搜索基于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:互聯網
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,就是在適當的時候,當滿足某種準則的時候,殺死那些不需要的單元,然后接著進行仿真。如果有必要的話,也可以在適當的時候復活這些單元。
ANSYS中對于生死單元的例子很少。筆者遍歷了其幫助,也只找到一個例子。本文就同朋友們一起欣賞這個例子,看看ANSYS是如何使用生死單元來解決這種工程問題的。
一根兩端固定的桿如下圖所示。
材料數據如下
為了闡述如何使用ANSYS的單元生死技術,決定把該桿等分為3個單元,然后通過控制中間單元的生死,進行如下的熱應力仿真
(1)設置所有單元的材料參考溫度是0度,給所有節點施加100度,并保持所有單元都存活,做1次仿真
(2)設置所有單元的材料參考溫度是0度,給所有節點施加100度,殺死中間單元,做1次仿真
(3)設置其它單元的材料參考溫度是0度,給所有節點施加100度,激活中間單元,并設置該單元的材料參考溫度是100度,做1次仿真
(4)設置其它單元的材料參考溫度是0度,給所有節點施加0度,保持中間單元存活,并設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
(2)當單元激活時,會根據節點溫度和該單元的材料參考溫度之差來確定它的初始熱應變。
1.該例子來自于ANSYS15 APDL的認證算例《VM194 Element Birth/Death in a Fixed Bar》為了更清晰的闡明思路,本文對其進行了較大幅度的調整。
2.單元生死技術的使用,關鍵是首先要創建出所有的單元,然后在需要殺死改單元時使用EKILL命令,而在需要激活時使用ELIVE命令。
3.使用LINK180來建模桿。
4.創建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。一個參考溫度是0度,一個是100度。
5.先創建4個節點,然后創建3個單元。
6.固定兩個端節點,并給所有節點固定Z方向自由度,借此模擬二維桿件。
7.按照題目要求進行先后四次的計算和后處理,以考察生死單元的使用。
8.本文采用APDL命令進行講解。
1. 建模
1.1 創建單元類型
在命令窗口輸入
/PREP7
ET,1,LINK180
上述命令首先進入到前處理器,然后創建桿單元LINK180,該單元用于模擬二力桿。
1.2 設置材料模型
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。這里并沒有定義泊松比,它的默認值是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與材料1一致,但是其參考溫度是100。該材料會用在下面的生死單元上面,設定100的參考溫度,是為了顯示單元復活時,它的初始應變是重新計算的。
1.3 設置截面
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 創建節點
在命令窗口輸入
N,1
N,4,10
FILL
上述命令創建了4個節點。結果如下圖
1.5 創建單元
在命令窗口輸入
E,1,2
EGEN,3,1,-1
上述命令生成了三個單元。要注意,這三個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。創建完畢后結果如下圖:
1.6 創建邊界條件
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節點,使其成為兩端固定的桿件
然后對所有節點約束其Z方向的自由度
最后退出前處理器
結果如下圖
2. 第一次分析
在命令窗口輸入
/SOLU
ANTYPE,STATIC
NROPT,FULL
OUTPR,BASIC,ALL
上述命令進入到求解器,然后設置靜力學分析,并設置使用完全的牛頓-拉普森算法求解方程組,最后指出要輸出常用的數據。
在命令窗口輸入
TREF,0
TUNIF,100
SOLVE
上述命令
首先設置參考溫度是零度
接著給所有節點施加100度
然后求解。
由于節點溫度高于參考溫度,所以3個單元均有伸長的趨勢,可惜兩端被固定,于是產生了壓縮應變。
在命令窗口輸入
/post1
PRESOL,EPTH,COMP
上述命令進入到后處理器,并列出了各單元節點的熱應變。
可以看到,每個單元節點均處于被壓縮狀態。這是由于其伸長趨勢受阻礙而產生的。
3. 第二次分析
在命令窗口輸入
/SOLU
EKILL,2
SOLVE
上述命令
進入到求解器
殺死了2號單元,就是中間這個單元
然后求解
由于中間單元殺死,它的變形數據會消失,但是兩邊的單元仍然是存活的,它們依然有應變。
在命令窗口輸入
/post1
PRESOL,EPTH,COMP
上述命令進入到后處理器,并列出了各單元節點的熱應變。
可見,由于中間單元被殺死,它的熱應變就消失了。一個單元被殺死,就好像人死了一樣,無論這個世界如何變化,它不會再有任何反應。
要注意的是,此時每個節點溫度依然是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
首先進入處理器
然后讓2號單元復活
接著改變了2號單元的材料,使得它的材料是2號材料
然后開始求解
要注意的是,此時1,3號單元使用的是1號材料,而2號單元使用的是2號材料
2號材料的參考溫度是100度,而1號材料的參考溫度是0度,現在每個節點溫度依然是100度
這樣,雖然2號單元復活,但是因為它的節點溫度等于它所屬材料的參考溫度,因此它不會有應變;
而1,3號單元所屬的1號材料參考溫度0度,節點溫度100度,存在溫度差,所以這兩個單元依舊會有應變。
在命令窗口輸入
/post1
PRESOL,EPTH,COMP
上述命令進入到后處理器,并列出了各單元節點的熱應變。
可見,此時的結果與上一步驟的分析一樣,單元2依然沒有應變。
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號單元是活的,只是因為情況特殊,它對外界的反應暫時是0!而上次分析單元是死的,無論外界是什么情況,它的反應永遠是0!
5. 第四次分析
在命令窗口輸入
/SOLU
TUNIF,0
SOLVE
上述命令
再次進入到求解器
然后設置所有節點溫度是0度
然后開始求解
此時。由于1,3號單元的節點溫度就等于參考溫度,所以這兩個單元沒有熱應變;而2號單元的節點溫度高于參考溫度,所以2號單元會有熱應變
在命令窗口輸入
/post1
PRESOL,EPTH,COMP
上述命令進入到后處理器,并列出了各單元節點的熱應變。
可見只有2號單元有熱應變。注意上述應變的符號與前面應變的符號相反,這是因為該單元相當于從100度降低到0度,是溫度降低要收縮,但是這種趨勢被阻止,所以產生了拉伸應變,因而與前面的壓縮應變符號相反。
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