搜索【干貨】ANSYS workbench接觸問題案例——卡箍連接
2017-12-07 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
前言:
這篇文章主要想和大家探討ANSYS workbench里的接觸問題。
這個(gè)例子的模型來源于許京荊編著的《ANSYS workbench工程實(shí)例詳解》一書,作為網(wǎng)格劃分的案例使用。
我在這里把它拓展了一下,把問題引申為:假設(shè)固定了卡箍的安裝側(cè),存在1000N的螺栓預(yù)緊力,管的兩側(cè)各有一段充滿流體的1m管路未包含進(jìn)模型中。由于管路安裝在墻面外,有時(shí)會(huì)受到600N的垂直向下的外力(假設(shè)有行人踩踏在上面)。試求解模型的受力情況,找出薄弱環(huán)節(jié)。
首先我們來分析一下模型情況。從圖中的顏色種類可以看到,模型總共包含了四個(gè)零件。分別為卡箍的兩部分(卡緊部分和安裝部分),螺栓和管道。其中卡箍分成兩部分主要是為了劃分網(wǎng)格時(shí)可以使用掃掠。
顯然,模型在現(xiàn)實(shí)中是互相接觸的,要真實(shí)反映這個(gè)模型中的受力情況,必須要完整正確地考慮接觸在ANSYS mechanical中的建模。接觸問題是非線性問題,其求解方法、求解器控制、非線性控制等等內(nèi)容都較難掌握,本文只涉及其中的一小部分。
大家都知道,ANSYS workbench提供了六種接觸類型,關(guān)于這六種接觸的大概特點(diǎn),網(wǎng)上有各種帖子介紹。我畫了個(gè)簡(jiǎn)單的示意圖如下。forced frictional sliding用到得較少,不再介紹了。
接下來開始正式分析。
一、材料屬性
我們將各個(gè)零件分別賦予材料:結(jié)構(gòu)鋼、銅合金和聚乙烯。這三種材料都在ANSYS自帶的標(biāo)準(zhǔn)庫中。
二、網(wǎng)格劃分
網(wǎng)格劃分參考《ANSYS workbench工程實(shí)例詳解》,使用了掃掠和多區(qū)的方法,劃分完成后網(wǎng)格情況如下:
使用這種方法畫出來的網(wǎng)格數(shù)目5510個(gè)。
如果我們特別關(guān)心管道的受力情況,管道壁只有一層網(wǎng)格是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,可以進(jìn)一步添加膨脹層細(xì)化,也可以用薄壁掃掠的方法指定劃分層數(shù),效果分別如下:
前者是四面體網(wǎng)格,后者是六面體網(wǎng)格,對(duì)于一般的分析并無明顯區(qū)別?？梢詤⒖剂魃忱蠋煹牟┪摹蛾P(guān)于網(wǎng)格的幾個(gè)誤區(qū)》。我們?cè)诒疚闹腥匀皇褂靡粚泳W(wǎng)格。
三、接觸設(shè)置
這里總共有三對(duì)接觸,卡箍的夾緊端和螺栓、卡箍的夾緊端和管道、卡箍的固定端和夾緊端。我們首先考慮的都是按照現(xiàn)實(shí)情況進(jìn)行建模。第一對(duì)接觸是有摩擦的,有切向運(yùn)動(dòng),可以使用非對(duì)稱有摩擦接觸(Frictional)。但是這樣消耗的計(jì)算代價(jià)較大,使用鍵合(Bonded)代替。從前面我總結(jié)的表格中可以知道鍵合是一種線性接觸,其計(jì)算成本很低。
第二對(duì)接觸同樣是有摩擦的,有切向運(yùn)動(dòng),這里不能簡(jiǎn)化成鍵合,使用非對(duì)稱有摩擦接觸,指定接觸面為卡箍?jī)?nèi)表面,目標(biāo)面為管道外表面。摩擦系數(shù)為0.1,法向剛度為0.5。
法向剛度是接觸法剛度knormal,只用于罰函數(shù)(Pure penalty)公式或者增強(qiáng)拉格朗日(Augmented Lagrange)公式中。剛度越大,結(jié)果越精確,但是收斂變得較困難。我們這里指定的這個(gè)剛度很大,是出于能解出的前提下盡量提高精度的考慮。
第三對(duì)接觸實(shí)際不是接觸,只不過我們前面為了劃分網(wǎng)格方便將卡箍人為地分割成了兩個(gè)實(shí)體,這里用鍵合來建模。也可以使用joint連接。
四、邊界條件
施加的邊界條件總共有五個(gè),分別是:
A:螺栓預(yù)緊力1000N,利用到了Bolt pretension工具。
B:固定約束。
C:外力600N。
D&E:遠(yuǎn)端載荷,模擬兩端水管的重量。
注意這段管路自身的重量和內(nèi)部流體重量和外力比起來是個(gè)小量,分析中可以忽略。
五、求解及分析
首先,從Contact tool→Status圖上可以看出各個(gè)接觸區(qū)域的接觸狀態(tài)。接觸狀態(tài)符合我們的預(yù)期。
接下來可以觀察穿透量,我們發(fā)現(xiàn)在曲率變化的位置發(fā)生了穿透。程序提供的罰函數(shù)法和增強(qiáng)拉格朗日方法都是基于罰函數(shù)方程Fnormal=knormalXpenetrate
其中,k=法向接觸剛度,X=接觸穿透量。
對(duì)有限接觸力來說,接觸剛度越高,穿透量就越小,越符合真實(shí)物理情況。但是剛度大求解起來困難,因此只要保證穿透量足夠小,即認(rèn)為求解是精確的。
對(duì)于所有柔性體接觸,程序默認(rèn)使用增強(qiáng)拉格朗日方法。它與罰函數(shù)法的區(qū)別在于加大了接觸力的計(jì)算,公式變?yōu)镕normal=knormalXpenetrate+λ,在同樣接觸力的情況下,增強(qiáng)拉格朗日方法需要的k值較小,就能得到符合要求的穿透量。
觀察各個(gè)零件的應(yīng)力應(yīng)變情況。
可以看出管道受擠壓處有變形(圖中是放大多倍的),此處應(yīng)力最大,達(dá)到近30MPa。
管道的最大變形發(fā)生在管道一側(cè),因?yàn)榇颂幊惺芷渌艿缼淼募袅屠Α?
觀察卡箍的受力情況,如圖所示:
最大應(yīng)力發(fā)生在卡箍安裝孔外緣,這也是符合預(yù)期的。應(yīng)力數(shù)值達(dá)522Mpa,GB/T699-1999標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定45鋼抗拉強(qiáng)度為600MPa,屈服強(qiáng)度為355MPa。我們分析的結(jié)果說明這個(gè)卡箍零件在這種工況下是不適用的,應(yīng)當(dāng)進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)。類似地,螺栓應(yīng)力結(jié)果也可觀察并分析,不再贅述。
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