Oktatási segédlet rúdhúzási folyamatok végeselemes modellezésére

Átírás

1 Oktatási segédlet rúdhúzási folyamatok végeselemes modellezésére Készült: A felsőoktatás minőségének javítása kiválósági központok fejlesztésére alapozva a Miskolci Egyetem stratégiai kutatási területein TÁMOP B-10/2/KONV projekt keretében Készítette: Bézi Zoltán

2 Az MSC.Marc Mentat kezelőfelületének ismertetése A kezelőfelület 5 jól elkülöníthető részre osztható, úgymint rajzterület, dinamikus és statikus menük, parancssor és státuszablak. A menük a modellalkotás részlépéseinek megfelelően sorrendben vannak felépítve, közöttük a navigálás az egér használatával történik. A menü területeken a bal egérgomb segítségével léphetünk be az almenükbe, visszafelé pedig a jobb egérgombbal illetve a Return gomb megnyomásával léphetünk egy almenüt vissza, illetve a Main gombbal pedig közvetlenül a 1. ábrán látható főmenübe térhetünk vissza. A menükben az egér középső gombjának a használatával az adott rádiógomb help-jét tudjuk behívni. A grafikus területen a bal egérgomb a kiválasztás, a jobb egérgomb a kiválasztás elfogadása, illetve a parancs végrehajtása, a középső gomb a kijelölés visszavonása. 1. ábra: A kezelőfelület 2

3 Súrlódás nélküli modell A feladat Ø16mm-es rúd Ø13mm-re történő húzása. A húzókő geometriája a 2. ábrán látható. 2. ábra: A húzókő geometriája A feladat megoldására tengelyszimmetrikus modellt építünk fel. Alapértelmezettként a Mentatban a szimmetriatengely a az x tengely, a modellt ennek megfelelően kell előállítanunk. A rúdhúzási feladatunkban tekintsük most a szerszámunkat tökéletesen merevnek. Első lépésben előállítjuk a húzókő geometriáját. Belépünk a MESH GENERATION almenübe. 3

4 3. ábra: Mesh generation almenü MESH GENERATION PTS ADD [sorrendben gépeljük a pontkoordinátákat, a tizedesvessző a pont] PLOT POINTS SETTINGS Label (On) [kapcsoljuk be így láthatóvá válnak a pontok sorszámai] DRAW FILL [az összes pont láthatóvá válik] CRVS ADD [kössük össze a meglévő pontjainkat egyenessel, a bal egérgombbal kattintva végigjárjuk a pontokat] PLOT CURVES Label (On) [kapcsoljuk be, így láthatóvá válnak a görbék sorszámai] DRAW Forgassuk el az 1. egyenesünket 9 fokkal a 3 egyenesünket 15 fokkal. MOVE 4

5 CENTROID középpontját] [kattintsunk a 2. pontunkra, ezzel definiáljuk a forgatás ROTATION ANGLES (DEGREES) <enter a billentyűzeten> CURVES 1 [jobb klikk] 4. ábra: Move almenü rgassuk el a 3. egyenesünket a 3. pont körül 15 fokkal. Fo CENTROID [kattintsunk a 3. pontunkra] ROTATION ANGLES (DEGREES) <enter a billentyűzeten> CURVES 5

6 3 [jobb klikk] Adjuk hozzá a geometria további pontkoordinátáit PTS ADD [sorrendben gépeljük a pontkoordinátákat] CRVS ADD INTERSECT [metsszük össze a meglévő görbéinket, bal klikkel az egyenesre] CURVE/CURVE 1 6 [jobb klikk] 3 4 [jobb klikk] CRVS REM [távolítsuk el a lemetsződött egyeneseket, bal klikkel az egyenesre] [jobb klikk] 6

7 SWEEP [ragasszuk össze az esetlegesen duplikálódott pontokat, töröljük a nem használtakat] SWEEP ALL REMOVE UNUSED POINTS Tegyünk egy 6.6-os lekerekítést a 10. pontunkra CURVE TYPE CRVS ADD FILLET (on) 8 9 Enter fillet radius: 6.6 <enter a billentyűzeten> SWEEP [ragasszuk össze az esetlegesen duplikálódott pontokat, töröljük a nem használtakat] PLOT SWEEP ALL REMOVE UNUSED POINTS CURVES SETTINGS HIGH [a grafikus felületen szép simává teszi a görbéinket] 7

8 REDRAW RENUMBER ALL Sikeresen előállítottuk a húzókő geometriánkat. Mentsük el: FILES SAVE AS [alul begépeljük a kívánt nevet (ékezet, ékezetes könyvtárnév nem használható!)] 8

9 5. ábra: Mentés Állítsuk elő a munkadarabunk geometriáját. PTS ADD [sorrendben gépeljük a pontkoordinátákat] A pontokra illesszünk felületeket. A képernyőn nem látszik a teljes modellünk, ezért a statikus menüben a FILL gomb megnyomásával tudjuk teljes képernyőre hozni a modellünket. Ráközelíteni az IN, távolítani az OUT gombbal tudunk. Az adott területre való ráközelítést a ZOOM BOX gomb megnyomása után a jobb egérgomb folyamatos nyomva tartásával/felengedésével lehet végrehajtani (téglalap kijelölés). A nézetet alapállásba helyezése a RESET VIEW gomb megnyomásával lehetséges. Járjuk körbe a pontjainkat, az óramutató járásával ellentétes irányban, mindig a bal alsó sarokpontból indulva. 9

10 SRFS ADD [végig klikkeljük a felületünk sarokpontjait] Az így kapott 3 felületre illesztünk végeselem hálót. Egyszerű konvertálással a felületeinkből 4 csomópontú quad elemeket generálunk. CONVERT DIVISION [ezzel adjuk meg a felosztás mértékét] <enter> BIAS FACTORS [a hálósűrítés irányát és nagyságát állítjuk] <enter> GEOMETRY/MESH SURFACES TO ELEMENTS DIVISION 1 [jobb klikk] 8 10 <enter> GEOMETRY/MESH SURFACES TO ELEMENTS 2 [jobb klikk] 10

11 DIVISION <enter> GEOMETRY/MESH SURFACES TO ELEMENTS 3 [jobb klikk] Mentsük el a modellünket SAVE A továbbiakban nincs szükség a felületekre, illetve a felületek pontjaira. Távolítsuk el őket. SRFS REM PTS REM [jobb klikk] [jobb klikk] Közben a statikus menüben a FILL gomb megnyomásával tudjuk teljes képernyőre hozni a modellt. Ráközelíteni az IN, távolítani az OUT gombbal tudunk. Adott területre a ZOOM BOX gomb megnyomása után a jobb egérgomb folyamatos nyomva tartásával/felengedésével tudunk területre ráközelíteni. SWEEP [ragasszuk össze a duplikálódott csomópontjainkat] SWEEP ALL 11

12 A továbbiakban állítsuk elő a szimmetriatengelyt, illetve a befogópofát helyettesítő geometriát. Adjuk hozzá a modellünkhöz a pontjaikat. PTS ADD Kössük össze a legutóbbi pontjainkat egyenesekkel, mindenekelőtt állítsuk vissza a CURVE TYPE-ot LINE-RA CURVE TYPE LINE (on) CRVS ADD ELEMNT TYPES [definiáljuk az elemtípust] ANALYSIS DIMENSON AXISYMMETRIC [a legördülő menüből választjuk] 12

13 SOLID MAIN QUAD 4 csomópontú (3. oszlop) oszlopban kiválasztjuk a 10 típust EXIST. [balra lent] Következő lépésben állítsuk be az anyagtulajdonságokat. Az eddigiekben nem volt szó mértékegységről, mert ez némiképp ide kívánkozik. Az MSC.Marc végeselemes szoftver mértékegységek szempontjából konzisztens, ez azt jelenti, hogy maga a geometria méret egységnyi. Mértékegységet úgy nyer, hogy azt az anyagparaméterrel állítjuk be. Tekintsünk fémes anyagokat, ha a rugalmassági modulus értékét [MPa]-ban azaz [N/mm^2]-ben adjuk meg akkor a hosszúság mértékegysége a [mm]-lesz, ha SI mértékegységben Pa-ban akkor értelemszerűen a hossz [m] stb. MATERIAL PROPERTIES MATERIAL PROPERTIES ANALYSIS CLASS STRUCTURAL [a legördülő menöből választjuk; jelen esetben csak mechanikai számítást végzünk] NEW STANDARD [a legördülő menüből választjuk] Rákattintva a material1 névre lilává változik és átírhatjuk a nekünk megfelelőre: acel. STRUCTURAL YOUNG S MODULUS <enter> POISSON S RATIO 0.3 <enter> Rugalmas képlékeny anyagmodellt használunk, ezért a képlékeny anyagmodellünket is definiálni kell. Amennyiben rendelkezünk az anyag Kf-görbéjével, definiáljuk azt táblázatként. TABLES 13

14 NEW 1 INDEPENDENT VARIABLE TYPE eq_plastic_strain [legördülő menüből választjuk] Itt adatpontonként adhatjuk be a görbénket, de lehetőség van képletszerű megadásra is. FORMULA ENTER 150*(1+234*V1)^0.251 [a parancssorba gépeljük lent] <enter> FIT A SHOW TABLE fület visszaállítjuk SHOW MODEL-re STRUCTURAL PLASTICITY PLASTICITY (on) YIELD STRESS 1 <enter> TABLE table1 [kiválasztjuk a táblázatot, amit az előbb készítettünk elő] 14

15 ELEMENTS ADD [itt adjuk hozzá az elemeinket] EXIST. CONTACT CONTACT BODIES NEW cbody1 névre kattintva átírhatjuk a számunkra preferáltra: rud NEW DEFORMABLE (on) ELENENTS ADD EXIST. cbody2 névre kattintva átírhatjuk a számunkra preferáltra: gyuru NEW RIGID (on) 2-D: CURVES ADD [a bal egérgomb folyamatos nyomásával négyszögben is kijelölhetjük] [jobb klikk] cbody3 névre kattintva átírhatjuk a számunkra preferáltra: befogo RIGID (on) VELOCITY PARAMETERS VELOCITY X 15

16 1000 <enter> [1000mm/s sebességgel mozog a befogó] 2-D: CURVES ADD 9 [jobb klikk] NEW cbody4 névre kattintva átírhatjuk a számunkra preferáltra: tengely SYMMETRY (on) ID CONTACT (on) 2-D: CURVES ADD 8 [jobb klikk] Most meg kell néznünk, hogy a kontaktjaink rendben vannak-e. A görbék szőrei -nek minden esetben az anyagtól elfelé kell mutatniuk, ha valamelyik nem jó akkor: FLIP CURVES [jobb klikk] 16

17 ID CONTACT (off) CONTACT TABLES NEW PROPERTIES 1-1 NO CONTACT [legördülő menüből választva] 1-2 TOUCHING [legördülő menüből választva] 1-3 GLUE [legördülő menüből választva] 1-4 TOUCHING [legördülő menüből választva] 17

18 6. ábra: Kontakt beállítása LOAD CASES ANALYSIS CLASS STRUCRURAL [legördülő menüből választva] NEW STATIC [legördülő menüből választva] PROPERTIES CONTACT CONTACT TABLE ctable1 [kiválasztjuk a listából] CONVERGENCE TESTING RELATIVE (on) DISPLACEMENTS (on) RELATIVE DISPLACEMENT TOLARENCE <enter> TOTAL LOADCASE TIME 18

19 0.1 <enter> [mivel kb. 100mm hosszú a darabunk és 1000mm/s a húzási sebesség] CONSTANT TIME STEP (on) STEPS 125 <enter> JOBS NEW STRUCTURAL [legördülő menüből választható] PROPERTIES RUN AVAILABLE lcase1 [kattintás után átkerül a SELECTED-be] ANALYSIS OPTIONS LARGE STRAIN (on) JOB RESULT SUBMIT (1) AVALAIBE ELEMENT SCALAR Equivalent Von Mieses Stress (on) Total Equivalent Plastic Strain (on) ANALYSIS DIMENSION AXISYMMETRIC [a legördülő menüben választható] 19

20 7. ábra: Számítás Mentsük el a modellünket. SAVE Vizualizáljuk az eredményeket RESULTS OPEN DEFAULT [az alapértelmezett eredményfájlunkat betöltjük] DEFORMED SHAPE 20

21 DEF ONLY (on) SCALAR PLOT CONTOUR BANDS (on) SCALAR Total Equivalent Plastic Strain [listából választható] MONITOR [gomb megnyomásával végignézhetjük a folyamatot] REWIND PREW NEXT LAST [gombokkal lépkedhetünk az eredményfájlunkban] SCAN [listából választhatunk tetszőleges időlépést] 8. ábra: Alakváltozás eloszlás Nézzük meg a húzóerő időbeni lefutását: HISTORY PLOT COLLECT DATA összes inkrement] ALL INCS [megvárjuk míg a parancssorban feltöltődik az ADD CURVES 21

22 GLOBAL GLOBAL VARIABLES Increment CONTACT BODY VARIABLES Force X befogo [legörgetjük a listát] FIT 9. ábra: Húzóerő CLIPBOARD COPY TO [így közvetlenül másolhatjuk a diagramot akár excelbe is] POST FILE CLOSE SAVE 22

23 Súrlódás alkalmazása Eddigiekben nem alkalmaztunk súrlódást, a továbbiakban ennek beállítására készítünk modellváltozatot. FILES SAVE AS rudhuzas_surlodassal.mud CONTACT CONTACT TABLES PROPERTIES JOBS RUN 1-2 FRICTION COEFFICIENT PROPERTIES 0.1 <enter> CONTACT CONTROL SUBMIT (1) FRICTION TYPE COULOMB ARCTANGENT (VELOCITY) Ha végzett a számítással, megtekinthetjük az eredményeket a fentebb bemutatott módon. 23

24 10. ábra: Alakváltozás eloszlás 11. ábra: Húzóerő 24

25 Hőmérséklet függő anyagparaméterek Az eddigi modelljeinktől eltérően állítsunk be hőmérséklet függő anyagparamétereket, hogy tudjuk szimulálni a melegedést is. FILES JOBS SAVE AS rudhuzas_surl_homerseklet.mud TYPE THERMAL/STRUCTURAL [legördülő menüből választva] LOADCASES TYPE TRANSIENT/STATIC [legördülő menüből választva] MATERIAL PROPERTIES MATERIAL PROPERTIES Most állítsunk be a C15 anyagot a Mentat beépített anyagadatbázisából. READ SHOW PAGE 2 (on) C15 [bal klikk] ELEMENTS ADD EXIST. CONTACT CONTACT BODIES rud DEFORMABLE MECHANICAL PROPERTIES 25

26 THERMAL PROPERTIES [legördülő menüből választható] HEAT TRANSFER TO THE ENVIRONMENT HEAT TRANSFER COEFFICIENT 0.04 <enter> SINK TEMPERATURE 20 <enter> HEAT TRANSFER DUE TO CONTACT CONTACT HEAT TRANSFER COEFFICIENT 40 <enter> NEXT gyuru RIGID MECHANICAL PROPERTIES THERMAL PROPERTIES [legördülő menüből választható] TEMPERATURE 20 <enter> HEAT TRANSFER DUE TO CONTACT CONTACT HEAT TRANSFER COEFFICIENT 40 <enter> NEXT befogo RIGID MECHANICAL PROPERTIES THERMAL PROPERTIES [legördülő menüből választható] TEMPERATURE 26

27 20 <enter> HEAT TRANSFER DUE TO CONTACT CONTACT HEAT TRANSFER COEFFICIENT 40 <enter> INITIAL CONDITIONS NEW icond1 THERMAL (on) TEMPERATURE (on) CONTINUUM ELEMENTS TEMPERATURE 20 <enter> NODES ADD EXIST. JOBS PROPERTIES INITIAL LOADS (on) INITIAL CONDITIONS icond1 (on) JOB RESULT AVALAIBE ELEMENT SCALAR Temperature (on) 27

28 RUN SUBMIT (1) Ha végzett a számítással, megtekinthetjük az eredményeket a korábban bemutatott módon. RESULTS OPEN DEFAULT [az alapértelmezett eredményfájlunkat betöltjük] DEFORMED SHAPE DEF ONLY (on) SCALAR PLOT SCAN CONTOUR BANDS (on) SCALAR Temperature [listából választható] INC ábra: Hőmérséklet eloszlás 28

29 Rugalmas szerszám Az eddigi modelljeinkben a szerszámunkat, tökéletesen merevnek tételeztük fel. A következőkben készítsünk rugalmas testmodellt a húzókőre. Térjünk vissza a csak mechanikai súrlódást is tartalmazó modellünkhöz. POST FILE SAVE FILES CLOSE NEW OPEN rudhuzas_surlodassal.mud [bal klikk] 13. ábra: Betöltés Rögtön mentsük is el más néven: SAVE AS rudhuzas_rugalmas_surl.mud 29

30 MESH GENERTAION ZOOM BOX [ráközelítünk a húzókövünk modelljére] Eddigiekben felületet konvertáltunk végeselems hálóvá, most görbékkel határolt zárt területre képezünk hálót: AUTOMESH PRELIMINARY CURVE DIVISIONS FIXED AVG LENGTH (on) AVG LENGTH 0.85 <enter> [egyenközűen szeretnénk felosztani a görbéket] APPLY CURVE DIVISIONS [végigkattintjuk a görbéket, majd jobb klikk] 30

31 2D PLANAR MESHING QUAD MESH! [végigkattintjuk a görbéket, majd jobb klikk] A továbbiakban nincs szükség a görbékre ezért azokat eltávolítjuk: CRVS REM [jobb klikk] PTS REM [jobb klikk] 31

32 Szeretnénk, hogy csak a gyűrűnk végeselemes hálója legyen látható a képen: SELECT [baloldalt alul] SELECT BY ELEMENTS BY CONTACT BODY rud [listából választva] CURVES BY CONTACT BODY gyuru befogo tengely [listából választva] MAKE INVISIBLE MATERIAL PROPERTIES MATERIAL PROPERTIES NEW STANDARD [a legördülő menüből választjuk] Rákattintva a material2 névre lilává változik és átírhatjuk a nekünk megfelelőre: huzoko. STRUCTURAL YOUNG S MODULUS <enter> POISSON S RATIO ELEMENTS ADD VISIBL <enter> 32

33 CONTACT CONTACT BODIES NEW cbody1 névre kattintva átírhatjuk a számunkra preferáltra: huzoko DEFORMABLE (on) ELENENTS ADD VISIB. Az eddigiekben elrejtett modell elemeket jelenítsük meg újra. SELECT MAKE INVISIBLE ID CONTACT (on) [a gyuru kontakt test szőrei nem a meg felelő irányba mutatnak fordítsuk meg őket] FLIP CURVES 2 4 [jobb klikk] 33

34 ID CONTACT (off) CONTACT TABLES PROPERTIES 1-1 NO CONTACT [legördülő menüből választva] 1-2 TOUCHING [legördülő menüből választva] FRICTION COEFFICIENT 0.1 <enter> 1-3 NO CONTACT [legördülő menüből választva] 1-4 GLUE [legördülő menüből választva] 1-5 TOUCHING [legördülő menüből választva] 2-3 GLUE [legördülő menüből választva] 14. ábra: A kontakt 34

35 SAVE JOBS RUN SUBMIT(1) [megvárjuk míg végez] RESULTS OPEN DEFAULT [az alapértelmezett eredményfájlunkat betöltjük] DEFORMED SHAPE DEF ONLY (on) SCALAR PLOT CONTOUR BANDS (on) SCALAR Equivalent Von Mieses Stess [listából választható] SCAN INC 50 SELECT [baloldalt alul] SELECT BY ELEMENTS BY CONTACT BODY huzoko [listából választva] MAKE VISIBLE Így csupán a húzókő geometriája lesz látható, és megtekinthetjük benne a feszültségeloszlást. SELECT MAKE INVISIBLE [így újra megjelenítjük a rejtett modell részeket] 35

36 15. ábra: A feszültségeloszlás a húzókőben További eredményeket a szokott módon nyerhetünk ki. 36