Скачать 194.25 Kb.
|
Министерство образования и науки Российской Федерации КАЗАНСКИЙ (ПРИВОЛЖСКИЙ) ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНСТИТУТ МАТЕМАТИКИ И МЕХАНИКИ КАФЕДРА ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ МЕХАНИКИ Специальность: 010800 Механика и математическое моделирование ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА (Бакалаврская работа) ДИНАМИКА МЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ Работа завершена: "___"________2015 г. _________________________________(В.Е. Бергман) Работа допущена к защите: Научный руководитель канд.физ.-мат.наук "___"___________2015 г. _____________________________(О.А. Саченков) Заведующий кафедрой проф., докт.физ.-мат.наук "___"___________2015 г. ____________________________(Ю.Г. Коноплев) Казань — 2015 Оглавление Введение…………………………………...……………………………3 Теоретические основы динамических расчетов ……………………… Колебания массивного бруса …………………………….……………9 Заключение………………………………………………………..………...12 Литература………..………….…………………………………..…….13 Введение В работе показан, метод построения бруса в программе ANSYS .Построения будут происходит, как в плоской форме, так и в трёхмерной.Метод покажет, как влияет закрепление бруса и его размеры на возникающие в нём частоты ,а так же отклонения от положения равновесия. Теоретические основы динамических расчетов Изучением поведения конструкций под действием меняющихся во времени нагрузок занимается динамика. Примерами нагрузок являются:
Изучением свободных колебаний, т.е. колебаний конструкции после прекращения изменения или удаление силы, которая является причиной движения, так же занимается динамика. Существуют три вида динамического анализа: * HАRMIC - это отклик на гармоническое воздействие ; * TRАNS - это динамический анализ переходных процессов ; * MODАL - это модальный анализ. Общее уравнение движения ,в частных случаях , решается с помощью этих трёх видов динамического анализа : [M] {u’’} + [C] {u’} + [K] {u} = {F(t)}. [K] — это матрица жёсткости ,которая определяется формулой = , где NE - число элементов, а - матрицы жесткости отдельных элементов; [M] — это матрица масс, которая определяется выражением = , где [Mei] - матрицы масс отдельных элементов. В программе ANSYS матрица сосредоточенных сил , приведенная матрица , согласованная матрица представляют собой матрицу масс. Элементы в согласованной матрице масс можно вычислить с использованием функций формы элемента. Такие функции формы одинаковы с теми, что используют при вычислении [K]. Масса каждого элемента распределена по его узлам в матрице сосредоточенных масс. Эта матрица является диагональной. Общая сумма масс равна сумме узловых масс в каждом направление. В ANSYS есть опция KEYOPT, которая позволяет использовать приведенную матрицу масс в ряду конечных элементов программы. Такую матрицу мы получаем , если удаляем из согласованной матрицы элементы , которые как-либо относятся к вращательным степеням свободы. По умолчанию в программе ANSYS используется согласованная матрицы масс. Но в некоторых случаях стоит изменить матрицу масс, заданную по умолчанию :
[C] — это матрица сопротивления ,которая имеет вид : , где [Ck] - матрица сопротивления отдельного элемента; Вернёмся к видам динамического анализа. В нашей задачи мы будем использовать модальный анализ (команда АNTYPE, MODАL) , который используется для определения собственных форм и частот колебаний конструкции. Допустим, что совершаются свободные колебания, которые не затухают, т.е. {F (t)} = {0} и [C] = [0]. Часто помогает модальный анализ тем, что при его помощи мы можем найти параметры и соотношения, которые необходимы для других видов анализа. Разрешающее уравнение принимает вид : [M] {u’’} + [K] {u} = {0}. Свободные колебания для линейной системы будут гармоническими: {u} = {u0} cos t. Замена {u} и {u’’}в разрешающем уравнении приводит к соотношению (-2 [M] + [K]) {u0} = {0}. Для того , чтобы нетривиальное решение существовало ({u0} 0) детерминант [ [K] - 2 [M] ] должен быть равен нулю:
Если n - порядок матрицы, то полином n - го порядка является решение уравнения , который имеет корни: 12, 22, . . . , n2. 12, 22, . . . , n2 являются собственными значениями уравнения. Подставив эти корни в уравнение (-2 [М] + [К]) {u0} = {0} ,мы сможем найти n соответствующих векторов {u0}: {u1}, {u2}, ... ,{un}. Они известны как собственные векторы. Собственные значения в модальном анализе представляют собой квадраты собственных круговых частот (величина i является i-той собственной круговой частотой), а собственные векторы - соответствующие формы колебаний. Для того ,чтобы было более понятно вместо {ui} для обозначения i-той формы будем записывать {i}. Если обобщить, то при вычисление собственных значений мы находим корни полинома n - го порядка. Поэтому, требуется итеративное решение задачи, кроме самых тривиальных случаев. Собственные значения вычисляются четырьмя методами, которые задаются с помощью команды МODOPT:
В данные четыре этапа выполняется модальный анализ:
1. Строим модель (/PREP7). Строим модель, аналогично любому виду анализа, с помощью препроцессора PREP7. 2. Выбираем необходимые опции и после этого получаем решения (/SOLU). Там необходимо выбрать :
Вид анализа выбирается командой ANTYPE, MODAL. На Рис.1 показано, как будут выглядеть свободные колебания при модальном анализе. Рис. 1. Командой MODOPT устанавливаются различные опции: MODOPT, Mетод, NMODE, FREQB, FREQE, PRMODE, Numkey Параметры ,которые были перечислены имеют следующий смысл: SUBSP - итеративный подпространственный метод; REDUC - метод редукции Хаусхолдера; DAMP - метод для систем с затуханием; UNSYM - метод для несимметричных матриц; NMODE - число рассматриваемых форм колебаний: Значение NMODE обязано быть меньше половины общего числа ведущих степеней свободы при использовании редуцированного метода (REDUC) ; Значение NMODE обязано быть меньше половины общего числа степеней свободы при использовании подпространственного метода (SUBSP); FREQB - начальное значение диапазона частот; FREQE - конечное значение диапазона частот; PRMODE - число выводимых на печать приведенных модулей колебаний; Если использовать методы SUBSP, UNSYM и DAMP ,то PRMODE задавать на надо; Numkey OFF - нормировка формы колебаний относительно матрицы масс: {i}T [M] {i} = 1; ON - нормировка формы колебаний относительно единицы: максимальный компонент равен единице. Если в решении будут участвовать полные матрицы [K] и [M] ,то для нахождения собственных значений не используется метод редукции. При выборе метода приведения используются редуцированные матрицы [K] и [M], тогда необходимо задать ведущие степени свободы (ВСС) - командами M и/или TOTAL:
3.Записываем полученные формы колебаний в файл с результатами (“расширение” решения) (/SOLU); Чтобы просмотреть формы мод на стадии постпроцессорной обработки, нужно записать их значения в файл результатов. Если используется команда метода редукции MODOPT, REDUC выполняется расширение решения на полный набор степеней свободы. Делаем это следующим образом: /SOLU EXPASS, ON MXPAND - см. далее SOLVE FINISH Применяя команды MXPAND к предыдущему этапу определения частот получаем расширение решения при модальном анализе. Есть так же ситуации при которых не помешало бы выполнять раздельные решения. К ним относятся следующие ситуации : • Если требуется расширять выделенные до этого диапазоны частот; • Если перед вами прежде стоит цель найти собственные векторы и выявить, действительно ли необходимо развёрнутое решение, для того что бы сэкономить время и затраченные усилия. Команда развёрнутого решения и ее параметры: NMODE,MXPAND, FREQE, Elcalc, FREQB NMODE - величина колебаний для записи в файл результатов; расширение при необходимости выполняется автоматически; FREQB - начальная величина диапазона частот; FREQE - конечная величина диапазона частот; Elcalc NO - не вычисляются результаты и силы реакции для элементов. No – стоит по умолчанию ; YES - вычисляются результаты и силы реакции для элементов. Основные операции с ANSYS- меню в модальном анализе 1. Сначала определяется тип анализа Main Menu: Solution Analysis Type New Analysis Устанавливаем тип анализа- Modal. 2. После у модального анализа задаём опции Main Menu: Solution Analysis Type Analysis Option Выбираем метод- Reduced (по умолчанию), Subspace, Unsymmetric или Damped, также опции для использования аппроксимации сосредоточенной массы или эффектов преднапряжения. Меню для определенных опций, таких как диапазон частот, первоначальная точка сдвига и опции для нормализации формы мод, выдает подсказки. 3. Установка ведущих степеней свободы. Main Menu: Solution Master DOFs Эти меню обеспечивают автоматический выбор или установку пользователем ведущих DOF и управление выделением или вводом узлов. 4. Создаём контроль вывода на печать данных,оторые будут выходить . Main Menu: Solution Load Step Opts Output Ctrls Solu Printout Выбираем Nodal DOF solution в качестве элемента данных, выполненных до решения, который сгенерирует таблицу массовых значений в распечатке, помеченную “Reduced Mass Distribution”. 5. Выполняем путь расширения. Мain Menu: Solution Solve Current LS 6. Модальный анализ требуется переустановить: Мain Menu: Solution Analysis Type New Analysis Делаем путь расширения доступным: Мain Menu: Solution Analysis Type Expansion Pass Выбираем опции расширения мод: Мain Menu: Solution Load Step Opts Expansion Pass Expansion Modes Этим меню мы задаем сколько мод будет расширяться, выборочный диапазон частот и будут ли вычисляться результаты элементов. Решение пути расширения: Мain Menu: Solution Solve Current LS. 7.Расматриваем результаты форм модов в основном постпроцессоре. Для изучения выбираем формы мод: Utility Мenu: Plot Results Deformed Shape. Колебания массивного бруса Объектом расчёта возьмём консольную балку ,показанную на рисунке Рис. 2. Расчётный брус Задаём геометрические параметры и свойства балки : L0 = 1м, H=0.5м, Модуль Юнга = 2*1011 Па Коэффициент Пуассона = 0.3 Плотность = 7800 кг/м3 Параметр L у нас будет влиять на конец опоры и будет варьироваться от 0.05 до 0.75 с шагом 0.05 . В данной задачи мы будем рассматривать на сколько будет прогибаться брус под действием собственной силы тяжести. Определив максимальное отклонение балки при разных параметрах L , получаем таблицу :
Табл. 1. Изменение отклонения балки при разных параметрах L Полученные данные можно представить в виде графика. Табл. 2. Изменение отклонения бруса при разных параметрах L в форме графика На данной диаграмме представлены отклонения балки от начального состояния при различных соприкосновениях точек с опорой. Как видим, чем меньше становится опора, тем значительнее провисает балка. Рассмотрим теперь вариант трёхмерной модели бруса с шириной 0.5м .
Табл. 3. Изменение отклонения бруса при разных параметрах L Табл.4. Изменение отклонения бруса при разных параметрах L в виде графика. На данной диаграмме представлены отклонения бруса от начального состояния при различных соприкосновениях точек с опорой. Начиная с 0.4 брус начинает провисать намного больше . Если сравнивать табл.3 и табл.4 ,то можно заметить ,что наш объект начинает значительно провисать с одного и того же значения точки L= 0.4 , причём в плоской модели отклонение от положения равновесия больше. Значительные изменения по диаграмме начинаются с 0.4м . Рассчитаем частоту для собственных форм.
Табл. 5. Величины частот для собственных форм в зависимости от параметра L Получаем диаграммы : Рис. 3. Величины частот для 1-5 собственных форм в зависимости от безразмерного параметра , ромб - первая собственная форма, квадрат- вторая собственная форма, треугольник- третья собственная форма, крестик-четвертая собственная форма, круг- пятая собственная форма Рис. 4. Величины частот для 6-10 собственных форм в зависимости от безразмерного параметра , ромб - шестая собственная форма, квадрат- седьмая собственная форма, треугольник- восьмая собственная форма, крестик- девятая собственная форма, круг- десятая собственная форма На рис.3 мы можем заметить ,что величины частот для 1-3 собственных форм падают параллельно друг друга ,когда для 4-5 собственных форм параллельность нарушается. На рис.4 при 6-9 собственных формах частоты практически не изменяются по сравнению с десятой собственной формой. К тому же не наблюдается параллельности между собственными формами. Сравнивая рис.3 и рис.4 .можно сделать выводы ,такие что , величины частот для всех собственных форм ,кроме 6-8 , значительно падают при уменьшение параметра L. Результаты Мы рассматривали задачу, в которой узнавали на сколько будет прогибаться брус под действием собственной силы тяжести при изменение точки конца опоры. Брус, как и в плоском построение, так и в трёхмерном, начинает значительно провисать с одного и того же значения точки L= 0.4 , причём в плоской модели отклонение от положения равновесия больше. В трёх мерной модели величины частот для всех собственных форм, кроме 6-8 , значительно падают при уменьшение параметра L. Понаблюдав за изменениями частот и прогиба бруса, можно сделать вывод: Чем шире брус и чем больше плоскость опоры , тем больше частоты при собственных формах. Список литературы 1. Оливер М. О’Рейли. Курс динамики для инженеров. Единый подход к механике Ньютона-Эйлера и механике Лагранжа : Пер. с англ. – Ю. Колесниченко.-М: Регулярная и хаотическая динамика, Институт компьютерных исследований, 2011.- 504 с.2. Структура в динамике. Конечномерные детерминированные системы /Ф. Такенс, С. Ван Стрин, Ф. Дюмортье, Х.В.Брур. –М.: Институт компьютерных исследований, 2003.- 336 с.3. Козлов ,В. Методы качественного анализа в динамике твердого тела /В. Козлов.- М.: Регулярная и хаотическая динамика.- 2000.- 256 с.4. Яковенко, Г. Краткий курс аналитической динамики /Г. Яковенко.- М.: Бином. Лаборатория знаний. – 2014.-240 с.5.Басов. К. ANSYS для конструкторов /К. Басов.- М.: ДМК Пресс.- 2009.-248 с.6.Морозов, Е. ANSYS в руках инженера. Механика разрушения /Е.Морозов, А. Муйземнек, А. Шадский.- М.: Ленанд, 2014.- 456с.7. Басов, К. ANSYS. Справочник пользователя /К. Басов.- М.: ДМК Пресс.- 2014г.-640с.8.Каплун, А. ANSYS в руках инженера. Практическое руководство/А. Каплун, Е. Морозов, М. Олферьева.- М.:Либроком, 2015.- 272с.9. Чигарёв, А. ANSYS для инженеров. Справочное пособие /А.Чигарёв, А. Кравчук, А. Смалюк.-М.: Машиностроение-1 ,2004.-512 с.10. Дащенко, А. ANSYS в задачах инженерной механики /А.Дащенко, Д. Лазарева, Н. Сурьянинов.-М.: БУРУН и К , 2011.- 504 с.11. Жуковский, Н. Механика системы. Динамика твердого тела.Университетские курсы /Н. Жуковский .-М.: Едиториал УРСС , 2011г, -298с.12. Борисов,А. Динамика твердого тела. Гамильтоновы методы, интегрируемость, хаос /А. Борисов, И. Мамаев .-М.: Институт компьютерных исследований , 2005.- 576с.13. Маркеев, А. Динамика тела, соприкасающегося с твердой поверхностью /А.Маркеев.-М.: Институт компьютерных исследований, 2014.-496с.ПриложениеПостроение плоской модели в программе ANSYS: *SET,L,0.25 *SET,L0,1 /PREP7 K,1,L,0,0, K,2,-L0/2,0,0, K,3,-L0/2,0.5,0, K,4,L0/2,0.5,0, K,5,L0/2,0,0, L, 1, 2 L, 2, 3 L, 3, 4 L, 4, 5 L, 5, 1 FLST,2,5,4 FITEM,2,1 FITEM,2,2 FITEM,2,3 FITEM,2,4 FITEM,2,5 AL,P51X !* MPTEMP,,,,,,,, MPTEMP,1,0 MPDATA,EX,1,,2e11 MPDATA,PRXY,1,,0.3 MPTEMP,,,,,,,, MPTEMP,1,0 MPDATA,DENS,1,,7800 !* ET,1,PLANE182 !* FLST,5,5,4,ORDE,2 FITEM,5,1 FITEM,5,-5 CM,_Y,LINE LSEL, , , ,P51X CM,_Y1,LINE CMSEL,,_Y !* LESIZE,_Y1, , ,50, , , , ,1 !* MSHAPE,0,2D MSHKEY,0 !* CM,_Y,AREA ASEL, , , , 1 CM,_Y1,AREA CHKMSH,'AREA' CMSEL,S,_Y !* AMESH,_Y1 !* CMDELE,_Y CMDELE,_Y1 CMDELE,_Y2 !* /UI,MESH,OFF FINISH /SOL FLST,2,1,4,ORDE,1 FITEM,2,1 !* /GO DL,P51X, ,ALL, ACEL,0,9.81,0, /STATUS,SOLU SOLVE FINISH /POST1 PLDISP,1 /DIST,1,1.08222638492,1 /REP,FAST /DIST,1,1.08222638492,1 /REP,FAST /DIST,1,1.08222638492,1 /REP,FAST !* /EFACET,1 PLNSOL, U,Y, 0,1.0 Построение трёх-мерной модели: *SET,L,-0.1 *SET,L0,1 /PREP7 K,1,L,0,0, K,2,-L0/2,0,0, K,3,-L0/2,0.5,0, K,4,L0/2,0.5,0, K,5,L0/2,0,0, L, 1, 2 L, 2, 3 L, 3, 4 L, 4, 5 L, 5, 1 FLST,2,5,4 FITEM,2,1 FITEM,2,2 FITEM,2,3 FITEM,2,4 FITEM,2,5 AL,P51X !* ET,1,SOLID185 !* !* MPTEMP,,,,,,,, MPTEMP,1,0 MPDATA,EX,1,,2e11 MPDATA,PRXY,1,,0.3 MPTEMP,,,,,,,, MPTEMP,1,0 MPDATA,DENS,1,,7800 !* VOFFST,1,0.5, , FINISH /SOL /VIEW,1,1,2,3 /ANG,1 /REP,FAST FLST,2,1,5,ORDE,1 FITEM,2,3 !* /GO DA,P51X,ALL, FINISH /PREP7 CM,_Y,VOLU VSEL, , , , 1 CM,_Y1,VOLU CHKMSH,'VOLU' CMSEL,S,_Y !* VSWEEP,_Y1 !* CMDELE,_Y CMDELE,_Y1 CMDELE,_Y2 !* FINISH /SOL ACEL,0,9.81,0, /STATUS,SOLU SOLVE FINISH /POST1 PLDISP,1 !* /EFACET,1 PLNSOL, U,Y, 0,1.0 |
Программа развития фгаоу во «Казанский (Приволжский) федеральный университет» (далее кфу) Приволжский) федеральный университет (далее – кфу) на 2010–2019 годы была утверждена распоряжением Правительства Российской Федерации... |
Программа развития фгаоу во «Казанский (Приволжский) федеральный университет» (далее кфу) Приволжский) федеральный университет (далее – кфу) на 2010–2019 годы была утверждена распоряжением Правительства Российской Федерации... |
||
Российской федерации федеральное государственное автономное образовательное учреждение Высшего профессионального образования ˝казанский (приволжский) федеральный университет˝ |
Казанский (приволжский) федеральный университет высшая школа информационных технологий и Автоматизация построения интерактивной 3D-карты «Паспорт безопасности» в образовательных учреждениях |
||
Казанский (приволжский) федеральный университет высшая школа информационных технологий и Разработка алгоритма поиска дешевых маршрутов для систем бронирования авиабилетов |
Н. Г. Багаутдинова Казанский (Приволжский) федеральный университет,... Казанский (Приволжский) федеральный университет, директор Института управления, экономики и финансов, доктор экономических наук профессор... |
||
Казанский (приволжский) федеральный университет высшая школа информационных технологий и Разработка мобильного клиента на ос андроид для системы предсказания характеристик химических веществ и реакций |
Фгаоувпо «казанский (приволжский) федеральный университет» утверждаю... Вопросы экзамена по специальности 12. 00. 08 – Уголовное право и криминология; уголовно-исполнительное право |
||
Уважаемые абитуриенты, планирующие поступать в кфу в 2017 году! Спасибо,... Казанский (Приволжский) Федеральный Университет – один из лучших классических университетов России |
Казанский (приволжский) федеральный университет высшая школа информационных технологий и С каждым годом появляется огромное количество разнообразного нового функционала для мобильных устройств, которые сегодня во много... |
||
Казанский (приволжский) федеральный университет высшая школа информационных технологий и Деркачев Н. В., Деркачев В. И., Быльев Ю. В., Медведева А. Н., Афанасьев Р. В. Расчет зон разрушений зданий и сооружений при взрывах... |
Правила внутреннего распорядка общежитий Общие положения Правила) федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Казанский (Приволжский)... |
||
Руководство пользователя электронной торговой площадки федерального... Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования |
Учебно-методическое пособие к лабораторным занятиям по курсу «Основы кристаллооптики» Практическое руководство по работе с поляризационным микроскопом для исследования петрографических объектов: Учебно-методическое... |
||
Отчет о самообследовании программы высшего образования по направлению... «микробиология», специализация «микробиология» и «молекулярная биология», реализуемого в федеральном государственном образовательном... |
Отчет о самообследовании программы высшего образования по направлению... «микробиология», специализация «микробиология» и «молекулярная биология», реализуемого в федеральном государственном образовательном... |
Поиск |