搜索ANSYSAPDL对非线性自适应的裂纹张开仿真分析
2016-10-25 by:CAE仿真在线 来源:互联网
【问题描述】
一根悬臂梁左端固定,右端上下两个角点施加相离的等大集中力。在梁的右端有一水平裂纹。现在要对在加力过程中裂纹的张开过程进行仿真。
【问题分析】
1.本例子来自于ANSYS15 APDL的网格非线性自适应中的一个裂纹仿真的算例。本文对其中的一些命令进行了删减,重新排序,使得其更便于理解。
2. 要进行裂纹张开仿真,关键在于裂纹尖端处网格的处理。对于断裂力学而言,此处的网格要非常小心的进行划分,而在这里使用了自适应网格划分方式,让ANSYS自己来根据能量准则,在适当的时候对网格进行细分。
3.使用PLANE183单元来模拟,该单元是二次单元,模拟这种问题更合适。
4. 该材料是双线性随动强化材料,而且其材料属性随着温度的变化而变化。这里给定其弹性模量是温度的一次函数,也给定了两个温度下材料的屈服强度和切线模量。
5. 创建裂纹的方式。首先创建上下两个面,然后对面划分网格,接着把两个面结合处左边的节点合并,而右边的节点依旧保持分离,从而创建出裂纹。
6. 边界条件。固定左边,右边上下沿施加等大反向的集中力。
7. 求解设置。主要是关于网格非线性自适应的设置,使用了能量准则来进行网格重划。
8. 本文采用命令方式进行讲解。
【求解过程】
1 建模
1.1 创建单元类型
在命令窗口输入
/prep7
et,1,183
keyopt,1,1,0
keyopt,1,6,1
上述命令创建了平面单元PLANE183,
设置该单元是带中节点的四边形单元,
并设置使用混合的U-P公式进行计算。
使用PLANE183而非PLANE182,是因为它是二次单元,计算更精确;而使用U-P公式,是为了防止体积自锁。
1.2 设置材料模型
在命令窗口输入
MP,PRXY,1,0.3
MPTEMP,1,0,500
MP,EX,1,12E6,-8E3
上述命令定义材料的泊松比是0.3,并定义了一个依赖于温度变化的弹性模量。该弹性模量是温度的一次函数,其常数项是12E6,一次项是-8E3。可见,该材料的弹性模量随着温度的升高而减小。
弹性模量随着温度变化的曲线如下图
在命令窗口输入
TB,BKIN,1,2
上述命令说明上述材料是一种双线性随动强化材料。并说明下面会给出2个温度时该材料的参数。
在命令窗口输入
TBTEMP,0.0
TBDATA,1,44E3,1.2E6
上述命令给出了温度时0度时,该材料的屈服强度和切线模量。
在命令窗口输入
TBTEMP,500
TBDATA,1,29.33E3,0.8E6
上述命令给出了温度是500度时,该材料的屈服强度和切线模量。
定义完毕后,可以看到在不同温度时,材料的应力-应变曲线如下图。上面这根折线是0度时材料的应力-应变曲线;下面这根是500度时的应力-应变曲线。
1.3 创建几何体
在命令窗口输入
blc4,0,0,10,0.5
blc4,0,0,10,-0.5
这里分别创建了两个长方形,其连接边就是裂纹所在的边。这两个长方形现在是完全分离的。
1.4 划分网格
在命令窗口输入
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,就是对各个边设置网格划分份数,然后划分网格,创建有限元模型。
要注意的是:
(1)这只是一个初始的网格,后面自适应网格划分会根据能量准则来局部细分网格。
(2)在中间这根线上有许多重合的节点。这些重合的节点分别属于上下层的单元,但是这些节点之间是没有关联的。
1.5 设置裂纹
在命令窗口输入
allsel,all
nsel,s,loc,y,0
nsel,r,loc,x,0,7
nummrg,node
上述命令选择了中间这根线上从左边开始0-7之间的节点进行了合并。这使得在此处上下层单元连接在一起。而该线上右边的单元仍然是分离的。如下图水平箭头部分的单元上下分离,通过这个方式,模拟在上下梁的此部分,存在一个尺度为3的裂纹。
1.6 设置边界条件
在命令窗口输入
allsel,all
nsel,s,loc,x,0
d,all,all
上述命令选择梁的左边并固定,这相当于设置此边为固定端。
在命令窗口输入
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点上施加竖直向上的集中力5500
在命令窗口输入
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点上施加竖直向下的集中力5500
在命令窗口输入
allsel,all
finish
上述命令选择所有对象,然后退出了前处理器。
2. 分析
2.1 设置基本的分析条件
在命令窗口输入
/solu
time,1
nsubst,50,100,20
nlgeom,on
outres,all,all
上述命令对分析进行了基本的设置。包括:
设置结束时间是1(并没有实际意义)
设置载荷子步时50步,最多100,最少计算20步。
然后打开大变形开关
输出所有的结果。
2.2 设置网格非线性自适应的参数
在命令窗口输入
allsel,all
esel,all
cm,cm1,elem
上述命令定义选择所有的单元,并定义成一个组件,名称是CM1.
在命令窗口输入
nlad,cm1,add,energy,mean,1
nlad,cm1,on,,,-3
rescontrol,define,all,all
eresx,no
上述命令是进行网格非线性自使用求解的关键部分。
它首先添加了一个非线性网格划分时的能量准则
并启用该准则,说明每3个载荷子步使用一下能量准则检查网格
然后设置了重启动文件的写入频率。它表明所有载荷子步的结果都需要写入文件。
最后表明直接把积分点的结果拷贝到节点就好。
2.3 选择所有对象并求解
在命令窗口输入
allsel,all
solve
finish
上述命令选择所有对象后求解,然后退出求解器。
3.后处理
在命令窗口输入
/post1
set,last
plesol,s,eqv
上述命令进入后处理,选择最后一个载荷子步,然后打印其米塞斯应力。
可见,在裂纹尖端处,应力最大。
此外,通用后处理的结果总结可以看到
在8,18,28三个载荷子步处,网格进行了重分。
最后一次重分后网格如下图
这与最开始划分的网格显然大有区别,区别主要发生在裂纹尖端,在变形过程中ANSYS自动进行了3次网格细化。
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