基于ANSYS APDL的兩端固定桿的單元生死仿真（適用鉆孔、隧道開挖、金屬切削等類似問題）

2017-03-11 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

如何在ANSYS中模擬鉆孔,隧道開挖,金屬切削這種類似的問題呢?

在金屬切削過程中,表層的金屬離開了表層,然后從模型中消失。對(duì)于這種問題,ANSYS提供了幾種支持,其中一種就是生死單元的方法。

使用這種方法,就是在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候,當(dāng)滿足某種準(zhǔn)則的時(shí)候,殺死那些不需要的單元,然后接著進(jìn)行仿真。如果有必要的話,也可以在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候復(fù)活這些單元。

ANSYS中對(duì)于生死單元的例子很少。筆者遍歷了其幫助,也只找到一個(gè)例子。本文就同朋友們一起欣賞這個(gè)例子,看看ANSYS是如何使用生死單元來解決這種工程問題的。

問題描述

一根兩端固定的桿如下圖所示。

基于ANSYS APDL的兩端固定桿的單元生死仿真（適用鉆孔、隧道開挖、金屬切削等類似問題）ansys仿真分析圖片1

材料數(shù)據(jù)如下

基于ANSYS APDL的兩端固定桿的單元生死仿真（適用鉆孔、隧道開挖、金屬切削等類似問題）ansys仿真分析圖片2

為了闡述如何使用ANSYS的單元生死技術(shù),決定把該桿等分為3個(gè)單元,然后通過控制中間單元的生死,進(jìn)行如下的熱應(yīng)力仿真

(1)設(shè)置所有單元的材料參考溫度是0度,給所有節(jié)點(diǎn)施加100度,并保持所有單元都存活,做1次仿真

(2)設(shè)置所有單元的材料參考溫度是0度,給所有節(jié)點(diǎn)施加100度,殺死中間單元,做1次仿真

(3)設(shè)置其它單元的材料參考溫度是0度,給所有節(jié)點(diǎn)施加100度,激活中間單元,并設(shè)置該單元的材料參考溫度是100度,做1次仿真

(4)設(shè)置其它單元的材料參考溫度是0度,給所有節(jié)點(diǎn)施加0度,保持中間單元存活,并設(shè)置該單元的材料參考溫度是100度,做1次仿真

通過上述四次仿真,以說明

(1)如何使用單元的生死技術(shù)

(2)當(dāng)單元激活時(shí),會(huì)根據(jù)節(jié)點(diǎn)溫度和該單元的材料參考溫度之差來確定它的初始熱應(yīng)變。

問題分析

1.該例子來自于ANSYS15 APDL的認(rèn)證算例《VM194 Element Birth/Death in a Fixed Bar》為了更清晰的闡明思路,本文對(duì)其進(jìn)行了較大幅度的調(diào)整。

2.單元生死技術(shù)的使用,關(guān)鍵是首先要?jiǎng)?chuàng)建出所有的單元,然后在需要?dú)⑺栏膯卧獣r(shí)使用EKILL命令,而在需要激活時(shí)使用ELIVE命令。

3.使用LINK180來建模桿。

4.創(chuàng)建2種材料。這兩種材料的彈性模量和泊松比一樣,但是參考溫度不一樣。一個(gè)參考溫度是0度,一個(gè)是100度。

5.先創(chuàng)建4個(gè)節(jié)點(diǎn),然后創(chuàng)建3個(gè)單元。

6.固定兩個(gè)端節(jié)點(diǎn),并給所有節(jié)點(diǎn)固定Z方向自由度,借此模擬二維桿件。

7.按照題目要求進(jìn)行先后四次的計(jì)算和后處理,以考察生死單元的使用。

8.本文采用APDL命令進(jìn)行講解。

求解過程

1. 建模

1.1 創(chuàng)建單元類型

在命令窗口輸入

/PREP7
ET,1,LINK180

上述命令首先進(jìn)入到前處理器,然后創(chuàng)建桿單元LINK180,該單元用于模擬二力桿。

1.2 設(shè)置材料模型

在命令窗口輸入

MP,EX,1,30E6
MP,ALPX,1,.00005

上述命令定義了材料1的彈性模量和線膨脹系數(shù)。這里并沒有定義泊松比,它的默認(rèn)值是0.3.

在命令窗口輸入

MP,EX,2,30E6
MP,ALPX,2,.00005
MP,REFT,2,100

上述命令定義了材料2,該材料的彈性模量和線膨脹系數(shù)與材料1一致,但是其參考溫度是100。該材料會(huì)用在下面的生死單元上面,設(shè)定100的參考溫度,是為了顯示單元復(fù)活時(shí),它的初始應(yīng)變是重新計(jì)算的。

1.3 設(shè)置截面

在命令窗口輸入

SECTYPE,1,LINK
SECDATA,1

上述命令首先定義了桿的截面是LINK,然后定義該LINK的截面積是1.

1.4 創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)

在命令窗口輸入

N,1
N,4,10
FILL

上述命令創(chuàng)建了4個(gè)節(jié)點(diǎn)。結(jié)果如下圖

基于ANSYS APDL的兩端固定桿的單元生死仿真（適用鉆孔、隧道開挖、金屬切削等類似問題）ansys仿真分析圖片3

1.5 創(chuàng)建單元

在命令窗口輸入

E,1,2
EGEN,3,1,-1

上述命令生成了三個(gè)單元。要注意,這三個(gè)單元都是用的第一種材料。換一句話說,它們的材料類型是一致的。創(chuàng)建完畢后結(jié)果如下圖:

基于ANSYS APDL的兩端固定桿的單元生死仿真（適用鉆孔、隧道開挖、金屬切削等類似問題）ansys仿真分析圖片4

1.6 創(chuàng)建邊界條件

在命令窗口輸入

D,1,ALL,,,4,3
D,ALL,UZ

FINISH

上述命令

首先固定了邊界上兩個(gè)節(jié)點(diǎn),使其成為兩端固定的桿件

然后對(duì)所有節(jié)點(diǎn)約束其Z方向的自由度

最后退出前處理器

結(jié)果如下圖

基于ANSYS APDL的兩端固定桿的單元生死仿真（適用鉆孔、隧道開挖、金屬切削等類似問題）ansys結(jié)果圖片5

2. 第一次分析

在命令窗口輸入

/SOLU
ANTYPE,STATIC

NROPT,FULL
OUTPR,BASIC,ALL

上述命令進(jìn)入到求解器,然后設(shè)置靜力學(xué)分析,并設(shè)置使用完全的牛頓-拉普森算法求解方程組,最后指出要輸出常用的數(shù)據(jù)。

在命令窗口輸入

TREF,0
TUNIF,100
SOLVE

上述命令

首先設(shè)置參考溫度是零度

接著給所有節(jié)點(diǎn)施加100度

然后求解。

由于節(jié)點(diǎn)溫度高于參考溫度,所以3個(gè)單元均有伸長(zhǎng)的趨勢(shì),可惜兩端被固定,于是產(chǎn)生了壓縮應(yīng)變。

在命令窗口輸入

/post1
PRESOL,EPTH,COMP

上述命令進(jìn)入到后處理器,并列出了各單元節(jié)點(diǎn)的熱應(yīng)變。

可以看到,每個(gè)單元節(jié)點(diǎn)均處于被壓縮狀態(tài)。這是由于其伸長(zhǎng)趨勢(shì)受阻礙而產(chǎn)生的。

3. 第二次分析

在命令窗口輸入

/SOLU
EKILL,2
SOLVE

上述命令

進(jìn)入到求解器

殺死了2號(hào)單元,就是中間這個(gè)單元

然后求解

由于中間單元?dú)⑺?它的變形數(shù)據(jù)會(huì)消失,但是兩邊的單元仍然是存活的,它們依然有應(yīng)變。

在命令窗口輸入
/post1
PRESOL,EPTH,COMP

上述命令進(jìn)入到后處理器,并列出了各單元節(jié)點(diǎn)的熱應(yīng)變。

基于ANSYS APDL的兩端固定桿的單元生死仿真（適用鉆孔、隧道開挖、金屬切削等類似問題）ansys結(jié)果圖片6

可見,由于中間單元被殺死,它的熱應(yīng)變就消失了。一個(gè)單元被殺死,就好像人死了一樣,無論這個(gè)世界如何變化,它不會(huì)再有任何反應(yīng)。

要注意的是,此時(shí)每個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度依然是100度,參考溫度仍然是0度。

4. 第三次分析

在命令窗口輸入

/SOLU
EALIVE,2

MPCHG,2,2

SOLVE

上述命令

首先進(jìn)入處理器

然后讓2號(hào)單元復(fù)活

接著改變了2號(hào)單元的材料,使得它的材料是2號(hào)材料

然后開始求解

要注意的是,此時(shí)1,3號(hào)單元使用的是1號(hào)材料,而2號(hào)單元使用的是2號(hào)材料

2號(hào)材料的參考溫度是100度,而1號(hào)材料的參考溫度是0度,現(xiàn)在每個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度依然是100度

這樣,雖然2號(hào)單元復(fù)活,但是因?yàn)樗墓?jié)點(diǎn)溫度等于它所屬材料的參考溫度,因此它不會(huì)有應(yīng)變;

而1,3號(hào)單元所屬的1號(hào)材料參考溫度0度,節(jié)點(diǎn)溫度100度,存在溫度差,所以這兩個(gè)單元依舊會(huì)有應(yīng)變。

在命令窗口輸入
/post1
PRESOL,EPTH,COMP

上述命令進(jìn)入到后處理器,并列出了各單元節(jié)點(diǎn)的熱應(yīng)變。

基于ANSYS APDL的兩端固定桿的單元生死仿真（適用鉆孔、隧道開挖、金屬切削等類似問題）ansys結(jié)果圖片7

可見,此時(shí)的結(jié)果與上一步驟的分析一樣,單元2依然沒有應(yīng)變。

但是要注意,本次分析與上次分析有重要的不同。

本次分析2號(hào)單元是活的,只是因?yàn)榍闆r特殊,它對(duì)外界的反應(yīng)暫時(shí)是0!而上次分析單元是死的,無論外界是什么情況,它的反應(yīng)永遠(yuǎn)是0!

5. 第四次分析

在命令窗口輸入

/SOLU
TUNIF,0
SOLVE
上述命令

再次進(jìn)入到求解器

然后設(shè)置所有節(jié)點(diǎn)溫度是0度

然后開始求解

此時(shí)。由于1,3號(hào)單元的節(jié)點(diǎn)溫度就等于參考溫度,所以這兩個(gè)單元沒有熱應(yīng)變;而2號(hào)單元的節(jié)點(diǎn)溫度高于參考溫度,所以2號(hào)單元會(huì)有熱應(yīng)變

在命令窗口輸入
/post1
PRESOL,EPTH,COMP

上述命令進(jìn)入到后處理器,并列出了各單元節(jié)點(diǎn)的熱應(yīng)變。

基于ANSYS APDL的兩端固定桿的單元生死仿真（適用鉆孔、隧道開挖、金屬切削等類似問題）ansys結(jié)果圖片8

可見只有2號(hào)單元有熱應(yīng)變。注意上述應(yīng)變的符號(hào)與前面應(yīng)變的符號(hào)相反,這是因?yàn)樵搯卧喈?dāng)于從100度降低到0度,是溫度降低要收縮,但是這種趨勢(shì)被阻止,所以產(chǎn)生了拉伸應(yīng)變,因而與前面的壓縮應(yīng)變符號(hào)相反。

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