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ABAQUS中怎么由隐式导入到显示pdf


计算力学概论

轴对称刚性压入接触问题分析
单 位: 北京大学工学院



名:







箱:xyswjtu@163.com 号: 1401111504



2014—201

5 学年

春 季





Part1 Part2 Part3

摘要??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????2 问题描述??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????3 前处理与作业提交??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????3 Case 1 隐式计算??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????3 Case2 显示计算相对于隐式的操作改动?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????12

Part4 Part5 Part6

后处理????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????13 收敛性检验????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????17 结果分析及总结????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????19

参考文献

????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????22

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本文利用 Abaqus 对轴对称刚体压入接触问题进行了分析。 首先, 详细介绍了 ABAQUS6.13 下隐式分析的基本操作步骤以及显示计算不同于隐式计算操作步骤;其次,在隐式计算下, 进行了不同的网格密度下的收敛性验证,拟采用 seed number 为 20 的密度进行后续计算;最 后,通过比较了相同密度大小的显示和隐式计算结果参考项,比较了两种方法的优劣,指出 了各自的适用场合。

关键词:ABAQUS; 轴对称; 刚体压入; 接触分析; 显式和隐式

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2

问题描述

下表面固定的柱形材料被一个刚性球沿中心点压入(类似于球形硬度计实验) ,求刚性球所受反力与压 入深度之间的关系,并画出柱形内部的 Von Mises 应力分布,找出最大应力位置。 已知参数: 球半径为 4mm; 柱体半径为 10mm; 高为 h=10mm; 材料为线弹性,E=1MPa,v = 0.49; 最大压入深度为 h/10.

图 1 问题几何模型

考虑到该问题中的结构具有对称性, 且载荷也是对称的, 可以将该问题简化为一个轴对称问题来处理, 以减少计算量。

3 交

前处理与作业提

Case 1 隐式计算
Step1 建立几何模型

将问题简化为一个轴对称问题进行处理。 进入 Part 模块,单击 create part 图标 ,先建立柱形材料,命名为 cylinder,详细设置如

3

图 2a。通过多线段

输入各坐标点建立柱体的轴对称面,如图 3a。再建立球体,此处将球体

处理为解析刚体,命名为 rigid,详细设置如图 2b。注意,建立刚体时,无需(准确是不能)建立 完整的周对称截面,而是建立 1/4 圆弧即可,如图 3b。

图 2a

柱截面 part 设置

图 2b 刚体球 part 设置

图 3a

柱截面 part

图 3b 刚体球 part

Step2 截面和材料属性 (1) 创建材料

进入 property 功能模块,点击 create material 图标 弹性模量为 1MPa(1e6) ,泊松比为 0.49,如图 4 所示.

(也可以为材料命名,这里命名为 steel),设置杨氏

4

(2) 创建截面属性 点击 create section 按钮 ,点击 continue,然后 OK(即采用默认设置).

(3)赋予截面属性 首先在 Part 中选择 cylinder,然后点击 assign section 按钮 ,选中几何模型,赋予截面属性。

图 4 材料属性

现哥提醒 在 ABAQUS 中,不能将材料属性直接赋给几何,而需要通过给几何赋值截面属性时,连带赋予。 Step3 装配

进入 Assembly 功能模块,单击 create part 按钮 然后 OK。

,在弹出对话框中,选中两个 part(cylinder 和 rigid),

此时,两个 part 都会出现在视图区域中,但是由于两 part 都是在各自的局部坐标系下建立的,因此需 要进行一些操作来装配到一个统一的整体坐标系中。这里采用平移 始和目标点构成的向量进行平移,装配结果如图 5 所示 图标,选中 1/4 曲线,通过输入的起

5

图 5 整体坐标装配结果

Step4 载荷步设置 进入 Step 功能模块,创建一个分析步 Step-1,保持默认为 Static,General(隐式求解) ,点击 continue。 在弹出的 edit step 对话框中,选中 Nlgeom On(这里的目的,如图 5 内注释的,是为了保证大变形).

图6

step-1 设置

Step5 网格划分 一般情况下,网格划分的第一步是进行全部播种。这里,因为在接触的地方存在较强的应力 集中现象,我们不进行全局不中。考虑在接触的地方进行网格加密。于是需要对柱体截面进行区 域划分,这里将从正方形面内分出一个 1/4 圆面,便于网格划分。 首先,按住 选择弹出的 Partition Face:Sketch 进行自定义草图绘制面来分割。也可以选择

6

菜单栏 Tools-Partition,再选择如图 7

图 7 绘制草图分割

现哥提醒 在 ABAQUS 中,选择(点击)和按住操作的结果是不相同的。一般情况下,右下角有一个小黑三角形 的图标内均包含了几个菜单,选择(点击)只会选中几个菜单中当前,而按住则会显示出来所有子菜单,供给 选择。

这里选择

(圆弧去曲线)绘制草图,然后利用两点直线,分割结果如图 8 所示

图 8 面分割结果

接下来就可以对局部进行网格加密了。

7

接着,选择

对各边网格密度进行设置。这里选择对网格份数(by number)的控制,如图 9

图 9 网格密度控制

当然,也可以设置其他 number。但是,接触的地方,网格应该比较密集。 然后,控制网格的划分结果。通过 mesh control 修改网格划分方式为 structured,如下图 10 所示

图 10 网格 shape 和划分技术

现哥提醒 上图中,Quad 表示全部用四边形进行划分,Tri 表好似全部用三角形进行划分,而中间的选项表示主 要用四边形划分,而在某某些过度段,如果举行形状不够好,采用三角形划分; 对于划分技术 Technique,理解比较麻烦,详细可参考文献[2]。 最后,网格划分结果如图 11 所示

8

图 11 网格划分结果(中等密度)

现哥提醒 图 11 中,网格全为四边形。四边形单元为非常应变单元,但形状过于扭曲的时候,其肌酸结果并不理 想。于是,也可以考虑另外的一些网格划分方式。 Step6 载荷与边界

进入 load 功能模块。
初始约束包括: (1)圆柱底部的固定约束,命名为 down-fixed,约束住 U1,U2, UR3 (2)圆柱轴心的对称约束,即 x 方向位移为 0. 命名为 axial,约束 U1 (3)参考点的约束,命名为 RFC(意为参考点约束反力),约束 U1,UR3。位移为参考点沿 y 方向的位 移。在 step-1 中建立参考点 U2=-0.001 的位移。

9

图 12 约束定义

Step7 相互作用(定义接触) 该步骤是定义接触分析的关键步骤,进入 Interaction 功能模块。 首先,建立一个 reference point( 一点都可以), 如图 13。 建立一个约束 ( 按钮) ,位置在球体的球心(因为球体是刚体,可能在任意 按钮) , 将球表面的位移通过 rigid body 耦合到 reference

point(即将球视为刚体,全局仅存在相同的位移——刚体位移)。

图 13 参考点定义

图 14 将球的位移耦合到参考点

其次,建立球表面与圆柱体上表面的面-面接触。单击 create interaction 按钮

,单击 continue,此时默

认建立一个名字为 Int-1 的面-面接触。选择 master 为球面,slave 面为圆柱上表面,其中要注意选择接触方 向为两个面接触的方向。在弹出对话框中的 contact interaction property 出点击 create,建立一个名字为

10

IntProp-1 的无摩擦接触。

图 15a 定义接触面-线

图 16b 定义无摩擦接触

(3)设置历史输出变量。回到 step 功能模块,在 History output request manager

中,已经存在一

个 H-output-1,单击 edit,在 domain 出选中 interaction,再选中 output variable 中 contact 下的 CFN(接触反 力)项,再 OK。如图 17 所示。

11

图 17 输出接触反力

Step8 提交作业 进入 job 功能模块, 在 job manager 中建立 Job-1 作业, submit。 计算完成后可通过 job manager 中的 result 进入 visualization 模块查看结果。

Case2 显示计算相对于隐式的操作改动 显示计算方法建模的过程,与隐式基本相似,区别在于以下几个过程: 1. 修改材料参数,添加质量。 2. 在划分网格时,应该选择选择显示分析单元,如图 18 所示.

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图 18 输出接触反力

3. 在建立分析步时,应选择 Dynamic, Explicit,并进一步设置分析时间。 4. 在设置接触时,选择显示的面-面接触。 5. 在定义载荷时,需要定义加载方式,考虑缓慢加载,需要定义一下 AMPLITUDE,如图 19

图 19 输出接触反力

4

后处理

单击 job manager 中的 result,进入 visualization 模块,查看计算结果。 接 触 反 力 与 压 入 深 度 之 间 的 关 系 可 通 过 History output 输 出 。 选 择 菜 单 栏 中 的

13

result—History output,在弹出的对话框中,选择 CFN2,再 plot 通过 save as 可以保持数据, 重新在画图软件里画图,如图 20 所示

图 20

History Output 定义

单击

按钮,可输出计算结果的云图。通过工具栏的 result—Field output 可以选择输出参

量,如图 21 所示。

图 21

Field Output 定义

输出 Mises 应力云图,如图 22

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图 22

Von Mises 应力

为了找到最大 Mises 应力的位置, 可沿纵深建立一个 path, 然后读取路径上的节点的 Mises 应力值,并保存数据画图,操作如图 23

图 23

Von Mises 应力路径选择

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图 24

Path Von Mises 应力曲线图

另外,可以通过工具栏中的 view—ODB display option—Sweep/Extrude(当然也可以再后处 理的 GUI 中选择)来旋转轴对称面得到一个类似实体的模型, 观察应力分布情况(但并无太大的 实际意义,只是三维的看起来效果比较好吧)。

图 25

3/ 4 三维分析结果

16

5

收敛性检验

考虑到网格划分的粗细对计算结果精度以及计算时间有很大影响,正式计算前应该检查网格的收敛性, 考虑以下四种划分结果,对计算结果进行比较。在实际应用中,计算大自由度的结构时,收敛性检验尤其 重要,尽管此时其实一件费事的活儿。

现哥提醒 值得一提的时,随着计算机硬件水平和软件的发展,在新版(ABAQUS6.12,MSC Marc3014,Ansys15 及其以后)的软件中, 可以选择多线程进行计算。 另外, 在当前的著名有限元软件中, 如上述的 ABAQUS6.12, MSC Marc3014,Ansys15,相对来讲,ABAQUS 计算速度是最慢的一款软件。这是因为,ABAQUS 系列软 件是例如 python 语言编写的。而 python 语言是一门解释型语言,相比于用编译型 Fortran 编写的 MSC Marc 和 Ansys 软件,运行速度慢。但不管怎么样,python 也比 matlab 快。

这里进行了 4 种尺度的网格分析,如图 26a-图 26d

图 26a 粗网格(seed number=5)

图 26b 正常网格(seed number=10)

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图 26c 细网格(seed number=20)

图 26d 非常细网格(seed number=40)

从下面四个方面来考察网格密度对于计算结果的影响: a. Y 方向的接触反力 b. c. d. 最大 Mises 应力 刚体球面与圆柱上表面接触中心点的应力 CPU 时间

计算结果如下表 1 所示

表 1 不同网格尺度计算结果比较 比较项 接触反力/N 最大 Mises 应力/MPa 中心点 Mises 应力/MPa CPU 时间/s 粗 4.200 0.2635 0.1794 1.9 正常 4.167 0.2719 0.1533 5.82 细 4.157 0.2731 0.1320 12.4 非常细 4.154 0.2734 0.1270 46.3

注:本机配置,i7 4770k,4 核 8 线,CPU 主频 3.5GHz,SSD.

可以看出,中心接触点由于应力集中的原因,应力并未达到收敛。而对于其他的量,第三种网格收敛 性已经很好,以后的计算结果都在第三种网格划分下得到的。

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结果分析及总结

(1)隐式分析结果 位移和反力的关系如图 27

图 27 位移与反力关系(隐式)

Mises 应力云图如图 28。

图 28 Mises 应力云图(隐式)

Mises 应力沿纵深 y 分布如图 29

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图 29 Path 应力分布(隐式)

最大 MISES 应力在距离圆柱上表面 1mm 处,为 0.2731MPa。

(2)显示分析 位移和反力的关系如图 30

图 30 位移与反力关系(显式)

Mises 应力云图如图 31

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图 31 Mises 应力云图(显式)

Mises 应力沿纵深 y 分布如图 32。

图 32 Path 应力分布(显式)

最大 Mises 应力在 0.7944mm 处,为 0.2741MPa。

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(4)隐式与现实计算结果的比较

表 2 隐式与现实计算结果的比较

接触反力 /N 隐式 显示 4.157 4.153

最大 Mises 应力/MPa 0.2731 0.2741

最大 Mises 应力位置/mm 0.79435 0.79437

CPU 时间 /s 12 83.3

注:本机配置,i7 4770k,4 核 8 线,CPU 主频 3.5GHz,SSD.

从上面结果可以看出,显式和隐式的结果非常相近。但是目前单元数量的规模较小,隐式的计算相对 于显式的计算在 Cpu 时间上有较大的优势。但是对于诸如大变形、冲击等一类问题,使用隐式方法计算比 容易得到一个收敛的结果,在实际大问题的计算式容易出现卡死的情形。但是,每种方法的存在都有它的 地位所在,只是我们在使用的时候需要根据方法和实际的特点, 经过人为的分析,以选择恰当的计算手段, 以提高操作效率。

参 考 文 献 [1] 马晓峰 ABAQUS 6.11 中文版有限元分析从入门到精通[M], 清华大学出版社. 2012 年底 2 版,北京. [2] ABAQUS 网格划分技巧, 百度文库 http://wenku.baidu.com/link?url=QDY7M6v_ZcdaDMiA1oodeIdjbZJdLYY9x4WJNcaMeyWZoCqTZwXs9n J921gowrA6TflJRIkmMvLPWm7KftEtimZg4VYjxavx54jD4FE3rq,2015.4.15 [3] 彭国伦 Fortran95 程序设计[M],中国电力出版. 2014 年 7 月,北京. [4] 曹金凤,王旭春等 Python 语言在 Abaqus 中的应用[M],机械工业出版社. 2011.7,北京.

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