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[其他相关] 基于ANSYS 经典界面的密封垫片的加载-卸载仿真

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发表于 2016-5-9 10:39 | 显示全部楼层 |阅读模式

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【问题背景】
在机械系统中,为了防止气体或者液体的泄露,密封件得到了广泛的使用,而其中垫片密封是一种常见的密封形式。密封垫片在工作中必须保持足够的最低载荷,如果工作载荷低于最低载荷,就会产生气体或者液体的泄露。由于机械系统工作过程中,施加在密封垫片上的力是变化的,那么,这些变化的外力作用下,密封垫片还能保证其最低载荷吗?这通过手工计算很难完成,为此ANSYS提供了专门的单元来仿真这种行为。
垫片的工作有其特点:
(1)一般工作在压缩状态下。
(2)其承力在厚度的法线方向。因此一般不考虑其横向的剪切力。
(3)垫片的的力学特性表现为材料非线性。它有复杂的加载-卸载曲线。
本篇博文对ANSYS中自带的例子进行讲解,说明密封垫片仿真的基本过程。

【问题描述】
    在两个长方体金属块之间夹着一块垫片,其中一个金属块固定,另外一个金属块承受轴向位移,然后再卸载。本分析的终极目的是考察在此过程中垫片上的压力的变化过程。
1.png
【问题分析】
1. 这是一个静力学分析问题,使用静力学分析。
2. 使用SOLID185建模两边的金属块,使用INTER195建模垫片。这里对金属块和垫片均只划分为一个单元,对于该单元采用直接创建的方式,也就是先创建节点,然后由节点创建单元。
3. 对垫片的材料定义是比较特殊的部分。这里定义一条加载曲线,而定义5条线性的卸载曲线。
4. 分析中进行一次加载,然后卸载。
5. 后处理中考察垫片单元的压力与 变形的关系曲线。
6. 本文使用命令流的方式进行讲解。

【求解过程】
一 建模
1. 定义参数
从命令窗口中输入下列命令
n1    =  20
n2    =  n1*100
n3    =  n1
dis1  = -0.0008
dis2  = -0.000001
pres  =  1.0e7
pres2 =  10
pres3 =  1.4E8
dp    = -2.0e7
elb   =  1.0
elg   =  0.1
delta0 = 0.00e-3
stiff0 = 0.0e7
scap   = 1.0e-5
上述命令用于定义一些变量,这些变量在下面会用到。
命令运行完毕后在ANSYS的参数对话框中显示如下图
2.png
2. 定义材料模型
(1)定义金属块的材料模型
继续输入
/prep7
mp,ex,1,2.1E12
mp,nuxy,1,0.0
其中,
第1行:进入前处理器。
第2-3行:设置金属材料的弹性模量和泊松比。
(2)定义垫片的材料模型
继续输入
tb,gasket,2,,,para
tbdata, 1,delta0,stiff0,scap
这里定义了一种垫片材料,并设置了它的三个基本特性。
继续输入
tb,gask,2,1,13,comp
tbpt,,0.460800E-03, 0.161226E+07
tbpt,,0.511600E-03, 0.520884E+07
tbpt,,0.562400E-03, 0.113134E+08
tbpt,,0.613200E-03, 0.200499E+08
tbpt,,0.664000E-03, 0.259960E+08
tbpt,,0.714800E-03, 0.290345E+08
tbpt,,0.765600E-03, 0.357453E+08
tbpt,,0.816400E-03, 0.440064E+08
tbpt,,0.867200E-03, 0.563189E+08
tbpt,,0.918000E-03, 0.748254E+08
tbpt,,0.968800E-03, 0.967287E+08
tbpt,,0.101960E-02, 0.129001E+09
tbpt,,0.109326E-02, 0.157147E+09
这用于定义垫片的加载特性曲线。
输入完毕后查看ANSYS的材料模型对话框,可以看到:里面有了两种材料
3.png
其中第一种是金属材料,第二种是垫片的材料。第二种材料包含了两个部分:一般设置和压缩特性的设置。
打开压缩特性的设置对话框,显示如下。这里面显示的就是刚刚用命令行输入的数据。
4.png
单击graph按钮,显示此曲线。
5.png
这是按照上述数据所绘制的压力与变形关系的曲线,也就是加载曲线。
继续输入
tb,gask,2,1,5,lunl      
tbpt,,0.460800E-03, 2.430000E+11
tbpt,,0.714800E-03, 3.565000E+11
tbpt,,0.816400E-03, 5.92300E+11
tbpt,,0.968800E-03, 1.088000e+12
tbpt,,0.109326E-02, 1.490000E+12
其中
第1行:指明要定义垫片的5条线性卸载曲线。
第2-6行:依次给出这5条卸载曲线。
命令执行完毕后,打开ANSYS的材料模型对话框,显示如下
6.png
可以看到,对于垫片材料,又多了一个线性卸载项。打开该线性卸载对话框,显示如下
7.png
可见,里面有5条曲线。对于每条曲线,是通过一个前面加载曲线上的一个点(横坐标由closure决定)以及斜率(slope)确定。这就是根据点斜式来确定直线。点击graph,可以看到曲线如下
8.png
上述图形意味着,加载时候只有一条曲线,材料会沿着此条曲线上升,但是卸载时并不是原路返回。严格说来,从不同的卸载点卸载其曲线并不相同,这里给定了5条曲线。
如果实际卸载点刚好是这五条曲线的卸载点,那么就沿着这几条曲线卸载;
如果实际卸载点并非刚好这五条曲线的卸载点,ANSYS应该根据该卸载点的位置,基于上述5条曲线进行插值,得到一条新的卸载曲线。
3. 创建金属块的有限元模型
继续输入
et,1,185
定义金属块用SOLID185单元来建模。这是三维的8节点单元。
继续输入
n,1,
n,2,1.0
n,3,1.0,1.0
n,4,0.0,1.0
ngen,2,4,1,4,,0.0,0.0,elb
ngen,2,8,1,4,,0.0,0.0,elb+elg
ngen,2,12,1,4,,0.0,0.0,2*elb+elg
这用于生成两个金属块的所有角点。输入完毕后,主窗口显示如下图
9.png
继续输入
et,1,185,,1
mat,1
e,1,2,3,4,5,6,7,8
e,9,10,11,12,13,14,15,16
其中,
第1行,说明下面准备使用185单元来建模
第2行,说明下面准备使用的是金属材料
第3行,创建一个金属块
第4行,创建另外一个金属块。
这里只创建了2个单元,每个单元就代表一个金属块。对于单元的创建,是直接给出构成该单元的8个节点,然后基于上述节点创建单元,这就是所谓的直接建模法。
命令执行后,主窗口显示如下图:
10.png
4. 创建垫片的有限元模型
继续输入
et,2,195
type,2
mat,2
e,5,6,7,8,9,10,11,12   
其含义很简单。
就是先创建垫片单元INTER195,然后用垫片单元,垫片材料,使用直接建模法创建两个金属块之间的垫片单元。同样,也只有一个垫片单元。
命令执行后,打开单元的颜色和编号显示,可以看到主窗口显示如下图:
12.png
此时已经有了3个单元。
5. 施加位移边界条件
继续输入
nsel,s,loc,z
d,all,uz
是指把Z坐标为零的所有节点,固定其Z方向的位移。
继续输入
nsel,all
nsel,s,loc,x
d,all,ux
是指把X坐标为零的所有节点,固定其X方向的位移。
继续输入
nsel,all
nsel,s,loc,y
d,all,uy
是指把Y坐标为零的所有节点,固定其Y方向的位移。
13.png
上述操作,实际上指,在三个做表面XOY,XOZ,XOY内的所有节点,只能在该面内移动,而不能离开该做表面。
继续输入
nsel,all
finish
是指,选择所有的节点后,退出前处理器。
二 仿真
1. 加载
继续输入
/solu
ANTYPE,STATIC
nsubst,n1,n2,n3
outres,all,all
outres,svar,all
其中,
第1行:进入到求解器
第2行:使用静力学分析
第3行:指定计算的载荷子步数目
第4-5行:指定要写入到数据库的计算数据。这里要把所有载荷步的所有数据以及状态变量都写入到数据库中。
继续输入
nsel,s,loc,z,elb*2+elg
d,all,uz,dis1                  
nsel,all
其中,
第1行:说明要选择一个金属块端面上的4个节点
第2行:给这4个节点加上强制压缩位移,大小是dis1  = -0.0008
第3行:选择所有节点,以便计算。
上述操作的目的是要给其中一个金属块的端面施加强制压缩位移,位移的大小是0.0008,也就是0.8mm
14.png
接着输入
solve
其含义是开始计算。计算过程中,主窗口显示计算的收敛情况。
15.png
可见,只计算了20载荷子步,结果就收敛了。20个子步,正是在前面所指定的最小载荷子步数目。
2. 卸载
计算完毕后,继续输入
nsubst,n1,n2,n3
outres,all,all
outres,svar,all
nsel,s,loc,z,elb*2+elg
d,all,uz,dis2                  
nsel,all
solve
finish
这里面命令的含义,与前一步相似,不再赘述。唯一需要说明的是,现在是要使得端面位移恢复到
dis2  = -0.000001
这就意味着卸载。计算过程中,主窗口显示计算的收敛情况。
16.png
可见,只计算了20载荷子步,结果就收敛了。
三 后处理
继续输入
/post26
esol,2,3, ,s,x,press
esol,3,3, ,epel,x,delta
其含义是:
第1行:进入时间历程后处理器
第2行:取出垫片单元的X方向的应力,放入变量2,并将此变量命名为press
第3行:取出垫片单元的X方向的弹性应变,放入变量3,并将此变量命名为delta
接着输入
add,4,2, , ,press,,,-1,     
add,5,3,,,delta,,,-1,
其含义是:
第1行:取变量2的数值的相反数,放入变量4.
第2行:取变量3的数值的相反数,放入变量5.
上述两2行的意思是把前面的X方向的应力和弹性应变反一个符号。这是因为,前面得到的应力和应变都是负数,这里都转化为正数,以便下面画图。
接着输入
xvar,5
plvar,4
其含义是:
第1行:取应变为横坐标
第2行:取应力为纵坐标,绘制应力-应变曲线。
执行完毕后,结果如下

17.png
这是典型的非线性材料的加载-卸载曲线。可以看到,加载是曲线,而卸载是直线,这与预先定义的材料曲线是一致的。

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