2.10.10. COMBIN14 - пружинный

амортизатор (упругий демпфер)

Описание элемента

Элемент COMBIN14 имеет продольные или крутильные свойства, что позволяет применять его в одномерных (1D), двухмерных (2D) или трехмерных (3D) задачах. Опция продольною упругою демпфера формирует одноосный элемент, воспринимающий растяжение и сжатие, имеющий до трех степеней свободы в каждом узле: перемещения в направлении осрй X, Y и Z узловой системы координат. При этом свойства изгиба и кручения отсутствую]. Опция крутильного упругого демпфера формирует чистый поворотный элемент с тремя степенями свободы в каждом узле: повороты вокруг осей X, Y и Z узловой системы координат. Свойства изгиба или восприятия продольного усилия отсутствуют.

Элемент упругого демпфера не имеет никакой массы. Массы могут быть добавлены при помощи соответствующего элемента массы (см. описание элемента MASS21). Свойства упругости или демпфирования могут быть из элемента устранены. Упругость или демпфирование общего вида также доступны в элементе матрицы жесткости (MATRIX27). Другим элементом упругого демпфера (имеющим направление действия, определенное направлением осей узловой Системы координат) является элемент COMBIN40.

Двухмерные (2D) элементы должны лежать в плоскости с постоянным значением Z.

Исходные данные элемента

Геометрия, расположение узлов и система координат для данного элемента показаны на рис. 2.10 Геометрия элемента COMBIN14 . Элемент определяется двумя узлами, константой упругости (к) и коэффициентами демпфирования (с ) и (cv)2. Возможность демпфирования в статических и динамических без демпфирования задачах не используется. Константа продольной упругости должна иметь размерность сила/длина, коэффициент демпфирования - сила*время/ длина. Константа крутильной упругости и коэффициент демпфирования долж-

Рис. 2.10. Геометрия элемента COMBIN14

ны иметь размерность сила*длина/радиан и сила*длина*время/радиан, соответственно. Для двухмерных (2D) осесимметричных задач значения должны относиться ко всем 360° дуги.

Демпфирование в элементе привносит только коэффициенты демпфирования в матрицу демпфирования модели. Усилие (F) или момент (Т) демпфирования вычисляются следующим образом:

Fx = - cvdux/dt или Те = - cvd9/dt,

где cv является коэффициентом демпфирования, вычисляемым в соответствии с зависимостью cv = (cv), + (cv)2v.

В данном случае v является скоростью, вычисленной на предыдущем промежуточном шаге. Второй коэффициент демпфирования (cv)2 может порождать нелинейное демпфирование, указывая характеристику отдельных окружающих потоков жидкости. Если (су)2 указывается (в качестве геометрической характеристики (cv)2), значение KEYOPT(l) должно равняться 1.

Значения KEYOPT(2) с 1 по 6 используются для определения эдемента в виде одномерного. При использовании данной опции элемент работает в узловой системе координат (см. п. 2.2.2 Элементы, использующие узловую систему координат в главе 2 Описание конечных элементов комплекса ANSYS ). Опции KEYOPT(2) -= 7 и 8 позволяют применять элемент в расчетах тепловых задач и давлений.

Список исходных данных элемента

Узлы - I, J.

Степени свободы:

- UX, UY, UZ при KEYOPT (3) - 0;

- ROTX, ROTY, ROTZ при KEYOPT (3) - 1;

- UX, UY при KEYOPT (3) = 2.

Геометрические характеристики:

- k - константа упругости;

- (cv), - коэффициент демпфирования;

- (cv)2 - коэффициент демпфирования (KEYOPT( 1) должен иметь значение 1).

Свойства материала - DAMP.

Нагрузки, приложенные к поверхности - нет.

Объемные нагрузки - нет.

Специальные возможности:

- нелинейность (если (су)2 не равно нулю);

- увеличение жесткости при приложении нагрузки;

- большие перемещения;

- рождение и смерть.

KEYOPT(l) - признак типа расчета:

- 0 - линейный расчет (и по умолчанию);

- 1 - нелинейный расчет (требуется при ненулевом значении (cv)2).

KEYOPT(2) - признак выбора степени свободы в одномерных (1D) задачах:

- О - используется опция KEYOPT(3);

- 1 - одномерный (1D) продольный упругий демпфер (степень свободы UX);

- 2 - одномерный (1D) продольный упругий демпфер (степень свободы UY);

- 3 - одномерный (1D) продольный упругий демпфер (степень свободы UZ);

- 4 - одномерный (1D) крутильный упругий демпфер (степень свободы ROTX);

- 5 одномерный (1D) крутильный упругий демпфер (степень свободы ROTY);

- 6 - одномерный (1D) крутильный упругий демпфер (степень свободы ROTZ);

- 7 - элемент со степенью свободы давления;

- 8 - элемент со степенью свободы температуры.

Примечание. Значение признака KEYOPT(2) заменяет значение KEYOPT(3). KEYOPT(3) - признак выбора степени свободы в двухмерных (2D) и трехмерных (3D) задачах:

- О - трехмерный (3D) продольный упругий демпфер;

- 1 - трехмерный (3D) крутильный упругий демпфер;

- 2 - двухмерный (2D) продольный упругий демпфер (двухмерный (2D) элемент должен лежать в плоскости X-Y).

Расчетные данные элемента

Расчетные данные, связанные с элементом, делятся на два вида:

- узловые объекты, такие как узловые перемещения, включены в полное узловое решение;

- дополнительные элементные объекты, показанные в табл. 2.10.

Таблица 2.10. Описание расчетных данных элемента COMBIN14

Объект Определение

EL Номер элемента

NODES Узлы - I, J

ХС, YC, ZC Координаты точки, для которой выводятся результаты

FDRC или TORQ Упругое усилие или момент

STRETCH или TWIST Проскальзывание или проворот (в радианах) упругого элемента

RATE Константа упругости

VELOCITY Скорость

DAMPING FORCE или TORQUE Усилие или момент демпфирования (нулевое, за исключением вызова

команды ANTYPE.TRANS и наличия демпфирования)

2.10.11. PIPE 16- упругая прямая труба

Описание элемента

Элемент PIPE 16 является элементом, подобным стержню или балке, имеющим возможности поддержки растяжения - сжатия, изгиба и кручения. Элемент имеет шесть степеней свободы в каждом из двух узлов: перемещения в направлении

осей X, Y и Z и вращения вокруг осей X, Y и Z узловой системы координат. Данный элемент основан на трехмерном (3D) балочном элементе (ВЕАМ4) и содержит упрощения, связанные с его симметрией и трубчатой формой. Изогнутой трубой, является элемент PIPE18. Элементом тройника является элемент PIPE17. Прямой пластической трубой является элемент PIPE20.

Исходные данные элемента

Геометрия, расположение узлов и система координат элемента показаны на рис. 2.11. Исходные данные элемента включают два или три узла, внешний диаметр трубы и толщину ее стенки, коэффициенты концентрации напряжений и гибкости, допускаемую толщину слоя коррозии, площадь поверхности, покрытую изоляцией, массу стенок трубы, осевую жесткость трубы, крутильную динамическую жесткость и свойства изотропного материала.

Если узел К отсутствует, ось Y системы

Рис. 2.11. Гзометрия элемента PIPE!6

Ось X элемента направлена от узла I к узлу J, При использовании опции создания элемента с двумя узлами ось Y элемента автоматически определяется так, чтобы являться параллельной плоскости XY глобальной системы координат. Несколько вариантов ориентации показаны на рис. 2.11. В случае, если элемент параллелен глобальной оси Z (или отклоняется от нее не более чем на 0,01%), ось Y элемента ориентируется параллельно глобальной оси Y (как показано). Для обеспечения пользовательского контроля ориентации элемента относительно оси X элемента используется опция третьего узла. Третий узел (К), если используется, определяет плоскость (совместно с узлами I и J), содержащую оси X и Z системы координат элемента (как показано). Исходные и расчетные координаты по окружности трубы определяются в качестве 0° при расположении на оси Y системы координат элемента и в качестве 90° при расположении на оси Z системы координат элемента.

Коэффициент концентрации напряжений (SIF) изменяет изгибные напряже; ния. Коэффициенты концентрации напряжений могут указываться в узле I

(SIFI) и в узле J (SIFJ), при KEYOPT(2) = 0, или определяться комплексом для тройника при KEYOPT(2) = 1,2 или 3. Значение SIF, меньшее 1.0, считается равным 1.0. Коэффициент гибкости (FLEX) для определения момента инерции для вычисления напряжений изгиба делится на значение момента инерции поперечного сечения. По умолчанию FLEX равен 1.0, но может принимать любые положительные значения.

Масса элемента вычисляется на основе массы стенок трубы, внешней изоляции и потока протекающей внутри жидкости. Изоляция и поток жидкости влияют только на матрицу масс элемента. Толщина слоя коррозии влияет лишь на вычисления напряжений. Положительное значение геометрической характеристики - массы стенки заменяет расчетное значение массы стенки трубы. Ненулевое значение геометрической характеристики - площади изоляции заменяет расчетное значение поверхности изоляции (вычисленное по наружному диаметру стенки и длине). Ненулевое значение геометрической характеристики - жесткости заменяет расчетное значение осевой жесткости трубы.

В расчетах трубопроводов для создания исходных данных элемента может использоваться модуль PIPE препроцессора PREP7. Для определения типа элемента при определении выходных данных и просмотра данных в постпроцессоре применяется признак KEYOPT(4).

Признак KEYOPT(7) используется для вычисления несимметричной гироскопической матрицы демпфирования (что часто используется в расчетах динамики вращающихся систем). Частота вращения указывается посредством геометрической характеристики SPIN (в радианах в единицу времени, положительное значение соответствует вращению вокруг положительного направления оси X системы координат элемента).

Список исходных данных элемента

Узлы - I, J, К (ориентационный узел К является необязательным). Степени свободы - UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ. Геометрические характеристики:

- OD - наружный диаметр трубы;

- TKWALL - толщина стенки;

- SIFI - коэффициент концентрации напряжений в узле I;

- SIFJ - коэффициент концентрации напряжений в узле J;

- FLEX - коэффициент гибкости;

- DENSFL - плотность протекающей жидкости;

- DENSIN - плотность внешней изоляции;

- TKIN - толщина слоя изоляции;

- TKCORR - допускаемая толщина слоя коррозии;

- AREAIN - площадь поверхности, покрытой изоляцией (заменяет значение, вычисленное комплексом);

- MWALL - масса стенки трубы (заменяет значение, вычисленное комплексом);

- STIFF - осевая жесткость трубы (заменяет значение, вычисленное комплексом);

- SPIN - скорость вращения (применяется при KEYOPT(7) =1).

Свойства материала - EX, ALPX (или СТЕХ или THSX), PRXY (или NUXY), DENS, GXY, DAMP.

Нагрузки, распределенные на поверхности:

- давления: 1-PINT, 2 РХ, 3-PY, 4 PZ, 5-POUT. Объемные нагрузки:

- температуры: TOUT(I), TIN(I), TOUT(J), TIN(J) при KEYOPT (1) - О, или TAVG(I), T90(I), T180(I), TAVG(J), T9QQ), T180(J) при KEYOPT (1) = 1.

Специальные возможности:

- изменение жесткости при приложении нагрузок;

- большие перемещения;

- рождение и смерть.

KEYOPT(l) - признак представления температур:

- О - градиент температуры по толщине стенки;

- 1 - градиент температуры по диаметру.

KEYOPT(2) - признак использования коэффициента концентрации напряжений:

- О - коэффициент концентрации напряжений определяется по значениям SIFIи SIFJ;

- 1 - коэффициент концентрации напряжений определяется в узле I при расчете тройника;

- 2 - коэффициент концентрации напряжений определяется в узле J при расчете тройника;

- 3 - коэффициент концентрации напряжений определяется в обоих узлах при расчете тройника.

KEYOPT(4) - признак типа элемента (для создания выходных данных и использования в постпроцессоре):

- О - прямая труба;

- 1 - клапан;

- 2 - промежуточный патрубок;

- 3 - фланец;

- 4 - сильфонный компенсатор;

- 5 - патрубок, примыкающий под углом 45°;

- 6 - тройник.

KEYOPT(5) - признак приложения поперечных давлений РХ, PY и PZ:

- О - используются только компоненты давления, приложенные по нормали;

- 1 - используется полное давление (нормальные и сдвиговые компоненты).

KEYOPT(6) - признак вывода компонентов усилий и моментов:

- О - печать компонентов усилий и моментов не производится;

- 2 - печать компонентов усилий и моментов производится в системе координат элемента.

KEYOPT(7) - признак вычисления матрицы гироскопического демпфирования:

- О - матрица гироскопического демпфирования не вычисляется;

- 1 - матрица гироскопического демпфирования вычисляется. Геометрическая характеристика SPIN должна быть больше нуля. Значения DENSFL и DENSIN должны быть нулевыми.

Расчетные данные элемента

Расчетные данные, связанные с элементом, делятся на два вида:

- узловые объекты, такие как узловые перемещения, включены в полное узловое решение;

- дополнительные элементные объекты, перечисленные в табл. 2.11.

Осевое напряжение (SAXL) включает эффект внутреннего давления (замкнутый конец). Осевое напряжение не включает осевого компонента поперечного теплового напряжения (STH). Главные и эквивалентные напряжения учитывают компоненты напряжений, обусловленные поперечной силой, и вычисляются на основе в двух крайних точках, расположенных на противоположных сторонах нейтральной оси. Эти значения определяются на внешней поверхности и не определяют напряжений в точках, лежащих на окружности трубы.

Таблица 2.11. Описание расчетных данных элемента PIPE 16

Объект Определение

EL Номер элемента

NODES Узлы - I, J

MAT Номер материала

VOLU: Объем

XC, YC, ZC Координаты точки вывода результатов

CORAL Допускаемая толщина слоя коррозии

TEMP TOUT(I), TIN(I), TOUT(J), TIN(J)

TEMP TAVG(I), T90(l), T180(l), TAVG(J), T90(J), T180(J)

PRES PINT, PX, PY, PZ, POUT

SFACTI, SFACTJ Коэффициенты концентрации напряжений в узлах I и J

STH Напряжение, соответствующее максимальному температурному градиенту

по толщине стенки

SPR2 Давление для вычисления напряжений в хомутах при использовании

стандартов расчетов

SMI, SM J Напряжения, вызванные моментами усилий в узлах I и J при использова-

нии стандартов расчетов SDIR Осевое напряжение

SBEND Максимальное изгибное напряжение на наружной поверхности

ST Касательное напряжение на наружной поверхности, вызванное кручением

SSF Касательное напряжение, вызванное перерезывающими силами

S:(1MX, 3MN, INTMX, EQVMX) Максимальное главное напряжение, Минимальное главное напряжение,

максимальное эквивалентное напряжение по Трескау и Сен-Венану

и по фон Мизесу (на наружной поверхности) S:(AXL, RAD, Н, XH) Осевое, радиальное, окружное и касательное напряжения

S:(1, 3, INT, EQV) Максимальное главное напряжение, минимальное главное напряжение,

максимальное эквивалентное напряжение по Трескау и Сен-Венану и по фон Мизесу

4 зак. 46

Таблица 2.11. Описание расчетных данных элемента PIPE16 (продолжение)

Объект Определение

EPEL:(AXL, RAD, H, XH) Осевая, радиальная, окружная и касательная деформации

EPTH:(AXL. RAD, Н) Осевая, радиальная, окружная и касательная температурные деформации

MFOR:(X, X Z) Компоненты усилий в элементной системе координат в узлвх I и J

MMOM:(X, Y, Z) Компоненты моментов в элементной системе координат в узлах I и J

2.10.12. PIPE17 - упругий тройник

Описание элемента

Элемент PIPE 17 является комбинацией трех одноосевых упругих трубчатых элементов (PIPE16), объединенных в конфигурации тройника, поддерживающей свойства растяжения - сжатия, кручения и изгиба. Элемент имеет шесть степеней свободы в каждом из двух узлов: перемещения в направлении осей X, Y и Z и вращения вокруг осей X, Y и Z узловой системы координат.

Для учета гибкости тройника, концентрации напряжений и печати компонентов усилий имеются специальные опции. Элемент может учитывать наличие изоляции, проводимый поток жидкости и допустимую коррозию.

Номенклатура I и J, используемая в описании этого элемента, относится к первому и второму концам каждого колена элемента, то есть I-J для колена 1, J-K для колена 2 и J-L для колена 3.

Исходные данные элемента

Геометрия, расположение узлов и система координат элемента показаны на рис. 2.12. Исходные данные элемента включают четыре узла, внешние диаметр труб колен, толщину стенок, номер применяемого материала, коэффициенты гибкости, коэффициенты концентрации напряжений, плотность протекающей жидкости, плотность внешней изоляции и толщину ее слоя, допускаемую толщину слоя

Ось Y системы координат элемента параллельна плоскости XY глобальной системы координат

x, у и z определяют ориентацию системы координат элемента. Каждое колено имеет свою систему координат

Рис. 2.12. Геометрия элемента PIPE 17

коррозии и свойства изотропного материала. Номер материала, указываемый в качестве геометрической характеристики, если имеется, заменяет номер материала, указанный командой МАТ, и по умолчанию равен номеру свойств материала элемента. Если для элемента указываются три узла, элемент вырождается в элемент с двумя коленами, и если указываются два узла, элемент вырождается в один трубчатый элемент. Геометрические характеристики (за исключением DFL, DIN и TKIN) для второго и третьего колен по умолчанию равны соответствующим геометрическим характеристикам первого колена.

Изгибная жесткость этого элемента подобна изгибной жесткости элемента ВЕАМ4, за исключением ее изменения коэффициентом гибкости. Каждое колено имеет собственную систему координат элемента с началом в первом узле колена и осью X, направленной вдоль оси колена (трубы). Ориентация оси Y колена вычисляется автоматически, для того чтобы являться параллельной глобальной плоскости X-Y (см. выше рис. 2.12). В случае, если элемент параллелен глобальной оси Z (или отклоняется от нее не более чем на 0,01%), ось Y элемента ориентируется параллельно глобальной оси Y. Исходные и расчетные координаты по окружности трубы определяются в качестве 0° при расположении на оси Y системы координат колена и в качестве 90° при расположении на оси Z системы координат колена. Коэффициент гибкости (FLEX) для определения момента инерции для вычисления напряжений изгиба делится на значение момента инерции поперечного сечения. По умолчанию FLEX равен 1.0, но может принимать любые положительные значения. Постоянные протекающей внутри жидкости и внешней изоляции применяются только для определения дополнительных масс данных компонентов.

Для указания общего значения коэффициента демпфирования применяется команда BETAD. Если для номера материала, указанного для элемента (при помощи команды МАТ), применена команда MP,DAMP, это значение используется для элемента вместо значения, введенного командой BETAD. Аналогично для указания общей ссылочной температуры используется команда TREF. Если для номера материала, указанного для элемента, применена команда MP,REFT, это значение используется для элемента вместо значения, введенного командой TREF. Но если для номера материала колена использована команда MP,REFT, это значение используется вместо общего или элементного значения.

Применение опции KEYOPT(2) для указания коэффициента концентрации напряжений описано в разделе, посвященном элементу PIPE16.

Список исходных данных элемента

- I, J, К, L для трех колен (I-J, J-K, J-L), или

- I, J, К для двух колен (I-J, J-K), или

- I, J для одного колена (I-J).

Степени свободы - UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ. Геометрические характеристики:

- OD1 - наружный диаметр трубы колена № 1;

- ТК1 - толщина стенки трубы колена № 1;

- М ATI - номер материала трубы колена № 1;

- FLEX1 - множитель гибкости трубы колена № 1;

- SIF1I - коэффициент концентрации напряжений в узле I колена № 1;

- SIF1J - коэффициент концентрации напряжений в узле J колена № 1;

- OD2 - наружный диаметр трубы колена № 2;

- ТК2-толщина стенки трубы колена №2;

- М АТ2 - номер материала трубы колена № 2;

- FLEX2 - множитель гибкости трубы колена № 2;

- SIF2J - коэффициент концентрации напряжений в узле I колена № 2;

- SIF2K - коэффициент концентрации напряжений в узле J колена № 2;

- OD3 - наружный диаметр трубы колена № 3;

- ТКЗ - толщина стенки трубы колена № 3;

- М АТЗ - номер материала трубы колена № 3;

- FLEX3 - множитель гибкости трубы колена № 3;

- SIF3I - коэффициент концентрации напряжений в узле I колена № 3;

- SIF3J - коэффициент концентрации напряжений в узле J колена № 3;

- DFL1 - плотность протекающей жидкости;

- DIN1 - плотность внешней изоляции;

- TKIN1 - толщина слоя изоляции колена № 1;

- DFL2 - плотность протекающей жидкости;

- DIN2 - плотность внешней изоляции;

- TKIN2 - толщина слоя изоляции колена № 2;

- DFL3 - плотность протекающей жидкости;

- DIN3 - плотность внешней изоляции;

- TKIN3 - толщина слоя изоляции колена № 3;

- TKCORR - допускаемая толщина слоя коррозии.

Свойства материала - EX, ALPX (или СТЕХ или THSX), PRXY (или NUXY), DENS, GXY, DAMP, REFT.

Значение DAMP для элемента указывается только один раз (при помощи команды МАТ). Значение REFT для элемента указывается всего лишь один раз, но может присваиваться каждому колену. Подробности см. выше.

Нагрузки, распределенные на поверхности:

- давления: 1 -PINT, 2-РХ, 3-PY, 4-PZ, 5-POUT. Объемные нагрузки:

- температуры: TOUT1, TIN1, TOUT2, TIN2, TOUT3, TIN3 (для каждого колена значение на наружной и внутренней поверхностях трубы).

Специальные возможности:

- изменение жесткости при приложении нагрузок;

- большие перемещения;

- рождение и смерть.