ρητώς.

Εισαγωγή στο ANSYS Λεωνίδας Αλεξόπουλος Βοηθοί διδασκαλίας: Γεώργιος Κανακάρης, Νίκος Γεωργίου 3

Στάδια εργασιών στα FEA 1 ο / 2 o Στάδιο: Κατασκευή της γεωμετρίας 1 o / 2 ο Στάδιο: Ορισμός μηχανικών και φυσικών ιδιοτήτων των υλικών και επιλογή είδους πεπερασμένων στοιχείων 3 ο Στάδιο: Meshing: Διακριτοποίηση της γεωμετρίας και επιβολή οριακών συνθηκών 4 ο Στάδιο: Επιλογή τρόπου επίλυσης του προβλήματος (γραμμικό, μη γραμμικό, μεταβατικό, modal analysis) και ΕΠΙΛΥΣΗ 5 ο Στάδιο: Ανάγνωση και γραφική παράσταση αποτελεσμάτων 4

1 ο Κατασκευή γεωμετρίας 3 τρόποι κατασκευής γεωμετρίας: 1 ος Τρόπος: Απευθείας κατασκευή πλέγματος (Direct approach) (προσδιορισμός σχήματος και μεγέθους κάθε πεπερασμένου στοιχείου καθώς και τις συντεταγμένες κάθε κόμβου) PROS: Πλήρης έλεγχος γεωμετρίας CONS: Μόνο για πολύ μικρές και απλές γεωμετρίες 2 ος Τρόπος: Μέσω κατασκευής της γεωμετρίας (Solid modeling) Δημιουργία γεωμετρίας μέσω προσθαφαίρεσης (Boolean operators) βασικών γεωμετρικών σχημάτων και αυτόματη πλεγματοποίηση PROS: Εύκολος, γρήγορος τρόπος CONS: Η αυτόματη πλεγματοποίηση μπορεί να έχει λάθει 5

1 ο Κατασκευή γεωμετρίας 3 τρόποι κατασκευής γεωμετρίας: 3 ος Τρόπος: Εισαγωγή από CAD software Εισαγωγή γεωμετρίας μέσω αρχείου και στη συνέχεια πλεγματοποίηση Αποδεκτοί τύποι αρχείων:.igs (Initial Graphics Exchange Specification),.SAT (Standard ACIS Text),.x_t (Parasolid), CIF (Crystallographic Information File) Αποδεκτά αρχεία από: CATIA, Pro/Engineer, UniGraphics 6

1 ο Κατασκευή γεωμετρίας 3 τρόποι κατασκευής γεωμετρίας: 3 ος Τρόπος: Εισαγωγή από CAD software (παράδειγμα) Εικόνα 2.1: Εισαγωγή γεωμετρίας στο ANSYS 7

1 ο Κατασκευή γεωμετρίας Χρήση συμμετρίας Axisymmetry Rotational Reflective (planar) Repetitive (translational) Εικόνα 2.5: Συμμετρικές γεωμετρίες 11

1 ο Κατασκευή γεωμετρίας Χρήση συμμετρίας Full 3D 2D Εικόνα 2.6: Συμμετρικές γεωμετρίες 3D σε 2D 12

1 ο Κατασκευή γεωμετρίας Παραδείγματα συμμετρίας? y x Εικόνα 2.7: Παράδειγμα συμμετρικής γεωμετρίας 13

1 ο Κατασκευή γεωμετρίας Παραδείγματα συμμετρίας Οριακές συνθήκες? UX=0 UY=0 y x Εικόνα 2.8: Παράδειγμα συμμετρικής γεωμετρίας 14

1 ο Κατασκευή γεωμετρίας Παραδείγματα συμμετρίας Οριακές συνθήκες? UX=0 UX=0 y x Εικόνα 2.10 Παράδειγμα συμμετρικής γεωμετρίας 16

1 ο Κατασκευή γεωμετρίας Παραδείγματα συμμετρίας Οριακές συνθήκες? UY=0 UY=0 y x Εικόνα 2.12: Παράδειγμα συμμετρικής γεωμετρίας 18

1 ο Κατασκευή γεωμετρίας Παραδείγματα συμμετρίας y Καμία συμμετρία x Εικόνα 2.14: Παράδειγμα συμμετρικής γεωμετρίας 20

Στάδια εργασιών στα FEA 1 ο / 2 ο Στάδιο: Κατασκευή της γεωμετρίας 1 o / 2 ο Στάδιο: Ορισμός μηχανικών και φυσικών ιδιοτήτων των υλικών και επιλογή είδους πεπερασμένων στοιχείων 3 ο Στάδιο: Meshing: Διακριτοποίηση της γεωμετρίας και επιβολή οριακών συνθηκών 4 ο Στάδιο: Επιλογή τρόπου επίλυσης του προβλήματος (γραμμικό, μη γραμμικό, μεταβατικό, modal analysis) και ΕΠΙΛΥΣΗ 5 ο Στάδιο: Ανάγνωση και γραφική παράσταση αποτελεσμάτων 21

2: Ιδιότητες και Πεπ. στοιχεία Ορισμός μηχανικών και φυσικών ιδιοτήτων των υλικών!!! ΠΡΟΣΟΧΗ!!! ΣTO ANSYS: ΔΕΝ επιλέγουμε Σύστημα Μονάδων! εισάγουμε ΜΟΝΟΝ αριθμητικές τιμές Άρα, ΠΡΕΠΕΙ να επιλέξουμε τιμές, έτσι ώστε: Οι μονάδες τους να ανήκουν στο ίδιο σύστημα (π.χ. SI) Οι μονάδες τους να είναι μεταξύ τους ΣΥΜΒΑΤΕΣ Παράδειγμα: Έστω πρόβλημα ελαστικότητας. Αποδεκτές επιλογές: Μήκος: [mm] [m] [m] Δύναμη: [Ν] [N] [kn] Μέτρο ελαστικότητας: [MPa] [Pa] [kpa] 22

2: Ιδιότητες και Πεπ. στοιχεία Επιλογή είδους πεπερασμένων στοιχείων http://www.gm.fh-koeln.de/~cadlabor/home/fem/ansy-elemente.pdf 23

2: Ιδιότητες και Πεπ. στοιχεία Επιλογή είδους πεπερασμένων στοιχείων TRUSS ή BAR ή SPAR ή LINK (ΡΑΒΔΟI) Παραλαμβάνουν ΜΟΝΟ αξονικά φορτία BEAM (Δοκός): Παραλαμβάνει αξονικά, καμπτικά και στρεπτικά φορτία PLANE42: Παραλαμβάνει 2D 24

2: Ιδιότητες και Πεπ. στοιχεία Επιλογή είδους πεπερασμένων στοιχείων TRUSS ή BAR ή SPAR ή LINK (ΡΑΒΔΟI) Παραλαμβάνουν ΜΟΝΟ αξονικά φορτία BEAM (Δοκός): Παραλαμβάνει αξονικά, καμπτικά και στρεπρικά φορτία 25

2: Ιδιότητες και Πεπ. στοιχεία Επιλογή είδους πεπερασμένων στοιχείων TRUSS ή BAR ή SPAR ή LINK (ΡΑΒΔΟI) Παραλαμβάνουν ΜΟΝΟ αξονικά φορτία BEAM (Δοκός): Παραλαμβάνει αξονικά, καμπτικά και στρεπρικά φορτία 26

Στάδια εργασιών στα FEA 1 ο / 2 ο Στάδιο: Κατασκευή της γεωμετρίας 1 ο / 2 ο Στάδιο: Ορισμός μηχανικών και φυσικών ιδιοτήτων των υλικών και επιλογή είδους πεπερασμένων στοιχείων 3 ο Στάδιο: Meshing: Διακριτοποίηση της γεωμετρίας και επιβολή οριακών συνθηκών 4 ο Στάδιο: Επιλογή τρόπου επίλυσης του προβλήματος (γραμμικό, μη γραμμικό, μεταβατικό, modal analysis) και ΕΠΙΛΥΣΗ 5 ο Στάδιο: Ανάγνωση και γραφική παράσταση αποτελεσμάτων 27

3: Πλεγματοποίηση Ημιαυτόματη διαδικασία 1. Επιλογή είδους και πλήθος πεπερασμένων στοιχείων για κάθε μέρος της συσκευής 2. Βελτιστοποίηση πλέγματος σε περιοχές με συγκέντρωση τάσεων και παραμορφώσεων 3. Επιλογή οριακών συνθηκών Εικόνα 2.15: Παράδειγμα πλεγματοποίησης 28

3: Πλεγματοποίηση Ημιαυτόματη διαδικασία 1. Επιλογή είδους και πλήθος πεπερασμένων στοιχείων για κάθε μέρος της συσκευής 2. Βελτιστοποίηση πλέγματος σε περιοχές με συγκέντρωση τάσεων και παραμορφώσεων Εικόνα 2.16: Παράδειγμα πλεγματοποίησης 3. Επιλογή οριακών συνθηκών 29

4: Επίλυση Γραμμικό Μη γραμμικό (π.χ. large strains, λυγισμός, πτύχωση) Μεταβατικό ( F=F(t) ) Modal analysis (υπολογισμός ιδιοσυχνοτήτων) 31

5: Ανάλυση Αποτελεσμάτων Stress/ Stein fields Reaction forces Displacement fields. Εικόνα 2.17: Ανάλυση αποτελεσμάτων 33

Έναρξη Ansys από Cloudfront http://cloudfront.central.ntua.gr 34

Περιβάλλον Ansys Product Luncher Φάκελος εργασίας../ansys/firstlesson Ονομασία εργασίας Truss01 35

Περιβάλλον Ansys Παραθυρικό περιβάλλον ANSYS ANSYS OUTPUT WINDOW ΠΟΤΕ MHN TO ΚΛΕΙΣΕΤΕ 36

Παραθυρικό Περιβάλλον Ansys UTILITY MENOU ΓΡΑΜΜΗ ΕΝΤΟΛΩΝ Save_DB ΓΡΑΜΜΗ ΕΡΓΑΛΕΙΩΝ (customization) MAIN MENU ΠΑΡΑΘΥΡΟ ΓΡΑΦΙΚΩΝ ΔΙΑΧΕΙΡΗΣΗ ΟΨΕΩΝ

Αρχεία Ansys.db ή.ddb : DATABASE FILE element type, mat. properties, geometry,.err mesh, : ERRORFILE results All.log ANSYS : LOGFILE warnings Command.out equivalents : OUTPUTFILE from GUI All ANSYS comments RESULTS FILES Structural analysis: Truss01.rst Thermal analysis: Truss01.rth Fluids analysis: Truss01.rfl

Επιλογή GUI

Παραθυρικό Περιβάλλον Ansys 3:POSTPROCESSOR 1:PREPROCESSOR 2:SOLUTION 40

1:Preprocessor Με τι είδος πεπερασμένων στοιχείων θα δουλέψουμε? Ποια θα είναι τα βασικά χαρακτηριστικά των πεπ. στοιχείων (εμβαδόν, ύψος, κτλ)? Ποιες σταθερές υλικού θα χρησιμοποιήσουμε? Τι γεωμετρία έχουμε? Τι πλεγματοποίηση θα κάνουμε? Τι οριακές συνθήκες θα έχουμε? 41

2: Solution Τι είδους ανάλυση θα κάνουμε? Τι οριακές συνθήκες θα έχουμε? Επίλυση πλέγματος 42

3: PostProcessing Τάσεις, Μετατοπίσεις κτλ σε κάθε κόμβο Πχ: Stress field, strain field, deformed shape, vector plot etc

APDL: ANSYS Parametric Design Language SESSION EDITOR LOG FILE 44

APDL: ANSYS Parametric Design Language *ABBR Ορίζει συντομογραφία (σειρά αλφαριθμητικών χαρακτήρων) ABBRES Διαβάζει τις συντομογραφίες από κωδικοποιημένο αρχείο ABBSAV Γράφει την τρέχουσα ομάδα συντομογραφιών σε κωδικοποιημένο αρχείο *AFUN Specifies units for angular functions in parameter expressions. *ASK Ζητά από το χρήστη να εισάγει την τιμή μιας παραμέτρου *CFCLOS Κλείνει το αρχείο εντολών (command file). *CFOPEN Ανοίγει το αρχείο εντολών *CFWRITE Γράφει μια εντολή ANSYS (or similar string) στο αρχείο εντολών *CREATE Ανοίγει ή δημιουργεί ένα αρχείο μακροεντολής *CYCLE Προσπερνάει εντολές μέσα σε ένα βρόχο DO *DEL Σβήνει μία ή περισσότερες παραμέτρους (GUI). /DFLAB - Changes DOF labels for user custom elements. *DIM Ορίζει μια παράμετρο σε μορφή πίνακα και τις διαστάσεις του /DIRECTORY - Put the file names in the current directory into a string parameter array. *DO Ορίζει την έναρξη ενός βρόχου DO *DOWHILE Πραγματοποιεί συνεχώς βρόχους μέχρι την επόμενη εντολή τερματισμού (*ENDDO) *ELSE Διαχωρίζει το τελικό κομμάτι ενός if-then-else block. 45

Κατάλογος Αναφορών Εικόνων Εικόνα 2.1 2.4: Εισαγωγή γεωμετρίας στο ANSYS. Εικόνα 2.5: Συμμετρικές γεωμετρίες, Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος προβείτε σε επικοινωνία με τη Μονάδα Υλοποίησης Ανοικτών Ακαδημαϊκών Μαθημάτων. Εικόνα 2.6: Συμμετρικές γεωμετρίες 3D σε 2D, Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος προβείτε σε επικοινωνία με τη Μονάδα Υλοποίησης Ανοικτών Ακαδημαϊκών Μαθημάτων. Εικόνα 2.7 2.14: Παράδειγμα συμμετρικής γεωμετρίας, Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος προβείτε σε επικοινωνία με τη Μονάδα Υλοποίησης Ανοικτών Ακαδημαϊκών Μαθημάτων. Εικόνα 2.15: Παράδειγμα πλεγματοποίησης, www.ansys.com Εικόνα 2.16: Παράδειγμα πλεγματοποίησης, http://jn.physiology.org/content/83/5/3049 Εικόνα 2.17: Ανάλυση αποτελεσμάτων, I. Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος προβείτε σε επικοινωνία με τη Μονάδα Υλοποίησης Ανοικτών Ακαδημαϊκών Μαθημάτων. II. http://1080plus.com/on9eilkoqmk.video 46

Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα» του ΕΜΠ έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.