مدل‌سازی یک مته

معرفی

در این مثال دو فرکانس طبیعی اول یک مته موردبررسی قرار می‌گیرد. هدف از انجام این مثال علاوه بر آشنایی بیشتر با آنالیز مودال آشنایی با دو قابلیت دیگر نرم‌افزار تحت عنوان AdjactionRegion

و Archive Model است. کاربرد قابلیت Adjaction Region در مدل‌های پیچیده است.

به‌عنوان‌مثال دو بخش از یک مدل را در نظر بگیرید که به‌صورت جداگانه ساخته‌شده‌اند و در مرز مشترک شبکه‌بندی آن‌ها, محل گره‌ها با یکدیگر تطابق نداشته باشد و به کمک دستور Merge نیز نتوان این دو بخش را باهم یکپارچه نمود. برای حل این مشکل در ANSYS قابلیت Adjaction Region

پیش‌بینی‌شده است. روش کار آن به این صورت است که پس از معرفی گره‌های مرز مشترک مدلی که قرار است به مدل دوم بچسبد و سپس انتخاب المان‌های مرز مشترک مدل دوم، نرم‌افزار ANSYS

به کمک میانیانی جابجایی با اضافه نمودن یکسری معادلات سازگاری به ماتریس سختی، به یکپارچه‌سازی مدل می‌پردازد. بدیهی است، توزیع جابجایی مرز مشترک پیوسته خواهد بود اما دلیلی برای پیوستگی توزیع تنش در ناحیه مرزی وجود ندارد.

در این مثال قصد داریم دو بخش مته (مارپیچ و سروته) را به‌صورت جداگانه با المان‌های سازه‌ای 8 گره‌ای شبکه‌بندی نموده و باوجود عدم تطابق گره‌ها و المان‌های مرز مشترک دو قسمت، به کمک قابلیت Adjaction Region مرز مشترک را یکپارچه کنیم. قابل‌ذکر است که کل مراحل مدل‌سازی در محیط ANSYS انجام می‌شود. یکی دیگر از قابلیت‌های نرم‌افزار که در این مدل مورداستفاده قرارگرفته است Archive Model است. همان‌طور که ازنام آن معلوم است، به‌عنوان آرشیو و بایگانی مدل است. به‌عنوان نمونه دو مدل پیچ و مهره را در نظر بگیرید که به‌صورت جداگانه در دو فایل مختلف ساخته‌شده‌اند مقصد داریم این مدل‌ها (پیچ و مهره) را درکنار هم و در یک مدل واحد داشته باشیم. برای این کار با ذخیره‌سازی یکی از مدل‌ها به‌عنوان‌مثال مهره در آرشیو مدل‌ها وباز خوانی آن در محیطی که فایل مربوط به پیچ قرارگرفته است، می‌توان این دو مدل را درکنار هم قرارداد. در این مثال نیز دو بخش مته (مارپیچ وسر مته) به‌طور جداگانه در دو فایل مختلف ساخته و به کمک

روش Archive Model آن دو را درکنار هم قرار می‌دهیم و سپس با روش AdjactionRegion مرز مشترک را یکپارچه می‌کنیم.

قطر مته 16mm و طول مارپیچ 60*(160/220)mm و طول سر مته 40 mm است. خواص ماده مته به‌صورت چگالی 8000 و مدول الاستیک 200E9 و نسبت پوا سون 0.3 می‌باشد حل مسئله با توجه به سیستم متریک انجام می‌شود.

حل

  تعیین المانهای موردنیاز وخواص ماده:

1)ANSYS Nain Menu >Preprocessor > Element Type > Add/Edit/Delete

2) در پنجره‌ی محاوره‌ی Element Types کلید Add… را فشار دهید.

3) در جعبه‌ی محاوره‌ی Library of Element Types در پنجره‌ی سمت چپ از المان‌های خانواده‌ی سازه‌ای Structural نوع المان Solid را انتخاب کنید و در پنجره‌ای مقابل ان المان Quad 4node 42 را انتخاب کنید و کلید Apply را فشار دهید.

4) در جعبه‌ی محاوره‌ی Library of Element Types در پنجره‌ی سمت چپ از المان‌های خانواده‌ی سازه‌ای Structural نوع المان Solid را انتخاب کنید و در پنجره‌ای مقابل ان المان Brick 8node 45 را انتخاب کنید و کلید OK را فشار دهید.

5) کلید Close را در پنجره‌ی Element Types فشار دهید.

 6)ANSYS Main Menu > Preprocessor > Material Props > Material Models

7) در جعبه‌ی محاوره‌ی Define Material Model Behavior در پنجره‌ی Material Models

Available مسیر Structural > Linear > Elastic > Isotropic را طی کنید.

8) در جعبه‌ی محاوره‌ی Linear Isotropic Properties for Material Number 1 در مقابل کادر EX عدد 200E9 و در کادر PRXY عدد 0.3 را وارد کنید و کلید OK را فشار دهید.

9) در جعبه‌ی محاوره‌ی Define Material Model Behavior در پنجره‌ی Material Models

Available مسیر Structural> Density را طی کنید.

10) در جعبه‌ی محاوره‌ی Density for Material Number 1 در مقابل کادر DENS عدد 8000 را وارد کنید و کلید OK را فشار دهید.

11) در جعبه‌ی محاوره‌ی Define Material Model Behavior مسیر Material>Exit را در منوی بالا طی کنید تا پنجره بسته شود.

مدل‌سازی مارپیچ مته:

1) ANSYS Main Menu> Preprocessor > Modeling > Create > Areas > circle > solid circle

2) در پنجره‌ی تولید دایره در کادر WP X عدد 0.0 و در کادر WP Y عدد 0.0 و در کادر Radius عدد 8 را وارد نموده و کلید Apply را فشار دهید.

3) در پنجره‌ی تولید دایره در کادر WP X عدد 0.0 و در کادر WP Y عدد 5.5 و در کادر Radius عدد 4.5 را وارد نموده و کلید Apply را فشار دهید.

4) در پنجره‌ی تولید دایره در کادر WP X عدد 0.0 و در کادر WP Y عدد -5.5 و در کادر Radius عدد 4.5 را وارد نموده و کلید OK را فشار دهید.

5) ANSYS Main Menu> Preprocessor > Modeling > Create > Areas > Rectangle >

By Center & Corner

6) در پنجره‌ی تولید مستطیل در قسمت WP X عدد 0.0 و در قسمت WP Y عدد 0.0 و در کادر Width عدد 18 و در کادر Height عدد 12 را وارد نموده و کلید OK را فشار دهید.

ت

7) ANSYS Main Menu> Preprocessor > Modeling > Operate > Booleans > Partition >Areas

8) کلید Pick All را در پنجره‌ی انتخاب فشار دهید.

اکنون سطح اضافی مقطع را پاک نموده تا مقطع نهایی مارپیچ تولید شود.

1) ANSYS Main Menu> Preprocessor > Modeling > Delete > Area and Below

2) مطابق با شکل زیر سطوح شماره‌ی 5,7,9,10,11,12,13,14 را در پنجره‌ی گرافیکی انتخاب نموده و کلید OK را در پنجره‌ی انتخاب فشار دهید.

3) ANSYS Main Menu> Preprocessor > Meshing > Mesh Tool

4) در جعبه‌ابزار Mesh Tool کلید Mesh را فشار دهید.

5) در پنجره انتخاب کلید Pick All را فشار دهید تا سطح مقطع مارپیچ شبکه‌بندی شود.

اکنون برای تولید اولین حجم مارپیچ عملیات زیر را انجام دهید:

1) ANSYS Main Menu> Preprocessor > Modeling >Operate>Extrude>Elem Extops

2) در جعبه محاوره Element Extrution Options در قسمت Elemnt type number از منوی مقابل آن المان دوم 2SOLIDE45 را انتخاب کرده و سپس برای تعیین تعداد المان‌های قرارگرفته در جهت کشش در قسمت Element Sizing Options for Extrution در مقابل VAL1NO.of Elem divs عدد 1 را وارد کنید و با توجه به اینکه پس از کشیده شدن مقطع وجود المان‌های دوبعدی روی مقطع موردنیاز نیست در قسمت ACLEAR Clear areas after ext? گزینه آن را فعال (Yes) کرده و سپس کلید OK را فشار دهید.

 

3)ANSYS Utility Menu >WorkPlane >Change Active CS to>Global Cylindrical

4)ANSYS Main Menu>Preprocessor>Modeling>Operate>Extrude>Areas>By XYZ Offset

5) کلید Pick All را در پنجره انتخاب فشار دهید.

6) در جعبه‌ی محاوره‌ی Extrude Areas by XYZ Offset در مقابل کادر DX,DY,DZ Offsets for extrution به ترتیب اعداد 0,10,160/220 را وارد کنید و کلید OK را فشار دهید.

برای تولید کل مارپیچ بایستی حجم تولیدشده‌ی فوق را به تعداد کل 60 حجم افزایش دهید:

1) ANSYS Main Menu>Preprocessor>Modeling> Modeling > Copy > Volumes

2) کلید Pick All را در پنجره انتخاب فشار دهید.

3) مطابق شکل زیر در جعبه‌ی محاوره‌ی Copy Volumes در قسمت ITIME Number of

Copies عدد 60 را وارد نموده و در قسمت DX X-offset in active CS عدد 0.0 و در کادر

DY Y-offset in active CS عدد 10 و در کادر DZ Z-offset in active CS عدد 160/220 را وارد نموده و کلید OK را فشار دهید.

برای یکپارچه نمودن احجام تولیدشده عملیات زیر را انجام دهید:

1) ANSYS Main Menu>Preprocessor> Numbering Ctrls > Merge Items

2) در جعبه‌ی محاوره‌ی Merge Coincident or Equivalently Defined Items در قسمت

Label Type of item to be merge از منوی آن گزینه‌ی All را انتخاب نموده و کلید OK را فشار دهید.

 

ذخیره‌سازی مدل در فایل DRILL.DB:

1) ANSYS Utility Menu > File > Save as ….

2) در جعبه‌ی محاوره‌ی Save Data Base در کادر Save Data Base to نام DRILL.DB را تایپ نموده و کلید OK را فشار دهید.

3) ANSYS Utility Menu > File > Clear & Start New

4) در جعبه‌ی محاوره‌ی Clear Data Base and Start New کلید OK را فشار دهید.

5) کلید Yes را در پنجره‌ی Verify فشار دهید.

  مدل‌سازی سر مته و ذخیره‌ی آن در Archive:

1) ANSYS Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete

2) در پنجره محاوره‌ی Element Type کلید Add… را فشار دهید.

3) در جعبه محاوره‌ی Library of Element Type در پنجره‌ی سمت چپ از المان‌های خانواده سازه‌ای Structural نوع المان Solide را انتخاب کنید و در پنجره‌ی مقابل آن المان Quad 4node42 را انتخاب کنید و کلید Apply را فشار دهید.

4) در جعبه‌ی محاوره‌ی Library of Element Type در پنجره‌ی سمت چپ از المان‌های خانواده‌ی سازه‌ای Structural نوع المان Solide را انتخاب کنید و در پنجره‌ی مقابل آن المان Brick 8node45 را انتخاب نموده و کلید OK را فشار دهید.

5) کلید Close را در پنجره‌ی Element type فشار دهید.

برای مدل‌سازی قسمت سرمته عملیات زیر را انجام دهید:

1) ANSYS Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Circle>Solide Circle

2) در پنجره‌ی تولید دایره در کادر WP X عدد0.0 و در کادر WP Y نیز عدد 0.0 و در کادر Radius عدد 8 را وارد نموده و کلید OK را فشار دهید.

3) ANSYS Main Menu>Preprocessor>Meshing>Mesh Tool

4) در جعبه‌ابزار Mesh Tool کلید Mesh را در جعبه‌ابزار فوق فشار دهید.

5) در پنجره انتخاب کلید Pick All را فشار دهید تا سطح مقطع دسته‌ی مته شبکه‌بندی شود.

اکنون برای تولید حجم دسته‌ی مته عملیات زیر را انجام دهید:

1) ANSYS Main Menu>Preprocessor>Modeling>Operate>Extrude>Elem ExtOpts

2) در جعبه محاوره Element Extrution Options در قسمت Elemnt type number از منوی مقابل آن المان نوع دوم 2 SOLID 45 را انتخاب کرده و سپس برای تعیین تعداد المان‌های قرارگرفته در جهت کشش در قسمت Element sizing options for extrusion در مقابل VAL1 No. of Elem divs عدد 20 را وارد کنید و با توجه به اینکه پس از کشیده شدن مقطع وجود المان‌های دوبعدی روی مقطع موردنیاز نیست در قسمت ACLEAR Clear area(s) after ext? گزینه‌ی آن را فعال (yes) کرده و سپس کلید OK را فشار دهید.

3) ANSYS Main Menu>Preprocessor>Modeling>Operate>Extrude> Areas > B;XYZ offset

4) کلید Pick All را در پنجره‌ی انتخاب فشار دهید.

5) در جعبه‌ی محاوره‌ی Extrude Areas by XYZ offset در مقابل کادر DX,DY,DZ

offset for extrusion به ترتیب اعداد 0,0,-40 را وارد کنید و کلید OK را فشار دهید.

اکنون مدل دسته‌ی مته آماده بوده بایستی آن را در آرشیو مدل‌های نرم‌افزار ذخیره نمود:

1) ANSYS Main Menu>Preprocessor> Archive Model > Write

2) مطابق شکل زیر در جعبه‌ی محاوره‌ی Write Geometry/Load for Archive در قسمت Fname Archive file to write نام دلخواه نظیرCYLEND را تایپ نموده و کلید OK را فشار دهید.

3) ANSYS Utility Menu > File > Clear & Start New

4) در جعبه‌ی محاوره‌ی Clear Data Base and Start New کلید OK را فشار دهید.

5) کلید Yes را در پنجره‌ی Verify فشار دهید.

 

  خواندن فایل آرشیو در فایل DRILL.DB:

1) ANSYS Utility Menu > File > Resume from…

2) در جعبه‌ی محاوره‌ی Resume DataBase در قسمت Resume DataBase From فایل DRILL.DB را انتخاب نموده و کلید OK را فشار دهید.

3) ANSYS Main Menu>Preprocessor> Archive Model > Read

4) مطابق شکل زیر در جعبه‌ی محاوره‌ی Read Archive Geometry / Loads در قسمت Fname Archive file to read نام نظیر CYLEND را تایپ نموده و کلید OK را فشار دهید.

 

 

5)ANSYS Utility Menu > PlotCtrls>Pan Zoom Rotate

6) در جعبه‌ابزار فوق کلید Iso را فشار دهید و سپس آن را ببندید.

7) ANSYS Utility Menu > Plot > Volumes

اکنون برای ایجاد اتصال بین مرز مشترک مارپیچ و دسته‌ی مته بایستی ابتدا المان‌های ردیف اول مارپیچ و سپس گره‌های ردیف اول دسته در محل تماس را انتخاب نموده:

1) ANSYS Utility Menu > Select > Entities….

2) در جعبه‌ابزار Select Entities تنظیمات Z coordinates, By Location, Volumes را انجام داده و سپس در کادر Min,Max محدوده‌ی 0,160/220 را وارد نموده و کلید Apply را فشار دهید.

3) در جعبه‌ابزار Select Entities تنظیمات Volumes, Attached to, Elements را انجام داده و کلید Apply را فشار دهید.

4) ANSYS Utility Menu > Plot > Areas

5) در جعبه‌ابزار Select Entities تنظیمات From Full, By Num/Pick, Areas را انجام داده و کلید Apply را فشار دهید.

6) در پنجره‌ی گرافیکی سطح دایروی مربوط به دسته‌ی مته را در مرز مشترک دسته مارپیچ

انتخاب نموده و کلید OK را در پنجره‌ی انتخاب فشار دهید.

7) در جعبه‌ابزار Select Entities تنظیمات From Full, all, Areas, Attached to, Nodes

را انجام داده و کلید OK را فشار دهید.

8) ANSYS Main Menu>Preprocessor> Coupling/Ceqn > Adjacent Regions

9) در جعبه‌ی محاوره‌ی Constraint Equation Connecting Adjacent Regions بدون تغییر کلید OK را فشار دهید.

10) ANSYS Utility Menu > Select > Everything ……

11) ANSYS Main Menu> Preprocessor>Modeling > Delete > Lines and Below

12) در پنجره‌ی انتخاب کلید Pick All را فشار دهید و در تمامی پنجره‌های خطا کلید OK را فشار دهید.

با توجه به مدل شدن مسئله در ابعاد میلی‌متری بایستی آن را به ابعاد متری تبدیل نمود:

1) ANSYS Main Menu> Preprocessor>Modeling > Operate > Scale > Volumes

2) در پنجره‌ی انتخاب کلید Pick All را فشار دهید.

3) مطابق شکل زیر در جعبه‌ی محاوره Scale Volumes در قسمت Scale RX,RY,RZ

Factors در هر سه کادر عدد 0.001 را وارد نموده و سپس در قسمت IMOVE Existing

Volumes will be از منوی آن گزینه‌ی Moved را انتخاب نموده (که به مفهوم انجام تصحیح بر روی همین مدل است و بدون آنکه نسخه‌ی دومی از مدل تولید شود حجم به سیستم متریک تبدیل شود) و کلید OK را فشار دهید.

  بارگذاری و حل:

1) ANSYS Main Menu>Solution > Analysis Type > New Analysis

2) در جعبه‌ی محاوره‌ی New Analysis گزینه‌ی Modal را انتخاب کنید.

3) کلید OK را فشار دهید.

اکنون باید نوع حل‌کننده‌ی مسئله و همچنین تعداد فرکانس‌های طبیعی و شکل موردنظر را برای نرم‌افزار تعریف کنید تا محاسبه شود. در این مسئله از حل‌کننده‌ی Subspace استفاده کنید.

1) ANSYS Main Menu>Solution > Analysis Type > Analysis Options

2) در جعبه‌ی محاوره‌ی Modal Analysis در مقابل کادر Mode extraction method گزینه‌ی Subspace را فعال کنید و سپس برای تعیین محاسبه‌ی تعداد فرکانس‌های طبیعی در مقابل کادر NO.of modes to extract عدد 2 را وارد کنید و در مقابل کادر NMODE NO. of

Modes to expand نیز عدد 2 را وارد کنید.

3) کلید OK را فشار دهید.

4) در جعبه‌ی محاوره‌ی Subspace Modal Analysis در مقابل کادر FREQB start Freq

عدد 0.0 و در مقابل کادر FREQE End Frequency عدد 5000 را وارد کنید کلید OK را فشار دهید.

در این مسئله گره‌های مقطع عقبی دسته‌ی مارپیچ دارای شرایط مرزی در هر سه جهت ثابت، هستند. برای قرار دادن شرایط مرزی ابتدا کلیه‌ی گره‌های مربوط به سطح را که ازلحاظ مکانی در جهت محور Z دارای موقعیت -0.04 هستند، انتخاب کنید.

1) ANSYS Utility Menu > Select > Entities….

2) در جعبه‌ابزار Select Entities از منوی اول عبارت Nodes و از منوی دوم گزینه‌ی By Location را انتخاب کرده و در زیر آن گزینه‌ی Z coordinates را فعال کنید و سپس در کادر Min,Max عدد -0.04 را وارد کرده و دقت کنید گزینه‌ی From Full فعال باشد و کلید OK را فشار دهید.

3) ANSYS Utility Menu > Plot > Nodes

4)ANSYS Main Menu >Solution>Define Loads > Apply > Structural >Displacment > ON Node

5) در پنجره انتخاب کلید Pick All را انتخاب کنید.

6) در جعبه محاوره Apply U,ROT on Nodes در مقابل پنجره Lab 2 DOFs to be constraind گزینه ALL DOF را انتخاب کنید.

7) کلید OK را فشار دهید.

مسئله آماده حل است ولی قبل از شروع حل باید کلیه‌ی گره‌های مدل را انتخاب کنید. برای این کار عمل زیر را انجام دهید:

8)ANSYS Utility Menu>Select>Everythings….

برای حل مسئله عملیات زیر را انجام دهید:

1) ANSYS Main Menu>Solution >Solve > Current LS

2) محتویات پنجره سفیدرنگ/STATUS را خوانده و آن را ببندید.

3) جهت شروع حل مسئله کلید OK را در پنجره Solve Current Loads Step فشار دهید.

4) در صورت مشاهده پیغام اخطار کلید Yes را در پنجره Verify فشار دهید علت این اخطار وجود المان‌های با اخطار المانی است.

5) با مشاهده پیغام Solution is done حل مسئله کامل است.

 

مشاهده نتایج در Post 1:

1) ANSYS Utility Menu>PlotCtrls>Device Options…

2) در جعبه محاوره Device Options در مقابل [/SHOW]Use extra colors for از منوی آن گزینه‌ی Contours WIN32C را انتخاب و کلید OK را فشار دهید.

3) ANSYS Utility Menu>PlotCtrls>Style> Contours>Uniform Contours…

4) در جعبه محاوره Uniform Contours در مقابل NCONT Number of contours عدد 128 را وارد نموده و کلید OK را فشار دهید.

جهت مشاهده فرکانس‌های طبیعی به‌صورت لیست شده عملیات زیر را انجام دهید.

1) ANSYS Main Menu>General Postproc>List Results> Results Summary

2) مطابق شکل (3-2-23) فرکانس‌های طبیعی را مشاهده کنید. و پس از اتمام مشاهدات پنجره فوق را فشار دادن کلید Close ببندید.

جهت مشاهده شکل مود اول باید عمل زیر را انجام دهید.

1) ANSYS Main Menu>General Postproc>Read Results >First Set

با این عمل اولین فرکانس طبیعی خوانده می‌شود (اولین نتیجه) اکنون جهت مشاهده فرم تغییر شکل یافته مدل تحت این فرکانس عمل زیر را انجام دهید.

2) ANSYS Main Menu>General Postproc>Plot Results> Deformed Shape

3) در جعبه محاوره Deformed Shape Plot در مقابل کادر KUND Items to be plotted گزینه Def+undeformed را انتخاب کنید تا شکل اولیه و نهایی هم‌زمان نمایش داده شوند.

4) کلید OK را فشار دهید تا فرم تغییر شکل یافته مته تحت فرکانس طبیعی اول مشاهده شود.

برای مشاهده میزان جابجایی در جهت محور Y تحت فرکانس طبیعی اول عملیات زیر را انجام دهید.

1) ANSYS Main Menu>General Postproc>Plot Results>Contour Plot>Nodal Solu

2) در جعبه محاوره Contour Nodal Solution Data در مقابل کادر Item to be contoured Item, Comp در پنجره سمت چپ گزینه DOF Solution را انتخاب کرده و در پنجره مقابل آن عبارت Translation –USUM را انتخاب کنید.

3) کلید OK را فشار دهید.

مطابق شکل (3-2-24) کانتور جابجایی کل تحت فرکانس طبیعی اول نمایان می‌شود.

Download PDF