鋼制方形筒的屈曲分析

2017-09-24 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

1. 模型描述:

圖 1鋼制方形筒在兩平板間的擠壓

如圖 1所示,為了模擬筒的擠壓,把有質(zhì)量的剛性平板和筒體綁定(tie)在一塊,以速度8.9408 m/s去撞擊固定剛性平板。在碰撞過程中,筒體會將大量的動能轉(zhuǎn)化為塑性變形而耗散掉,本文主要用來估計筒體對動能的吸收能力,觀察筒體的后屈曲變形。這個例子的一個實際應(yīng)用就是汽車中的防撞器。由于筒體變形嚴(yán)重,筒體出現(xiàn)自身重疊,發(fā)生了嚴(yán)重的屈曲。為了更好地模擬筒體的后屈曲變形,可以根據(jù)最低階模態(tài)設(shè)計網(wǎng)格,以便光滑地模擬后屈曲響應(yīng)。因此在使用abaqus/explicit分析撞擊前,要先用abaqus/standard得到筒的前10階屈曲模態(tài)。

2. 分析要點(diǎn)

有質(zhì)量的剛性板可以創(chuàng)建一個質(zhì)量點(diǎn)屬性,并把質(zhì)量點(diǎn)屬性賦予剛性板的參考點(diǎn)。也可以創(chuàng)建一個質(zhì)量點(diǎn),把質(zhì)量點(diǎn)通過分布耦合的方式耦合到筒體上。這樣一個具有較大質(zhì)量的剛性板與筒體綁定到一塊,以一個較大的速度撞擊另一個固定的剛性板,瞬間巨大的動能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,產(chǎn)生嚴(yán)重的屈曲。
在撞擊的過程中,筒體經(jīng)歷大的體積壓縮,筒體內(nèi)、外表面的任何區(qū)域都有可能和其它區(qū)域發(fā)生接觸。這里使用自接觸和接觸對算法中的雙側(cè)面接觸特征來定義碰撞擠壓分析中的接觸條件。
在計算筒的屈曲模態(tài)時,載荷類似于在碰撞過程中可能經(jīng)歷的形式,載荷大小并不重要,abaqus/standard輸出的屈曲載荷值是施加載荷的相對大小,可以在質(zhì)量剛性平板的參考點(diǎn)上施加F=500N的集中載荷。并且在提交分析前,如圖 2所示,編輯模型關(guān)鍵字,MODEL-edit keywords,并選中當(dāng)前模型。選擇*RESTART塊,單擊add after,在其后添加*node file u,向結(jié)果文件中寫入模態(tài)分析的位移。
使用屈曲特征模態(tài)擾動網(wǎng)格,要選擇擾動量級的大小,以便網(wǎng)格能夠正確地實現(xiàn)后屈曲變形。一般來講,用于不同特征模態(tài)的擾動量級分別只有相應(yīng)結(jié)構(gòu)尺寸(比如殼的厚度)的百分之幾。因為最小特征模態(tài)與撞擊關(guān)系最密切,所以相應(yīng)的擾動量級應(yīng)該最大。增大缺陷因子可以使擠壓過程更加平滑,但另一方面,過大的缺陷因子會使問題脫離實際。當(dāng)結(jié)果具有許多間隔很近的特征值時,它的后屈曲響應(yīng)對引入的網(wǎng)格缺陷可能是高度敏感的,這種情況下,網(wǎng)格缺陷的微小改變都會引起后屈曲行為的很大變化。此時需要通過敏感性研究以確定實際的網(wǎng)格缺陷。在本實例中,如圖 3所示,第一個特征值比第二個特征值小的多,可以確切的認(rèn)為第一個特征模態(tài)是起主導(dǎo)作用的,雖然第二個和第三個特征值相差很小,但他們與第一個特征值相差很大,對后屈曲的響應(yīng)沒有太大的影響。引入最大值為殼厚度2%的網(wǎng)格缺陷,由于abaqus/standard放大了屈曲分析中得到的特征值輸出,所以每個模態(tài)的最大變形均為1m,選擇缺陷因子為1,將恰好用abaqus/standard輸出的位移擾動網(wǎng)格。如圖4所示,使用關(guān)鍵詞(keywords editor)將擾動缺陷引入到后屈曲分析的模型中。

3 . 分析過程

(1)、屈曲模態(tài)分析結(jié)果

圖 2向結(jié)果文件中寫入模態(tài)分析位移的關(guān)鍵字

圖 3屈曲模態(tài)分析結(jié)果

(2)、筒的撞擊分析結(jié)果

圖 4修改關(guān)鍵字引入缺陷因子

圖 5最終變形網(wǎng)格

圖 6沒有引入缺陷因子的變形網(wǎng)格

圖 7偽應(yīng)變能,動能和塑性耗散能的歷史響應(yīng)曲線

4 . 結(jié)果評價

如圖 5所示,添加了擾動的變形網(wǎng)格產(chǎn)生了光滑的屈曲,而如圖 6所示為沒有引入缺陷因子的分析得到的變形網(wǎng)格,雖然網(wǎng)格細(xì)化了,但與圖5相比,沒有擾動的網(wǎng)格產(chǎn)生了尖銳的折疊,變形形狀不符合物理實際。即使引入很小的缺陷因子來擾動網(wǎng)格,都足以使后屈曲行為過程光滑進(jìn)行。

一種確定能量吸收的方法就是觀察相關(guān)能量的歷史曲線,由于大部分能量都以塑性應(yīng)變的形式耗散,所以繪制了ALLPD曲線,在碰撞過程中整個模型的動能改變較大,所以繪制了ALLKE曲線,為了考證網(wǎng)格的質(zhì)量,繪制應(yīng)變能曲線也是有用的。如圖 7所示,創(chuàng)建了三個能量的X-Y曲線。在分析結(jié)束時,有3600J的能量以塑性變形形式耗散,模型的動能響應(yīng)減少了4400 J。在分析結(jié)束時的偽應(yīng)變能是800 J,為內(nèi)能(4000 J)的20%,高比例的偽應(yīng)變能說明有必要進(jìn)一步細(xì)化網(wǎng)格進(jìn)行分析以提高解的質(zhì)量。

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