本文分享一个非线性分析案例,涉及到了材料非线性、接触和几何非线性。
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本例模型如下所示,模型包括一个圆环和一个锥形头,均为钢材,假定为Q235。分析边界条件:圆环与锥形头未接触一侧固定,锥形头圆形平面一侧施加1mm的位移。

可以看到,该模型为一个轴对称模型,为减小计算量,我们可以采用1/2,1/4,1/8,2D轴对称等模型。本例采用2D轴对称模型。
为此,我们按照对应尺寸建立如下2D轴对称模型。建模时需注意,ansysworkbench中二维轴对称模型,软件要求对称轴必须为整体坐标系下的y轴,因此在建模时,必须以y轴为对称轴建模,如下图所示。

图2 模型简化为2D
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模型建立后,进入材料模块定义Q235材料,如下图。本例中,圆环与锥形头之间的初始为线–面接触,对应2D模型变为了点–线接触。不论是三维还是二维,很明显接触部位一旦在外力作用下受到挤压,势必会造成接触处网格的大变形,接触压力较大,真实材料会产生塑性变形。
如果我们采用线弹性模型,计算出来的结果不能反应真实情况。因此,在材料定义时,我们需要采用弹塑性本构,以便更真实反应应力、应变等情况。本例中我们采用Multilinear Isotropic Hardening(多线性等向强化模型),如下图。



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一、材料分配及轴对称设置
在进入model模块分析前需单击geometry模块,然后再右侧的属性栏中将分析改为2D,如图4。这样在后续分析才能设置二维轴对称。
图4 更改为2D分析



二、网格划分
三、接触设置





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下图为本例变形计算结果,由于边界条件施加了1mm的位移,因此最大变形也是1mm。从变形结果可以看到,在锥形头的挤压下,圆环被挤压处出现了明显的滑动和上翘,接触部位未产生明显穿透,符合实际变形特征。

下图为本例米塞斯应力结果,可以看到挤压部位出现了明显塑性变形,最大应力就是材料塑性应变曲线中的最大应力,即505MPa。



同时,也可以看到,圆环挤压部位网格出现明显的畸变。如果我们将位移边界条件加大,重新计算可能会导致不收敛的情况。如果出现挤压大变形,这种情况就可以在计算过程中利用软件的自适应网格技术(Nonlinear AdaptiveRegion),在计算过程中重新划分网格,以帮助收敛。
下图为本例计算的稳定能和应变能结果。可以看到,挤压部位最大稳定能为4.097mJ,应变能为740.02mJ。由于稳定能用于帮助收敛,是伪应变能,必须尽量小,一般不允许超过总应变能的10%,有些时候甚至需要控制在5%以下,才认为计算可靠。本案例中,稳定能仅占应变能的4.097/740.02=0.55%,可以认为计算是可靠的。

图19 稳定能结果

图20 应变能结果
下图为本例等效应力结果的平均和非平均结果。应力平均结果代表的是节点应力,非平均代表单元应力。理论上,准确的结果下,平均和非平均的结果应当一致,但数值计算实际上存在一定差异,只要两者的结果偏差在5%以内,我们就可以认为计算结果是准确的。从图21可以看到,本例的等效应力平均和非平均结果很接近的。


图21 等效应力的平均和非平均结果
下图为本例边界条件处的反力结果,可以看到最大反力为25.08kN,相当于锥形头平面端部最大施加了25080/(3.14*14.14∧2)=39.95MPa的压力。


图22 力–位移曲线
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