搜索基于ANSYS APDL的两端固定杆的单元生死仿真（适用钻孔、隧道开挖、金属切削等类似问题）
2017-03-11 by:CAE仿真在线 来源:互联网
如何在ANSYS中模拟钻孔,隧道开挖,金属切削这种类似的问题呢?
在金属切削过程中,表层的金属离开了表层,然后从模型中消失。对于这种问题,ANSYS提供了几种支持,其中一种就是生死单元的方法。
使用这种方法,就是在适当的时候,当满足某种准则的时候,杀死那些不需要的单元,然后接着进行仿真。如果有必要的话,也可以在适当的时候复活这些单元。
ANSYS中对于生死单元的例子很少。笔者遍历了其帮助,也只找到一个例子。本文就同朋友们一起欣赏这个例子,看看ANSYS是如何使用生死单元来解决这种工程问题的。
一根两端固定的杆如下图所示。
材料数据如下
为了阐述如何使用ANSYS的单元生死技术,决定把该杆等分为3个单元,然后通过控制中间单元的生死,进行如下的热应力仿真
(1)设置所有单元的材料参考温度是0度,给所有节点施加100度,并保持所有单元都存活,做1次仿真
(2)设置所有单元的材料参考温度是0度,给所有节点施加100度,杀死中间单元,做1次仿真
(3)设置其它单元的材料参考温度是0度,给所有节点施加100度,激活中间单元,并设置该单元的材料参考温度是100度,做1次仿真
(4)设置其它单元的材料参考温度是0度,给所有节点施加0度,保持中间单元存活,并设置该单元的材料参考温度是100度,做1次仿真
通过上述四次仿真,以说明
(1)如何使用单元的生死技术
(2)当单元激活时,会根据节点温度和该单元的材料参考温度之差来确定它的初始热应变。
1.该例子来自于ANSYS15 APDL的认证算例《VM194 Element Birth/Death in a Fixed Bar》为了更清晰的阐明思路,本文对其进行了较大幅度的调整。
2.单元生死技术的使用,关键是首先要创建出所有的单元,然后在需要杀死改单元时使用EKILL命令,而在需要激活时使用ELIVE命令。
3.使用LINK180来建模杆。
4.创建2种材料。这两种材料的弹性模量和泊松比一样,但是参考温度不一样。一个参考温度是0度,一个是100度。
5.先创建4个节点,然后创建3个单元。
6.固定两个端节点,并给所有节点固定Z方向自由度,借此模拟二维杆件。
7.按照题目要求进行先后四次的计算和后处理,以考察生死单元的使用。
8.本文采用APDL命令进行讲解。
1. 建模
1.1 创建单元类型
在命令窗口输入
/PREP7
ET,1,LINK180
上述命令首先进入到前处理器,然后创建杆单元LINK180,该单元用于模拟二力杆。
1.2 设置材料模型
在命令窗口输入
MP,EX,1,30E6
MP,ALPX,1,.00005
上述命令定义了材料1的弹性模量和线膨胀系数。这里并没有定义泊松比,它的默认值是0.3.
在命令窗口输入
MP,EX,2,30E6
MP,ALPX,2,.00005
MP,REFT,2,100
上述命令定义了材料2,该材料的弹性模量和线膨胀系数与材料1一致,但是其参考温度是100。该材料会用在下面的生死单元上面,设定100的参考温度,是为了显示单元复活时,它的初始应变是重新计算的。
1.3 设置截面
在命令窗口输入
SECTYPE,1,LINK
SECDATA,1
上述命令首先定义了杆的截面是LINK,然后定义该LINK的截面积是1.
1.4 创建节点
在命令窗口输入
N,1
N,4,10
FILL
上述命令创建了4个节点。结果如下图
1.5 创建单元
在命令窗口输入
E,1,2
EGEN,3,1,-1
上述命令生成了三个单元。要注意,这三个单元都是用的第一种材料。换一句话说,它们的材料类型是一致的。创建完毕后结果如下图:
1.6 创建边界条件
在命令窗口输入
D,1,ALL,,,4,3
D,ALL,UZ
FINISH
上述命令
首先固定了边界上两个节点,使其成为两端固定的杆件
然后对所有节点约束其Z方向的自由度
最后退出前处理器
结果如下图
2. 第一次分析
在命令窗口输入
/SOLU
ANTYPE,STATIC
NROPT,FULL
OUTPR,BASIC,ALL
上述命令进入到求解器,然后设置静力学分析,并设置使用完全的牛顿-拉普森算法求解方程组,最后指出要输出常用的数据。
在命令窗口输入
TREF,0
TUNIF,100
SOLVE
上述命令
首先设置参考温度是零度
接着给所有节点施加100度
然后求解。
由于节点温度高于参考温度,所以3个单元均有伸长的趋势,可惜两端被固定,于是产生了压缩应变。
在命令窗口输入
/post1
PRESOL,EPTH,COMP
上述命令进入到后处理器,并列出了各单元节点的热应变。
可以看到,每个单元节点均处于被压缩状态。这是由于其伸长趋势受阻碍而产生的。
3. 第二次分析
在命令窗口输入
/SOLU
EKILL,2
SOLVE
上述命令
进入到求解器
杀死了2号单元,就是中间这个单元
然后求解
由于中间单元杀死,它的变形数据会消失,但是两边的单元仍然是存活的,它们依然有应变。
在命令窗口输入
/post1
PRESOL,EPTH,COMP
上述命令进入到后处理器,并列出了各单元节点的热应变。
可见,由于中间单元被杀死,它的热应变就消失了。一个单元被杀死,就好像人死了一样,无论这个世界如何变化,它不会再有任何反应。
要注意的是,此时每个节点温度依然是100度,参考温度仍然是0度。
4. 第三次分析
在命令窗口输入
/SOLU
EALIVE,2
MPCHG,2,2
SOLVE
上述命令
首先进入处理器
然后让2号单元复活
接着改变了2号单元的材料,使得它的材料是2号材料
然后开始求解
要注意的是,此时1,3号单元使用的是1号材料,而2号单元使用的是2号材料
2号材料的参考温度是100度,而1号材料的参考温度是0度,现在每个节点温度依然是100度
这样,虽然2号单元复活,但是因为它的节点温度等于它所属材料的参考温度,因此它不会有应变;
而1,3号单元所属的1号材料参考温度0度,节点温度100度,存在温度差,所以这两个单元依旧会有应变。
在命令窗口输入
/post1
PRESOL,EPTH,COMP
上述命令进入到后处理器,并列出了各单元节点的热应变。
可见,此时的结果与上一步骤的分析一样,单元2依然没有应变。
但是要注意,本次分析与上次分析有重要的不同。
本次分析2号单元是活的,只是因为情况特殊,它对外界的反应暂时是0!而上次分析单元是死的,无论外界是什么情况,它的反应永远是0!
5. 第四次分析
在命令窗口输入
/SOLU
TUNIF,0
SOLVE
上述命令
再次进入到求解器
然后设置所有节点温度是0度
然后开始求解
此时。由于1,3号单元的节点温度就等于参考温度,所以这两个单元没有热应变;而2号单元的节点温度高于参考温度,所以2号单元会有热应变
在命令窗口输入
/post1
PRESOL,EPTH,COMP
上述命令进入到后处理器,并列出了各单元节点的热应变。
可见只有2号单元有热应变。注意上述应变的符号与前面应变的符号相反,这是因为该单元相当于从100度降低到0度,是温度降低要收缩,但是这种趋势被阻止,所以产生了拉伸应变,因而与前面的压缩应变符号相反。
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