扭矩载荷施加方法

2016-10-07 by:CAE仿真在线来源:互联网

在ANSYS中,有些单元只有平移自由度,无转动自由度。对于只有平移自由度的单元,无法直接施加扭矩载荷,但是可以等效间接施加。本文介绍了几种扭矩载荷施加的方法:等效节点力法、节点耦合法及控制节点法。

下面以一个简单的轴施加扭矩载荷为例,分别简要介绍这几种方法的操作过程和结果对比。

该轴的边界条件,轴一端柱面固定,另一端柱面施加扭矩。

1、等效节点力法

该方法是将扭矩转换为力施加在轴一端柱面的节点上。每个节点分得力的大小为扭矩等效的力除节点数。首先将全局坐标系转换为柱坐标系,然后将轴柱面上的节点旋转到该柱坐标系下,最后在这些节点上施加等效的节点力,方向UY。结果如图1所示。

图1 等效节点力载荷

2、节点耦合法:利用MASS单元

MASS单元有旋转自由度,将扭矩施加在MASS单元所在节点上,同时在该节点与轴柱面节点之间建立刚性耦合,然后在MASS单元所在节点上施加扭矩,如图2所示。

图2 节点刚性耦合

3、控制节点法:利用MPC算法

在控制节点上建立目标单元,轴柱面上建立接触单元,两种单元同一实常数,同时将接触算法改为MPC算法。两单元之间约束类型有力分布约束、刚性约束及耦合约束三种。接触单元、目标单元如图3所示。

图3 接触对

4、求解结果对比

4.1、轴变形对比

图4 采用等效节点力法的轴位移云图

图5 采用节点耦合法的位移云图

图6 采用控制节点法(刚性约束)的位移云图

图7 采用控制节点法(力分布约束)的位移云图

比较图4和图7可知,采用等效节点力法和力分布控制节点法求得的轴位移基本一致,这两种方法都考虑了施加载荷处节点的相对位移,即载荷表面可以变形。对比图5、图6可知,采用节点耦合法和刚性控制节点法所求得的轴变形结果完全一致,这说明了采用控制节点法的有效性。

4.2、轴应力结果对比

图8 采用等效节点力法的轴应力云图

图9 采用节点耦合法的轴应力云图

图10 采用刚性控制节点法轴应力云图

图11 采用力分布的控制节点法轴应力云图

对比图8、图11可知,两者应力分布一致,在施加扭矩一侧没有应力集中,该侧考虑了轴表面节点的相对位移,且应力分布与实际接近。对比图9、图10可知,两种方法求得轴的应力分布基本一致,且在轴的两侧均存在应力集中现象。

综合以上分析,在扭矩施加等效时,采用等效节点力法和力分布的控制节点法两种方法,求得的结果更接近实际情况,这两种方法对于扭矩等效更有效。

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