搜索基于ANSYS APDL的兩端固定桿的單元生死仿真（適用鉆孔、隧道開挖、金屬切削等類似問題）
2017-03-11 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
如何在ANSYS中模擬鉆孔,隧道開挖,金屬切削這種類似的問題呢?
在金屬切削過程中,表層的金屬離開了表層,然后從模型中消失。對于這種問題,ANSYS提供了幾種支持,其中一種就是生死單元的方法。
使用這種方法,就是在適當?shù)臅r候,當滿足某種準則的時候,殺死那些不需要的單元,然后接著進行仿真。如果有必要的話,也可以在適當?shù)臅r候復活這些單元。
ANSYS中對于生死單元的例子很少。筆者遍歷了其幫助,也只找到一個例子。本文就同朋友們一起欣賞這個例子,看看ANSYS是如何使用生死單元來解決這種工程問題的。
一根兩端固定的桿如下圖所示。
材料數(shù)據(jù)如下
為了闡述如何使用ANSYS的單元生死技術,決定把該桿等分為3個單元,然后通過控制中間單元的生死,進行如下的熱應力仿真
(1)設置所有單元的材料參考溫度是0度,給所有節(jié)點施加100度,并保持所有單元都存活,做1次仿真
(2)設置所有單元的材料參考溫度是0度,給所有節(jié)點施加100度,殺死中間單元,做1次仿真
(3)設置其它單元的材料參考溫度是0度,給所有節(jié)點施加100度,激活中間單元,并設置該單元的材料參考溫度是100度,做1次仿真
(4)設置其它單元的材料參考溫度是0度,給所有節(jié)點施加0度,保持中間單元存活,并設置該單元的材料參考溫度是100度,做1次仿真
通過上述四次仿真,以說明
(1)如何使用單元的生死技術
(2)當單元激活時,會根據(jù)節(jié)點溫度和該單元的材料參考溫度之差來確定它的初始熱應變。
1.該例子來自于ANSYS15 APDL的認證算例《VM194 Element Birth/Death in a Fixed Bar》為了更清晰的闡明思路,本文對其進行了較大幅度的調(diào)整。
2.單元生死技術的使用,關鍵是首先要創(chuàng)建出所有的單元,然后在需要殺死改單元時使用EKILL命令,而在需要激活時使用ELIVE命令。
3.使用LINK180來建模桿。
4.創(chuàng)建2種材料。這兩種材料的彈性模量和泊松比一樣,但是參考溫度不一樣。一個參考溫度是0度,一個是100度。
5.先創(chuàng)建4個節(jié)點,然后創(chuàng)建3個單元。
6.固定兩個端節(jié)點,并給所有節(jié)點固定Z方向自由度,借此模擬二維桿件。
7.按照題目要求進行先后四次的計算和后處理,以考察生死單元的使用。
8.本文采用APDL命令進行講解。
1. 建模
1.1 創(chuàng)建單元類型
在命令窗口輸入
/PREP7
ET,1,LINK180
上述命令首先進入到前處理器,然后創(chuàng)建桿單元LINK180,該單元用于模擬二力桿。
1.2 設置材料模型
在命令窗口輸入
MP,EX,1,30E6
MP,ALPX,1,.00005
上述命令定義了材料1的彈性模量和線膨脹系數(shù)。這里并沒有定義泊松比,它的默認值是0.3.
在命令窗口輸入
MP,EX,2,30E6
MP,ALPX,2,.00005
MP,REFT,2,100
上述命令定義了材料2,該材料的彈性模量和線膨脹系數(shù)與材料1一致,但是其參考溫度是100。該材料會用在下面的生死單元上面,設定100的參考溫度,是為了顯示單元復活時,它的初始應變是重新計算的。
1.3 設置截面
在命令窗口輸入
SECTYPE,1,LINK
SECDATA,1
上述命令首先定義了桿的截面是LINK,然后定義該LINK的截面積是1.
1.4 創(chuàng)建節(jié)點
在命令窗口輸入
N,1
N,4,10
FILL
上述命令創(chuàng)建了4個節(jié)點。結果如下圖
1.5 創(chuàng)建單元
在命令窗口輸入
E,1,2
EGEN,3,1,-1
上述命令生成了三個單元。要注意,這三個單元都是用的第一種材料。換一句話說,它們的材料類型是一致的。創(chuàng)建完畢后結果如下圖:
1.6 創(chuàng)建邊界條件
在命令窗口輸入
D,1,ALL,,,4,3
D,ALL,UZ
FINISH
上述命令
首先固定了邊界上兩個節(jié)點,使其成為兩端固定的桿件
然后對所有節(jié)點約束其Z方向的自由度
最后退出前處理器
結果如下圖
2. 第一次分析
在命令窗口輸入
/SOLU
ANTYPE,STATIC
NROPT,FULL
OUTPR,BASIC,ALL
上述命令進入到求解器,然后設置靜力學分析,并設置使用完全的牛頓-拉普森算法求解方程組,最后指出要輸出常用的數(shù)據(jù)。
在命令窗口輸入
TREF,0
TUNIF,100
SOLVE
上述命令
首先設置參考溫度是零度
接著給所有節(jié)點施加100度
然后求解。
由于節(jié)點溫度高于參考溫度,所以3個單元均有伸長的趨勢,可惜兩端被固定,于是產(chǎn)生了壓縮應變。
在命令窗口輸入
/post1
PRESOL,EPTH,COMP
上述命令進入到后處理器,并列出了各單元節(jié)點的熱應變。
可以看到,每個單元節(jié)點均處于被壓縮狀態(tài)。這是由于其伸長趨勢受阻礙而產(chǎn)生的。
3. 第二次分析
在命令窗口輸入
/SOLU
EKILL,2
SOLVE
上述命令
進入到求解器
殺死了2號單元,就是中間這個單元
然后求解
由于中間單元殺死,它的變形數(shù)據(jù)會消失,但是兩邊的單元仍然是存活的,它們依然有應變。
在命令窗口輸入
/post1
PRESOL,EPTH,COMP
上述命令進入到后處理器,并列出了各單元節(jié)點的熱應變。
可見,由于中間單元被殺死,它的熱應變就消失了。一個單元被殺死,就好像人死了一樣,無論這個世界如何變化,它不會再有任何反應。
要注意的是,此時每個節(jié)點溫度依然是100度,參考溫度仍然是0度。
4. 第三次分析
在命令窗口輸入
/SOLU
EALIVE,2
MPCHG,2,2
SOLVE
上述命令
首先進入處理器
然后讓2號單元復活
接著改變了2號單元的材料,使得它的材料是2號材料
然后開始求解
要注意的是,此時1,3號單元使用的是1號材料,而2號單元使用的是2號材料
2號材料的參考溫度是100度,而1號材料的參考溫度是0度,現(xiàn)在每個節(jié)點溫度依然是100度
這樣,雖然2號單元復活,但是因為它的節(jié)點溫度等于它所屬材料的參考溫度,因此它不會有應變;
而1,3號單元所屬的1號材料參考溫度0度,節(jié)點溫度100度,存在溫度差,所以這兩個單元依舊會有應變。
在命令窗口輸入
/post1
PRESOL,EPTH,COMP
上述命令進入到后處理器,并列出了各單元節(jié)點的熱應變。
可見,此時的結果與上一步驟的分析一樣,單元2依然沒有應變。
但是要注意,本次分析與上次分析有重要的不同。
本次分析2號單元是活的,只是因為情況特殊,它對外界的反應暫時是0!而上次分析單元是死的,無論外界是什么情況,它的反應永遠是0!
5. 第四次分析
在命令窗口輸入
/SOLU
TUNIF,0
SOLVE
上述命令
再次進入到求解器
然后設置所有節(jié)點溫度是0度
然后開始求解
此時。由于1,3號單元的節(jié)點溫度就等于參考溫度,所以這兩個單元沒有熱應變;而2號單元的節(jié)點溫度高于參考溫度,所以2號單元會有熱應變
在命令窗口輸入
/post1
PRESOL,EPTH,COMP
上述命令進入到后處理器,并列出了各單元節(jié)點的熱應變。
可見只有2號單元有熱應變。注意上述應變的符號與前面應變的符號相反,這是因為該單元相當于從100度降低到0度,是溫度降低要收縮,但是這種趨勢被阻止,所以產(chǎn)生了拉伸應變,因而與前面的壓縮應變符號相反。
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