搜索【干货】ANSYS workbench接触问题案例——卡箍连接
2017-12-07 by:CAE仿真在线 来源:互联网
前言:
这篇文章主要想和大家探讨ANSYS workbench里的接触问题。
这个例子的模型来源于许京荆编著的《ANSYS workbench工程实例详解》一书,作为网格划分的案例使用。
我在这里把它拓展了一下,把问题引申为:假设固定了卡箍的安装侧,存在1000N的螺栓预紧力,管的两侧各有一段充满流体的1m管路未包含进模型中。由于管路安装在墙面外,有时会受到600N的垂直向下的外力(假设有行人踩踏在上面)。试求解模型的受力情况,找出薄弱环节。
首先我们来分析一下模型情况。从图中的颜色种类可以看到,模型总共包含了四个零件。分别为卡箍的两部分(卡紧部分和安装部分),螺栓和管道。其中卡箍分成两部分主要是为了划分网格时可以使用扫掠。
显然,模型在现实中是互相接触的,要真实反映这个模型中的受力情况,必须要完整正确地考虑接触在ANSYS mechanical中的建模。接触问题是非线性问题,其求解方法、求解器控制、非线性控制等等内容都较难掌握,本文只涉及其中的一小部分。
大家都知道,ANSYS workbench提供了六种接触类型,关于这六种接触的大概特点,网上有各种帖子介绍。我画了个简单的示意图如下。forced frictional sliding用到得较少,不再介绍了。
接下来开始正式分析。
一、材料属性
我们将各个零件分别赋予材料:结构钢、铜合金和聚乙烯。这三种材料都在ANSYS自带的标准库中。
二、网格划分
网格划分参考《ANSYS workbench工程实例详解》,使用了扫掠和多区的方法,划分完成后网格情况如下:
使用这种方法画出来的网格数目5510个。
如果我们特别关心管道的受力情况,管道壁只有一层网格是远远不够的,可以进一步添加膨胀层细化,也可以用薄壁扫掠的方法指定划分层数,效果分别如下:
前者是四面体网格,后者是六面体网格,对于一般的分析并无明显区别。可以参考流沙老师的博文《关于网格的几个误区》。我们在本文中仍然使用一层网格。
三、接触设置
这里总共有三对接触,卡箍的夹紧端和螺栓、卡箍的夹紧端和管道、卡箍的固定端和夹紧端。我们首先考虑的都是按照现实情况进行建模。第一对接触是有摩擦的,有切向运动,可以使用非对称有摩擦接触(Frictional)。但是这样消耗的计算代价较大,使用键合(Bonded)代替。从前面我总结的表格中可以知道键合是一种线性接触,其计算成本很低。
第二对接触同样是有摩擦的,有切向运动,这里不能简化成键合,使用非对称有摩擦接触,指定接触面为卡箍内表面,目标面为管道外表面。摩擦系数为0.1,法向刚度为0.5。
法向刚度是接触法刚度knormal,只用于罚函数(Pure penalty)公式或者增强拉格朗日(Augmented Lagrange)公式中。刚度越大,结果越精确,但是收敛变得较困难。我们这里指定的这个刚度很大,是出于能解出的前提下尽量提高精度的考虑。
第三对接触实际不是接触,只不过我们前面为了划分网格方便将卡箍人为地分割成了两个实体,这里用键合来建模。也可以使用joint连接。
四、边界条件
施加的边界条件总共有五个,分别是:
A:螺栓预紧力1000N,利用到了Bolt pretension工具。
B:固定约束。
C:外力600N。
D&E:远端载荷,模拟两端水管的重量。
注意这段管路自身的重量和内部流体重量和外力比起来是个小量,分析中可以忽略。
五、求解及分析
首先,从Contact tool→Status图上可以看出各个接触区域的接触状态。接触状态符合我们的预期。
接下来可以观察穿透量,我们发现在曲率变化的位置发生了穿透。程序提供的罚函数法和增强拉格朗日方法都是基于罚函数方程Fnormal=knormalXpenetrate
其中,k=法向接触刚度,X=接触穿透量。
对有限接触力来说,接触刚度越高,穿透量就越小,越符合真实物理情况。但是刚度大求解起来困难,因此只要保证穿透量足够小,即认为求解是精确的。
对于所有柔性体接触,程序默认使用增强拉格朗日方法。它与罚函数法的区别在于加大了接触力的计算,公式变为Fnormal=knormalXpenetrate+λ,在同样接触力的情况下,增强拉格朗日方法需要的k值较小,就能得到符合要求的穿透量。
观察各个零件的应力应变情况。
可以看出管道受挤压处有变形(图中是放大多倍的),此处应力最大,达到近30MPa。
管道的最大变形发生在管道一侧,因为此处承受其他管道带来的剪力和拉力。
观察卡箍的受力情况,如图所示:
最大应力发生在卡箍安装孔外缘,这也是符合预期的。应力数值达522Mpa,GB/T699-1999标准规定45钢抗拉强度为600MPa,屈服强度为355MPa。我们分析的结果说明这个卡箍零件在这种工况下是不适用的,应当进行设计改进。类似地,螺栓应力结果也可观察并分析,不再赘述。
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