前面几节介绍了接触分析中一些需要注意的重要问题,本节将给出两个接触分析模型的实例,请读者自己判断模型中是否有错误,如果有错误,应如何改正。随书光盘中给出了错误的和正确的模型文件。
16.3.1 接触分析综合实例1
【综合实例 16-1】
请打开随书光盘以下文件夹中的模型文件:contact-example-1 wrongcontact-exam-ple-1-wrong. cae
这是一个圆柱形刚体下压坯料的平面应变模型,根据对称性,只取右半部分建模(如图16-19所示),分析的目的是获得接触区域的应力分布。请读者检查此模型是否存在错误。
此模型中已经定义了接触分析模型的所有必备参数,看上去似乎一切正常,提交分析作业后,在abaqus/cae中没有出现任何错误信息或警告信息,分析可以顺利完成,在后处理时也可以看到很漂亮的云纹图。但是正如本书导言中所强调过的那样,能够建立模型、完成分析和得到计算结果,并不是就意味着万事大吉了。如果建模方法或模型参数不正确,得到的结果就会是不准确的,有时甚至可能是完全错误的。
仔细检查此模型,可以发现存在以下问题:
1)接触定义中的位置误差限度(adjust参数)过大。在visualization功能模块中显示未变形图,可以看到在初始状态下,坏料顶部有一个节点的坐标发生了变化(如图16-20所示)。这是因为在定义接触时,将位置误差限度设为了0.01,这个值太大(如图16-21所示),其含义为,如果某个从面节点和主面的初始距离小于0.01就改变此节点的坐标,使其恰好位于主面上。
由于模型中的节点坐标可能存在数值误差,使从面节点和主面之间出现一个本不应有的微小距离,因此一般情况下应设置一定的位置误差限度,以保证从面节点和主面在初始状态下就能够相互接触。但本实例中的位置误差限度值设置得太大,造成了不应出现的节点坐标变化。应该将图16-21中的位置误差限度值改为小一些的值,例如0.00001。
图16-20未变形图:在初始状态下,坯料顶部有一个节点的坐标发生了变化
图16-21 接触定义中的位置误差限度设为0.01
2)网格密度。初学者最容易犯的错误就是,不假思索地为整个模型划分均匀的网格。本实例的分析目的是得到接触区域的应力分布,如果在接触区域划分如图16-19所示的粗糙网格,得到的应力结果精度会非常差。正确的做法是,首先为接触部位分割(partition)出形状规则的区域,再分别为不同区域定义不同密度的网格种子(如图16-22所示),从而生成局部细化的高质量网格(如图16-23所示)。
图16-22为接触部位分割出形状规则的区域,再分别为不同区域定义不同密度的网格种子
图16-23局部细化的高质量网格
3)单元类型。在visualization功能模块中显示变形图,可以看到单元变为交替出现的梯形形状(如图16-24所示),这说明模型中的减缩积分单元cpe4k出现了沙漏模式的数值问题,本书第9.2.1节“沙漏模式”详细介绍了相关知识。
选择菜单result→historyouiput,绘制伪应变能allae和内能allie的曲线,可以看到在分析结束时,伪应变能为60921.6,内能为1.24224c7,伪应变能为内能的0.5%。尽管这个比例小于1%,但单元已经出现了交替出现的梯形形状,这仍然是一种不正常的位移结果正确的做法是,将单元类型改为非协调模式(incompatiblemodes)单元cpe4i。使用非协调模式单元时,应尽量保证关键区域的单元形状是矩形的,否则会影响结果的计算精度。
4)对称边界条件。坯料左侧没有定义边界条件,既然是根据对称性只取一半建模,就必须在对称面上定义对称边界条件xsymm。
那么如果此模型不是1/2坯料,图16-19中的左侧边就是坯料本身的边界,是否就没有问题了呢?这时模型就存在另外一个问题,坯料左上角的节点是自由的,在刚体的挤压下会移动到刚体表面的上方,出现穿透现象。产生这种问题的原因是,模型违反了一个接触分析的重要原则:从面节点在分析过程中应该始终处于主面法线的覆盖范围之内,而不能落到主面之外。
因此,如果不是对称模型,就必须把刚体圆弧的左端画得更长一些,以保证坯料左上角的节点始终处于主面的覆盖范围之内。
5)刚体参考点的位置。模型中的刚体参考点没有位于刚体圆弧的圆心处。此模型中的刚体只发生平动,因此刚体参考点的位置不会影响分析结果。假如刚体会发生转动,刚体参考点就必须位于转动的轴心处。因此建议读者在建模时养成习惯,让刚体参考点位于刚体形心的位置,或载荷合力的作用点上。
题:
随书光盘的以下文件夹中提供了正确的模型文件,其中更正了上述5个方面的问
contact-example-1correctcontact-example-l-correct. cae
(内容、图片来源:《abaqus有限元分析常见问题解答》,侵删)
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