ANSYS與ABAQUS比較之實例4---圓壓頭與平板的接觸分析1

2016-09-16  by:CAE仿真在線  來源:互聯網

本文是ANSYS與ABAQUS比較之系列篇,本文是第四篇,關注的是在接觸分析方面二者的異同。

由于分析比較復雜,該比較分為兩篇來說明。本篇1是使用ABAQUS進行求解的過程,下篇2則是用ANSYS求解的過程,比較的結果將在下篇2中給出。

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【問題描述】

一半徑為10mm的圓形薄片,壓在一90mm*30mm的矩形板頂邊中間。在圓片上施加一個6KN的集中力,使得圓片壓在矩形板上,現在要求分析模型的受力狀態。

已知:矩形板材料為鋼材,彈性模量為210GPA,泊松比為0.3;圓形薄片相當剛硬,可以看做是剛體;在圓片和矩形板之間沒有摩擦。

(該問題來自于張建華,丁磊的《ABAQUS基礎入門與案例精選》,電子工業出版社,2012.6)

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【ABAQUS6.14的求解要點】

• 本問題是一個靜力學問題,而且屬于一個平面應力問題,對于板使用平面應力單元,對于圓形薄片則使用解析剛體。
• 該問題還是一個接觸分析問題,它是非線性問題的一種。對于接觸設置為無摩擦的接觸。
• 由于結構關于Y軸對稱,為了提高計算效率,可以進一步只取右半邊來分析。
• 為了保證接觸收斂,在加載時,使用兩個分析步,第一個分析步加載10N,第二個分析步加載到6KN。

【ABAQUS6.14的求解過程】

1 創建部件

本步驟要創建圓形薄片和矩形板,由于對稱,都只創建一一半。

對于圓形薄片,使用解析剛體,以表達其不可變形的效果。

對于矩形板,使用二維實體。

此外,對于解析剛體需要創建一個參考點,以便在其上加力或位移邊界條件。

設圓形薄片和矩形板的接觸點為坐標原點,水平向左為X正方向,豎直向上為Y正方向,來創建該物體系統。

(1.1)創建矩形板的一半

在二維平面空間內創建該可變形部件。結果如下右圖。

(2)創建圓形薄片的一半

它是一個二維平面內的解析剛體,只用四分之一圓弧線表達。結果如右下圖。

(3)指定圓形薄片的參考點。

這里指定該四分之一圓弧最下面的接觸點作為參考點。

2 創建材料和截面屬性

只需要創建一種材料屬性:矩形板的材料屬性。設置好后將其通過截面屬性分配給矩形板即可。

至于圓形薄片,它是剛體,不需要額外的材料屬性。

創建鋼材的材料屬性。

創建截面屬性,將上述材料屬性賦予給該截面屬性。

將上述截面屬性分配給矩形板。

3 定義裝配體

由于圓形薄片和矩形板是按照其裝配位置處的狀態創建其幾何模型的,所以只需要把它們導入到裝配體中就好。

下面是導入的結果

4 設置分析步

接觸問題是非線性問題,為了保證非線性問題的收斂,除了初始分析步外,這里設置兩個分析步,第一個分析步加載10N,第二個分析步加載到6KN。

創建分析步后的結果如下圖

從上圖可以見到,這兩個分析步都是一般的靜力學分析步,而且都打開了大變形開關,即要考慮幾何非線性。

 

5 定義接觸

要定義接觸,首先要設置接觸屬性,然后對于某兩個接觸面分配該接觸屬性。

這里是四分之一圓弧與矩形板的上邊線發生線-線接觸。

(1)定義接觸屬性

這里是無摩擦的接觸。保持默認屬性,就是無摩擦的接觸。

(2)定義圓弧與矩形板的上邊線之間的線-線接觸

在第一個分析步創建面-面接觸,

在主窗口中選擇弧線及矩形板的上邊線,保持默認設置如下

這里已經使用了上一個步驟創建的Nofriction接觸屬性。

此時窗口中顯示如下圖

這意味著在弧線與上邊線之間創建了接觸。

6 定義邊界條件和載荷

在初始分析步,對于圓形薄片,用參考點來表征其狀態。該圓形薄片只有向下的位移,而水平位移以及面內轉動為零。

在初始分析步,對于矩形板,其底邊的X,Y位移均為零;此外,為了表達對稱效果,其左邊線的水平位移是零。

在第一個分析步,對參考點加向下的集中力10N

在第二個分析步,將上述集中力修改為6KN.

下面按照上述分析來施加邊界條件和載荷。

(1)初始分析步

參考點的水平位移,面內轉動為零。

矩形板的下邊UX,UY均為零。

矩形板的左邊線UX =0

創建完畢后,初始分析步的結果如下圖

可見,在初始分析步創建了三個位移邊界條件,這三個位移邊界條件一直傳遞到后兩個分析步中去。

(2)第一個分析步

該圓形薄片施加向下的集中力10N,以便保證圓形撥片與矩形板之間的穩定接觸

(3)第二個分析步

修改傳遞的載荷

該載荷在第2個分析步中,其大小是

7 劃分網格

只需要對矩形板劃分網格。

設置單元尺寸為1.5

設定單元類型為CPS4I

劃分單元后結果如下圖

8 提交作業

9 后處理

第二個分析步最后的米塞斯應力云圖

可見,應力已經達到6.08e3MPa,如果是一般的Q235,早已經屈服。因為這里設定為純粹的線彈性分析,所以沒有表達這種屈服效果。

查看第一個分析步結束時的米塞斯應力云圖

可見,當加力10N時,此時最大的米塞斯應力是10Mpa左右。

討論一下。外載荷10N時最大的米塞斯應力10Mpa左右,6KN是10N的600倍,而應力相應地增加到6000MPa左右,只是一個線性變化,沒有問題。

但是筆者對于該外力持有懷疑態度,其懷疑在于

(1)真的有這么大力嗎?

(2)如果真的有這么大的力,對于一般鋼材而言,早已經屈服,這里應該做彈塑性分析比較靠譜,但是該例子并沒有這樣做。

(3)要打消筆者的懷疑,除非該例題給出材料的屈服極限是超過本文的計算最大值。

另外,可以查看分析步2結束時接觸處的壓強大小。

該壓強為6e3Mpa左右。

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