Metoda Elementów Skończonych - Laboratorium

Laboratorium 2

Podstawy ABAQUS/CAE

1 | S t r o n a Copyright 2009 dr inż. Jarosław Mańkowski na podstawie: Getting Started with ABAQUS

Analiza belki zginanej

Celem ćwiczenia jest wykonanie analizy prostego modelu, zginanej belki obciążonej ciśnieniem rys. 1.

Rys. 1 Przykład obliczeniowy.

Ustawienia

1. Zdefiniować katalog roboczy: C:/tmp/nazwisko_imie

2. Uruchomić program abaqus (Abaqus CEA)

3. Ustawić katalog roboczy: File – Set Working Directory:

C:/tmp/nazwisko_imie (pisane razem bez polskich znaków)

4. Stworzyć nowy model:

a. 1 sposób: wybrać: Model - Create z górnego menu w polu Name: BEAM OK.

b. 2 sposób: wyświetlić drzewo historii modelu: View - Show Model Tree ustawić wskaźnik myszy na (Models) i przycisnąć prawy klawisz (Rys. 2) a następnie wybrać Create .. w polu Name: BEAM OK.

2 | S t r o n a Copyright 2009 dr inż. Jarosław Mańkowski na podstawie: Getting Started with ABAQUS

Rys. 2 Menu Models (Modele).

5. Zwinąć drzewo historii dla Model-1 (kliknąć lewym klawiszem myszy wskazując [-] przy Model-1 i rozwinąć drzewo historii dla BEAM (kliknąć lewym klawiszem myszy wskazując [+] przy BEAM.

Rys. 3 Drzewo historii.

6. Zapisać plik FileSave As File Name: BELKA. OK.

Automatycznie zostanie stworzony plik z rozszerzeniem .cea.

!!! W trakcie pracy, należy bardzo często korzystać z możliwości zapisywania pliku z

zaadaniem FileSave. Pozwoli to na uniknięcie problemów w przypadku zawieszenia się systemu lub nieprzewidzianej przerwy w pracy programu. !!!

3 | S t r o n a Copyright 2009 dr inż. Jarosław Mańkowski na podstawie: Getting Started with ABAQUS

Tworzenie części

1. W drzewie historii podwójnie kliknąć na Parts (Rys. 4.a) lub pojedyncze kliknięcie ikony Create Part z menu podręcznego (Rys. 4.b).

a) b)

Rys. 4 Tworzenie nowej części, korzystając: a) z drzewa historii; b) z podręcznego menu związanego z modułem PART.

Pojawi się okno dialogowe, w którym należy wprowadzić nazwę części Belka, oraz zmienić wartość Approximate size na 600. Zaakceptować klikając Continue.

Wyświetli się obszar roboczy szkicu części, poniżej którego pojawi się w obszarze podpowiedzi (Rys. 5):

tekst zachęty do wykonania działania „prompt”,

oraz trzy przyciski:

„backup” – powrót,

„cancel” – przerwij wykonywanie procedury lub funkcji,

„Done” – zatwierdź wykonanie procedury lub funkcji.

Rys. 5 Obszar podpowiedzi poniżej ekranu roboczego.

Obok obszaru roboczego pojawi się menu podręczne szkicownika.

2. Narysuj prostokąt:

a. Wybierz Create Lines: Rectangle narzędzie do rysowania prostokątów (Rys. 6).

4 | S t r o n a Copyright 2009 dr inż. Jarosław Mańkowski na podstawie: Getting Started with ABAQUS

Rys. 6 Wybór narzędzia do rysowania prostokątów.

b. W celu narysowania prostokąta należy kliknąć, w dowolnym miejscu ekranu roboczego, jeden narożnik; a następnie po przekątnej – drugi narożnik. Można wprowadzić dokładne wymiary prostokąta korzystając z:

punktów siatki;

wprowadzając odpowiednie współrzędne punktu początkowego i końcowego w obszarze podpowiedzi;

narysować dowolny prostokąt i go zwymiarować korzystając z Add Dimension (Rys. 7).

Rys. 7 Narzędzia wymiarowania.

c. Prostokąt ma mieć wymiary 200x20 (Rys. 8).

Rys. 8 Wymiary prostokąta.

d. Kliknąć Done w obszarze podpowiedzi szkicownika.

e. Wprowadzić wartość wyciągnięcia Depth: 25 w oknie dialogowym Edit Base Extrusion, i kliknąć OK.

W obszarze roboczym pojawi się stworzona część wyświetlona w rzucie izometrycznym (Rys. 9). Zmieni się również wartość wyświetlana przy ikonie

5 | S t r o n a Copyright 2009 dr inż. Jarosław Mańkowski na podstawie: Getting Started with ABAQUS

Parts w drzewie historii , co świadczy o utworzeniu jednej części w nowym modelu.

Rys. 9 Widok stworzonej belki w rzucie izometrycznym.

Wprowadzanie danych materiałowych

Należy wprowadzić podstawowe dane przykładowego materiału, niezbędne do wykonania analizy w zakresie sprężystym. Przykładowy materiał to stal o module Younga 2.1x10

5 MPa i liczbie Poissona równej 0.3.

Definiowanie materiału:

1. W drzewie historii podwójne kliknięcie na Materials w celu stworzenia nowego materiału w modelu BEAM.

Pojawi się okno dialogowe Edit material, w którym należy wprowadzić nazwę materiału STAL.

2. Następnie wybrać zakładkę MechanicalElasticityElastic (Rys. 10).

Rys. 10 Wprowadzanie danych określających cechy sprężyste materiału.

3. Wprowadzić wartość modułu Younga oraz liczby Poissona (Rys. 11). !!! wartości dziesiętne zawsze oddzielane są kropką !!!

6 | S t r o n a Copyright 2009 dr inż. Jarosław Mańkowski na podstawie: Getting Started with ABAQUS

Rys. 11 Wprowadzanie wartości modułu Younga oraz liczby Poissona.

4. OK, żeby zatwierdzić i wyjść z edycji danych materiałowych.

Definiowanie i przyporządkowywanie grup właściwości.

Należy stworzyć grupę właściwości dla jednorodnej bryły i przyporządkować je do utworzonego modelu geometrycznego.

W celu stworzenia grupy właściwości dla jednorodnej bryły, należy:

1. W drzewie historii podwójnie kliknąć Sections, żeby stworzyć grupę (section) w modelu BEAM.

Pojawi się okno dialogowe Create Section.

2. W oknie Create Section należy wprowadzić:

a. Nazwę grupy właściwości: Name: WlasciwosciBelki.

b. Zatwierdzić kategorię (Category) Solid i domyślny typ: Homogeneous.

c. Kliknąć Continue.

Pojawi się okno dialogowe Edit Section.

3. W oknie Edit Section:

a. Zatwierdzić nazwę materiału STAL z listy Material.

b. Zaakceptować domyślną wartość 1 z Plane stress/strain thickness.

Note: (Dla trójwymiarowej geometrii, ta wartość nie ma znaczenia; jest istotna tylko w przypadku elementów ).

c. Kliknąć OK.

W celu przyporządkowania (związania) zdefiniowanej grupy właściwości z konkretną częścią należy:

1. Rozwinąć drzewo historii modelu zaczynając od zakładki Parts (1), aż do pojawienia się

Section Assignments (Rys. 12).

7 | S t r o n a Copyright 2009 dr inż. Jarosław Mańkowski na podstawie: Getting Started with ABAQUS

Rys. 12 Drzewo historii modelu – Section Assgnments.

2. Podwójnie kliknąć Section Assignments (w obszarze podpowiedzi pojawi się tekst:

.

Wskaźnikiem myszy najechać na model belki (krawędzie zmienią kolor na pomarańczowy) i kliknąć lewy przycisk myszy (krawędzie zmienią kolor na czerwony).

3. Kliknąć Done.

4. W oknie dialogowym Edit Section Assignment wybrać z listy Section i zaakceptować nazwę grupy właściwości (wcześniej zdefiniowanej) WlasciwosciBelki i kliknąć OK.

ABAQUS/CAE zmieni kolor części na zielony.

Składanie modelu – przeniesienie części do globalnego układu współrzędnych

W tym przypadku złożenie modelu będzie składało się z jednej części nazwanej Belka.

W celu wprowadzenia części do globalnego układu współrzędnych (wykonania złożenia) należy:

1. W drzewie historii rozwinąć zakładkę Assembly i podwójnie kliknąć Instances w celu dodania części.

ABAQUS/CAE przełączy się do modułu Assembly i otworzy okno dialogowe Create Instance.

2. W oknie dialogowym Create Instance należy wybrać z listy Belka i kliknąć OK.

ABAQUS/CAE wyświetli wczytaną część w oknie roboczym modułu Assembly..

Konfiguracja analizy – definicja parametrów zadania.

Niniejsze zadanie jest przykładem badania statycznego oddziaływania ciśnienia, przyłożonego do górnej powierzchni belki, na badaną konstrukcję. Zakładamy, że naprężenia nie mogą przekroczyć granicy plastyczności – to znaczy, że przyjmujemy liniowo-sprężystą charakterystykę materiału. W związku z powyższym definiujemy parametry dla liniowej, statycznej (niezależnej od czasu) analizy. W celu zdefiniowania takiej analizy należy zdefiniować następujące kroki obliczeniowe:

Krok wstępny, w którym zostaną zdefiniowane warunki brzegowe.

Podstawowy krok obliczeniowy, w którym będą zadawane obciążenia.

8 | S t r o n a Copyright 2009 dr inż. Jarosław Mańkowski na podstawie: Getting Started with ABAQUS

W ABAQUS/CAE krok wstępny (initial step) jest generowany automatycznie, natomiast użytkownik musi zdefiniować podstawowy krok obliczeniowy.

W celu wygenerowania podstawowego kroku analizy należy:

1. Podwójnie kliknąć Steps w drzewie historii.

ABAQUS/CAE przełączy się do modułu Step i otworzy okno dialogowe Create Step.

2. W oknie dialogowym Create Step:

a. Wprowadzić nazwę zmieniając wartość Name: na ObciazenieBelki.

b. Z listy Procedure type: wybrać: Linear perturbation, a następnie kliknąć: Static, Linear perturbation, które powinno być domyślnie podświetlone.

c. Kliknąć Continue.

Pojawi się okno dialogowe edytora parametrów kroku obliczeniowego (Edit Step).

3. W oknie dialogowym Edit Step:

a. W zakładce Basic, w polu Description, można wprowadzić opis wykonywanej analizy np.: Obciazenie cisnieniem przylozonym do gornej powierzchni belki.

b. W zakładce Other powinny pozostać domyślne ustawienia (Method: Direct, Matrix strage: Use solver default).

c. Kliknąć OK, żeby stworzyć krok obliczeniowy oraz wyjść z edytora.

Wstawianie warunków brzegowych oraz obciążenia

Do przygotowanego modelu należy wprowadzić odpowiednie warunki brzegowe, wynikające ze sposobu utwierdzenia konstrukcji. Należy również wprowadzić właściwe obciążenie, wynikające ze sposobu obciążenia konstrukcji.

W celu wprowadzenia warunków brzegowych należy:

1. W drzewie histori kliknąć BCs, co spowoduje przejście do modułu Load oraz otwarcie okna dialogowego Create Boundary Condition.

2. W oknie dialogowym Create Boundary Condition:

a. Wprowadzić nazwę zmieniając wartość Name: na Fixed.

b. Z listy Step: wybrać: Initial jako krok, w którym powinny być wprowadzone warunki brzegowe.

c. Z listy Category, wybrać Mechanical, co oznacza, że będą definiowane mechaniczne warunki brzegowe.

d. Z listy Types for Selected Step, wybrać Displacement/Rotation, co pozwala na wprowadzanie blokowania przemieszczeń i obrotów dla wybranych punktów (obszarów) modelu .

e. Kliknąć Continue.

ABAQUS/CAE wyświetli kolejno odpowiednie komunikaty w linii podpowiedzi (poniżej ekranu roboczego). Należy wskazać obszar dla którego będą definiowane warunki brzegowe (Select regions for the bundary conditio) wykonując następujące czynności:

4. Kliknij ikonę Show/Hide Selection Options w linii podpowiedzi. Pojawi się okno dialogowe Options, w którym należy wyłączyć Select the Entity Closest to the Screen

co pozwoli na wybranie „tylnej” teoretycznie niwidocznej powierzchni belki Rys. 13.

9 | S t r o n a Copyright 2009 dr inż. Jarosław Mańkowski na podstawie: Getting Started with ABAQUS

Rys. 13 Zaznaczanie powierzchni, która ma zostać utwierdzona.

Kiedy kursor myszy zostanie ustawiony na tej powierzchni, ABAQUS/CAE zmieni kursor,

dodając do strzałki trzy kropki po prawej stronie ..., co pozwala na wybór jednego z

dostępnych, nakładających się na siebie obiektów. Należy kliknąć lewy klawisz myszy, a następnie korzystając z przycisków Next lub Previous (następny lub poprzedni) wybrać właściwą powierzchnię. W celu akceptacji wyboru kliknąć OK.

5. W celu zatwierdzenia wyboru kliknąć Done.

Pojawi się okno dialogowe Edit Boundary Condition. Należy zablokować wszystkie przemieszczeniowe stopnie swobody. W tym celu należy:

a. Zaznaczyć U1, U2, U3, co powoduje blokadę przemieszczeń na kierunku 1, 2, 3 (X, Y, Z).

b. Kliknąć OK, co spowoduje zatwierdzenie zdefiniowanych warunków brzegowych i wyjście z edytora.

ABAQUS/CAE wyświetli strzałki oznaczające wprowadzone stopnie swobody Rys. 14.

W celu przyłożenia obciążenia do górnej powierzchni belki:

1. W drzewie historii należy podwójnie kliknąć Loads.

Pojawi się okno dialogowe Create Load.

2. W oknie dialogowym Create Load:

a. Wprowadzić nazwę zmieniając wartość Name: na Cisnienie.

b. Z listy Step: wybrać: ObciazenieBelki jako krok, w którym powinny być wprowadzone warunki brzegowe.

c. Z listy Category, zaakceptować zaznaczenie Mechanical.

d. Z listy Types for Selected Step, wybrać Pressure, pozwoli na wprowadzenie obciążenia w postaci ciśnienia przyłożonego do wskazanej powierzchni.

e. Kliknąć Continue.

ABAQUS/CAE wyświetli kolejno odpowiednie komunikaty w linii podpowiedzi (poniżej ekranu roboczego). Należy wskazać powierzchnię, do której będzie przyłożone ciśnienie (Select surfaces for the load).

10 | S t r o n a Copyright 2009 dr inż. Jarosław Mańkowski na podstawie: Getting Started with ABAQUS

3. Należy kliknąć górną powierzchnię analizowanego modelu Rys. 14.

Rys. 14 Strzałki oznaczające wprowadzone stopnie swobody oraz powierzchnia do której zostanie

przyłożone ciśnienie.

4. Kliknąć Done w celu potwierdzenia wyboru powierzchni.

5. W oknie dialogowym Edit Load wprowadzić właściwą wartość ciśnienia (0.5 MPa):

a. W polu magnitude wpisać 0.5.

b. Kliknąć OK, co spowoduje zatwierdzenie wprowadzonego obciążenia i wyjście z edytora.

ABAQUS/CAE wyświetli strzałki skierowane prostopadle do powierzchni obciążanej.

Tworzenie siatki MES

Należy przejść do modułu Mesh, który zawiera narzędzia niezbędne do wygenerowania elementów skończonych tzw. „siatki”. Pozwala na wybór techniki tworzenia siatki, rodzaju oraz typu elementów. W ABAQUS/CAE do wyboru jest wiele różnych technik wykonywania siatki. Domyślny sposób podziału jest określany za pomocą koloru przyporządkowanego do obszarów modelu. Kolor pomarańczowy oznacza, że system ABAQUS/CAE nie ma możliwości wygenerowania siatki i trzeba model podzielić na mniejsze, bardziej regularne obszary.

Kolor zielony oznacza, że jest możliwość wygenerowania siatki strukturalnej (dla modeli powierzchniowych – zbudowanej z elementów czterobocznych), dla modeli bryłowych, tak jak w analizowanym aktualnie przypadku, zbudowanej z elementów sześciennych.

W celu wygenerowania siatki należy wykonac następujące czynności:

Zdefiniować parametry siatki:

1. W drzewie historii rozwinąć zakładkę Parts (1), zakładkę Belka, podwójnie kliknąć Mesh

Rys. 15.

ABAQUS/CAE przejdzie do modułu Mesh i wyświetli część nazwaną Belka.

2. Z menu głównego wybrać MeshControls.

3. W oknie dialogowym Mesh Controls, zaakceptować kształt elementu Hex (sześcian), który jest domyślnym typem elementu dla siatki strukturalnej, zaznaczanym w liście Element Shape.

11 | S t r o n a Copyright 2009 dr inż. Jarosław Mańkowski na podstawie: Getting Started with ABAQUS

4. Na liście Technique zaakceptować Structured (generowanie siatki strukturalnej) jako domyślną technikę tworzenia siatki.

5. Kliknąć OK w celu zatwierdzenia wybranego sposobu tworzenia siatki i przejść do wyboru typu elementów.

Rys. 15 Przechodzenie do modułu Mesh w celu wygenerowania siatki.

Zdefiniować i przyporządkować odpowiedni typ elementu:

1. Z menu głównego, wybrać MeshElement Type.

2. W oknie dialogowym Element Type, zaakceptować następujące domyślne parametry:

Standardowe elementy z biblioteka elementów Element Library→Standard.

Klasa elementu (rodzaj funkcji kształtu) – wybieramy elementy z liniową funkcją kształtu Geometric Order→Linear.

Rodzaj elementu trójwymiarowy do analiz naprężeniowych Family→3D Stress.

3. W dolnej części okna dialogowego, wyświetlany jest symbol i opis zdefiniowanego elementu. Jeżeli nie zostały zmienione ustawienia domyśne to mamy: C3D8R: An 8-node linear brick, reduced integration, hourglass control.

4. Należy zmienić ustawienia domyślne w zakładce Hex i wyłączyć redukcję punktów całkowania Reduced integration (odznaczyć). W dolnej części okna dialogowego powinien się zmienić symbol i opis wybranego elementu: C3D8: An 8-node linear brick.

5. Kliknąć OK, żeby zatwierdzić ustawienia typu elementu i zamkąć okno dialogowe.

Wykonać siatkę MES:

1. Z menu głównego, wybrać SeedPart co pozwali na zdefiniowanie gęstości siatki (wielkości elementów).

Pojawi się okno dialogowe Global Seeds. Opcja ta pozwala na zdefiniowanie przybliżonej, globalnej (ogólnej dla całego modelu) wielkości elementów – długości krawędzi elementów.

2. Należy zmienić domyślną wartość długości krawędzi, wprowadzając wartość 10 w polu Approximate global size: i klknąć OK.

ABAQUS/CAE doda punkty podziału do analizowanej części Rys. 16.

12 | S t r o n a Copyright 2009 dr inż. Jarosław Mańkowski na podstawie: Getting Started with ABAQUS

Rys. 16 Zdefiniowane punkty podziału siatki MES.

3. Z menu głównego, wybrać MeshPart w celu wygenerowania siatki.

4. Kliknąć Yes w linii podpowiedzi, poniżej ekranu roboczego.

ABAQUS/CAE wygeneruje siatkę, która ma wyglądać jak na Rys. 17.

Rys. 17 Analizowana część z nałożoną siatką MES.

Tworzenie i uruchamianie zadania obliczeniowego

Ponieważ przygotowywanie modelu MES zostało zakończone, można przystąpić do uruchomienia solvera i wykonania analizy stworzonego modelu. Do tego celu służą narzędzia znajdujące się w module JOB.

W celu uruchomienia obliczeń należy:

1. W drzewie historii podwójnie kliknąć Jobs.

ABAQUS/CAE przełączy się do modułu Job i wyświetli okno dialogowe Create Job.

2. W oknie dialogowym Create Job, wpisać nazwę (Name:) Belka i wybrać model BEAM. Kliknąć Continue.

Pojawi się okno dialogowe Edit Job.

13 | S t r o n a Copyright 2009 dr inż. Jarosław Mańkowski na podstawie: Getting Started with ABAQUS

3. W oknie dialogowym Edit Job, w polu Description wpisać tekst Belka zginana - Analiza 1 . Kliknąć OK.

4. W drzewie historii rozwinąć zakładką Jobs, umieścić wskaźnik myszy na nazwie zadania obliczeniowego Belka i kliknąć prawy klawisz myszy. Z dostępnych opcji wybrać Submit.

W trakcie wykonywania zadania przy nazwie Belka, w nawiasach będzie wyświetlany status Running. Po zakończeniu obliczeń, zmieni się status zadania na Completed -

Rys. 18

Rys. 18 Status zadania wyświetlany w drzewie historii.

Wyświetlanie wyników

Teraz można przejść do przeglądania i sprawdzania wyników. Do tego celu służą narzędzia znajdujące się w module Visualization.

1. W drzewie historii rozwinąć zakładką Jobs, umieścić wskaźnik myszy na nazwie zadania obliczeniowego Belka i kliknąć prawy klawisz myszy. Z dostępnych opcji wybrać Results.

ABAQUS/CAE przełączy się do modułu Visualization i otworzy bazę danych stworzoną na potrzeby zadania Belka - wczytany zostanie plik z wynikami Belka.odb. Wyświetlony

zostanie również podstawowy widok analizowanego modelu Rys. 19.

Rys. 19 Podstawowy widok modelu po wczytaniu wyników obliczeń.

2. Z menu głównego należy wybrać PlotUndeformed Shape co pozwoli na wyświetlenie

zdeformowanego kształtu modelu Rys. 20.

14 | S t r o n a Copyright 2009 dr inż. Jarosław Mańkowski na podstawie: Getting Started with ABAQUS

Rys. 20 Zdeformowany kształt modelu.

Można użyć funkcji automatycznego dostosowywania skali obiektu do wielkości ekranu

roboczego Auto-Fit View .

3. W celu wyświetlenia i sprawdzenia naprężeń zredukowanych należy wybrać z menu

głównego PlotContoursOn Deformated Shape Rys. 21.

Rys. 21 Mapa naprężen zredukowanych wg hipotezy Misesa (Hubera).

4. Przed zakończeniem pracy z programem ABAQUS/CAE należy zapisać plik korzystając

z menu głównego FileSave, a następnie zakończyć pracę wybierając FileExit.

Pliki niezbędne przy przenoszeniu danych na inny komputer:

BELKA.cae

BELKA.jnl

Belka.odb.

15 | S t r o n a Copyright 2009 dr inż. Jarosław Mańkowski na podstawie: Getting Started with ABAQUS

Modyfikacje zadania:

Kopiowanie modelu w celu dokonania zmian:

1. W drzewie historii umieścić wskaźnik myszy na nazwie modelu BEAM i kliknąć prawy klawisz myszy. Z dostępnych opcji wybrać Copy Model. Zmienić nazwę na BELKA-2. Kliknąć OK.

2. Rozwinąć drzewo historii dla modelu BELKA-2.

Zmiana gęstości siatki:

Wprowadzić modyfikacje siatki, celem uzyskania czterech elementów na grubości

analizowanej belki.

1. Przejść do modułu Mesh (sprawdzić czy zmiany dokonywane są w modelu BEAM-2 dla części o nazwie Belka.

2. Z menu głównego wybrać SeedEdge By Number (funkcja ta pozwala na zdefiniowanie liczby węzłów leżących na krawędzi). Wskazać wszystkie cztery pionowe krawędzie. Kliknąć Done, a następnie potwierdzić, klikając OK. cheć usunięcia istniejącej siatki elementów. W oknie edycyjnym, na pasku podpowiedzi wprowadzić wartość 4. Nacisnąć Enter. Potwierdzić wprowadzenie zmian, klikając Done.

3. Ponownie wygenerować sietkę elementów MeshPartYes.

Zmiana kształtu analizowanej belki:

Celem analizy jest sprawdzenie i porównanie wytrzymałości belki o takich samych wymiarach zewnętrznych, tylko o innym kształcie przekroju. Należy wykonać dwie analizy dla następujących kształtów przekrojów i sposobów przyłożenia obciążenia:

16 | S t r o n a Copyright 2009 dr inż. Jarosław Mańkowski na podstawie: Getting Started with ABAQUS

17 | S t r o n a Copyright 2009 dr inż. Jarosław Mańkowski na podstawie: Getting Started with ABAQUS