Динамические расчеты (анализ)
в Ansys Mechanical

Нагрузки, возникающие при эксплуатации конструкций или работе промышленного оборудования/машин с неуравновешенными движущимися массами, при ударах массивных тел, при землетрясении, при взрывах и т.п. требуют динамических расчетов.

В рамках проведения динамических расчетов можно определить и cпрогнозировать ожидаемые амплитуды перемещений конструкции, внутренние усилия и напряжения, сравнить вынужденные колебания (колебания конструкции под действием вынуждающей силы) с допустимыми значениями, а также провести анализ свободных колебаний (колебания конструкции после того, как вынуждающая сила была удалена).

В частные случаи динамических расчетов входят:

• Расчет динамики роторов;
• Расчет динамики жестких тел;
• Проведение модального анализа;
• Проведение гармонического анализа;
• Проведение анализа случайных вибраций;
• Динамический расчет во временной области;
• Проведение линейного спектрального анализа.

Ниже мы рассмотрим частные случаи динамического расчета более подробно.

/ Расчет динамики роторов

Область исследований, посвященная вращающимся машинам. Все задачи динамики роторов решаются в рамках следующих методик:

• Нахождение критических скоростей;
• Прогнозирование вращения ротора и стабильности системы;
• Вычисление отклика от дисбаланса;
• Виртуальные запуск и остановка системы.

Для того, чтобы провести расчет динамики роторов потребуется лицензия Ansys Mechanical Premium или Ansys LS-DYNA.

/ Расчет динамики жестких тел

Для быстрого и эффективного проведения расчета данного типа, Ansys предлагает встроенный модуль в Ansys Mechanical — Rigid Body Dynamics (RBD). При минимальной настройке расчета и низких требованиях к вычислительной технике RBD позволяет проанализировать кинематику конструкции, оценить ее устойчивость и точность на ранних стадиях проектирования, когда ошибка в инженерных расчетах особенно дорога.

Модуль RBD содержит в себе полный набор шарниров, нагрузок, формулировок контакта и специальных элементов, позволяющий быстро создать точный виртуальный прототип механической системы. Пользователи могут создавать полностью параметрическую расчетную среду с широким набором средств оптимизации конструкции с целью достижения кинематических, динамических и усталостных требований к изделию.

Модуль Ansys Rigid Body Dynamics входит в лицензию Ansys Mechanical Enterprise. Также для проведения расчетов динамики жестких тел Ansys предлагает еще один продукт —  Ansys Motion, который лицензируется отдельно.

Чем отличается Mechanical от Motion?

Rigid Body Dynamics подходит для моделирования деталей любой сложности, кроме того данный модуль позволяет учитывать деформации отдельных составляющих сборки для повышения точности.

Ansys Motion характеризуется упрощенным подходом к моделированию контакта и готовыми моделями некоторых составляющих транспортных средств – подвеска, коробка передач и т. д. Ansys Motion гораздо удобнее для расчетов механизмов с большим количеством контактов, особенно для моделирования динамического поведения автомашин.

/ Модальный анализ

Резонанс является одним из опаснейших явлений в технике. Возможность заранее узнать состав собственных частот конструкции позволит избежать появления резонанса, обеспечив высокую надежность конструкции и длительный срок службы. Для решения данной задачи в Ansys Mechanical реализована возможность проведения модального анализа — анализа собственных частот и форм колебаний конструкций. Это важнейшие динамические характеристики каждой механической системы, и именно с их определения начинается любой динамический расчет конструкций.

Данный тип анализа доступен с уровня лицензии Ansys Mechanical Pro. Помимо Mechanical для проведения модального расчета (поиска собственных форм и частот) и модального расчета предварительно напряженной конструкции можно применять программный продукт Ansys LS-DYNA.

/ Гармонический анализ

Гармонический анализ используется для определения установившегося отклика расчетной модели при воздействии на нее гармонической нагрузки. По сути, этот тип расчета — это виртуальный испытательный стенд, позволяющий провести испытание на гармоническое возмущение постоянной амплитуды при различных частотах в заданном диапазоне. Результатами расчета становится напряженно-деформированное состояние конструкции на заданной частоте возмущения и набор амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик в критических точках.

Основным результатом гармонического анализа является получение АЧХ (амплитудно-частотная характеристика – зависимость величины результата от частоты воздействия) напряжений или перемещений модели.

Гармонический анализ наиболее актуален при расчетах вращающихся конструкций, а также при проведении виртуальных виброиспытаний.

Гармонический анализ работает только в рамках линейной постановки и доступен с уровня Mechanical Premium или в Ansys LS-DYNA.

/ Анализ случайных вибраций

Расчет на случайную вибрацию предполагает расчет отклика конструкции на случайное внешнее воздействие, которое задается в виде спектральной плотности мощности в заданном диапазоне частот возмущения. Спектральная плотность мощности может быть задана для перемещений, скоростей или ускорений. Одна из этих величин и является входными данными для расчета на случайные вибрации в Ansys Mechanical.

Результатами расчета является распределение любой из характеристик напряженно-деформированного состояния — перемещений, деформаций, напряжений и т.п. с заданной вероятностью.

Данный тип анализа доступен на уровне лицензии Mechanical Premium. Расчет случайных вибраций также доступен в Ansys LS-DYNA.

/ Динамический расчет во временной области

Динамический расчет во временной области направлен на определение нестационарного отклика конструкции в результате действия переменных во времени нагрузок.

В отличие от постановки задач линейной динамики (модального, гармонического, спектрального и вибрационного анализа) в динамическом расчете во временной области могут быть использованы все три типа нелинейностей: нелинейности материалов, геометрические нелинейности (расчет за пределами теории малых перемещений) и нелинейности статуса (типа контактов, натяжения тросов и т.п.).

Динамические расчеты в частотной и временной областях доступны только на уровне Mechanical Enterprise.

/ Линейный спектральный анализ

Ansys Mechanical позволяет проводить расчеты спектральным методом. Этот метод широко применяется при проектировании конструкций и оборудования высокой надежности в атомной энергетике, определении сейсмостойкости зданий и сооружений, а также в технике для оценки ударного, волнового, аэродинамического или вибрационного воздействия на оборудование. При применении метода учитываются собственные частоты и формы колебаний анализируемой конструкции, а также спектры нагружения в местах закрепления конструкции.

Линейный спектральный анализ доступен с уровня лицензии Mechanical Premium или в Ansys LS-DYNA.