Ansys裝配體有限元分析中的連接技術(shù)

2017-08-25 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

不少剛接觸裝配體分析的同志都會(huì)遇到很多疑問(wèn),比如:實(shí)體-板殼-梁?jiǎn)卧趺催M(jìn)行連接?怎么模擬鉸接?怎么簡(jiǎn)化螺栓?等等問(wèn)題。下面我就一個(gè)簡(jiǎn)單的例子說(shuō)明下ansys進(jìn)行有限元分析時(shí)常用的一些連接技術(shù),前處理操作在hypermesh14.0中完成,參考書(shū)目:《ansys13.0與hypermesh11.0聯(lián)合仿真有限元分析》,由于主要是說(shuō)明裝配體中連接關(guān)系處理的一些技巧,因此不進(jìn)行模型的具體分析。

1.問(wèn)題

上圖是在專(zhuān)職網(wǎng)上下載的一個(gè)液壓千斤頂手柄部分的三維模型,這里就作為本例的一個(gè)參考模型進(jìn)行前處理。現(xiàn)在我想分析該裝配體在杠桿端部受到一定大小力后整體的應(yīng)力情況(不包括機(jī)架)。

2.問(wèn)題分析

觀察該模型,可以看到模型中有很多連接關(guān)系:銷(xiāo)釘,螺栓,軸承以及普通的接觸,如果要對(duì)這些部分進(jìn)行實(shí)體分析的話,就算量將會(huì)相當(dāng)大,而且由于接觸很多,將會(huì)很難收斂,因此需要對(duì)模型進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化。下面我主要進(jìn)行了如下簡(jiǎn)化:

①省去機(jī)架,也就是圖中顯示為綠色透明狀部分,將其作為固定基礎(chǔ)

②將銷(xiāo)釘以及螺栓部分使用rbe2進(jìn)行簡(jiǎn)化。

③將銷(xiāo)軸部分采用rbe3進(jìn)行簡(jiǎn)化

④將杠桿銷(xiāo)軸內(nèi)孔采用帶控制節(jié)點(diǎn)的接觸進(jìn)行控制

⑤為方便網(wǎng)格劃分,將杠桿的銷(xiāo)軸端與桿端分割開(kāi),采用MPC算法裝配起來(lái)

需要說(shuō)明的是,上面不同地方使用不同的方法簡(jiǎn)化并不是絕對(duì)的,只是為了說(shuō)明這些方法因此分散開(kāi)來(lái)設(shè)置,具體的區(qū)別還在后面具體操作的時(shí)候進(jìn)行說(shuō)明。

3.簡(jiǎn)化模型

可以看到,對(duì)應(yīng)于上述簡(jiǎn)化,已經(jīng)將基座作為大地剛性處理,各部分銷(xiāo)軸和螺栓都已經(jīng)去掉。簡(jiǎn)化的基座約束將使用等效的邊界條件進(jìn)行替換(注意去掉一些外觀圓角和倒角以及不必要的小細(xì)節(jié))。

4.網(wǎng)格劃分

將上述模型另存為x_t格式的模型文件,導(dǎo)入hypermesh中進(jìn)行后續(xù)處理。這里網(wǎng)格劃分就不進(jìn)行細(xì)說(shuō),直接給出劃分好之后的網(wǎng)格,僅僅對(duì)杠桿部分網(wǎng)格的連接設(shè)置進(jìn)行說(shuō)明。

4.1 MPC裝配

當(dāng)要得到質(zhì)量比較好的模型,但是由于結(jié)構(gòu)本身限制因此很難劃分高質(zhì)量網(wǎng)格時(shí),可以考慮將模型分割開(kāi),并利用mpc裝配技術(shù)裝配起來(lái),裝配體來(lái)后默認(rèn)設(shè)置裝配的兩個(gè)部分完全綁定在一起。需要說(shuō)明的是該技術(shù)不僅可以用來(lái)處理單個(gè)零件的網(wǎng)格不連續(xù)問(wèn)題,還可以處理實(shí)體-殼體-梁的連接問(wèn)題,下面就以杠桿部分為例進(jìn)行說(shuō)明。

該杠桿本身是一個(gè)零件,但是為了方便網(wǎng)格劃分,因此將其分為兩部分進(jìn)行處理,可以看到交界面網(wǎng)格不連續(xù)。為了重新將兩塊焊接起來(lái),因此使用MPC算法進(jìn)行裝配,具體是在unitity-contact manager中進(jìn)行,如下:

創(chuàng)建圓桿與銷(xiāo)孔部分的接觸,更改算法為MPC算法,始終綁定接觸,如下:

這樣就將兩部分綁定在一起,可以互相傳遞力和力矩。

4.2 rbe2

模型中,將下部分的銷(xiāo)釘以及螺栓均使用reb2進(jìn)行簡(jiǎn)化。具體使用1D面板中的rigids進(jìn)行設(shè)置,需要設(shè)置一個(gè)主節(jié)點(diǎn)和若干從節(jié)點(diǎn)。方法就是ansys中的剛性區(qū)法cerig,設(shè)置后效果如下,可以使得從節(jié)點(diǎn)自由度完全跟隨主節(jié)點(diǎn),也即將該部分剛性化,用一個(gè)主節(jié)點(diǎn)控制一整個(gè)區(qū)域,最后并在各個(gè)控制節(jié)點(diǎn)上附加質(zhì)量單元作為輔助。

4.3 rbe3

Rbe3也即ansys中的柔性連接,和rbe2不同的是,rbe3的從節(jié)點(diǎn)能夠與主節(jié)點(diǎn)自動(dòng)創(chuàng)建約束方程,從而實(shí)現(xiàn)一種區(qū)域的柔性化。具體使用1D面板中的rbe3進(jìn)行設(shè)置,與rbe2類(lèi)似,也需要設(shè)置一個(gè)主節(jié)點(diǎn)和若干從節(jié)點(diǎn)。這里由于需要模擬鉸接,因此不對(duì)rotx自由度(繞軸轉(zhuǎn)動(dòng))進(jìn)行約束設(shè)置完成后效果如下:

4.4 帶控制節(jié)點(diǎn)的高級(jí)接觸

該方法的實(shí)現(xiàn)也是基于mpc算法,但是與rbe2與rbe3最大的不同就是,rbe2與rbe3本質(zhì)上還是建立約束方程,因此是基于當(dāng)前的節(jié)點(diǎn)和坐標(biāo)建立,不適用于大變形分析,一但變形過(guò)大就會(huì)出問(wèn)題。而帶控制節(jié)點(diǎn)的接觸的控制節(jié)點(diǎn)是依賴(lài)于接觸算法實(shí)現(xiàn)的,因此能用于大變形分析,故該方法結(jié)合MPC連接單元在瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)中應(yīng)用廣泛。具體實(shí)現(xiàn)在unitity-contact manager中的pilot node該選項(xiàng)欄中進(jìn)行,操作后結(jié)果如下(具體可參見(jiàn)參考書(shū)目):