Цель Обзор существующей литературы по теме изучения расчетных программных комплексов, направленных на решение различных конструкторских задач, первый важный шаг при выполнении выпускной квалификационной работы магистра, формирующий ее основу.

Основная идея метода конечных элементов состоит в том, что любую непрерывную    величину, например, такую, как температура, давление и перемещение, можно заменить дискретной моделью, которая строится на множестве кусочно-непрерывных функций, определённых на конечном числе подобластей. Данная программа задает перечень расчетных средств, которые учитывают разнообразные конструктивные нелинейности, дают возможность решить общий случай контактной задачи для поверхностей, могут допустить образование конечных деформаций и углов поворота [1].

Существует множество расчетных программных комплексов, такие как: ЛИРА САПР, ANSYS Workbench, SCAD, Abakus, MIDAS GTS NX, PLAXIS и многие другие. Каждый программный комплекс следует принципам конечно-элементного анализа, но направлен на решение разных конструкторских задач. Проанализировав множество расчетных комплексов, наиболее подходящим для моделирования экспериментальных данных является ANSYS Workbench, т.к. эта программа позволяет быстро и точно моделировать трещины с последующим анализом напряженно деформированного состояния. ANSYS – это быстрая и практичная программа. Каждое ее обновление улучшает прежние возможности, и делает программу более гибкой и удобной [2].

В расчетном комплексе ANSYS представлен чрезвычайно многогранный список расчетных компонентов, учитывающих разнообразные конструктивные особенности. Они позволяют решить контактную задачу для поверхностей; допускают наличие больших деформаций. ПК МКЭ сокращают время разработки и оптимизации конструкции за счёт определения оптимальных параметров и учитываемых эксплуатационных воздействий [3].

С помощью оптимизации, проектировщику, можно оценивать и анализировать переменные проекта. Используются два метода оптимизации: метод аппроксимации и метод первого порядка. В программе ANSYS стадия постпроцессорной обработки следует за стадиями препроцессорной подготовки и получения решения. С помощью постпроцессорных средств программы пользователь имеет возможность легко обратиться к результатам решения и комментировать их нужным образом, используя обширный набор команд, функций и дружественного интерфейса. Результаты решения включают значения перемещений. А также в программе ANSYS возможно геометрическое построение на плоскости и создание моделей пространственных объектов с использованием примитивов и булевых операций над ними [4].

Существуют два подхода геометрического моделирования в ANSYS: моделирование снизу-вверх и моделирование сверху-вниз. Основы моделирования построены на геометрической субординации объектов: объект низшей размерности – точка, и далее по возрастанию – линии, поверхности, объемные тела [5].

После проведения эксперимента железобетонной балки усиленной углепластиком и выполнив расчет в ПК ANSYS, сравнив результаты, авторы выяснили, что программа позволяет производить корректное объемное моделирование изгибаемых железобетонных элементов, усиленных на стадии, близкой к исчерпанию несущей способности, углепластиком, при задании диаграмм деформирования бетона, арматуры и углепластика [6].

В статье на тему конечно-элементного анализа Гулых К.В. подтверждает, что при решении контактных задач в процессе взаимодействия тел под нагрузкой возможны различные по характеру и по численным параметрам НДС. Сетка разбивки тел на конечные элементы должна соответствовать параметрам напряженно-деформированного состояния. При больших деформациях сетку следует предусматривать достаточно мелкую, с малыми размерами конечных элементов и именно в тех местах, где необходим тщательный контроль результатов. Несоблюдение этого условия значительно снижает точность расчета. Программа ANSYS позволяет, наряду с автоматическим выбором сетки разбиения, корректировать сетку в «ручном режиме» [7].

На примере железобетонной балки в процессе ее нагружения равномерно распределённой нагрузкой, можно спрогнозировать реальную изгибную жесткость изгибаемых элементов которую впоследствии можно использовать в качестве расчетной при формировании сложных каркасных сооружений. Данная задача может быть реализована в любом конечно-элементном комплексе. Наилучшие результаты можно получить только с помощью соответствующего моделирования трещин, которые неизбежны при эксплуатации[8].

В работе [9] были использованы два численных метода решения задач механики, деформирования твердого тела – явный и неявный методы интегрирования уравнений, описывающих равновесные и неравновесные состояния исследуемого объекта. Применение метода конечных элементов дает хорошее приближение несущей способности к опытной. Тем не менее, анализ не показывает хорошую сходимость и зависит от цели расчета (первая или вторая группа предельных состояний, стадия НДС и пр.).

На основании проведенного обзора литературных источников можно сделать вывод, что для выполнения расчетов методом конечных элементов в выпускной квалификационной работе наиболее подходящим является программный  комплекс  ANSYS.

Цель. Замоделировать трещину в ANSYS Workbench на примере металлической пластины с последующим выводом и визуализацией полученных результатов.

Решение любых задач в аналитической системе Static Structural состоит из нескольких этапов (Рисунок.1).

Рисунок 1. Основные этапы решения задач в системе Static Structural

Этап 1: Задание материала (Engineering Data). Необходимо выбрать материал, который в последующих действиях нужно назначить конструкции. В данной статье рассматриваем металлическую пластину, соответственно добавляем из стандартной библиотеки материал Structural Steel.

Рисунок. 2. Характеристики материала в ANSYS Workbench

Этап 2. Создание геометрии (Geometry). Основные геометрические характеристики указаны на (Рисунок 3), толщина пластины 2 мм.

Рисунок 3. Исходные данные для задания геометрии в ANSYS Workbench

Этап 3. Во вкладке модель (Model) назначаем конструкции ранее созданный материал (Рисунок 4).

Рисунок 4. Назначение материала конструкции в ANSYS Workbench

Далее необходимо создать сетку конечных элементов с помощью инструмента Mesh с шагом разбиения 0.5 мм. Грани, по которой в дальнейшем будем происходить разрушение, назначаем Named Selection. Далее создаем Nodal Named Selection. На базе Nodal Named Selection создаем разбиение грани. Во вкладке Type меняем Number of Divisions на Sphere of influence, выбираем грань (Рисунок 5) и нажимаем Apply, во вкладке Sphere Centre Global System меняем на Coordinate System, созданную и установленную на грань ранее, а Sphere radius – 1 мм, Element Size – 0.2 мм. Генерируем Mesh (Рисунок 6).

Рисунок 5. Выделеная грань в ANSYS Workbench

Рисунок 6. Разбиение пластины на конечные элементы с помощью инструмента Mesh

Далее задаем трещину с помощью инструмента Fracture – Pre-Meshed Crack. Scoping Method – Named Selection, выбираем Selection 2 (набор узлов на грани, по которой будет происходить разрушение), а также включаем Crack Faces Nodes и выбираем верхнюю и нижнюю плоскость, генерируя сетку узлов на них, параллельно включая их в функцию Pre-Meshed Crack (Рисунок 7).

Рисунок 7. Исходные данные для функции Pre-Meshed Crack

Следующий шаг: Fracture – SMART Crack Growth. Заполняем строки исходных данных в соответствии с рисунками ниже (Рисунок 8).

Рисунок 8. Crack в ANSYS Workbench

Вводим в расчетную модель необходимые граничные условия (Рисунок 9).

Рисунок 9. Граничные условия в ANSYS Workbench

Этап 4. Во вкладке Analysis Settings выставляем необходимое количество подшагов для более полной картины результатов (Рисунке 10).

Рисунок 10. Задание необходимого количество подшагов во вкладке Analysis Settings

Этап 5. Производится расчет модели.

Этап 6. Анализ полученных результатов (Рисунок 11).

Рисунок 11. Поэтапное раскрытие трещины в ANSYS Workbench