搜索ANSYS 經(jīng)典界面對密封墊片的加載-卸載仿真
2016-12-19 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
18
11,2016
在機(jī)械系統(tǒng)中,為了防止氣體或者液體的泄露,密封件得到了廣泛的使用,而其中墊片密封是一種常見的密封形式。密封墊片在工作中必須保持足夠的最低載荷,如果工作載荷低于最低載荷,就會產(chǎn)生氣體或者液體的泄露。由于機(jī)械系統(tǒng)工作過程中,施加在密封墊片上的力是變化的,那么,這些變化的外力作用下,密封墊片還能保證其最低載荷嗎?這通過手工計算很難完成,為此ANSYS提供了專門的單元來仿真這種行為。
墊片的工作有其特點:
(1)一般工作在壓縮狀態(tài)下。
(2)其承力在厚度的法線方向。因此一般不考慮其橫向的剪切力。
(3)墊片的的力學(xué)特性表現(xiàn)為材料非線性。它有復(fù)雜的加載-卸載曲線。
本篇博文對ANSYS中自帶的例子進(jìn)行講解,說明密封墊片仿真的基本過程。
【問題描述】
在兩個長方體金屬塊之間夾著一塊墊片,其中一個金屬塊固定,另外一個金屬塊承受軸向位移,然后再卸載。本分析的終極目的是考察在此過程中墊片上的壓力的變化過程。
【問題分析】
1. 這是一個靜力學(xué)分析問題,使用靜力學(xué)分析。
2. 使用SOLID185建模兩邊的金屬塊,使用INTER195建模墊片。這里對金屬塊和墊片均只劃分為一個單元,對于該單元采用直接創(chuàng)建的方式,也就是先創(chuàng)建節(jié)點,然后由節(jié)點創(chuàng)建單元。
3. 對墊片的材料定義是比較特殊的部分。這里定義一條加載曲線,而定義5條線性的卸載曲線。
4. 分析中進(jìn)行一次加載,然后卸載。
5. 后處理中考察墊片單元的壓力與 變形的關(guān)系曲線。
6. 本文使用命令流的方式進(jìn)行講解。
【求解過程】
一 建模
1. 定義參數(shù)
從命令窗口中輸入下列命令
n1 = 20
n2 = n1*100
n3 = n1
dis1 = -0.0008
dis2 = -0.000001
pres = 1.0e7
pres2 = 10
pres3 = 1.4E8
dp = -2.0e7
elb = 1.0
elg = 0.1
delta0 = 0.00e-3
stiff0 = 0.0e7
scap = 1.0e-5
上述命令用于定義一些變量,這些變量在下面會用到。
命令運行完畢后在ANSYS的參數(shù)對話框中顯示如下圖
2. 定義材料模型
(1)定義金屬塊的材料模型
繼續(xù)輸入
/prep7
mp,ex,1,2.1E12
mp,nuxy,1,0.0
其中,
第1行:進(jìn)入前處理器。
第2-3行:設(shè)置金屬材料的彈性模量和泊松比。
(2)定義墊片的材料模型
繼續(xù)輸入
tb,gasket,2,,,para
tbdata, 1,delta0,stiff0,scap
這里定義了一種墊片材料,并設(shè)置了它的三個基本特性。
繼續(xù)輸入
tb,gask,2,1,13,comp
tbpt,,0.460800E-03, 0.161226E+07
tbpt,,0.511600E-03, 0.520884E+07
tbpt,,0.562400E-03, 0.113134E+08
tbpt,,0.613200E-03, 0.200499E+08
tbpt,,0.664000E-03, 0.259960E+08
tbpt,,0.714800E-03, 0.290345E+08
tbpt,,0.765600E-03, 0.357453E+08
tbpt,,0.816400E-03, 0.440064E+08
tbpt,,0.867200E-03, 0.563189E+08
tbpt,,0.918000E-03, 0.748254E+08
tbpt,,0.968800E-03, 0.967287E+08
tbpt,,0.101960E-02, 0.129001E+09
tbpt,,0.109326E-02, 0.157147E+09
這用于定義墊片的加載特性曲線。
輸入完畢后查看ANSYS的材料模型對話框,可以看到:里面有了兩種材料
其中第一種是金屬材料,第二種是墊片的材料。第二種材料包含了兩個部分:一般設(shè)置和壓縮特性的設(shè)置。
打開壓縮特性的設(shè)置對話框,顯示如下。這里面顯示的就是剛剛用命令行輸入的數(shù)據(jù)。
單擊graph按鈕,顯示此曲線。
這是按照上述數(shù)據(jù)所繪制的壓力與變形關(guān)系的曲線,也就是加載曲線。
繼續(xù)輸入
tb,gask,2,1,5,lunl
tbpt,,0.460800E-03, 2.430000E+11
tbpt,,0.714800E-03, 3.565000E+11
tbpt,,0.816400E-03, 5.92300E+11
tbpt,,0.968800E-03, 1.088000e+12
tbpt,,0.109326E-02, 1.490000E+12
其中
第1行:指明要定義墊片的5條線性卸載曲線。
第2-6行:依次給出這5條卸載曲線。
命令執(zhí)行完畢后,打開ANSYS的材料模型對話框,顯示如下
可以看到,對于墊片材料,又多了一個線性卸載項。打開該線性卸載對話框,顯示如下
可見,里面有5條曲線。對于每條曲線,是通過一個前面加載曲線上的一個點(橫坐標(biāo)由closure決定)以及斜率(slope)確定。這就是根據(jù)點斜式來確定直線。點擊graph,可以看到曲線如下
上述圖形意味著,加載時候只有一條曲線,材料會沿著此條曲線上升,但是卸載時并不是原路返回。嚴(yán)格說來,從不同的卸載點卸載其曲線并不相同,這里給定了5條曲線。
如果實際卸載點剛好是這五條曲線的卸載點,那么就沿著這幾條曲線卸載;
如果實際卸載點并非剛好這五條曲線的卸載點,ANSYS應(yīng)該根據(jù)該卸載點的位置,基于上述5條曲線進(jìn)行插值,得到一條新的卸載曲線。
3. 創(chuàng)建金屬塊的有限元模型
繼續(xù)輸入
et,1,185
定義金屬塊用SOLID185單元來建模。這是三維的8節(jié)點單元。
繼續(xù)輸入
n,1,
n,2,1.0
n,3,1.0,1.0
n,4,0.0,1.0
ngen,2,4,1,4,,0.0,0.0,elb
ngen,2,8,1,4,,0.0,0.0,elb+elg
ngen,2,12,1,4,,0.0,0.0,2*elb+elg
這用于生成兩個金屬塊的所有角點。輸入完畢后,主窗口顯示如下圖
繼續(xù)輸入
et,1,185,,1
mat,1
e,1,2,3,4,5,6,7,8
e,9,10,11,12,13,14,15,16
其中,
第1行,說明下面準(zhǔn)備使用185單元來建模
第2行,說明下面準(zhǔn)備使用的是金屬材料
第3行,創(chuàng)建一個金屬塊
第4行,創(chuàng)建另外一個金屬塊。
這里只創(chuàng)建了2個單元,每個單元就代表一個金屬塊。對于單元的創(chuàng)建,是直接給出構(gòu)成該單元的8個節(jié)點,然后基于上述節(jié)點創(chuàng)建單元,這就是所謂的直接建模法。
命令執(zhí)行后,主窗口顯示如下圖:
4. 創(chuàng)建墊片的有限元模型
繼續(xù)輸入
et,2,195
type,2
mat,2
e,5,6,7,8,9,10,11,12
其含義很簡單。
就是先創(chuàng)建墊片單元INTER195,然后用墊片單元,墊片材料,使用直接建模法創(chuàng)建兩個金屬塊之間的墊片單元。同樣,也只有一個墊片單元。
命令執(zhí)行后,打開單元的顏色和編號顯示,可以看到主窗口顯示如下圖:
此時已經(jīng)有了3個單元。
5. 施加位移邊界條件
繼續(xù)輸入
nsel,s,loc,z
d,all,uz
是指把Z坐標(biāo)為零的所有節(jié)點,固定其Z方向的位移。
繼續(xù)輸入
nsel,all
nsel,s,loc,x
d,all,ux
是指把X坐標(biāo)為零的所有節(jié)點,固定其X方向的位移。
繼續(xù)輸入
nsel,all
nsel,s,loc,y
d,all,uy
是指把Y坐標(biāo)為零的所有節(jié)點,固定其Y方向的位移。
上述操作,實際上指,在三個做表面XOY,XOZ,XOY內(nèi)的所有節(jié)點,只能在該面內(nèi)移動,而不能離開該做表面。
繼續(xù)輸入
nsel,all
finish
是指,選擇所有的節(jié)點后,退出前處理器。
二 仿真
1. 加載
繼續(xù)輸入
/solu
ANTYPE,STATIC
nsubst,n1,n2,n3
outres,all,all
outres,svar,all
其中,
第1行:進(jìn)入到求解器
第2行:使用靜力學(xué)分析
第3行:指定計算的載荷子步數(shù)目
第4-5行:指定要寫入到數(shù)據(jù)庫的計算數(shù)據(jù)。這里要把所有載荷步的所有數(shù)據(jù)以及狀態(tài)變量都寫入到數(shù)據(jù)庫中。
繼續(xù)輸入
nsel,s,loc,z,elb*2+elg
d,all,uz,dis1
nsel,all
其中,
第1行:說明要選擇一個金屬塊端面上的4個節(jié)點
第2行:給這4個節(jié)點加上強(qiáng)制壓縮位移,大小是dis1 = -0.0008
第3行:選擇所有節(jié)點,以便計算。
上述操作的目的是要給其中一個金屬塊的端面施加強(qiáng)制壓縮位移,位移的大小是0.0008,也就是0.8mm
接著輸入
solve
其含義是開始計算。計算過程中,主窗口顯示計算的收斂情況。
可見,只計算了20載荷子步,結(jié)果就收斂了。20個子步,正是在前面所指定的最小載荷子步數(shù)目。
2. 卸載
計算完畢后,繼續(xù)輸入
nsubst,n1,n2,n3
outres,all,all
outres,svar,all
nsel,s,loc,z,elb*2+elg
d,all,uz,dis2
nsel,all
solve
finish
這里面命令的含義,與前一步相似,不再贅述。唯一需要說明的是,現(xiàn)在是要使得端面位移恢復(fù)到
dis2 = -0.000001
這就意味著卸載。計算過程中,主窗口顯示計算的收斂情況。
可見,只計算了20載荷子步,結(jié)果就收斂了。
三 后處理
繼續(xù)輸入
/post26
esol,2,3, ,s,x,press
esol,3,3, ,epel,x,delta
其含義是:
第1行:進(jìn)入時間歷程后處理器
第2行:取出墊片單元的X方向的應(yīng)力,放入變量2,并將此變量命名為press
第3行:取出墊片單元的X方向的彈性應(yīng)變,放入變量3,并將此變量命名為delta
接著輸入
add,4,2, , ,press,,,-1,
add,5,3,,,delta,,,-1,
其含義是:
第1行:取變量2的數(shù)值的相反數(shù),放入變量4.
第2行:取變量3的數(shù)值的相反數(shù),放入變量5.
上述兩2行的意思是把前面的X方向的應(yīng)力和彈性應(yīng)變反一個符號。這是因為,前面得到的應(yīng)力和應(yīng)變都是負(fù)數(shù),這里都轉(zhuǎn)化為正數(shù),以便下面畫圖。
接著輸入
xvar,5
plvar,4
其含義是:
第1行:取應(yīng)變?yōu)闄M坐標(biāo)
第2行:取應(yīng)力為縱坐標(biāo),繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
執(zhí)行完畢后,結(jié)果如下
這是典型的非線性材料的加載-卸載曲線?？梢钥吹?加載是曲線,而卸載是直線,這與預(yù)先定義的材料曲線是一致的。
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