搜索ANSYSAPDL對非線性自適應(yīng)的裂紋張開仿真分析
2016-10-25 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
【問題描述】
一根懸臂梁左端固定,右端上下兩個角點(diǎn)施加相離的等大集中力。在梁的右端有一水平裂紋?，F(xiàn)在要對在加力過程中裂紋的張開過程進(jìn)行仿真。
【問題分析】
1.本例子來自于ANSYS15 APDL的網(wǎng)格非線性自適應(yīng)中的一個裂紋仿真的算例。本文對其中的一些命令進(jìn)行了刪減,重新排序,使得其更便于理解。
2. 要進(jìn)行裂紋張開仿真,關(guān)鍵在于裂紋尖端處網(wǎng)格的處理。對于斷裂力學(xué)而言,此處的網(wǎng)格要非常小心的進(jìn)行劃分,而在這里使用了自適應(yīng)網(wǎng)格劃分方式,讓ANSYS自己來根據(jù)能量準(zhǔn)則,在適當(dāng)?shù)臅r候?qū)W(wǎng)格進(jìn)行細(xì)分。
3.使用PLANE183單元來模擬,該單元是二次單元,模擬這種問題更合適。
4. 該材料是雙線性隨動強(qiáng)化材料,而且其材料屬性隨著溫度的變化而變化。這里給定其彈性模量是溫度的一次函數(shù),也給定了兩個溫度下材料的屈服強(qiáng)度和切線模量。
5. 創(chuàng)建裂紋的方式。首先創(chuàng)建上下兩個面,然后對面劃分網(wǎng)格,接著把兩個面結(jié)合處左邊的節(jié)點(diǎn)合并,而右邊的節(jié)點(diǎn)依舊保持分離,從而創(chuàng)建出裂紋。
6. 邊界條件。固定左邊,右邊上下沿施加等大反向的集中力。
7. 求解設(shè)置。主要是關(guān)于網(wǎng)格非線性自適應(yīng)的設(shè)置,使用了能量準(zhǔn)則來進(jìn)行網(wǎng)格重劃。
8. 本文采用命令方式進(jìn)行講解。
【求解過程】
1 建模
1.1 創(chuàng)建單元類型
在命令窗口輸入
/prep7
et,1,183
keyopt,1,1,0
keyopt,1,6,1
上述命令創(chuàng)建了平面單元PLANE183,
設(shè)置該單元是帶中節(jié)點(diǎn)的四邊形單元,
并設(shè)置使用混合的U-P公式進(jìn)行計(jì)算。
使用PLANE183而非PLANE182,是因?yàn)樗嵌螁卧?計(jì)算更精確;而使用U-P公式,是為了防止體積自鎖。
1.2 設(shè)置材料模型
在命令窗口輸入
MP,PRXY,1,0.3
MPTEMP,1,0,500
MP,EX,1,12E6,-8E3
上述命令定義材料的泊松比是0.3,并定義了一個依賴于溫度變化的彈性模量。該彈性模量是溫度的一次函數(shù),其常數(shù)項(xiàng)是12E6,一次項(xiàng)是-8E3?？梢?該材料的彈性模量隨著溫度的升高而減小。
彈性模量隨著溫度變化的曲線如下圖
在命令窗口輸入
TB,BKIN,1,2
上述命令說明上述材料是一種雙線性隨動強(qiáng)化材料。并說明下面會給出2個溫度時該材料的參數(shù)。
在命令窗口輸入
TBTEMP,0.0
TBDATA,1,44E3,1.2E6
上述命令給出了溫度時0度時,該材料的屈服強(qiáng)度和切線模量。
在命令窗口輸入
TBTEMP,500
TBDATA,1,29.33E3,0.8E6
上述命令給出了溫度是500度時,該材料的屈服強(qiáng)度和切線模量。
定義完畢后,可以看到在不同溫度時,材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如下圖。上面這根折線是0度時材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線;下面這根是500度時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
1.3 創(chuàng)建幾何體
在命令窗口輸入
blc4,0,0,10,0.5
blc4,0,0,10,-0.5
這里分別創(chuàng)建了兩個長方形,其連接邊就是裂紋所在的邊。這兩個長方形現(xiàn)在是完全分離的。
1.4 劃分網(wǎng)格
在命令窗口輸入
lsel,s,loc,y,0
lsel,a,loc,y,0.5
lsel,a,loc,y,-0.5
lesize,all,,,20
lsel,inve
lesize,all,,,5
amesh,all
上述命令的目的,就是對各個邊設(shè)置網(wǎng)格劃分份數(shù),然后劃分網(wǎng)格,創(chuàng)建有限元模型。
要注意的是:
(1)這只是一個初始的網(wǎng)格,后面自適應(yīng)網(wǎng)格劃分會根據(jù)能量準(zhǔn)則來局部細(xì)分網(wǎng)格。
(2)在中間這根線上有許多重合的節(jié)點(diǎn)。這些重合的節(jié)點(diǎn)分別屬于上下層的單元,但是這些節(jié)點(diǎn)之間是沒有關(guān)聯(lián)的。
1.5 設(shè)置裂紋
在命令窗口輸入
allsel,all
nsel,s,loc,y,0
nsel,r,loc,x,0,7
nummrg,node
上述命令選擇了中間這根線上從左邊開始0-7之間的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了合并。這使得在此處上下層單元連接在一起。而該線上右邊的單元仍然是分離的。如下圖水平箭頭部分的單元上下分離,通過這個方式,模擬在上下梁的此部分,存在一個尺度為3的裂紋。
1.6 設(shè)置邊界條件
在命令窗口輸入
allsel,all
nsel,s,loc,x,0
d,all,all
上述命令選擇梁的左邊并固定,這相當(dāng)于設(shè)置此邊為固定端。
在命令窗口輸入
allsel,all
nsel,s,loc,y,0.5
nsel,r,loc,x,10
f,all,fy,5500
上述命令在梁的右上角點(diǎn)上施加豎直向上的集中力5500
在命令窗口輸入
allsel,all
nsel,s,loc,y,-0.5
nsel,r,loc,x,10
f,all,fy,-5500
上述命令在梁的右下角點(diǎn)上施加豎直向下的集中力5500
在命令窗口輸入
allsel,all
finish
上述命令選擇所有對象,然后退出了前處理器。
2. 分析
2.1 設(shè)置基本的分析條件
在命令窗口輸入
/solu
time,1
nsubst,50,100,20
nlgeom,on
outres,all,all
上述命令對分析進(jìn)行了基本的設(shè)置。包括:
設(shè)置結(jié)束時間是1(并沒有實(shí)際意義)
設(shè)置載荷子步時50步,最多100,最少計(jì)算20步。
然后打開大變形開關(guān)
輸出所有的結(jié)果。
2.2 設(shè)置網(wǎng)格非線性自適應(yīng)的參數(shù)
在命令窗口輸入
allsel,all
esel,all
cm,cm1,elem
上述命令定義選擇所有的單元,并定義成一個組件,名稱是CM1.
在命令窗口輸入
nlad,cm1,add,energy,mean,1
nlad,cm1,on,,,-3
rescontrol,define,all,all
eresx,no
上述命令是進(jìn)行網(wǎng)格非線性自使用求解的關(guān)鍵部分。
它首先添加了一個非線性網(wǎng)格劃分時的能量準(zhǔn)則
并啟用該準(zhǔn)則,說明每3個載荷子步使用一下能量準(zhǔn)則檢查網(wǎng)格
然后設(shè)置了重啟動文件的寫入頻率。它表明所有載荷子步的結(jié)果都需要寫入文件。
最后表明直接把積分點(diǎn)的結(jié)果拷貝到節(jié)點(diǎn)就好。
2.3 選擇所有對象并求解
在命令窗口輸入
allsel,all
solve
finish
上述命令選擇所有對象后求解,然后退出求解器。
3.后處理
在命令窗口輸入
/post1
set,last
plesol,s,eqv
上述命令進(jìn)入后處理,選擇最后一個載荷子步,然后打印其米塞斯應(yīng)力。
可見,在裂紋尖端處,應(yīng)力最大。
此外,通用后處理的結(jié)果總結(jié)可以看到
在8,18,28三個載荷子步處,網(wǎng)格進(jìn)行了重分。
最后一次重分后網(wǎng)格如下圖
這與最開始劃分的網(wǎng)格顯然大有區(qū)別,區(qū)別主要發(fā)生在裂紋尖端,在變形過程中ANSYS自動進(jìn)行了3次網(wǎng)格細(xì)化。
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