СОДЕРЖАНИЕ
А. СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Введение. Актуальность работы....................................................................2
Метод конечных элементов в расчетах конструкций...............................3
Анализ существующих систем конечно-элементных расчетов..............10
Анализ алгоритмов построения сеток.......................................................17
Разработка технического задания на программу.....................................36
Разработка математического обеспечения…………………………………37
7. Разработка алгоритмов программы………….………………………….…..40
Б. КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Технология отладки программы.................................................................41
Подготовка отладки................................................................................41
Тесты...........................................................................................................................42
Пошаговое выполнение программы............................................................43
Контрольные точки ……….....................................................................................44
В. ОХРАНА ТРУДА
1.Анализ опасных и вредных производственных факторов................................... 45
2. Обеспечение электробезопасности на ПК модели...........................................47
3. Естественное и искусственное освещение………………………………….51
4. Шумы…………………………………………………………………………...52
5. Состояние микроклимата…………………………………………………....53
Г. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1 . Влияние излучения РЭС на человека................................................................55
2. Воздействие электромагнитного излучения на организм человека……..56 Д. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ НА ЭВМ
1.Интерфейс программы……………………………………………………..58
Решение задачи по разбиению реальных плоских конструкций на конечные элементы....................................................................................................................61
Заключение....................................................................................................................65
Список использованной литературы………………………………………..66
А. СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Введение. Актуальность работы
Метод конечных элементов является одним из наиболее распространённых методов решения задач математической физики. Это связано с большой универсальностью метода, сочетающего в себе лучшие качества вариационных и разностных методов. К его несомненным достоинствам относятся возможность использования разнообразных сеток, сравнительная простота и единообразие способов построения схем высоких порядков точности в областях сложной формы.
Конструкции современной радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) часто эксплуатируются в условиях повышенных уровней внешних механических воздействий: вибраций, ударов, линейных ускорений и акустического давления. Для того чтобы определить механические режимы конструктивных и электронных элементов необходимо на этапе проектирования РЭА произвести расчет механических напряжений и перегрузок элементов конструкции РЭА. Для расчетов конструкций широко применяется метод конечных элементов.
Для автоматизации составления конечно-элементной математической модели необходимо использовать генераторы сеток конечных элементов, которые позволяют автоматически разбить заданную область конструкции на конечные элементы.
Актуальность работы заключается в том, что мы непосредственно имеем код программы и можем использовать его для своих определенных задач: для расчета радиоэлектронных средств (РЭС) и для оптимизации конструкций РЭС.
Метод конечных элементов в расчетах конструкций
Описание основных возможностей МКЭ
МКЭ представляет собой эффективный метод решения инженерных задач. Область применения метода от анализа напряжений в конструкциях самолетов, автомобилей до расчета радиоэлектронной аппаратуры или таких сложных систем, как атомная электростанция. С его помощью рассматривается движение жидкости по трубам, решаются задачи электростатики и смазки, анализируются колебания системы и многие другие задачи.
МКЭ является численным методом решения дифференциальных уравнений, встречающихся в физике и технике. Возникновение метода связано с решением задач космических исследований (1950 г.). Впервые он был опубликован в работе Тернера, Мартина и Топпа. В последствие область применения МКЭ существенно расширилась, и он превратился в общий метод численного решения дифференциальных уравнений.
Известно, что расчетные схемы различных элементов радиоэлектронных конструкций могут быть сведены к стержневым, пластинчатым обол очечным или объемным системам, произвольным образом закрепленным и нагруженным. Для расчета целесообразно создавать комплексы программ целевого назначения, которые бы обеспечивали контроль этапа подготовки исходных данных, численную машинную реализацию алгоритма расчета определенного класса конструкций, а так же выдачу результатов в удобной для практического использования форме. МКЭ дает возможность создания программ такого типа.
Основная идея МКЭ состоит в том, что любую непрерывную величину можно аппроксимировать дискретной моделью, которая строится на множестве кусочно-непрерывных функций, определенных на конечном числе подобластей.
Кусочно-непрерывные функции определяются с помощью значений непрерывной величины в конечном числе точек рассматриваемой области.
В общем случае непрерывная величина заранее не известна и нужно определить значение этой величины в некоторых внутренних точках области. Дискретную модель достаточно легко построить, если предположить, что главные значения этой величины в каждой внутренней точке области известны.
При построении модели непрерывной функции выполняются следующие шаги:
В рассматриваемой области фиксируется конечное число точек. Эти точки называются узловыми точками, или просто узлами.
Значение непрерывной величины в каждой узловой точке считается переменной, которую надо определить.
Область определения непрерывной величины разбивается на конечное число подобластей, называемых элементами. Эти элементы имеют общие узловые точки и в совокупности аппроксимируют форму области.
Непрерывная величина аппроксимируется на каждом элементе полиномом, коэффициенты которого определяются с помощью значений этой величины в узловых точках. Для каждого элемента определяется свой полином, но полиномы подбираются таким образом, чтобы сохранялась непрерывность величины вдоль границ элемента.
Основная концепция МКЭ может быть наглядно проиллюстрирована на примере заданного распределения температуры в стержне. Рассматривается непрерывная величина Т(х), область определения которой отрезок OL вдоль оси X. Фиксированы и пронумерованы пять точек на оси X. (Рис.1.)
Эти узловые точки можно расставить на любом расстоянии друг от друга. Значение Т(х) в данном случае известно в каждой узловой точке. Эти фиксированные значения представлены графически на рисунке и обозначены в соответствии с номерами узловых точек через Т1, Т2, ТЗ, Т4, Т5. (Рис.2.)
Рис.1.
Рис.2.
Разбиение области на элементы можно произвести двумя различными способами. Можно, ограничить каждый элемент двумя соседними узловыми точками, образовав четыре элемента или разбить область на два элемента, каждый из которых содержит три узла. Соответствующий элементу полином определяется по значениям Т(х) в узловых точках. (Рис.3.)
Рис.3.
В случае разбиения области на четыре элемента на каждый элемент приходится по два узла, и функция элемента будет линейна по оси Х (две точки однозначно определяют прямую линию). Окончательная аппроксимация Т(х) будет состоять из четырех кусочно-линейных функций, каждая из которых определена на отдельном элементе. Разбиение области на элементы можно провести двумя способами.
Важными преимуществами МКЭ, благодаря которым он широко используется, является следующее:
Свойства материалов не должны быть обязательно одинаковыми. Это позволяет применить метод к телам, составленным из нескольких материалов (например, этажерочные конструкции РЭА, объемные конструкции РЭА и т. д.)
Криволинейная область может быть аппроксимирована с помощью прямолинейных конечных элементов (например, с помощью треугольных, призматических, шестигранных конечных элементов).
Размеры элементов могут быть переменными. Это позволяет укрупнить или уменьшить сетку разбиения области на элементы, если в этом есть необходимость
Указанные выше преимущества МКЭ могут быть использованы при составлении достаточно общей программы для решения частных задач определенного класса.[5]
Типы конечных элементов
Простейшим среди элементов является одномерный элемент. Схематически он обычно изображается в виде отрезка, хотя и имеет поперечное сечение. Площадь поперечного сечения может изменяться по длине, но во многих задачах она считается постоянной. Наиболее часто такой элемент используется в одномерных задачах распространения тепла, задачах расчета АЧХ этажерочных конструкций РЭА (одномерные стержневые элементы используются здесь для закрепления одного монтажного пространства над другим) и т.п.
Простейший одномерный элемент имеет два узла. Возможно применение элементов более высокого порядка, трехузловых (квадратичных), четырехузловых (кубических). Одномерный элемент может быть криволинейным при условии, что длина дуги входит в уравнения, определяющее элементы.[7]
Для описания модели конструкции одних только одномерных конечных элементов естественно недостаточно. Поэтому применяют двумерные конечные элементы. Следует отметить, что этот тип конечных элементов является наиболее распространенным. Для построения дискретной модели двумерной области используются два основных вида элементов: треугольники и четырехугольники. Стороны линейных элементов каждого вида представляют собой прямые линии. Квадратичные или кубические элементы могут иметь как прямолинейные, так и криволинейные стороны или те и другие.
Возможность моделирования криволинейных границ достигается добавлением в середину сторон элементов. Оба вида элементов могут быть использованы одновременно внутри области, если только они имеют одинаковое число узлов на стороне. Толщина элементов может быть постоянной или являются функцией координат.
Описанные выше конечные элементы являются наиболее распространенными. Тем не менее, возможны и другие виды конечных элементов, но они также должны удовлетворять требованиям, перечисленным выше.
Следует отметить, что треугольные и четырехугольные элементы широко используются для моделирования этажерочных конструкций ввиду определенной специфики последних. Поскольку этажерочные конструкции широко используются в самолетной и космической технике, то их форма довольно разнообразна. В космической технике в основном преобладают округлой формы. Это связано с тем, что размеры аппаратуры ограничены, а схемная интеграция должна быть очень высокой. Таким образом, эти конечные элементы обеспечивают наиболее точное моделирование конструкций. В авиационной технике, как правило, используются этажерочные конструкции с правильными формами и вследствие этого нет необходимости применять конечные элементы с криволинейными гранями.
Таким образом, при расчете характеристик конструкций РЭС, независимо от их профиля, используются для дискретизации модели треугольные, четырехугольные и стержневые элементы, так как они наиболее правильным образом позволяют описывать этажерочные конструкции.
Для расчета АЧХ реальных конструкций часто бывает недостаточно только двумерных и одномерных элементов. Это связано с тем, что в самолетной и ракетной аппаратуре используют конструкции, которые имеют определенную толщину, которой нельзя пренебречь. Простейшим трехмерным элементом является тетраэдр. (Рис.6.)
Рис. 6. Трехмерный симплекс-элемент.
Преимуществом такого элемента является относительная простота расчетов. С другой стороны существует ряд недостатков разбиения конструкции на тетраэдры. Во-первых, зачастую бывает недостаточной точность расчета. Во-вторых, разбиение конструкции на тетраэдры является более сложной задачей, чем разбиение на шестигранники. Это особенно важно в тех случаях, когда реальная конструкция имеет большие линейные размеры и неоднородность материалов [7].
Другим наиболее частым применяемым трехмерным конечным элементом является шестигранник.
3.Анализ существующих систем конечно-элементных расчетов
Существует множество систем конечно-элементных расчетов, таких как ANSYS, NASTRAN, ЛИРА.
ANSYS
Технологии компьютерного моделирования ANSYS позволяют достоверно определять реальные эксплуатационные характеристики изделий. Использование программного комплекса ANSYS помогает клиентам убедиться в соответствии их продукции необходимым требованиям и стандартам. В течение 40 лет ведущие компании мира применяют решения ANSYS для создания лучших проектов. Как лидер в области компьютерного моделирования, компания предлагает единую платформу с надежными, полностью интегрированными много дисциплинарными программными продуктами, предназначенными для оптимизации процессов разработки новых изделий в широком спектре отраслей промышленности, включая автомобильную, строительную, химическую, электронную, энергетическую, медицинскую и многие другие. Использование ANSYS позволяет не только повышать эффективность изделий, но и внедрять инновации.
В ANSYS 14 собраны сотни нововведений, по отношению к предыдущим релизам, позволяющих облегчить и ускорить выход новых продуктов на рынок, сохраняя уверенность в надежности полученных результатов.
Кроме того, программный комплекс ANSYS стал более автоматизированным и интерактивным, пользователям предлагаются новые возможности много дисциплинарных расчетов, моделирования комплексных систем – обеспечивая точность решений и лучшее понимание проекта. Сотни новых возможностей ANSYS согласуются с общей стратегией развития компании – разработка универсального и многофункционального программного обеспечения, соответствующего изменяющимся требованиям клиентов.
Улучшения в ANSYS 14.0 можно разделить на 3 основные группы:
1) Повышение эффективности выполняемых инженерных расчетов.
2) Моделирование сложных систем.
3) Внедрение инновационных решений.
Повышение эффективности выполняемых инженерных расчетов.
Как правило, предприятие стремится максимально использовать свои инженерные ресурсы. Эффективность инженерного персонала возрастает, если инженер занят непосредственно решением технических задач и не тратит время на выполнение утомительных компьютерных операций вручную. В ANSYS 14.0 автоматизированы наиболее часто выполняемые операции пользователя, что позволяет разработчикам минимизировать время работы с программами.
В платформе ANSYS 14.0 присутствуют настраиваемые потоки операций, автоматические расчеты параметров, механизмы прозрачного распределения общих данных между разными приложениями. Встроенные возможности оптимизации конструкции позволяют планировать эксперименты. Инструменты, специально созданные для управления расчетными данными, интегрированы таким образом, чтобы ими могли пользоваться группы людей, дистанционно удаленных друг от друга, при этом обеспечивая охрану интеллектуальной собственности.
При решении задач динамики жидкостей и газов инженер сталкивается с задачей построения качественной сеточной модели, что отнимает очень много времени. ANSYS 14.0 предлагает быстрые отказоустойчивые решения для выполнения этой операции автоматически.
В области прочностных расчетов, в новых приложениях для пластмасс, резины и пены — в сочетании с требованиями отрасли промышленности — часто возникают ситуации, в которых материал подвержен сильному изменению формы. [8]
|
