Presentazione di PowerPoint - Peoplepeople.unipi.it/static/ciro.santus/MaterialeDidattica/PAdC/PAdC... · / 0.1 Dd rd R.C. Juvinall, K.M. Marshek –Fundamentals of machine component

© Università di Pisa

1. Modellazione di parti singole

2. Connessioni fra più parti (Connections, Contact&Target)

3. Semplificazioni dei contatti

4. Riduzione del modello sfruttando le simmetrie

5. Carico di forza remota

6. Vincolo di spostamento remoto

Corso di

Progettazione Assistita da Computer (PAdC)

CLM Ing. Meccanica

Esercitazioni guidate di

ANSYS Workbench


Diverse tipologie di analisi con ANSYS Workbench

Statica Modale Risposta

armonica

Transitorio,

Analisi

termiche etc.


Lez. 1. Modellazione di parti singole in ANSYS WorkbenchAlbero con variazione di diametro e raggio di raccordo

FFD

d

150mm

100mm

10mm

D

d

r

=

=

=

t ?K =

r


Albero con variazione di diametro e raggio di raccordo

FF

0

max

maxt

0

K

=

Punto (linea 3D)di

tensione massima

t

Analisi lineare:

non dipendedal valoredella tensione nominaleK



t 1.9K

/ 1.5

/ 0.1

D d

r d

=

=

R.C. Juvinall, K.M. Marshek – Fundamentals

of machine component design – Wiley



Geometria da CAD: Albero.x_t (parasolid) →

Importazione su ANSYS Wb

Formati di importazione:

Catia

Pro/Engineer

Solidworks

Unigraphics NX

…

Parasolid (.x_t, .x_b)

IGES (.igs, .iges)

STEP (.stp, .step)

…



0

Tensione nominale introdotta

come pressione remota:

100MPa =



max 0

maxt t

0

168MPa, 100MPa

(ANSYS) 1.68 (JUV)K K

= =

= =

Mesh1

(default)



max 0

maxt t

0

190MPa, 100MPa

(ANSYS) 1.90 (JUV)K K

= =

= = =

Mesh 2



Mesh 3

max 0

maxt t

0

203MPa, 100MPa

(ANSYS) 2.03 ( ) (JUV)K K

= =

= =



Mesh 4

max 0

maxt t

0

200MPa, 100MPa

(ANSYS) 2.00 ( ) (JUV)K K

= =

= =


Analisi di convergenza

max

Mesh 4Mesh 2 Mesh3

max convergenza →

Tensionedi riferimento

(Juvinall)

Mesh1


Analisi di convergenza con h-convergence

Convergenza Ok


Esercizio da svolgere

bM

0 max

maxt

0

?K

= =150mm

100mm

10mm

D

d

r

=

=

=

bM


Albero con variazione di diametro, raggio di raccordo nullo

FFD

d

t

t (ANSYS) ?

K

K

=

=

0r →

max valorefinito,funzionecrescentedell'infittimentolocaledella mesh



max 121MPa =

Mesh1



max 212MPa =

Mesh 2



max 247 MPa =

Mesh 3



max 412MPa =

Mesh 4


Raggio di raccordo nullo, NO convergenza:Tensione sempre più alta all’aumentare dell’infittimento della mesh

max

Mesh1 Mesh 2 Mesh3

max →

Mesh 4


Criterio di resistenza?Dimensione del volume di materiale che ha superato la tensione ‘limite’

YEs. 230MPaS =

Ridotto volume

di superamento

della tensione

limite

Tensioneequivalente

von MisesSezione


Cilindro ad elevato spessore radiale

Ip

ID ED

E

I

I

1000mm

400mm

100bar 10MPa

D

D

p

=

=

= =


Cilindro ad elevato spessore radiale – pressione interna

Ip

r

r I I

r E

( / 2)

( / 2) 0

r D p

r D

= = −

= =

2 2

E II I 2 2

E I

2

IE I 2 2

E I

( / 2)

( / 2) 2

D Dr D p

D D

Dr D p

D D

+= =

−

= =−


I 10MPap =

r

10MPa−

3.8MPa

13.8MPa

E

I

1000 mm

400 mm

D

D

=

=



TuboSpesso_ElevataLunghezza.x_t



Tensione normale radiale

r (R.interno) 10MPa = −

r (R.esterno) 0MPa =

Coordinate

cilindriche



(R.esterno) 3.8MPa =

Coordinate

cilindriche(R.interno) 13.8MPa =

Tensione normale circonferenziale



Lastra forata di piccolo spessore

t ?K =

d

W

30mm

10mm

W

d

=

=



/ 0.333d W =t 2.3K =

R.C. Juvinall, K.M. Marshek –

Fundamentals of machine

component design – Wiley



maxt

0

K

=

0 100MPa =

max

0 66.7 MPaW d

W

−= =





t 2.33K =

Tensione normale

direzione verticale


Tensione normale

allo spessore

NULLA

Lastra forata di piccolo spessore – Plane Stress


Lastra forata di elevato spessore

d

W

t , confrontabilit d


Completa impedita contrazione laterale

(indipendentemente dallo spessore)

Lastra forata di elevato spessore – Plane Strain


Tensione normale

direzione verticale

Stessa soluzione nel piano:

plane strain / plane stress



Plane strain:

( )z x y = +

( )

0.3 (232 0) 70MPa

z x y = +

= + =

norm. allo spessore nel piano

Tensione normale

direzione trasversale



Nessun vincolo sulle facce laterali

Lastra forata di elevato spessore – Problema 3D generico


Tensione normale

direzione verticale

Tensioni nel piano molto simile a plane stress (piccolo spessore).

Stessa soluzione nel piano: plane stress / plane strain / plane strain generalizzato.



Planestrain:

70MPaz =

Tensione normale

allo spessore

Tensione non nulla, a causa della parziale impedita contrazione laterale

Tensione massima circa uguale a plane strain (inferiore)



Modello isostatico / labile

66.7MPa =

66.7 MPa =

66.7MPa =

50MPa =

Warning:

Labilità (si ottiene comunque la soluzione)

'magnitude limit was exceeded'

Carico agentesecondo

la direzionedi lab

Error:

ilità


1. Comandi di base: vincolo, carico, visualizzazione tensioni, etc.

2. Valore di riferimento risultato cercato:

- utile per validare il modello (ordine di grandezza),

- possibili differenze con modello FE.

3. Convergenza tensione massima:

- OK in presenza di raggio di raccordo,

- NO senza raggio di raccordo “sharp notch”,

soluzione FE finita ma crescente con l’infittimento della mesh.

4. Elevato onere computazionale anche con modelli molto semplici.

5. Soluzione Plane Stress - Plane Strain e 3D.

Sommario Lez. 1


Esercitazione da svolgere 1Definire una corretta distribuzione dei vincoli per eliminare la labilità nel caso in cui siano

applicate azioni distribuite di trazione (pressione negativa) sulle due facce opposte

Come ottenere una condizione

di vincolo isostatica, senza

perturbare la distribuzione di

deformazione delle superfici?


Esercitazione da svolgere 2Confrontare la tensione z (perpendicolare al piano della lastra) fra Pl. Strain e il

caso tridimensionale generico, utilizzando il Path di Workbench

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 2 4 6 8 10

sigm

a_z

, MP

a

Path, mm

Effetto di "contraint" laterale

Caso 3D

Plane Strain

Definizione dei due

punti del Path


Lez. 2. Modellazione di più parti in ANSYS Workbench,

uso delle connessioni

Leva

Perno

Tampone

Connessioni:

Perno – Leva

Tampone – Leva


Modellazione di un complessivo

Simulation >Geometry >From File… >“LevaVincolata.SLDASM”

>“LevaVincolata.igs”

>“LevaVincolata.x_t”

Assieme

(più parti assemblate in CAD)


Introduzione della geometria

Import automatico delle

parti

Import automatico delle

connessioni fra le parti

(superfici adiacenti)


ANSYS Workbench, connessioni

Target

Contact


ANSYS Workbench, stato delle connessioni

• “Bonded (Vincolato)”: vincolo relativo sia normale (bilaterale)

che tangenziale. (default)

• “No separation (Senza separazione)”: vincolo relativo solo

normale (bilaterale) ma non tangenziale.

• “Frictionless (Senza attrito)”: vincolo relativo solo normale

(unilaterale) ma non tangenziale.

• “Rough (Rugoso)”: vincolo relativo sia normale (unilaterale)

sia tangenziale.

• “Frictional (Con attrito)”: vincolo relativo sia normale

(unilaterale) sia tangenziale, fino al limite di attrito. Successivo

comportamento di attrito dinamico.


• “Bonded”: (linearità)

• “No separation”: (linearità)

• “Frictionless”: (non-linearità, difficoltà di soluzione)

• “Rough”: (non-linearità, difficoltà di soluzione)

• “Frictional”: (non-linearità, difficoltà di soluzione)

ANSYS Workbench, stato delle connessioni


ANSYS Workbench, connessioni


Vincoli e carichi


Engineering data: introduzione, modifica dei materiali

Default:

acciaio strutturale

Introduzione di altri

materiali

Modifica/definizione

delle proprietà


Assegnazione dei materiali

Assegnazione

materiale alle

parti


Mesh, infittimento


Soluzione, analisi dei risultati


Forze e momenti di reazione

1000NF =

1 2T

1

2083NL L

R FL

+= =

1 60mmL =

2 65mmL =

2P

1

1083NL

R FL

= =


Risultati numerici, diversi sistemi di coordinate

Assi rispetto

a cui sono

calcolate le

componenti,

sist. globale


Forza: Perno - Leva

P

Risultante

1083NR =

Vettore

risultante

Componenti

rispetto al

sistema di

coordinate


Momento risultanteDefinizione di un nuovo sistema di riferimento

Polo di

calcolo


Momento di reazione

Reazione

Tampone -

Leva

Vettore

momento T 1

3124.98 10 N mm

R L =


Contatto senza attrito: Perno - Leva


Analisi non lineare (contatto)Iterazioni di convergenza

L’infittimento locale

può migliorare la

procedura di

convergenza


Connessione di contatto perno con sede

Compressione

(contatto chiuso)Contatto

aperto


1. Connessioni:

- Vincolato Lineare

- Senza separazione Lineare

- Senza attrito Non lineare

- Rugoso (attrito infinito) Non lineare

- Con attrito Non lineare

2. Definizione proprietà elastiche materiale.

3. Reazione vincolare/connessione: forza, momento.

Sommario Lez. 2


Esercitazione da svolgereDeterminare la rigidezza di una molla a balestra

F

33

3

Determinare:

Modello trave uniforme resistenza:

810.2 10 N/mm

3

FK

E nb hK

L

=

= =

500mm

5

20 60mm

Connessione

da applicare?


Lez. 3. Modellazione semplificata dei contatti in ANSYS Wb

Modellazione contatto perno forcella


Distribuzione di pressione sulla sup. laterale del perno

Elemento lateraleElemento centrale


Distribuzione di pressione unilaterale

Perno

Elemento laterale

Connessione, perno/forcella,

necessario impostare “Contatto senza attrito” o “Frictionless”

Zona scarica Zona caricata


Prima soluzione: Impostare “Contatto senza attrito” (“Frictionless”)

(solo su una connessione)

Connessioni


Esclusione delle connessioni laterali

Connessioni

Connessione

soppressa


Contatto, necessità di una mesh accurata

Temporanea

esclusione

(grafica) di un

componente

per una

selezione


Vincoli e carichi

Vincolo

fisso

Forza

Spostamento

verticale

impedito


Convergenza


“No separation”

“Frictionless”

Contatto localizzato ad una sola connessione

“No separation”

Distacco laterale,

altrimenti impedito

dalla connessione


Contatto

Contatto localizzato ad una sola connessione

Distacco


Possibilità di evitare non-linearità di contatto

Connessione con contatto (in questo caso senza attrito) implica

non linearità e quindi si ha il processo iterativo di convergenza.

Essendo superfici conformi è possibile prevedere le zone di

contatto ed escludere le porzioni scariche.

È possibile operare in due modi:

a) Suddividere una o più parti in sottoparti, in modo da

“spezzare” la connessione di partenza

b) Oppure suddividere la superficie interessata al contatto, in più

superfici, gestire le connessioni, e proseguire come nel caso

precedente


a) Suddivisione del perno

Perno come assieme di parti

(modellazione CAD):

- TestaPerno

- SemiPerno

- SemiPerno

TestaPerno

SemiPerno

SemiPerno


Import in ANSYS WbPerno diviso in più parti

Perno suddiviso in

due metà (+ testa)


Connessioni

Connessione “Vincolato” fra le due

metà (fittizie) dello stelo del bullone


Connessione da escludere (suppressed),

il contatto si sviluppa dall’altra parte

Connessioni


Connessione da escludere (suppressed),

perché il contatto si sviluppa dall’altra parte

Connessioni


Connessione da mantenere

(“No separation”)

Connessioni


Connessione da mantenere

(“No separation”)

Connessioni


Mesh

Minore esigenza

di un elevato

infittimento


Vincoli e carichi

Vincolo direz. verticale, per eliminare

la labilità, oltre a Weak Springs


Distacco sulle superfici con connessione soppressa

Analisi dei risultati

Distacco

Contatto, compressione



Contatto caricato, tensione equivalente von Mises

Contatto

Distacco



Tensione equivalente von Mises del perno

Discontinuità

della soluzione


Superficie spezzata

b) Suddivisione delle superfici del perno

Il volume non

viene suddiviso


Mesh Perno a tetraedri

“Sweepable” body

(mesh a esaedri, OK)

“Not sweepable” body

(mesh a tetraedri, minore accuratezza)


Mesh Perno a tetraedri

Nuova opzione

di Mesh:

Method →

Hex Dominant


Connessioni

Possibilità di escludere

alcune superfici dalla

connessione


Vincoli e carichi come per il caso precedente


Stato di tensione del perno

Connessione attiva,

contatto concentrato

ai bordi laterali

Contatto aperto,

no connessione

Non più discontinuità

della soluzione e

Mesh ad esaedri


1. Ridurre o eliminare connessioni unilaterali.

2. Suddividere la connessione in più parti, e deselezionare

le zone di contatto non caricate.

3. Suddivisione preliminare di un volume (integro) in più

parti assemblate, per avere porzioni separate di superfici a

contatto.

4. Alternativamente spezzare le superfici della parte (o delle

parti) coinvolte nella connessione.

Sommario Lez. 3


Esercitazione: Giunto a sovrapposizione rivettatoDeterminare il momento flettente agente sulla testa all’estremità del rivetto

100MPa =

Vincoli?

Connessioni?

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