ANSYS与ABAQUS比较之实例4---圆压头与平板的接触分析1

2016-09-16  by:CAE仿真在线  来源:互联网

本文是ANSYS与ABAQUS比较之系列篇,本文是第四篇,关注的是在接触分析方面二者的异同。

由于分析比较复杂,该比较分为两篇来说明。本篇1是使用ABAQUS进行求解的过程,下篇2则是用ANSYS求解的过程,比较的结果将在下篇2中给出。

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【问题描述】

一半径为10mm的圆形薄片,压在一90mm*30mm的矩形板顶边中间。在圆片上施加一个6KN的集中力,使得圆片压在矩形板上,现在要求分析模型的受力状态。

已知:矩形板材料为钢材,弹性模量为210GPA,泊松比为0.3;圆形薄片相当刚硬,可以看做是刚体;在圆片和矩形板之间没有摩擦。

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(该问题来自于张建华,丁磊的《ABAQUS基础入门与案例精选》,电子工业出版社,2012.6)

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【ABAQUS6.14的求解要点】

  • 本问题是一个静力学问题,而且属于一个平面应力问题,对于板使用平面应力单元,对于圆形薄片则使用解析刚体。
  • 该问题还是一个接触分析问题,它是非线性问题的一种。对于接触设置为无摩擦的接触。
  • 由于结构关于Y轴对称,为了提高计算效率,可以进一步只取右半边来分析。
  • 为了保证接触收敛,在加载时,使用两个分析步,第一个分析步加载10N,第二个分析步加载到6KN。

【ABAQUS6.14的求解过程】

1 创建部件

本步骤要创建圆形薄片和矩形板,由于对称,都只创建一一半。

对于圆形薄片,使用解析刚体,以表达其不可变形的效果。

对于矩形板,使用二维实体。

此外,对于解析刚体需要创建一个参考点,以便在其上加力或位移边界条件。

设圆形薄片和矩形板的接触点为坐标原点,水平向左为X正方向,竖直向上为Y正方向,来创建该物体系统。

(1.1)创建矩形板的一半

在二维平面空间内创建该可变形部件。结果如下右图。

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(2)创建圆形薄片的一半

它是一个二维平面内的解析刚体,只用四分之一圆弧线表达。结果如右下图。

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(3)指定圆形薄片的参考点。

这里指定该四分之一圆弧最下面的接触点作为参考点。

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2 创建材料和截面属性

只需要创建一种材料属性:矩形板的材料属性。设置好后将其通过截面属性分配给矩形板即可。

至于圆形薄片,它是刚体,不需要额外的材料属性。

创建钢材的材料属性。

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创建截面属性,将上述材料属性赋予给该截面属性。

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将上述截面属性分配给矩形板。

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3 定义装配体

由于圆形薄片和矩形板是按照其装配位置处的状态创建其几何模型的,所以只需要把它们导入到装配体中就好。

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下面是导入的结果

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4 设置分析步

接触问题是非线性问题,为了保证非线性问题的收敛,除了初始分析步外,这里设置两个分析步,第一个分析步加载10N,第二个分析步加载到6KN。

创建分析步后的结果如下图

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从上图可以见到,这两个分析步都是一般的静力学分析步,而且都打开了大变形开关,即要考虑几何非线性。

 

5 定义接触

要定义接触,首先要设置接触属性,然后对于某两个接触面分配该接触属性。

这里是四分之一圆弧与矩形板的上边线发生线-线接触。

(1)定义接触属性

这里是无摩擦的接触。保持默认属性,就是无摩擦的接触。

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(2)定义圆弧与矩形板的上边线之间的线-线接触

在第一个分析步创建面-面接触,

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在主窗口中选择弧线及矩形板的上边线,保持默认设置如下

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这里已经使用了上一个步骤创建的Nofriction接触属性。

此时窗口中显示如下图

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这意味着在弧线与上边线之间创建了接触。

6 定义边界条件和载荷

在初始分析步,对于圆形薄片,用参考点来表征其状态。该圆形薄片只有向下的位移,而水平位移以及面内转动为零。

在初始分析步,对于矩形板,其底边的X,Y位移均为零;此外,为了表达对称效果,其左边线的水平位移是零。

在第一个分析步,对参考点加向下的集中力10N

在第二个分析步,将上述集中力修改为6KN.

下面按照上述分析来施加边界条件和载荷。

(1)初始分析步

参考点的水平位移,面内转动为零。

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矩形板的下边UX,UY均为零。

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矩形板的左边线UX =0

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创建完毕后,初始分析步的结果如下图

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可见,在初始分析步创建了三个位移边界条件,这三个位移边界条件一直传递到后两个分析步中去。

(2)第一个分析步

该圆形薄片施加向下的集中力10N,以便保证圆形拨片与矩形板之间的稳定接触

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(3)第二个分析步

修改传递的载荷

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该载荷在第2个分析步中,其大小是

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7 划分网格

只需要对矩形板划分网格。

设置单元尺寸为1.5

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设定单元类型为CPS4I

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划分单元后结果如下图

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8 提交作业

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9 后处理

第二个分析步最后的米塞斯应力云图

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可见,应力已经达到6.08e3MPa,如果是一般的Q235,早已经屈服。因为这里设定为纯粹的线弹性分析,所以没有表达这种屈服效果。

查看第一个分析步结束时的米塞斯应力云图

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可见,当加力10N时,此时最大的米塞斯应力是10Mpa左右。

讨论一下。外载荷10N时最大的米塞斯应力10Mpa左右,6KN是10N的600倍,而应力相应地增加到6000MPa左右,只是一个线性变化,没有问题。

但是笔者对于该外力持有怀疑态度,其怀疑在于

(1)真的有这么大力吗?

(2)如果真的有这么大的力,对于一般钢材而言,早已经屈服,这里应该做弹塑性分析比较靠谱,但是该例子并没有这样做。

(3)要打消笔者的怀疑,除非该例题给出材料的屈服极限是超过本文的计算最大值。

另外,可以查看分析步2结束时接触处的压强大小。

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该压强为6e3Mpa左右。


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