Abaqus弹簧仿真(二)-弹簧连接模拟仿真分析

线性弹簧模拟仿真  

    为了模拟弹簧的连接关系，本文设置两个圆柱件，大圆柱固定，小圆柱施加位移并提取约束反力，通过约束反力及位移量来校核弹簧仿真的刚度。

图1.结构建模

    两个柱体材料设置为弹性材料即可(弹性模量210000，泊松比0.3)。然后进入相互作用模块，首先在小圆柱左侧建立一个参考点用于耦合关系的建立、位移约束的添加、以及约束反力的输出，然后建立该点的点集：

图2.参考点及点集的建立

     然后在参考点和小圆柱的左侧面建立耦合约束：

图3.耦合约束的建立

      同理，再建立两个参考点，然后分别和对应的端面建立耦合关系，用于弹簧的连接：

图4.其他耦合关系的建立

1.1第一种线性弹簧的建立

       首先说明下第一种弹簧的建立方式，点击标题栏中的Special,然后选择弹簧阻尼器，然后需要选择两个点：点选中间的两个参考点，完成后点击中键，可以设置弹簧的刚度和阻尼，这里设置弹簧刚度为1000N/mm。

图5.第一种线性弹簧的建立

      通过上图可以看到，这种方式只能设置单一的刚度和阻尼，而非线性属性及预载都不能设置。

      然后设置载荷步，建立静力通用载荷步，没必要开几何大变形，并设置合适的时间步增量，然后建立历史输出，输出最左侧参考点的约束反力。

图6.载荷步及历史输出建立

     载荷边界方面，左端5mm的强制位移约束，右端完全固定约束：

图7.载荷边界设置

      由于本次仿真不关注应力应变，所以简单的画下网格即可：

图8.网格划分

     最后提交计算，计算结果如下：

      从动图上看，小圆柱向左运动了5mm，然后再看下约束反力输出图像：

图9.第一种方式线性弹簧输出的约束反力

      由于运动了5mm，图9中，约束反力由0变到5000N，刚度值为1000N/mm，由此可说明弹簧建立的正确性。

1.2第二种线性弹簧的建立

      第二种方式主要通过连接单元来模拟弹簧的特性。首先复 制一份1.1的模型，将原有弹簧删除。然后在中间的两个参考点间建立线框特性，用于后面的连接单元建立。

图10.线框特性建立

      然后选择连接特性，这里有多种特性可以选择：

图11.连接属性

a.衬套模拟：常用的衬套包含六向的刚度，也就是3向平动和3向转动，所以说仅需要控制1个方向的平动即可模拟弹簧；

b.Basic中的Cartesian：笛卡尔控制也有6向刚度，模拟弹簧只需3向平动刚度中的一个即可；

c.Basic中的Axial：单轴模型具有1向刚度，也可以模拟弹簧的特性。

以衬套为例进行说明：

      进入到衬套连接属性设置后，点击绿色＋号，选择弹性属性，在下面看到可以选择线性或非线性，然后选择3向"刚度"中的一个，这里选择F3(与全局坐标系对应)，然后刚度D33设置为1000。

图12.衬套模拟弹簧属性设置

      然后进行连接属性赋予，将属性赋予前面建立的线框特性，然后选择一个坐标系(与全局坐标系方向一致)：

图13.连接属性赋予

       完成后提交计算，计算结果如下：

      从上图可以看到同样是移动5mm，载荷为5000N，刚度为1000N/mm，衬套模拟正确。其他b、c两种方法类似就不再说明。

非线性弹簧模拟仿真
 

      前面在用衬套模拟弹簧时，可以看到能选择非线性属性，选择后进行力及位移的设置，具体设置如下，图中可以看出力和位移呈现非线性关系，也就是刚度为非线性(实际上就是用分段函数模拟非线性)。

图.14非线性设置

     设置后，提交计算结果如下：

      从上图可以看到，位移值为5mm，且在整个过程中约束反力为分段特性，即表现出非线性，与图14设置的一致。

预载的施加  

      实际上预载是通过调节初始长度来设置，比如说在模型中弹簧连接的两点距离为5mm，但弹簧的初始原长为4mm，那么此时弹簧则被拉伸1mm，表现为有预载拉力；若原长为6mm，则弹簧被压缩1mm，表现为有预载压力。

       前面在bush中，我们添加弹性属性，现在再添加参考长度，也就是类似原长的特性。下图中设置为6mm，而两个圆柱的距离为5mm,则说明此时弹簧具有1000N的预载压力。而向左移动5mm时，最终的约束反力应为4000N

图15.预载设置

      提交计算后，结果如下：下图中可以看到最终的载荷为4000N，与前面分析一致。