Abaqus剛性體

2013-08-14 by:Abaqus培訓(xùn)中心來(lái)源:仿真在線

Abaqus剛性體

在ABAQUS中,剛性體是節(jié)點(diǎn)和單元的集合體,這些節(jié)點(diǎn)和單元的運(yùn)動(dòng)由稱為剛性體參考節(jié)點(diǎn)(rigid body reference node)的單一節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)所控制,如圖3-7所示。

定義剛性體的形狀或者是一個(gè)解析表面,通過(guò)旋轉(zhuǎn)或者拉伸一個(gè)二維幾何圖形得到這個(gè)表面,或者是一個(gè)離散的剛性體,通過(guò)剖分物體生成由節(jié)點(diǎn)和單元組成的網(wǎng)格得到這個(gè)剛性體。在模擬過(guò)程中,剛性體的形狀不變,但可以產(chǎn)生大的剛體運(yùn)動(dòng)?；跇?gòu)成離散剛性體的單元的貢獻(xiàn),可以計(jì)算它的質(zhì)量和慣性,或者可以特殊設(shè)置。

通過(guò)在剛性體參考點(diǎn)上施加邊界條件可以描述剛性體的運(yùn)動(dòng)。在剛體上生成的載荷來(lái)自施加在節(jié)點(diǎn)上的集中載荷和施加在部分剛性體單元上的分布載荷,或者來(lái)自施加在剛性體參考點(diǎn)上的載荷。通過(guò)節(jié)點(diǎn)連接和通過(guò)接觸可變形的單元,剛性體與模型中的其它部分發(fā)生相互作用。

在第12章“接觸”中將描述剛性體的應(yīng)用。

3.2.1 確定何時(shí)使用剛性體

剛性體可以用于模擬非常堅(jiān)硬的部件,這一部件或者是固定的或者是進(jìn)行大的剛體運(yùn)動(dòng)。它還可以用于模擬在變形部件之間的約束,并且提供了指定某些接觸相互作用的簡(jiǎn)便方法。當(dāng)ABAQUS應(yīng)用于準(zhǔn)靜態(tài)成型(quasi-static forming)分析時(shí),采用剛性體模擬加工工具(如沖頭、砧、抽拉模具、夾具、輥軸等等)是非常理想的,并且將其作為一種約束方式也可能是有效的。

使模型的一部分成為剛性體可能有助于達(dá)到驗(yàn)證模型的目的。例如,在開(kāi)發(fā)復(fù)雜的模型時(shí),所有潛在的接觸條件是難以預(yù)見(jiàn)的,可以將遠(yuǎn)離接觸區(qū)域的單元包含在剛性體中,成為其中的一部分,從而導(dǎo)致更快的運(yùn)行速度。當(dāng)用戶對(duì)模型和接觸對(duì)的定義感到滿意時(shí),可以消除那些剛性體的定義,這樣,展現(xiàn)在模擬全過(guò)程中的就是一個(gè)可精確變形的有限元了。

將部分模型表示為剛性體而不是變形的有限單元體,其主要的優(yōu)點(diǎn)在于計(jì)算效率。已經(jīng)成為是部分剛性體的單元不進(jìn)行單元層次的計(jì)算。盡管需要某些計(jì)算工作以更新剛性體中節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)和設(shè)置集中和分布載荷,但是在剛性體參考點(diǎn)處的最多6個(gè)自由度完全確定了剛性體的運(yùn)動(dòng)。

在ABAQUS/Explicit分析中,對(duì)于模擬結(jié)構(gòu)中相對(duì)比較剛性的部分,若其中的波動(dòng)和應(yīng)力分布是不重要的,應(yīng)用剛性體是特別有效的。在堅(jiān)硬區(qū)域?qū)卧姆€(wěn)定時(shí)間增量估計(jì)可能導(dǎo)致非常小的整體時(shí)間增量,所以在堅(jiān)硬區(qū)域應(yīng)用剛性體代替可變形的有限單元,從而可以導(dǎo)致更大的整體時(shí)間增量。剛性體和部分剛性體的單元并不影響整體時(shí)間增量,也不會(huì)顯著地影響求解的整體精度。

在ABAQUS中,由解析剛性表面定義的剛性體比離散的剛性體可多少節(jié)省一些計(jì)算成本。例如,在ABAQUS/Explicit中,因?yàn)榻馕鰟傂员砻婵梢允止饣?而離散剛性體本身有很多面,所以與解析剛性表面接觸比與離散剛性體接觸,在計(jì)算中產(chǎn)生的噪音(noisy)較少。然而,只有有限的形狀能夠被定義成為解析剛性表面。

3.2.2 剛性體部件

一個(gè)剛體的運(yùn)動(dòng)是由單一節(jié)點(diǎn)控制的:剛性體參考點(diǎn)。它有平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度,對(duì)于每一個(gè)剛性體必須給出唯一的定義。

剛性體參考點(diǎn)的位置一般并不重要。除非對(duì)剛性體施加旋轉(zhuǎn)或者希望得到繞通過(guò)剛性體的某一軸的反力矩,在以上任何一種情況下,節(jié)點(diǎn)必須位于通過(guò)剛性體的某一理想的軸上。

除了剛性體參考點(diǎn)外,離散的剛性體包含由設(shè)置單元生成的節(jié)點(diǎn)和剛性體上的節(jié)點(diǎn)的集合體。這些節(jié)點(diǎn)稱為剛性體從屬節(jié)點(diǎn)(rigid body slave nodes)(見(jiàn)圖3-7),它們提供了與其它單元的連接。部分剛性體上的節(jié)點(diǎn)具有如下兩種類型之一:

l 銷釘節(jié)點(diǎn)(pin),它只有平動(dòng)自由度。

l 束縛節(jié)點(diǎn)(tie),它有平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

剛性體節(jié)點(diǎn)的類型取決于這些節(jié)點(diǎn)附屬的剛性體單元的類型。當(dāng)節(jié)點(diǎn)直接布置在剛性體上時(shí),也可以指定或修改節(jié)點(diǎn)類型。對(duì)于銷釘節(jié)點(diǎn),僅是平動(dòng)自由度屬于剛性體部分,并且剛性體參考點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)約束了這些節(jié)點(diǎn)自由度的運(yùn)動(dòng)。對(duì)于束縛節(jié)點(diǎn),平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度均屬于剛性體部分,剛性體參考點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)約束了這些節(jié)點(diǎn)的自由度。

定義在剛性體上的節(jié)點(diǎn)不能被施加上任何邊界條件、多點(diǎn)約束(multi-point constraints)或者約束方程(constraint equations)。然而,邊界條件、多點(diǎn)約束、約束方程和載荷可以施加在剛性體參考點(diǎn)上。

3.2.3 剛性性單元

在ABAQUS中,剛性體的功能適用于大多數(shù)單元,它們均可成為剛性體的一部分,不僅僅局限于剛性單元(rigid element)。例如,只要將單元賦予剛體,殼單元或者剛性單元可以用于模擬相同的問(wèn)題?？刂苿傂泽w的規(guī)則,諸如如何施加載荷和邊界條件,適合于所有組成剛性體的單元類型,包括剛性單元。

所有剛性單元的名字都以字母“R”開(kāi)頭,下一個(gè)字符表示單元的維數(shù),例如,“2D” 表示單元是平面的;“AX” 表示單元是軸對(duì)稱的,最后的字符代表在單元中的節(jié)點(diǎn)數(shù)目。

剛性單元庫(kù)

三維四邊形(R3D4)和三角形(R3D3)剛性單元用來(lái)模擬三維剛性體的二維表面。在ABAQUS/Standard中,另外一種單元是2節(jié)點(diǎn)剛性梁?jiǎn)卧?RB3D2),主要用來(lái)模擬受流體拽力和浮力作用的海上結(jié)構(gòu)中的部件。

對(duì)于平面應(yīng)變、平面應(yīng)力和軸對(duì)稱模型,可以應(yīng)用2節(jié)點(diǎn)剛性單元。在ABAUQS/Standard中,也有一種平面2節(jié)點(diǎn)剛性梁?jiǎn)卧?主要用于模擬二維的海上結(jié)構(gòu)。

自由度

僅在剛性體參考點(diǎn)處有獨(dú)立的自由度。對(duì)于三維單元,參考點(diǎn)有3個(gè)平動(dòng)和3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度;對(duì)于平面和軸對(duì)稱單元,參考點(diǎn)有自由度1、2和6(繞-3軸的轉(zhuǎn)動(dòng))。

附屬到剛性單元上的節(jié)點(diǎn)只有從屬自由度。從屬自由度的運(yùn)動(dòng)完全取決于剛性體參考點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。對(duì)于平面和三維剛性單元只有平動(dòng)的從屬自由度。相應(yīng)于變形梁?jiǎn)卧?在ABAQUS/Standard中的剛性梁?jiǎn)卧哂邢嗤膹膶僮杂啥?三維剛性梁為1-6,和平面剛性梁為1、2和6。

物理性質(zhì)

所有剛性單元必須指定其截面性質(zhì)。對(duì)于平面和剛性梁?jiǎn)卧?可以定義橫截面面積。對(duì)于軸對(duì)稱和三維單元,可以定義厚度,而厚度的默認(rèn)值為零。只有在剛性單元上施加體力時(shí)才需要這些數(shù)據(jù),或者在ABAQUS/Explicit中定義接觸時(shí)才需要厚度。

數(shù)學(xué)描述和積分

由于剛性單元不能變形,所以它們不用數(shù)值積分點(diǎn),也沒(méi)有可選擇的數(shù)學(xué)描述。

單元輸出變量

這里沒(méi)有單元輸出變量。剛體單元僅輸出節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。另外,可以輸出在剛性體參考點(diǎn)處的約束反力和反力矩。

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