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2013-08-14 by:Abaqus培训中心 来源:仿真在线
Abaqus刚性体
在ABAQUS中,刚性体是节点和单元的集合体,这些节点和单元的运动由称为刚性体参考节点(rigid body reference node)的单一节点的运动所控制,如图3-7所示。
定义刚性体的形状或者是一个解析表面,通过旋转或者拉伸一个二维几何图形得到这个表面,或者是一个离散的刚性体,通过剖分物体生成由节点和单元组成的网格得到这个刚性体。在模拟过程中,刚性体的形状不变,但可以产生大的刚体运动。基于构成离散刚性体的单元的贡献,可以计算它的质量和惯性,或者可以特殊设置。
通过在刚性体参考点上施加边界条件可以描述刚性体的运动。在刚体上生成的载荷来自施加在节点上的集中载荷和施加在部分刚性体单元上的分布载荷,或者来自施加在刚性体参考点上的载荷。通过节点连接和通过接触可变形的单元,刚性体与模型中的其它部分发生相互作用。
在第12章“接触”中将描述刚性体的应用。
3.2.1 确定何时使用刚性体
刚性体可以用于模拟非常坚硬的部件,这一部件或者是固定的或者是进行大的刚体运动。它还可以用于模拟在变形部件之间的约束,并且提供了指定某些接触相互作用的简便方法。当ABAQUS应用于准静态成型(quasi-static forming)分析时,采用刚性体模拟加工工具(如冲头、砧、抽拉模具、夹具、辊轴等等)是非常理想的,并且将其作为一种约束方式也可能是有效的。
使模型的一部分成为刚性体可能有助于达到验证模型的目的。例如,在开发复杂的模型时,所有潜在的接触条件是难以预见的,可以将远离接触区域的单元包含在刚性体中,成为其中的一部分,从而导致更快的运行速度。当用户对模型和接触对的定义感到满意时,可以消除那些刚性体的定义,这样,展现在模拟全过程中的就是一个可精确变形的有限元了。
将部分模型表示为刚性体而不是变形的有限单元体,其主要的优点在于计算效率。已经成为是部分刚性体的单元不进行单元层次的计算。尽管需要某些计算工作以更新刚性体中节点的运动和设置集中和分布载荷,但是在刚性体参考点处的最多6个自由度完全确定了刚性体的运动。
在ABAQUS/Explicit分析中,对于模拟结构中相对比较刚性的部分,若其中的波动和应力分布是不重要的,应用刚性体是特别有效的。在坚硬区域对单元的稳定时间增量估计可能导致非常小的整体时间增量,所以在坚硬区域应用刚性体代替可变形的有限单元,从而可以导致更大的整体时间增量。刚性体和部分刚性体的单元并不影响整体时间增量,也不会显著地影响求解的整体精度。
在ABAQUS中,由解析刚性表面定义的刚性体比离散的刚性体可多少节省一些计算成本。例如,在ABAQUS/Explicit中,因为解析刚性表面可以十分光滑,而离散刚性体本身有很多面,所以与解析刚性表面接触比与离散刚性体接触,在计算中产生的噪音(noisy)较少。然而,只有有限的形状能够被定义成为解析刚性表面。
3.2.2 刚性体部件
一个刚体的运动是由单一节点控制的:刚性体参考点。它有平动和转动的自由度,对于每一个刚性体必须给出唯一的定义。
刚性体参考点的位置一般并不重要。除非对刚性体施加旋转或者希望得到绕通过刚性体的某一轴的反力矩,在以上任何一种情况下,节点必须位于通过刚性体的某一理想的轴上。
除了刚性体参考点外,离散的刚性体包含由设置单元生成的节点和刚性体上的节点的集合体。这些节点称为刚性体从属节点(rigid body slave nodes)(见图3-7),它们提供了与其它单元的连接。部分刚性体上的节点具有如下两种类型之一:
l 销钉节点(pin),它只有平动自由度。
l 束缚节点(tie),它有平动和转动自由度。
刚性体节点的类型取决于这些节点附属的刚性体单元的类型。当节点直接布置在刚性体上时,也可以指定或修改节点类型。对于销钉节点,仅是平动自由度属于刚性体部分,并且刚性体参考点的运动约束了这些节点自由度的运动。对于束缚节点,平动和转动自由度均属于刚性体部分,刚性体参考点的运动约束了这些节点的自由度。
定义在刚性体上的节点不能被施加上任何边界条件、多点约束(multi-point constraints)或者约束方程(constraint equations)。然而,边界条件、多点约束、约束方程和载荷可以施加在刚性体参考点上。
3.2.3 刚性性单元
在ABAQUS中,刚性体的功能适用于大多数单元,它们均可成为刚性体的一部分,不仅仅局限于刚性单元(rigid element)。例如,只要将单元赋予刚体,壳单元或者刚性单元可以用于模拟相同的问题。控制刚性体的规则,诸如如何施加载荷和边界条件,适合于所有组成刚性体的单元类型,包括刚性单元。
所有刚性单元的名字都以字母“R”开头,下一个字符表示单元的维数,例如,“2D” 表示单元是平面的;“AX” 表示单元是轴对称的,最后的字符代表在单元中的节点数目。
刚性单元库
三维四边形(R3D4)和三角形(R3D3)刚性单元用来模拟三维刚性体的二维表面。在ABAQUS/Standard中,另外一种单元是2节点刚性梁单元(RB3D2),主要用来模拟受流体拽力和浮力作用的海上结构中的部件。
对于平面应变、平面应力和轴对称模型,可以应用2节点刚性单元。在ABAUQS/Standard中,也有一种平面2节点刚性梁单元,主要用于模拟二维的海上结构。
自由度
仅在刚性体参考点处有独立的自由度。对于三维单元,参考点有3个平动和3个转动自由度;对于平面和轴对称单元,参考点有自由度1、2和6(绕-3轴的转动)。
附属到刚性单元上的节点只有从属自由度。从属自由度的运动完全取决于刚性体参考点的运动。对于平面和三维刚性单元只有平动的从属自由度。相应于变形梁单元,在ABAQUS/Standard中的刚性梁单元具有相同的从属自由度:三维刚性梁为1-6,和平面刚性梁为1、2和6。
物理性质
所有刚性单元必须指定其截面性质。对于平面和刚性梁单元,可以定义横截面面积。对于轴对称和三维单元,可以定义厚度,而厚度的默认值为零。只有在刚性单元上施加体力时才需要这些数据,或者在ABAQUS/Explicit中定义接触时才需要厚度。
数学描述和积分
由于刚性单元不能变形,所以它们不用数值积分点,也没有可选择的数学描述。
单元输出变量
这里没有单元输出变量。刚体单元仅输出节点的运动。另外,可以输出在刚性体参考点处的约束反力和反力矩。
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