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:互聯網
前言:
這篇文章主要想和大家探討ANSYS workbench里的接觸問題。
這個例子的模型來源于許京荊編著的《ANSYS workbench工程實例詳解》一書,作為網格劃分的案例使用。
我在這里把它拓展了一下,把問題引申為:假設固定了卡箍的安裝側,存在1000N的螺栓預緊力,管的兩側各有一段充滿流體的1m管路未包含進模型中。由于管路安裝在墻面外,有時會受到600N的垂直向下的外力(假設有行人踩踏在上面)。試求解模型的受力情況,找出薄弱環節。
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格時可以使用掃掠。
顯然,模型在現實中是互相接觸的,要真實反映這個模型中的受力情況,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,關于這六種接觸的大概特點,網上有各種帖子介紹。我畫了個簡單的示意圖如下。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
我們將各個零件分別賦予材料:結構鋼、銅合金和聚乙烯。這三種材料都在ANSYS自帶的標準庫中。
二、網格劃分
網格劃分參考《ANSYS workbench工程實例詳解》,使用了掃掠和多區的方法,劃分完成后網格情況如下:
使用這種方法畫出來的網格數目5510個。
如果我們特別關心管道的受力情況,管道壁只有一層網格是遠遠不夠的,可以進一步添加膨脹層細化,也可以用薄壁掃掠的方法指定劃分層數,效果分別如下:
前者是四面體網格,后者是六面體網格,對于一般的分析并無明顯區別。可以參考流沙老師的博文《關于網格的幾個誤區》。我們在本文中仍然使用一層網格。
三、接觸設置
這里總共有三對接觸,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實情況進行建模。第一對接觸是有摩擦的,有切向運動,可以使用非對稱有摩擦接觸(Frictional)。但是這樣消耗的計算代價較大,使用鍵合(Bonded)代替。從前面我總結的表格中可以知道鍵合是一種線性接觸,其計算成本很低。
第二對接觸同樣是有摩擦的,有切向運動,這里不能簡化成鍵合,使用非對稱有摩擦接觸,指定接觸面為卡箍內表面,目標面為管道外表面。摩擦系數為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(Pure penalty)公式或者增強拉格朗日(Augmented Lagrange)公式中。剛度越大,結果越精確,但是收斂變得較困難。我們這里指定的這個剛度很大,是出于能解出的前提下盡量提高精度的考慮。
第三對接觸實際不是接觸,只不過我們前面為了劃分網格方便將卡箍人為地分割成了兩個實體,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,分別是:
A:螺栓預緊力1000N,利用到了Bolt pretension工具。
B:固定約束。
C:外力600N。
D&E:遠端載荷,模擬兩端水管的重量。
注意這段管路自身的重量和內部流體重量和外力比起來是個小量,分析中可以忽略。
五、求解及分析
首先,從Contact tool→Status圖上可以看出各個接觸區域的接觸狀態。接觸狀態符合我們的預期。
接下來可以觀察穿透量,我們發現在曲率變化的位置發生了穿透。程序提供的罰函數法和增強拉格朗日方法都是基于罰函數方程Fnormal=knormalXpenetrate
其中,k=法向接觸剛度,X=接觸穿透量。
對有限接觸力來說,接觸剛度越高,穿透量就越小,越符合真實物理情況。但是剛度大求解起來困難,因此只要保證穿透量足夠小,即認為求解是精確的。
對于所有柔性體接觸,程序默認使用增強拉格朗日方法。它與罰函數法的區別在于加大了接觸力的計算,公式變為Fnormal=knormalXpenetrate+λ,在同樣接觸力的情況下,增強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。
觀察各個零件的應力應變情況。
可以看出管道受擠壓處有變形(圖中是放大多倍的),此處應力最大,達到近30MPa。
管道的最大變形發生在管道一側,因為此處承受其他管道帶來的剪力和拉力。
觀察卡箍的受力情況,如圖所示:
最大應力發生在卡箍安裝孔外緣,這也是符合預期的。應力數值達522Mpa,GB/T699-1999標準規定45鋼抗拉強度為600MPa,屈服強度為355MPa。我們分析的結果說明這個卡箍零件在這種工況下是不適用的,應當進行設計改進。類似地,螺栓應力結果也可觀察并分析,不再贅述。
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