Перейти к содержанию

Граничные условия и нагрузки

В FrontISTR граничные условия и нагрузки для структурного, теплового и динамического анализа задаются ключевыми словами. В статическом структурном анализе заданные граничные условия и нагрузки группируются по идентификатору группы и активируются для каждого шага через !STEP с помощью строки BOUNDARY или LOAD. В динамическом анализе параметры !BOUNDARY, !CLOAD, !VELOCITY, !ACCELERATION и !SPRING для неявного метода также можно активировать по группам из !STEP. Условия, меняющиеся во времени, масштабируются с помощью !AMPLITUDE, а линейные связи между несколькими степенями свободы задаются с помощью !EQUATION.

Обзор функций

Граничные условия и нагрузки можно классифицировать по типу анализа следующим образом.

Тип анализа Основные ключевые слова Назначение
Структурный анализ !BOUNDARY Задаёт фиксированные ограничения, предписанные перемещения и предписанное вращение относительно центра вращения.
Структурный анализ !CLOAD Задаёт сосредоточенные узловые силы, моменты по вращательным степеням свободы и крутящий момент относительно центра вращения.
Структурный анализ !DLOAD Задаёт давление на поверхность, поверхностные нагрузки, объёмные силы, гравитацию и центробежную силу.
Структурный анализ !SPRING Задаёт пружинные опоры для узловых степеней свободы.
Структурный анализ !TEMPERATURE Непосредственно задаёт узловые температуры для анализа термических напряжений или считывает их из файла результатов.
Динамический анализ !VELOCITY, !ACCELERATION Задаёт начальную скорость или ускорение либо меняющуюся во времени предписанную скорость или ускорение.
Анализ теплопроводности !FIXTEMP, !CFLUX, !DFLUX, !SFLUX, !FILM, !SFILM, !RADIATE, !SRADIATE Задаёт фиксированную температуру, тепловой поток, конвекцию и излучение.
Общие !AMPLITUDE Задаёт меняющиеся во времени коэффициенты масштабирования граничных условий и нагрузок в табличной форме.
Определение сетки !EQUATION Задаёт уравнения многоточечных ограничений.

В структурном анализе номера степеней свободы 1, 2 и 3 обычно соответствуют поступательным степеням свободы, а 4, 5 и 6 — вращательным. Вращательные степени свободы имеют смысл в моделях с шестью степенями свободы, например для оболочечных и балочных элементов. Для моделей, содержащих только двумерные или трёхмерные объёмные элементы, задавайте ограничения и нагрузки только в диапазоне степеней свободы, которыми обладают целевые узлы.

Ограничения перемещений в структурном анализе

Ограничения перемещений задаются с помощью !BOUNDARY. Для узла или группы узлов задаются диапазон степеней свободы и значение. Значение 0 определяет фиксированное ограничение, а ненулевое значение — предписанное перемещение или предписанный поворот.

В структурном анализе !BOUNDARY принимает диапазон степеней свободы от 1 до 6. 1–3 соответствуют поступательным перемещениям, а 4–6 — вращательным ограничениям в узлах, имеющих вращательные степени свободы. Поскольку диапазон степеней свободы можно задавать совместно, например, поступательные перемещения можно ограничить одновременной фиксацией 1–3.

Если указан параметр AMP, предписанное значение меняется со временем согласно функции амплитуды. При обычном задании предписанное перемещение прикладывается инкрементно в соответствии с коэффициентом нагрузки внутри шага или изменением функции амплитуды. При TOTAL=YES заданное значение рассматривается как целевое полное перемещение.

При указании ROT_CENTER вращательное ограничение можно приложить относительно центральной группы узлов. В этом случае поступательные перемещения целевой группы узлов вычисляются по величине поворота и накладываются как ограничения. Совместное использование ROT_CENTER и TOTAL=YES не поддерживается, поэтому вращательные ограничения относительно центра вращения используются как инкрементные задания.

Сосредоточенные нагрузки в структурном анализе

Сосредоточенные узловые нагрузки задаются с помощью !CLOAD. Если заданы узел или группа узлов, номер степени свободы и значение нагрузки, нагрузка включается в правую часть для этой степени свободы.

Значения, заданные для поступательных степеней свободы 1–3, рассматриваются как узловые силы по координатным направлениям. В моделях с вращательными степенями свободы значения для 4–6 могут прикладывать моменты к вращательным степеням свободы. Если указан параметр AMP, сосредоточенная нагрузка умножается на значение функции амплитуды.

При указании ROT_CENTER нагрузка прикладывается как крутящий момент относительно центральной группы узлов. В этом случае заданный вектор крутящего момента распределяется по узловым силам на основе радиус-векторов от центра к целевым узлам. Поскольку крутящий момент нельзя распределить, если центр и целевой узел находятся в одной точке, необходимо проверить геометрическое положение центра вращения и точек приложения нагрузки.

Необходимо соблюдать осторожность, если !CLOAD задаётся для группы узлов в модели, где также используется !MESH с REFINE (измельчение сетки, Refiner). При измельчении на рёбрах исходной группы узлов создаются новые промежуточные узлы, и они также добавляются в ту же группу. Поскольку !CLOAD назначает одно и то же значение сосредоточенной нагрузки каждому узлу группы, такая же нагрузка прикладывается и к добавленным промежуточным узлам, в результате чего суммарная нагрузка отличается от предполагавшейся до измельчения. При задании сосредоточенных нагрузок по группе узлов учитывайте увеличение числа точек приложения нагрузки вследствие измельчения или, предпочтительно, задавайте отдельные узлы непосредственно.

Распределённые нагрузки и объёмные силы в структурном анализе

Распределённые нагрузки и объёмные силы задаются с помощью !DLOAD. !DLOAD задаёт тип нагрузки и параметры для группы элементов или группы поверхностей. Изменение во времени задаётся параметром AMP.

Основные типы нагрузок следующие.

Тип нагрузки Описание
P0, PP, P1–P6 Прикладывает давление к грани элемента. Соответствие номеров граней фактическим граням зависит от типа элемента.
PX, PY, PZ Задаёт давление с явным координатным направлением. При обработке ввода преобразуется в вектор направления.
S... Прикладывает поверхностную нагрузку к группе поверхностей. Номер грани определяется из определения группы поверхностей.
BX, BY, BZ Прикладывает объёмную силу в координатном направлении.
GRAV Задаёт вектор ускорения свободного падения. Он объединяется с плотностью материала и включается как объёмная сила.
CENT Прикладывает центробежную силу на основе оси вращения и угловой скорости.

При FOLLOW=YES давление на поверхность следует за ориентацией деформированной поверхности. Это задание имеет смысл в структурном анализе с учётом конечных деформаций. В анализах, где геометрическая нелинейность отключена, следящее давление отключается реализацией.

Как и для P1–P6 и S1–S6 на стороне теплового анализа, смысл номеров граней зависит от типа элемента. Конкретное соответствие номеров граней и порядок полей данных см. в справочнике соответствующего ключевого слова.

Пружинные опоры в структурном анализе

Пружинные опоры задаются с помощью !SPRING. При указании узла или группы узлов, номера степени свободы и жёсткости пружины жёсткость пружины добавляется к диагональной жёсткости целевой степени свободы, а сила реакции пружины включается в правую часть как внутренняя сила.

При задании для степеней свободы 1–3 опора рассматривается как поступательная пружина. В моделях с вращательными степенями свободы задание 4–6 позволяет использовать вращательные пружины. Проверьте конфигурацию степеней свободы, чтобы пружины не назначались степеням свободы, отсутствующим в целевой модели.

Базис перемещения, которому сопротивляется пружина, выбирается параметром INCREMENTAL. При значении по умолчанию INCREMENTAL=NO учитывается сила реакции пружины, пропорциональная накопленному перемещению от начала анализа. Иными словами, внутренняя сила равна произведению жёсткости пружины на накопленное перемещение. При INCREMENTAL=YES опорное положение пружины на каждом приращении переопределяется по сошедшемуся состоянию предыдущего приращения, и учитывается сила реакции, пропорциональная только приращению перемещения внутри текущего приращения. Иными словами, внутренняя сила равна произведению жёсткости пружины на приращение перемещения в этом приращении, а перемещение, накопленное между приращениями, не вносит вклад в силу реакции пружины.

Изменение жёсткости пружины во времени задаётся параметром AMP. Если указано имя функции амплитуды, жёсткость пружины умножается на значение этой функции. Значение амплитуды вычисляется на момент окончания текущего приращения, что позволяет описывать опоры, которые включаются или освобождаются в ходе шага. Если AMP не указан, жёсткость пружины не изменяется во времени функцией амплитуды.

Параметры INCREMENTAL и AMP действуют как в статическом анализе, так и в неявном динамическом анализе. Чтобы включать или отключать саму пружинную опору по шагам, используйте ID группы и !STEP со спецификацией LOAD.

Температурные нагрузки в структурном анализе

Для приложения нагрузок вследствие температурной деформации в структурном анализе используйте !TEMPERATURE. Если температура задана для каждого узла или группы узлов, эквивалентные узловые силы для анализа термических напряжений собираются на основе разности относительно опорной или предыдущей температуры. Коэффициент теплового расширения задаётся в определении материала. Опорная температура задаётся с помощью !REFTEMP.

Температуру можно либо задавать непосредственно в управляющем файле, либо считывать из файла результатов, созданного анализом теплопроводности или другим анализом. При задании READRESULT узловые температуры в строках данных не считываются; вместо этого считываются данные результатов, заданные параметрами SSTEP, INTERVAL, READTYPE и связанными параметрами. При использовании файла результатов сохранённое в нём время или номер шага должны соответствовать заданию на стороне структурного анализа.

Поскольку !TEMPERATURE не имеет параметра AMP, масштабирование функцией амплитуды к нему не применяется. Для изменения истории температуры управляйте самими температурными данными, считываемыми результатами теплового анализа или разбиением на шаги.

Начальные условия и предписанные значения в динамическом анализе (скорость и ускорение)

В динамическом анализе !VELOCITY и !ACCELERATION могут задавать начальные условия или предписанные значения скорости и ускорения. В обоих случаях задаются узел или группа узлов, диапазон степеней свободы и значение. Диапазон степеней свободы — от 1 до 6; в моделях с вращательными степенями свободы 4–6 соответствуют угловой скорости или угловому ускорению.

TYPE=INITIAL задаёт начальную скорость или начальное ускорение в начале анализа. Если задана начальная скорость, начальное ускорение вычисляется для согласования с уравнением движения. Если задано начальное ускорение, существует путь, при котором вычисляется начальная скорость.

TYPE=TRANSIT задаёт меняющуюся во времени предписанную скорость или предписанное ускорение. Если TYPE опущен, используется TRANSIT. Если указан AMP, функция амплитуды интерполируется во времени динамического анализа и умножается на предписанное значение.

Многоточечные ограничения

Используйте функцию многоточечных ограничений, когда необходимо наложить линейное соотношение между несколькими узловыми степенями свободы. Соответствующее ключевое слово !EQUATION позволяет задавать такие отношения, как жёсткое связывание, периодические границы и связи перемещений между узлами, которые трудно представить фиксированным ограничением одного узла и одной степени свободы.

Рекомендации по использованию многоточечных ограничений, их обработке линейным решателем и связи с другими функциями связывания степеней свободы, такими как контакт TIED, см. в Многоточечные ограничения.

Граничные условия в анализе теплопроводности

В анализе теплопроводности в качестве граничных условий применяются фиксированная температура, тепловой поток, конвекция и излучение. Отдельно от !STEP структурного анализа управление временем для теплового анализа задаётся с помощью !HEAT.

Ключевое слово Объект Описание Задание амплитуды
!FIXTEMP Узел или группа узлов Фиксирует температуру. AMP
!CFLUX Узел или группа узлов Прикладывает сосредоточенный узловой тепловой поток. AMP
!DFLUX Элемент или группа элементов Прикладывает распределённый тепловой поток к объёму или грани элемента. AMP
!SFLUX Группа поверхностей Прикладывает тепловой поток к группе поверхностей. AMP
!FILM Элемент или группа элементов Задаёт конвективное граничное условие на грани элемента. AMP1, AMP2
!SFILM Группа поверхностей Задаёт конвективное граничное условие для группы поверхностей. AMP1, AMP2
!RADIATE Элемент или группа элементов Задаёт радиационное граничное условие на грани элемента. AMP1, AMP2
!SRADIATE Группа поверхностей Задаёт радиационное граничное условие для группы поверхностей. AMP1, AMP2

Для !DFLUX BF обозначает объёмное тепловыделение, а S0–S6 — тепловой поток на гранях элемента. Для !FILM грани элемента задаются F0–F6; для !RADIATE — R0–R6. Поскольку соответствие номеров граней фактическим граням зависит от типа элемента, подробности см. в справочнике каждого ключевого слова.

Конвективное граничное условие задаёт коэффициент конвекции и внешнюю температуру. Радиационное граничное условие задаёт коэффициент, эквивалентный излучательной способности, и температуру окружающей среды. AMP1 соответствует стороне коэффициента, а AMP2 — стороне внешней или окружающей температуры, что позволяет независимо изменять каждую из них во времени.

Функции амплитуды

Функция амплитуды задаёт изменение граничного условия или нагрузки во времени с помощью таблицы времени и значений. Во входных данных именованная временная таблица определяется с помощью !AMPLITUDE и используется параметром AMP, AMP1 или AMP2 целевого ключевого слова.

Основные применимые ключевые слова:

!AMPLITUDE считывается в табличной форме (DEFINITION=TABULAR), а тип времени рассматривается как время шага (TIME=STEP). Значения могут определяться как относительные или абсолютные, но для отдельных ключевых слов они обычно используются как коэффициенты, умножающие базовое значение.

!TEMPERATURE не использует функцию амплитуды.

Связанные разделы