用ABAQUS軟件分析扭轉問題

2013-06-23 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

工程中承受扭轉載荷的構件有很多,如車床的光桿、攪拌機和主軸、汽車傳動軸、鉆機和鉆桿等。本文以ABAQUS軟件為平臺,旨在解決兩個問題,1、如何分析橡膠材料的性能,2、如何正確的完成扭轉分析。

1、引言
在處理扭轉問題時,常規的計算方法,往往會伴隨一些假設,這會降低了結果的準確程度。根據有限元理論,使用有限元軟件求解扭轉問題會大大提高求解的精確度,特別是對復雜的結構,效果更為明顯。本文以橡膠產品為例,討論的在ABAQUS軟件中,如何正確完成扭轉分析,并提取需要的分析結果。

2、問題描述
受扭轉件結構由鋼筒和橡膠筒組成,產品尺寸如圖1所示。

用ABAQUS軟件分析扭轉問題+培訓課程圖片1

圖1產品結構簡圖

3、有限元建模
加載時內芯固定,在外圈施加扭轉位移。根據產品的CAD結構建立有限元模型如圖2所示:

用ABAQUS軟件分析扭轉問題+培訓課程圖片2

圖2產品有限元模型圖

4、材料性質定義
鋼:彈性模量EX=2×105MPa,泊松比μ=0.3
橡膠:橡膠是一種超彈性材料,對于超彈性材料,不用楊氏模量和泊松比,而用應變勢能(U)來表達應力—應變關系。ABAQUS軟件中有兩種應變勢能可利用,分別是多項式模型和奧根(Ogden)模型,本例中使用多項式模型,表達式如下:

式中:U—應變勢能,Jel—彈性體積比;I1、I2—應變不變量;Di—定義材料的壓縮性;Cij—Rinvlin系數。本例中取N=1,以橡膠材料的單軸拉伸,單軸壓縮和平面剪切實驗數據為依據,并考慮到橡膠的不可壓縮性,輸入方程系數值:C01=0.36,C10=0.09,D1=0
注意事項: 橡膠的特性錯綜復雜,材料特性和幾何特性均呈非線性變化的。如果要準確預測模型中發生變形或應變部分的行為,那么提供的試驗數據的范圍要涵蓋計算模型中可能會出現的變形狀態和應變范圍。

5、加載求解
加載時,內鋼筒的內套固定,即UX=UY=UZ=0,將外鋼筒的最外層結點的坐標系定義為柱坐標系。在此柱坐標系中施加扭轉載荷。
注意事項:在分析過程中最外層結點的柱坐標系的方向始終保持與結點原始柱坐標系的方向相同,并不隨著結點的移動而改變方向。因此,施加的位移量并不是結點始末位置間的弧線長度,而應是結點始末位置間的直線距離。所以此例中所加的位移載荷應為:UR=60*sin30°=30(mm)UF=60*cos30°-60=-8.038(mm)

6、結果分析
將模型信息提交給求解器,經迭代求解出結果:橡膠部分的Von—Mises 應力云圖如圖3所示 :

用ABAQUS軟件分析扭轉問題+培訓課程圖片4

圖3 橡膠的Von Mises應力云圖

由上圖看出,橡膠上的應力呈層狀分布,且隨著半徑的增加承遞減趨勢。其遞減情況如圖4所示。應力的這種隨半徑遞減的分布趨勢,與實際使用中,產品率先在中間發生破壞的情況是相吻合的。

由分析求得的反作用力結果如下表所示

計算扭矩需要沿圓周切線方向的分量,而這里的F合是沿弦線的合力,其沿切線方向的分量應為, F切=F合*cos15°。計算的扭矩結果與實驗結果的對照情況如下表所示

產生誤差的原因大致如下: 實測操作的本身;計算過程中模型的簡化,材料參數的選擇;在對連續的結構做離散處理時。誤差在工程的許可范圍內,分析計算結果是可信的。

7、結論
本文利用ABAQUS軟件分析了超彈性橡膠材料受扭時的性能,分析結果與實驗結果的對比表明,計算結果與實測結果吻合的很好,對確定產品的使用方案有指導意義。

在有限元軟件的使用過程中,我們還會遇到很多疑難,只有經過不斷的實踐不斷的實際操作,才會心領神會。所謂冰凍三尺非一日之寒,在不斷的解決問題的過程中,我們才能真正學到東西。

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