搜索ANSYSAPDL對非線性自適應的裂紋張開仿真分析
2016-10-25 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
【問題描述】
一根懸臂梁左端固定,右端上下兩個角點施加相離的等大集中力。在梁的右端有一水平裂紋。現在要對在加力過程中裂紋的張開過程進行仿真。
【問題分析】
1.本例子來自于ANSYS15 APDL的網格非線性自適應中的一個裂紋仿真的算例。本文對其中的一些命令進行了刪減,重新排序,使得其更便于理解。
2. 要進行裂紋張開仿真,關鍵在于裂紋尖端處網格的處理。對于斷裂力學而言,此處的網格要非常小心的進行劃分,而在這里使用了自適應網格劃分方式,讓ANSYS自己來根據能量準則,在適當的時候對網格進行細分。
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,也給定了兩個溫度下材料的屈服強度和切線模量。
5. 創(chuàng)建裂紋的方式。首先創(chuàng)建上下兩個面,然后對面劃分網格,接著把兩個面結合處左邊的節(jié)點合并,而右邊的節(jié)點依舊保持分離,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. 求解設置。主要是關于網格非線性自適應的設置,使用了能量準則來進行網格重劃。
8. 本文采用命令方式進行講解。
【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,
設置該單元是帶中節(jié)點的四邊形單元,
并設置使用混合的U-P公式進行計算。
使用PLANE183而非PLANE182,是因為它是二次單元,計算更精確;而使用U-P公式,是為了防止體積自鎖。
1.2 設置材料模型
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,其常數項是12E6,一次項是-8E3。可見,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化材料。并說明下面會給出2個溫度時該材料的參數。
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,材料的應力-應變曲線如下圖。上面這根折線是0度時材料的應力-應變曲線;下面這根是500度時的應力-應變曲線。
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。這兩個長方形現在是完全分離的。
1.4 劃分網格
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,就是對各個邊設置網格劃分份數,然后劃分網格,創(chuàng)建有限元模型。
要注意的是:
(1)這只是一個初始的網格,后面自適應網格劃分會根據能量準則來局部細分網格。
(2)在中間這根線上有許多重合的節(jié)點。這些重合的節(jié)點分別屬于上下層的單元,但是這些節(jié)點之間是沒有關聯的。
1.5 設置裂紋
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)點進行了合并。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,這相當于設置此邊為固定端。
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
上述命令對分析進行了基本的設置。包括:
設置結束時間是1(并沒有實際意義)
設置載荷子步時50步,最多100,最少計算20步。
然后打開大變形開關
輸出所有的結果。
2.2 設置網格非線性自適應的參數
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
上述命令是進行網格非線性自使用求解的關鍵部分。
它首先添加了一個非線性網格劃分時的能量準則
并啟用該準則,說明每3個載荷子步使用一下能量準則檢查網格
然后設置了重啟動文件的寫入頻率。它表明所有載荷子步的結果都需要寫入文件。
最后表明直接把積分點的結果拷貝到節(jié)點就好。
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
上述命令進入后處理,選擇最后一個載荷子步,然后打印其米塞斯應力。
可見,在裂紋尖端處,應力最大。
此外,通用后處理的結果總結可以看到
在8,18,28三個載荷子步處,網格進行了重分。
最后一次重分后網格如下圖
這與最開始劃分的網格顯然大有區(qū)別,區(qū)別主要發(fā)生在裂紋尖端,在變形過程中ANSYS自動進行了3次網格細化。
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