Ansys装配体有限元分析中的连接技术

2017-08-25 by:CAE仿真在线来源:互联网

不少刚接触装配体分析的同志都会遇到很多疑问,比如:实体-板壳-梁单元怎么进行连接?怎么模拟铰接?怎么简化螺栓?等等问题。下面我就一个简单的例子说明下ansys进行有限元分析时常用的一些连接技术,前处理操作在hypermesh14.0中完成,参考书目:《ansys13.0与hypermesh11.0联合仿真有限元分析》,由于主要是说明装配体中连接关系处理的一些技巧,因此不进行模型的具体分析。

1.问题

上图是在专职网上下载的一个液压千斤顶手柄部分的三维模型,这里就作为本例的一个参考模型进行前处理。现在我想分析该装配体在杠杆端部受到一定大小力后整体的应力情况(不包括机架)。

2.问题分析

观察该模型,可以看到模型中有很多连接关系:销钉,螺栓,轴承以及普通的接触,如果要对这些部分进行实体分析的话,就算量将会相当大,而且由于接触很多,将会很难收敛,因此需要对模型进行一定的简化。下面我主要进行了如下简化:

①省去机架,也就是图中显示为绿色透明状部分,将其作为固定基础

②将销钉以及螺栓部分使用rbe2进行简化。

③将销轴部分采用rbe3进行简化

④将杠杆销轴内孔采用带控制节点的接触进行控制

⑤为方便网格划分,将杠杆的销轴端与杆端分割开,采用MPC算法装配起来

需要说明的是,上面不同地方使用不同的方法简化并不是绝对的,只是为了说明这些方法因此分散开来设置,具体的区别还在后面具体操作的时候进行说明。

3.简化模型

可以看到,对应于上述简化,已经将基座作为大地刚性处理,各部分销轴和螺栓都已经去掉。简化的基座约束将使用等效的边界条件进行替换(注意去掉一些外观圆角和倒角以及不必要的小细节)。

4.网格划分

将上述模型另存为x_t格式的模型文件,导入hypermesh中进行后续处理。这里网格划分就不进行细说,直接给出划分好之后的网格,仅仅对杠杆部分网格的连接设置进行说明。

4.1 MPC装配

当要得到质量比较好的模型,但是由于结构本身限制因此很难划分高质量网格时,可以考虑将模型分割开,并利用mpc装配技术装配起来,装配体来后默认设置装配的两个部分完全绑定在一起。需要说明的是该技术不仅可以用来处理单个零件的网格不连续问题,还可以处理实体-壳体-梁的连接问题,下面就以杠杆部分为例进行说明。

该杠杆本身是一个零件,但是为了方便网格划分,因此将其分为两部分进行处理,可以看到交界面网格不连续。为了重新将两块焊接起来,因此使用MPC算法进行装配,具体是在unitity-contact manager中进行,如下:

创建圆杆与销孔部分的接触,更改算法为MPC算法,始终绑定接触,如下:

这样就将两部分绑定在一起,可以互相传递力和力矩。

4.2 rbe2

模型中,将下部分的销钉以及螺栓均使用reb2进行简化。具体使用1D面板中的rigids进行设置,需要设置一个主节点和若干从节点。方法就是ansys中的刚性区法cerig,设置后效果如下,可以使得从节点自由度完全跟随主节点,也即将该部分刚性化,用一个主节点控制一整个区域,最后并在各个控制节点上附加质量单元作为辅助。

4.3 rbe3

Rbe3也即ansys中的柔性连接,和rbe2不同的是,rbe3的从节点能够与主节点自动创建约束方程,从而实现一种区域的柔性化。具体使用1D面板中的rbe3进行设置,与rbe2类似,也需要设置一个主节点和若干从节点。这里由于需要模拟铰接,因此不对rotx自由度(绕轴转动)进行约束设置完成后效果如下:

4.4 带控制节点的高级接触

该方法的实现也是基于mpc算法,但是与rbe2与rbe3最大的不同就是,rbe2与rbe3本质上还是建立约束方程,因此是基于当前的节点和坐标建立,不适用于大变形分析,一但变形过大就会出问题。而带控制节点的接触的控制节点是依赖于接触算法实现的,因此能用于大变形分析,故该方法结合MPC连接单元在瞬态动力学中应用广泛。具体实现在unitity-contact manager中的pilot node该选项栏中进行,操作后结果如下(具体可参见参考书目):