Finite Element Analysis in ANSYS and NASTRAN | Расчеты методом конечных элементов в ANSYS и NASTRAN

Documentation for ANSYS and NASTRAN | Документация по ANSYS и NASTRAN

My papers on practical applications of finite element method, tutorials for ANSYS and PATRAN.
Мои статьи о практическом применении метода конечных элементов, а также учебные материалы по ANSYS и PATRAN.

Structural analysis for aerospace industry – examples of my works using Nastran and Patran (in English)
Прочностные расчеты для авиастроения – примеры моих работ с использованием Nastran и Patran

Parametric optimization of fluoropolymer bellows for intravascular robot propulsion system in ANSYS (in English)
Параметрическая оптимизация фторопластового сильфона для движителя внутрисосудистого робота в ANSYS

Programs for structural analysis and design optimization developed by me for my thesis – screenshots, brief description (in English)
Программы для расчетов на жесткость и оптимизации, разработанные мною при подготовке диссертации – скриншоты, краткое описание

Sergeykin. O. A.
Influence of structural deformations of machine tool body parts on machining precision / PhD (Candidate of Technical Sciences) thesis
Сергейкин О. А.
Влияние силовых смещений корпусных деталей на точность станков / Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
thesis (in Russian) | диссертация
abstract (in Russian) | автореферат диссертации
essay (in English) | реферат для кандидатского экзамена по английскому языку

My thesis is related to technology and equipment for mechanical machining. The main subject of the work is shape optimization of body parts of machine tools. Shape optimization is needed to solve problems like increasing part stiffness without changing its mass, reducing part mass without changing its stiffness etc.
To perform shape optimization of body parts, it is necessary to have a reliable tool for strain and stress calculations. Since body parts have very complicated shape, analytical methods are not applicable for them.
The only reliable tool for body parts calculations is finite element analysis. Today there are many computer programs, which performs finite element analysis. I use the ANSYS program since this program offers widest features for finite element analysis and shape optimization.
Design optimization is a technique to determine an optimum design. Optimum design is one that meets all specified requirements but with a minimum expense of certain factors such as weight, surface area, volume, stress, cost, etc. In other words, the optimum design is usually one that as effective as possible.
Virtually any aspect of design can be optimized: dimensions, placement of supports, cost of fabrication, natural frequency, material property, and so on.
The ANSYS program offers two optimization methods to accommodate a wide range of optimization problems. The subproblem approximation method is an advanced zero-order method that can be efficiently applied to most engineering problems. The first order method is based on design sensitivities and is more suitable for problems that require high accuracy.
For both subproblem approximation and first order methods, the program performs a series of analysis-evaluation-modification cycles. That is, an analysis of the initial design is performed, the results are evaluated against specified design criteria, and the design is modified as necessary. This process is repeated until all specified criteria are met.
In addition to the two optimization techniques available, the ANSYS program offers a set of strategic tools that can be used to enhance the efficiency of the design process. For example, a set of random design iteration can be performed. The initial data points from the random design calculations can serve as starting points to feed the optimization method mentioned above.

Note: Documents on links below are in Russian, but almost all of them have lots of self-explaining pictures

Evaluation of bearing capacity of the diamond mine anti-filtration screen
Оценка несущей способности противофильтрационного экрана алмазного рудника

Calculation of stresses was performed for the composite concrete anti-filtration screen for the diamond mine (kimberlite pipe) loaded by the weight of the screen and water pressure while filling the pit.
Представлены результаты выполненного мною расчета напряжений в бетонном противофильтрационном экране алмазного рудника (кимберлитовой трубки) при нагружении весом экрана и давлением воды, заполняющей карьер.

Structural analysis of MK6510F4 lathe bed (report)
Расчет силовых смещений несущей системы металлорежущего станка МК6510Ф4 (отчет)

Structural analysis of MK6510F4 lathe bed made from composite concrete (report)
Расчет силовых смещений несущей системы металлорежущего станка МК6510Ф4 при использовании бетонной станины (отчет)

Experimental study of MK6510F4 lathe bed structural deformations (report)
Экспериментальное исследование силовых смещений несущей системы металлорежущего станка МК6510Ф4 (отчет)

Structural analysis of MK6521F3 ultra-precision lathe bed (report)
Расчет силовых смещений несущей системы металлорежущего станка МК6521Ф3 (отчет)

Shape optimization of machine tools body parts using ANSYS
Оптимизация формы корпусных деталей металлорежущих станков с помощью программы ANSYS

The optimization problem was to find optimal thicknesses of lathe headstock housing walls to provide maximum rigidity while maintaining original mass.
Deformations of spindle bearings reduced to the representative point (cutting area) were used as the rigidity characteristics of the housing – because it determines the performance of the lathe (machining precision). Due to optimization, this parameter was decreased by 38%.
Задача оптимизации заключалась в нахождении таких толщин стенок корпуса, при которых он бы имел максимальную жесткость при сохранении своей исходной массы.
В качестве характеристики жесткости корпуса использовались его смещения, приведенные к характерной точке (к зоне резания), смещения которой определяют эксплуатационные характеристики станка (точность обработки деталей). Результатом оптимизации явилось снижение смещений корпуса, приведенных к характерной точке, на 38%.

Structural analysis of lathe headstock housing using DesignSpace
Расчет силовых смещений корпуса шпиндельной бабки токарного станка с помощью программы DesignSpace

Displacements of spindle bearings caused by deformations of the headstock housing under cutting forces were calculated. The impact of normal contact deformations in the joint between headstock housing and bed was estimated (considered two options of the FEA model, differing by boundary conditions).
Рассчитаны смещения опор шпинделя под действием сил резания. Произведена оценка влияния нормальных контактных деформаций в стыке корпус-станина на результаты расчета (рассматривались два варианта расчетной схемы, отличающихся друг от друга условиями закрепления).

Imposing interconnections on the parameters during design optimization
Наложение взаимосвязей на параметры при оптимизации конструкций

Various methods of imposing connections of type «A < B» between design variables to optimize structures in ANSYS were reviewed. The method of imposing such restrictions without introduсing additional state variables was presented.

Рассмотрены различные способы наложения взаимосвязей типа «A < B» между переменными проекта при оптимизации конструкций в ANSYS. Указан способ наложения таких ограничений без введения дополнительных переменных состояния.

Setting up ANSYS GUI
Настройка графического интерфейса программы ANSYS

The main GUI configuration options of ANSYS are reviewed as well as its saving and autoloading.
Рассмотрены основные опции ANSYS, касающиеся настройки графического интерфейса, а также возможности для их сохранения и автоматической загрузки.

Ray Browell, Guoyo Lin
The Power of Nonlinear Materials Capabilities (Russian translation)
Мощь нелинейных возможностей
(перевод выполнен Рубцовым Б. Г. и Сергейкиным О. А.)
Обзорная статья о моделировании материалов с нелинейными свойствами в ANSYS. Классификация и описание моделей материалов ANSYS.
Статья опубликована и переведена еще в 2000 г. и была приурочена к выходу ANSYS 5.6, однако практически вся информация из нее применима вне зависимости от версии ANSYS.

Chernyansky P. M., Sergeykin O. A.
Analytical and experimental evaluation of rigidity of turning center's bed
Чернянский П. М., Сергейкин О. А.
Расчетная и экспериментальная оценка жесткости несущей системы токарного обрабатывающего центра

Evaluation of how the machining precision depends on the structural deformations of the bed under weights of moving parts (headstock and tool supports) was performed.
The machining accuracy was evaluated by deviations of diametrical and longitudinal dimensions of machined parts. Deviations components, in its turn, evaluated by reduction bed deformations (under the weight loads) to the cutting zone. Bed deformations were calculated by finite element analysis in ANSYS.
The experimental study was performed to compare the calculated values with the experimental ones.
Произведена оценка влияния на точность станка силовых смещений несущей системы, возникающих под действием веса подвижных узлов (суппорта и шпиндельной бабки).
Точность станка характеризовалась погрешностями диаметральных и продольных размеров обрабатываемых деталей. Cоставляющие погрешностей размеров, в свою очередь, определялись путем приведения силовых смещений несущей системы (под действием весовых нагрузок) к зоне резания. Силовые смещения рассчитаны методом конечных элементов в программе ANSYS.
Выполнено экспериментальное исследование с целью сравнения расчетных значений силовых смещений с экспериментальными.

Chernyansky P. M., Sergeykin O. A.
Calculation of shape deviations of machined parts caused by ultraprecise lathe bed structural deformations
Чернянский П. М., Сергейкин О. А.
Расчет отклонений формы обрабатываемых деталей, обусловленных деформациями несущей системы сверхточного токарного станка

Deviations of diametrical and longitudinal dimensions of machined parts and its cylinder shape deviations caused by ultraprecise lathe bed deformation were calculated for its loading by air pressure in aerostatic guides of the moving parts (tool support and headstock support).
The calculation was carried out by reduction deformation of aerostatic guides to the cutting area for different locations of both the cutting area and moving parts of the machine tool. Deformation of the bed under the load was calculated using finite element modeling in ANSYS.
Вычислены составляющие погрешностей обработки диаметральных и продольных размеров и отклонения формы обрабатываемых деталей, обусловленные силовыми смещениями несущей системы сверхточного токарного станка, возникающими при ее нагружении давлением в аэростатических направляющих подвижных узлов (суппорта и шпиндельной бабки).
Их расчет производился путем приведения силовых смещений к зоне резания с учетом возможности различных вариантов расположения, как самой зоны резания, так и подвижных узлов станка. Расчет силовых смещений выполнен методом конечных элементов в программе ANSYS.

Overview of ANSYS optimization capabilities
Обзор оптимизационных возможностей программы ANSYS

The description of the methods and tools for parametric design optimization available in ANSYS is presented. Their capabilities and algorithms are reviewed.
Представлено описание методов и средств параметрической оптимизации конструкций, доступных в ANSYS. Рассмотрены их возможности и алгоритмы, лежащие в основе их работы.

MSC.Patran macros (PCL, 2003 and above) to apply cosine-distributed loads to a circle or a cylinder (zip-archive)
Макросы MSC.Patran (2003 и выше, PCL) для приложения к окружности и цилиндру нагрузок, распределенных по закону косинуса (zip-архив)

The macros provide application of distributed loads with the user-defined resultant force to a circle or a cylinder.
The radial component of the resultant force is distributed on the cosine law on the half of circle or cylinder (without application negative pressures). The axial component is distributed uniformly.

Макросы обеспечивают приложение к окружности или цилиндру распределенных нагрузок с заданной равнодействующей.
Радиальная составляющая распределяется по закону косинуса по половине окружности или цилиндра (без приложения отрицательных давлений). Осевая составляющая распределяется равномерно.
Ввод данных неинтерактивный (см. инструкции в файлах с макросами).

Probabilistic analysis of plate under lateral load (translation and adaptation of ANSYS tutorial, version 5.7 and higher from ANSYS 5.7 New Features Workshop Supplement were performed by Sergeykin O. A.)
Вероятностный анализ пластины, нагруженной поперечной силой(перевод и адаптация учебного примера по ANSYS, версия 5.7 и выше, из ANSYS 5.7 New Features Workshop Supplement выполнены Сергейкиным О. А.)

The use of probabilistic analysis module /PDS (Probe Design) is studied, as well as static analysis of shell structures. The module was introduced in ANSYS 5.7
Compared with the original version of ANSYS documentation, the interactive procedure for calculating the structure with an initial set of parameters was added.
Изучается использование модуля вероятностного анализа /PDS (Prob Design), появившегося в ANSYS 5.7, а также статический анализ оболочечных конструкций.
По сравнению с исходным вариантом из документации ANSYS, добавлено описание процедуры расчета конструкции с исходным набором параметров в интерактивном режиме.

Structural analysis of lathe headstock housing (tutorial for DesignSpace, version 5.0 and higher)
Расчет силовых смещений корпуса шпиндельной бабки токарного станка (учебный пример по DesignSpace, версия 5.0 и выше)

Structural analysis in DesignSpace is exploring in this tutorial. The geometric model in SAT format is attached. It is a step by step description of the analysis in DesignSpace.
Изучается использование DesignSpace для статических расчетов на жесткость. Прилагается геометрическая модель в формате SAT. Пошаговое описание расчета для одной из статей, представленных на этом сайте.

[1] Сборник трудов 1-ой конференции пользователей программного обеспечения CAD-FEM Gmbh в странах СНГ (Москва, 25-26 апреля 2001 г.)
[2] Сборник трудов 2-ой конференции пользователей программного обеспечения CAD-FEM Gmbh в странах СНГ (Москва, 17-18 апреля 2002 г.)
[3] ANSYS Solutions, 2000, Volume 2, Number 1-2
[4] Журнал "Станочный парк", №5, 2012
[5] Журнал "Станочный парк", №7, 2012

Because of ( hosting downtime, I moved content of my site (link to here, on my own domain – including the documentation and link directory.
В связи с неработоспособностью хостинга (, я перенес сюда, на свой домен, контент своего сайта (link to – в том числе документацию и каталог ссылок.

Ссылки на русскоязычные ресурсы по ANSYS и NASTRAN

Каталог ссылок, ранее размещавшийся на – (link to При переносе убрал из каталога неработающие ссылки.

ANSYS Inc. и их официальные партнеры в РФ и Украине

ANSYS Inc. – разработчик программ ANSYS, ICEM CFD, CFX, FLUENT и др. – журнал ANSYS Advantage (ANSYS Solutions), архив выпусков на английском языке.

CADFEM CIS – Soft Engineering (РФ, Москва; Украина, Киев) – описание возможностей ANSYS. – видеоуроки по ANSYS. – журнал ANSYS Advantage (ANSYS Solutions), русская редакция (учредитель – ЕМТ).

Делкам-Урал (РФ, Екатеринбург) – описание возможностей ANSYS – примеры решения задач в ANSYS CFX – статьи, файлы, учебные примеры по ANSYS.

Разработчики NASTRAN и их официальные партнеры в РФ и Украине

MSC.Software Corp. – разработчик программ MSC.Nastran, Patran, Marc, Dytran, ADAMS и др. – материалы конференций пользователей программ MSC.Software. – учебные материалы по программам MSC.Software. – представительство в СНГ (РФ, Москва) – описание возможностей программ MSC.Software. – материалы российских конференций пользователей программ MSC.Software. – список дистрибьютеров MSC.Software на территории СНГ.

NEi Software – разработчик программ NEi Nastran, NEi Works и др.

CompMechLab (РФ, Санкт-Петербург) – официальный дистрибьютер NEi Software в России – описание возможностей NEi Nastran и других программ NEi Software.

Siemens PLM Software – Разработчик программ NX (ранее – Unigraphics), NX Nastran, Femap и др. – описание CAE-систем, разрабатываемых Siemens PLM Software. – описание возможностей NX Nastran. – список дистрибьютеров Siemens PLM Software в России

Неофициальные русскоязычные ресурсы по ANSYS и NASTRAN – форум по САПР. Вопросы по СAE-системам выделены в отдельный раздел. – А. В. Жидков Применение системы ANSYS к решению задач геометрического и конечно-элементного моделирования. – Н. В. Леонтьев Применение системы ANSYS к решению задач модального и гармонического анализа. – В. В. Шабаров Применение системы ANSYS к решению гидрогазодинамических задач. – Н. Н. Берендеев Применение системы ANSYS к оценке усталостной долговечности. – М. В. Кудин Решение задач акустики в программном комплексе ANSYS. – A. К. Любимов, Л. В. Шабарова Методы построения расчетных сеток в пакете ANSYS ICEM CFD. – сайт С. П. Рычкова. Учебные примеры и теория по MSC.Nastran for Windows (FEMAP). Имеются учебные примеры по расчету композитов. – учебник по ANSYS (Бруяка В. А. и др. "Инженерный анализ в Ansys Workbench"). – инструкции по использованию ANSYS и LS-DYNA на суперкомпьютерах. – И. Е. Лысенко, И. В. Куликова, Е. В. Полищук, В. А. Хайрулина Моделирование элементов микросистемной техники в программе ANSYS (в двух частях, два файла). – Интеграция произвольной программы Windows с расчетным ядром ANSYS Workbench. – обзор возможностей ANSYS CFX, перевод официальной документации по ANSYS CFX. – математическое моделирование задач биомеханики. – сравнение различных программ конечноэлементного моделирования (ANSYS, COMSOL-FEMLAB, LS-DYNA и др.). – документация по ANSYS. – CompMechLab, видеоуроки по ANSYS.
МАИ (РФ, Москва) – учебные пособия по ANSYS, NASTRAN и FEMAP. – лабораторные работы по NASTRAN и FEMAP. – страница Рудакова К. Н., учебные пособия по геометрическому и конечноэлементному моделированию в FEMAP. – оценка надежности конструкций с применением NX Nastran.
ProCAE (РФ, Санкт-Петербург) – учебные примеры, переводы документации по АNSYS Ольги Огородниковой, материалы конференций, статьи по использовнию ANSYS для моделирования технологических процессов литья. – учебные примеры по построению сеток и гидродинамическим расчетам в ANSYS – ICEM CFD, CFX, FLUENT. – учебный пример по вероятностному анализу в ANSYS, перевод ANSYS Help. – учебный пример по расчету трехмерного статического магнитного поля в ANSYS.
КГУ (РФ, Казань) – учебник по ANSYS (А. В. Конюхов "Основы анализа конструкций в ANSYS"). – сайт Александра и Юрия Прокуратовых, учебные примеры по ANSYS, MSC.Nastran for Windows, перевод документации по MSC.Nastran, см. ссылки внизу страницы.

Сайт Виктора Ткаченко (Украина, Днепропетровск) – раздел о расчетах методом конечных элементов. Весьма интересная дискуссия о достоверности результатов нелинейного конечноэлементного анализа. – учебные примеры по ANSYS и NASTRAN. – сайт Александра Сурков, перевод учебных примеров по MSC.Nastran for Windows. – краткое описание команд меню (FEMAP) и библиотека конечных элементов MSC.Nastran for Windows. – программа ANSYSBuildingBlock для автоматизации расчетов строительных конструкций в ANSYS. – сайт Сергея Тиховода, учебные примеры по расчету электромагнитных полей в ANSYS EMAG.

No comments:

Post a Comment