鋼制方形筒的屈曲分析

2017-09-24 by:CAE仿真在線來源:互聯網

1. 模型描述:

圖 1鋼制方形筒在兩平板間的擠壓

如圖 1所示,為了模擬筒的擠壓,把有質量的剛性平板和筒體綁定(tie)在一塊,以速度8.9408 m/s去撞擊固定剛性平板。在碰撞過程中,筒體會將大量的動能轉化為塑性變形而耗散掉,本文主要用來估計筒體對動能的吸收能力,觀察筒體的后屈曲變形。這個例子的一個實際應用就是汽車中的防撞器。由于筒體變形嚴重,筒體出現自身重疊,發生了嚴重的屈曲。為了更好地模擬筒體的后屈曲變形,可以根據最低階模態設計網格,以便光滑地模擬后屈曲響應。因此在使用abaqus/explicit分析撞擊前,要先用abaqus/standard得到筒的前10階屈曲模態。

2. 分析要點

有質量的剛性板可以創建一個質量點屬性,并把質量點屬性賦予剛性板的參考點。也可以創建一個質量點,把質量點通過分布耦合的方式耦合到筒體上。這樣一個具有較大質量的剛性板與筒體綁定到一塊,以一個較大的速度撞擊另一個固定的剛性板,瞬間巨大的動能轉化為內能,產生嚴重的屈曲。
在撞擊的過程中,筒體經歷大的體積壓縮,筒體內、外表面的任何區域都有可能和其它區域發生接觸。這里使用自接觸和接觸對算法中的雙側面接觸特征來定義碰撞擠壓分析中的接觸條件。
在計算筒的屈曲模態時,載荷類似于在碰撞過程中可能經歷的形式,載荷大小并不重要,abaqus/standard輸出的屈曲載荷值是施加載荷的相對大小,可以在質量剛性平板的參考點上施加F=500N的集中載荷。并且在提交分析前,如圖 2所示,編輯模型關鍵字,MODEL-edit keywords,并選中當前模型。選擇*RESTART塊,單擊add after,在其后添加*node file u,向結果文件中寫入模態分析的位移。
使用屈曲特征模態擾動網格,要選擇擾動量級的大小,以便網格能夠正確地實現后屈曲變形。一般來講,用于不同特征模態的擾動量級分別只有相應結構尺寸(比如殼的厚度)的百分之幾。因為最小特征模態與撞擊關系最密切,所以相應的擾動量級應該最大。增大缺陷因子可以使擠壓過程更加平滑,但另一方面,過大的缺陷因子會使問題脫離實際。當結果具有許多間隔很近的特征值時,它的后屈曲響應對引入的網格缺陷可能是高度敏感的,這種情況下,網格缺陷的微小改變都會引起后屈曲行為的很大變化。此時需要通過敏感性研究以確定實際的網格缺陷。在本實例中,如圖 3所示,第一個特征值比第二個特征值小的多,可以確切的認為第一個特征模態是起主導作用的,雖然第二個和第三個特征值相差很小,但他們與第一個特征值相差很大,對后屈曲的響應沒有太大的影響。引入最大值為殼厚度2%的網格缺陷,由于abaqus/standard放大了屈曲分析中得到的特征值輸出,所以每個模態的最大變形均為1m,選擇缺陷因子為1,將恰好用abaqus/standard輸出的位移擾動網格。如圖4所示,使用關鍵詞(keywords editor)將擾動缺陷引入到后屈曲分析的模型中。

3 . 分析過程

(1)、屈曲模態分析結果

圖 2向結果文件中寫入模態分析位移的關鍵字

圖 3屈曲模態分析結果

(2)、筒的撞擊分析結果

圖 4修改關鍵字引入缺陷因子

圖 5最終變形網格

圖 6沒有引入缺陷因子的變形網格

圖 7偽應變能,動能和塑性耗散能的歷史響應曲線

4 . 結果評價

如圖 5所示,添加了擾動的變形網格產生了光滑的屈曲,而如圖 6所示為沒有引入缺陷因子的分析得到的變形網格,雖然網格細化了,但與圖5相比,沒有擾動的網格產生了尖銳的折疊,變形形狀不符合物理實際。即使引入很小的缺陷因子來擾動網格,都足以使后屈曲行為過程光滑進行。

一種確定能量吸收的方法就是觀察相關能量的歷史曲線,由于大部分能量都以塑性應變的形式耗散,所以繪制了ALLPD曲線,在碰撞過程中整個模型的動能改變較大,所以繪制了ALLKE曲線,為了考證網格的質量,繪制應變能曲線也是有用的。如圖 7所示,創建了三個能量的X-Y曲線。在分析結束時,有3600J的能量以塑性變形形式耗散,模型的動能響應減少了4400 J。在分析結束時的偽應變能是800 J,為內能(4000 J)的20%,高比例的偽應變能說明有必要進一步細化網格進行分析以提高解的質量。

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