В базу знаний

Погрешности моделирования консольной балки

В статье рассматривается моделирование модального анализа, расчет равновесного состояния и расчета динамики движения для многомассовой системы (ММС) консольной упругой балки. Полученные результаты с разным способом и числом разбиения секций сравниваются с аналитическим решением.

4 мин чтения От разработчика

Материалы к статье

К разделу

Исходные данные

В исследовании рассматривается консольно-закрепленная балка сплошного круглого сечения со следующими параметрами:
Диаметр: 2.gif = 10 мм;
Длина балки: 2.1.gif = 1000 мм;
Плотность материала: 2.3.gif = 7800 кг/м3;
Модуль упругости материала при растяжении-сжатии: 2.4.gif = 2·1011 Па.
Момент инерции сечения относительно оси изгиба: 2.5.gif.
Площадь поперечного сечения балки: 2.6.gif.

Дискретизация балки

Разбиение балки будем осуществлять путем дискретизации по методу многомассовых систем. Балка, являющаяся телом с распределенными параметрами, моделируется че-рез список абсолютно жестких массовых звеньев (Beam), соединенные 2.7.gif безмассовыми упругими элементами с помощью двухузлового упругого элемента (force general) и пользовательским шарниром (joint user), который разрешает поворот звеньев по двум угловым степеням свободы. Характеристики упругости конструкции приводятся к характеристикам силовых элементов, соединяющих звенья. Коэффициент жесткости 2.8.gif силового элемента при изгибе в общем случае определяется как обратная величина интеграла податливости балки вдоль ее продольной оси на интервале интегрирования 2.9.gif. Будем считать, что в пределах длины секции 2.10.gif жесткость постоянна:

2.11.gif,

где – 2.12.gif границы интегрирования силового элемента.

Файлы проекта отличаются способом разбиения секций балки:

В cantilever_beam_1.elr балка разбивается на секции одинаковой длины 2.10.gif (Рис. 1). В качестве инерциального звена (граничное условие заделки) выступает первая секция.

2.20.png 2.21.png Рис. 1. Вид многомассовой модели из 4 секций в ПК EULER Проект «MMS_beam_1.elr»

Длина секций 2.10.gif , коэффициенты жесткости для первой 2.13.gif, регулярной 2.8.gif и последней секции 2.14.gif определяются следующим образом:

2.15.gif,
2.16.gif,
2.17.gif

В cantilever_beam_2.elr балка разбивается аналогично первой модели на секции равной длины 2.10.gif. Граничное условие заделки задается как связь между инерциальным звеном (Body) и первым элементом аналогично связи между остальными элементами. (Рис. 2).

2.18.png 2.19.pngРис. 2. Вид многомассовой модели из 4 секций в ПК EULER. Проект «MMS_beam_2.elr»

Длина секций и коэффициенты жесткости определяются следующим образом:

2.15.gif,
2.16.gif,
2.20.gif
2.21.gif

В cantilever_beam_3.elr балка разбивается на секции одинаковой жесткости: пер-вый и последний элемент в два раза меньше остальных (Рис. 3). В качестве инерциального звена(граничное условие заделки) выступает первая секция.

2.22.png2.23.png Рис. 3. Вид многомассовой модели из 4 секций в ПК EULER. Проект «MMS_beam_3.elr»

Длина первой 2.22.gif, регулярной 2.10.gif и последней секции 2.23.gif, коэффициенты жесткости определяются следующим образом:

2.24.gif
2.25.gif
2.16.gif.

Модальный анализ

При свободных поперечных колебаниях прогиб балки постоянного поперечного сечения 2.26.gif подчиняется уравнению с граничными условиями:

2.27.gif
2.28.gif
2.29.gif,

где 2.26.gif – прогиб балки, 2.30.gif – площадь поперечного сечения, 2.31.gif– продольная координата, 2.32.gif – время (Рис. 4).

2.33.jpg Рис. 4. Упругая консольно-закрепленная балка

Решение этого уравнения представляется в виде сходящейся бесконечной суммы собственных функций:

2.33.gif,

где 2.34.gif – амплитуды форм колебаний, 2.35.gif – формы собственных колебаний, 2.36.gif – собственные частоты.

Собственные круговые частоты находятся для данных граничных условий из выражения

2.37.gif,

где 2.38.gif – коэффициенты, которые находятся из характеристического трансцендентного уравнения для консольного закрепления:

2.39.gif.

Для расчета модального анализа используется команда исследования «расчет собственных форм и частот» (comNormalModes). Результаты приведены в таблице 1 и на рисунках 5 – 7.

2.33.png Таблица 1 – результаты модального анализа

2.34.png Рис. 5 – Зависимость значения первой собственной частоты от числа секций балки

2.35.pngРис. 6 – Зависимость значения второй собственной частоты от числа секций балки

2.36.pngРис. 7 – Зависимость значения третьей собственной частоты от числа секций балки

Расчет статического прогиба на торце

Во всех моделях на свободном торце балки приложена сосредоточенная «мертвая» нагрузка 2.40.gif = 10 Н. Аналитическое решение для прогиба консольной балки на торце 2.41.gif:

2.42.gif мм

Для расчета используется команда исследования «расчет равновесного состояния» (comStaticEqulibrium). На рисунке 8 представлен вид деформированного состояния для 3 модели:

2.37.pngРис. 8 – Статический прогиб балки

Сводная таблица результатов приведена в таблице 2 и на рисунке 9.

2.38.png Таблица 2 – результаты расчета равновесного состояния

2.39.pngРис. 9 – Зависимость значения статического прогиба на свободном торце от числа секций балки

Расчет динамики движения

При работе с ММС необходимо выбирать адекватное число секций. Чем больше число секций, тем меньший шаг интегрирования требуется для расчета динамики движения.

Для третьей модели был проведен расчет динамики движения с разными шагами интегрирования. Максимально допустимое число секций балки и время расчета (относительно времени расчета команды исследования RK4_m3) для данного ша-га. Результаты приведены в таблице 3.

2.40.pngТаблица 3 – Максимально допустимое число секций при заданном шаге интегрирования

Материалы к статье