Esercitazioni Ansys

Part I - esercitazioni in ANSYS Mechanical APDL

1 Introduzione

Tipicamente in ANSYS per input file si intende il file che contiene tutte le istruzioni testuali necessarie all’implementazione e risoluzione del problema in esame.

Esso è normalmente composto da 3 parti, corrispondenti a 3 distinti ambienti:

• Preprocessing: dove viene definito il modello geometrico con tecnica bottom-up o top-down (o mista), viene definita la tipologia di elementi da impiegare con le relative proprietà del materiale, viene effettuata la discretizzazione del modello geometrico in elementi finiti e, infine, sono introdotti i vincoli e i carichi. Quest’ultima operazione può anche essere effettuata nella successiva fase di solution. Quando la geometria del modello è particolarmente semplice può essere conveniente costruire il modello agli elementi finiti definendo direttamente i nodi e gli elementi (senza, quindi, passare dalla preventiva modellazione geometrica);
• Solution: dove viene scelto il solutore da utilizzare, definiti eventualmente i controlli di soluzione e risolto infine il problema;
• Postprocessing: dove vengono elaborati e visualizzati i risultati ottenuti.

Nel seguito, le caratteristiche principali del software verranno esposte attraverso alcuni esempi dimostrativi.

1

2 Esercitazione 1: modellazione geometrica di una giunzione tubolare

Si risolva in ANSYS il seguente problema di modellazione geometrica 3D.

Si supponga di voler realizzare tramite il modellatore del programma la struttura in Figura 1:

Figure 1: Cilindri accoppiati.

Si definiscono:

• d1 diametro esterno del tubo 1;
• d2 diametro esterno del tubo 2;
• t1 spessore del tubo 1;
• t2 spessore del tubo 2;
• h altezza del tubo verticale, che presenta alla quota h/2 il centro della giunzione con il tubo 2;
• l lunghezza del tubo 2.

Come primo passo, è consigliato eliminare dalla memoria qualsiasi comando residuo utilizzando le righe:

——————————
finish
/clear
——————————

Segue la fase preliminare di definizione dei parametri geometrici.

——————————
d1 = 0.1
t1= 0.005
d2 = 0.07
t2 = 0.004
h = 0.2
l = 0.15
——————————

In ANSYS non è obbligatorio specificare le unità di misura dei dati numerici. Sta all’utente mantenere la coerenza dei dati inseriti, in maniera da ritrovare la stessa coerenza nel risultato dell’analisi.

Si può entrare ora in ambiente di pre-processing.

——————————
/prep7
cyl4,0,0,d1/2-t1,,d1/2,,h
——————————

3

Il comando cyl4 permette di modellare cilindri o aree circolari con diverse caratteristiche. La sintassi è la seguente:

CYL4,XCENTER,YCENTER,RAD1,THETA1,RAD2,THETA2,DEPTH

quindi occorre nell’ordine inserire le coordinata x e y del centro della base, il raggio esterno del cilindro, l’angolo di partenza della rivoluzione (non necessariamente di 360°), il raggio interno se esistente, l’angolo di arrivo della rivoluzione, e l’altezza del cilindro. Sono stati lasciati vuoti i campi relativi ai due angoli, in quanto è richiesta una rivoluzione completa.

Nell’ambito della modellazione solida in ANSYS, il sistema di riferimento utilizzato è quello relativo al cosiddetto working plane. Il working plane rappresenta un diverso sistema di riferimento rispetto a quello globale, e può essere spostato nello spazio, virtuale a seconda delle esigenze di modellazione. Gli assi del working plane sono wx, wy e wz. Di default tale sistema di riferimento coincide con quello globale cartesiano.

Si deve tener presente che per molte funzioni in ANSYS, le coordinate richieste dalla sintassi delle funzioni sono quelle del working plane, infatti nel caso del comando utilizzato precedentemente, le coordinate da immettere sono relative al working plane cyl4. Ciò significa che bisogna porre particolare attenzione al posizionamento del working plane nello spazio per far sì che la funzione utilizzata produca il risultato desiderato.

A questo punto, generato il cilindro 1, per generare il secondo tramite cyl4 bisogna traslare e ruotare il working plane.

——————————
wprota,,90 !rotazione working plane di 90° attorno all’asse x
wpoffs,,h/2 !traslazione working plane di h2
——————————

Lo spostamento del working plane è stato diviso in due step successivi, dati rispettivamente una rotazione prodotta dal comando wprota e da una traslazione data da wpoffs.

4

La sintassi del primo comando è:

WPROTA,THXY,THYZ,THZX

che richiede nell’ordine l’angolo di rotazione desiderate del working plane attorno agli assi z,x,y.

La sintassi del secondo è:

WPOFFS,XOFF,YOFF,ZOFF

che richiede nell’ordine gli offsets di spostamento lungo gli assi x, y e z.

Alternativamente, invece di traslare il working plane, è possibile assegnare nuove coordinate per l’origine della geometria. Ciò comunque comporta che venga effettuata la rotazione del sistema di riferimento.

Si procede quindi con la generazione del secondo cilindro:

——————————
cyl4,0,0,d2/2-t2,,d2/2,,l+d1/2
——————————

Infine, si conclude la modellazione eliminando le parti in eccesso e rifinendo la struttura.

La prima operazione da effettuare è rendere solidali i cilindri, tramite il comando vovlap. Esso richiede di indicare i numeri identificativi dei volumi da rendere solidali. Si ricordi a tal proposito che la numerazione delle entità numeriche è automatica e progressiva, per cui il comando sarà in questo caso:

——————————
vovlap,1,2
——————————

Il comando vlist permette in ogni caso di mostrare la numerazione dei volumi.

L’unione tra le due entità ha prodotto nuovi volumi.

A questo punto si procede all’eliminazione dei volumi da cancellare tramite il comando vdele:

VDELE,NV1,NV2,NINC,KSWP

5

La sintassi richiede che vengano indicati i volumi da cancellare passando dal volume nv1 al volume nv2 con passo ninc. Il campo kswp permette di specificare se si vogliono o meno eliminare, oltre ai volumi, anche le strutture geometriche gerarchicamente inferiori (ma non condivise con altri volumi): 0 per non cancellarle, 1 per cancellarle.

——————————
vdele,3,5,2,1
——————————

La geometria è realizzata.

Figure 2: Geometria dei cilindri accoppiati.

File input completo

——————————
finish
/clear

!PARAMETRIZZAZIONE

6

!DEFINIZIONE PARAMETRI GEOMETRICI
d1 = 0.1
t1= 0.005
d2 = 0.07
t2 = 0.004
h = 0.2
l = 0.15

!PRE-PROCESSING
/prep7

!GENERAZIONE TUBO PRINCIPALE
cyl4,0,0,d1/2-t1,,d1/2,,h

!SPOSTAMENTO WORKING PLANE
wprota,,90
wpoffs,,h/2

!GENERAZIONE TUBO SECONDARIO
cyl4,0,0,d2/2-t2,,d2/2,,l+d1/2

!UNIONE VOLUMI
vovlap,1,2

!CANCELLAZIONE VOLUMI ECCEDENTI
vdele,3,5,2,1
——————————

NB: Qualsiasi riga di codice preceduta da un punto esclamativo è trascurata dal compilatore, ciò permette di inserire commenti nello script.

7

3 Esercitazione 2: modellazione geometrica di una tazza

Si risolva in ANSYS il seguente problema di modellazione geometrica 3D.

Si supponga di voler realizzare tramite il modellatore del programma la struttura in Figura 3:

Figure 3: Tazza

Si definiscono:

• d1 diametro esterno della parte cilindrica;
• d2 diametro interno della parte cilindrica;
• h1 altezza della parte cilindrica;
• b1 diametro esterno all’estremità superiore della parte tronco-conica;
• b2 diametro interno all’estremità superiore della parte tronco-conica;
• h1 altezza della parte tronco-conica;
• t diametro del manico;
• r ingombro del manico;
• h/2 altezza del centro del manico rispetto al piano d’appoggio.

Come visto in precedenza, il primo passo da effettuare è la pulizia della memoria:

——————————
finish
/clear
——————————

Si passa ora alla definizione dei parametri geometrici:

——————————
d1 = 0.08
d2 = 0.06
b1 = 0.06
b2 = 0.04
h1 = 0.12
h2 = 0.03
t = 0.015
r = 0.05
h = 0.005
——————————

Dopo essere entrati nell’ambiente di preprocessing, occorre, tenuto conto del posizionamento di default del working plane, generare la parte cilindrica della tazza:

——————————
/prep7
cyl4,0,0,d2/2,,d1/2,,h1
9
——————————

per la quale si ricorre al comando cyl4 utilizzato già in precedenza.

A questo punto si può procedere con la generazione della parte conica con il comando cone, generando due volumi tronco-conici e successivamente tramite l’operazione booleana di sottrazione, eliminare il volume del tronco più piccolo.

La sintassi del comando è:

CONE,RBOT,RTOP,Z1,Z2,THETA1,THETA2

che richiede nell’ordine l’indicazione del raggio della base inferiore, del raggio della base superiore, le quote delle due basi e gli eventuali angoli di inizio e fine della rivoluzione.

Quindi, per il tronco di cono più grande:

——————————
cone,d1/2,b1/2,h1,h1+h2
——————————

mentre per la parte tronco-conica interna:

——————————
cone,d2/2,b2/2,h1,h1+h2
——————————

A questo punto, si procede con l’operazione di sottrazione. Si ricordi che con il comando vlist si ha l’opportunità di visualizzare la numerazione dei volumi.

Il comando per l’operazione di sottrazione è vsbv:

VSBV,NV1,NV2,SEPO,KEEP1,KEEP2

che richiede nell’ordine il volume da cui sottrarre, il volume che deve essere sottratto, la generazione di un’area condivisa o di aree coincidenti all’interfaccia tra i due volumi, il mantenimento o l’eliminazione dei due volumi.

Il comando sarà in questo caso:

——————————
vsbv,2,3,,,delete
10
——————————

Bisogna ora "saldare" il volume cilindrico ed il volume tronco-conico, operazione che garantisce la continuità strutturale per l’analisi agli elementi finiti.

Il comando da utilizzare è vglue:

——————————
vglue,all
——————————

Il comando vovlap in generale non può essere utilizzato in questo caso. Si lascia come esercizio il tentativo.

Si genera ora il fondo:

——————————
cyl4,0,0,d1/2,,,h
vovlap,all
——————————

Per modellare il manico si utilizzerà il comando che permette di generare un toro.

La prima operazione è muovere il working plane:

——————————
wprota,,90
wpoffs,d1/2,h1/2
——————————

A questo punto, si genera il volume col comando torus:

——————————
torus,0,t/2,r-t/2
——————————

la cui sintassi è:

TORUS,RAD1,RAD2,RAD3,THETA1.THETA2

che richiede il raggio interno (il toro può infatti essere realizzato anche cavo), il raggio esterno, il raggio di rivoluzione, gli angoli di inizio e fine rivoluzione.

11

L’operazione ha però generato un toro completo, che va sezionato eliminando le parti superflue. Tramite l’input vsel,r,p si visualizza la numerazione dei volumi.

Tramite le due righe di codice seguenti, l’operazione è portata a termine:

——————————
vovlap,1,6
vdele,8,,1
——————————

Figure 4: Tazza realizzata con Ansys Mechanical APDL.

File input completo

——————————
finish
/clear

!DEFINIZIONE PARAMETRI GEOMETRICI
d1 = 0.08
d2 = 0.06

12

b1 = 0.06
b2 = 0.04
h1 = 0.12
h2 = 0.03
t = 0.015
r = 0.05
h = 0.005

/prep7

!GENERAZIONE PARTE CILINDRICA
cyl4,0,0,d2/2,,d1/2,,h1

!GENERAZIONE PARTE TRONCO-CONICA ESTERNA
cone,d1/2,b1/2,h1,h1+h2

!GENERAZIONE PARTE TRONCO-CONICA INTERNA
cone,d2/2,b2/2,h1,h1+h2

!SOTTRAZIONE VOLUMI
vsbv,2,3,,,delete

!FUSIONE VOLUMI
vglue,all

!GENERAZIONE FONDO
cyl4,0,0,d1/2,,,h
vovlap,all

!MOVIMENTAZIONE WORKING PLANE
wprota,,90
wpoffs,d1/2,h1/2

!GENERAZIONE MANICO
torus,0,t/2,r-t/2
vovlap,1,6
vdele,8,,1
13
——————————

14

4 Esercitazione 3: elemento asta

Si risolva il problema di analisi strutturale mostrato in Figura 5.

Figure 5: Problema strutturale.

La sezione trasversale di ciascun elemento è rappresentata in Figura 6

Figure 6: Sezione trasversale dell’asta.

Si chiede di determinare, date le forze applicate e i vincoli, la tensione risultante negli elementi.

Inizialmente, si procede con la definizione dei parametri geometrici e di carico.

——————————
15
l=1.7
h=1.2
d=0.03
t=0.01
E=210e+9
F1=5000
F2=3000
F3=2000
F4=1000
——————————

L’unico parametro del materiale di interesse è il modulo di Young, poiché trattandosi di una travatura reticolare, gli elementi possono essere modellati come aste soggette a sforzo normale.

Nell’ambiente di pre-processing come prima cosa definiamo la tipologia dell’elemento, il materiale e le proprietà della sezione.

——————————
/prep7
et,1,link180
mp,ex,1,E
sectype,1,link
secdata,3.1416*((d/2)**2-(d/2-t)**2)
——————————

Il comando et ha la seguente sintassi:

ET, ITYPE, Ename, KOP1, KOP2, KOP3, KOP4, KOP5, KOP6, INOPR

dove nel campo ITYPE occorre inserire un numero identificativo dell’elemento, mentre nel campo Ename viene specificata la tipologia, in questo caso link180. Il comando può anche reggere ulteriori key-options, in questo caso non utilizzate.

Il comando mp viene usato per definire le proprietà del materiale, con la seguente sintassi:

16

MP, Lab, MAT, C0, C1, C2, C3, C4

in cui ex è il modulo di Young, 1 è l’identification number del materiale, E è il valore della proprietà.

Il comando Sectype:

SECTYPE, SECID, Type, Subtype, Name, REFINEKEY

richiede di inserire un identification number, seguito dal tipo dell’elemento di cui si sta definendo la sezione.

Invece Secdata permette di assegnare il valore dell’area, la sua sintassi sarà:

SECDATA, VAL1, VAL2, VAL3, VAL4, VAL5, VAL6, VAL7, VAL8, VAL9, VAL10, VAL11, VAL12

Si prosegue con la generazione dei nodi. Il comando utilizzato è n

N,NODE,X,Y,Z

che richiede il numero identificativo del nodo e le sue coordinate spaziali.

——————————
n,1
n,2,l/2,-h
n,3,l
n,4,3*l/2,-h
n,5,2*l
n,6,5*l/2,-h
n,7,3*l
n,8,7*l/2,-h
n,9,4*l
——————————

Per la generazione degli elementi asta, si indicano i nodi di estremità col comando e. Prima di generare gli elementi, è necessario specificarne il tipo, il materiale e il numero di riferimento della sezione, coi comandi type, mat, secnum, che richiedono identification numbers precedentemente definiti. In questo caso tale passaggio può essere omesso in quanto non si è definita più di una variante per ciascuna delle caratteristiche sopraelencate.

17

——————————
type,1
mat,1
secnum,1
e,1,2 $ e,1,3 $ e,2,3 $ e,2,4 $ e,3,4
e,3,5 $ e,4,5 $ e,4,6 $ e,5,6 $ e,5,7
e,6,7 $ e,6,8 $ e,7,8 $ e,7,9 $ e,8,9&nda