Ansys非线性分析综合应用实例.docx

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Ansys非线性分析综合应用实例

第25例非线性分析综合应用实例----钢板卷制成圆筒

本例介绍了综合利用ANSYS非线性分析功能模拟将钢板卷制成圆筒的方法和步骤。

25.1问题描述

将钢板卷制成圆筒一般要使用卷板机。

图25-1所示为对称式三辊卷板机，该机器将钢板卷制成圆筒时分为三个步骤：

首先，上辊下降使钢板发生挠曲，钢板挠曲线的最低点首先发生屈服；然后，下辊转动驱动钢板向前移动，使钢板各点发生同样的屈服形成圆筒；最后，圆筒卷制完成，上辊上升卸下筒体。

图25-1对称式三辊卷板机

用ANSYS模拟将钢板卷制成圆筒，相应地也分为三个步骤。

由于第二个步骤需要模拟上、下辊转动，而ANSYS的SOLIDn单元不支持大转动，位移边界条件不能施加大的转动角度，所以上、下辊需要用壳单元建立有限元模型。

上、下辊与钢板的作用需要用接触模拟，钢板卷制成圆筒材料发生屈服，产生大变形，所以钢板卷制成圆筒包括状态非线性、材料非线性和结构非线性三种非线性。

用ANSYS模拟将钢板卷制成圆筒，计算结果可以得到圆筒直径与上辊下压量的关系，上、下辊受力大小，上、下辊的变形，下辊驱动力矩及卸载回弹等重要数据。

因为分析过程复杂，步骤较多，所以本例只采用命令流法执行命令。

25.2命令流

/CLEAR!

清除数据库，新建文件

/FILNAM,EXAMPLE25!

指定任务名为 »EXAMPLE25“

/CONFIG,NRES,2000!

设置最大子步数

!

前处理

/PREP7!

进入前处理器

/PNUM,VOLU,ON!

打开体号

ET,1,SHELL181!

选择单元类型，壳单元用于划分上、下辊

ET,2,SOLID186!

实体单元用于划分钢板

MP,EX,1,2E11!

定义材料模型1的弹性模量

MP,DENS,1,7800!

定义材料模型1的密度

MP,NUXY,1,0.3!

定义材料模型1的泊松比

MP,EX,2,2E11!

定义材料模型2的弹性模量

MP,DENS,2,7800!

定义材料模型2的密度

MP,NUXY,2,0.3!

定义材料模型2的泊松比

TB,BKIN,2,1

TBTEMP,0

TBDATA,,240E6,0!

定义材料模型2的屈服极限、切向模量

SECTYPE,1,SHELL!

定义截面

SECDATA,0.02!

壳厚度

CYLIND,0.38/2,0,0.2,1.7,0,360!

创建上辊，圆柱体

CYLIND,0.38/4,0,0.2,0,0,360

CYLIND,0.38/4,0,1.7,1.9,0,360

VGLUE,ALL!

黏结

VSEL,NONE

WPOFF,0.54/2,-0.37!

偏移工作平面原点到右下辊中心

CYLIND,0.3/2,0,0.2,1.7,0,360!

创建右下辊，圆柱体

CYLIND,0.3/4,0,0.2,0,0,360

CYLIND,0.3/4,0,1.7,1.9,0,360

VGLUE,ALL

VSEL,NONE

WPOFF,-0.54!

偏移工作平面原点到左下辊中心

CYLIND,0.3/2,0,0.2,1.7,0,360!

创建左下辊，圆柱体

CYLIND,0.3/4,0,0.2,0,0,360

CYLIND,0.3/4,0,1.7,1.9,0,360

VGLUE,ALL

ALLS!

选择所有实体

VDELE,ALL!

删除体，但保留面，

HPTCREATE,AREA,5,,COORD!

在上辊端面中心处创建硬点

HPTCREATE,AREA,10,,COORD,0,0,1.9

HPTCREATE,AREA,34,,COORD,-0.54/2,-0.37,1.9!

在左下辊端面中心处创建硬点

HPTCREATE,AREA,29,,COORD,-0.54/2,-0.37,0

HPTCREATE,AREA,22,,COORD,0.54/2,-0.37,1.9!

在右下辊端面中心处创建硬点

HPTCREATE,AREA,17,,COORD,0.54/2,-0.37,0

MAT,1!

为上、下辊划分单元指定属性，材料模型

TYPE,1!

单元类型

SECN,1!

壳横截面

ESIZE,0.04!

指定单元边边长度

SMRTSIZE,7!

指定智能尺寸级别

MSHAPE,1!

指定单元形状为三角形

AMESH,ALL!

对所有面划分单元

BLOCK,0.7,-0.5,0.3/2,0.3/2+0.03,0.5,1.4!

创建钢板，块

LESIZE,96,,,2!

指定线96（钢板厚度）被划分为两段

MAT,2!

为钢板划分单元指定属性

TYPE,2

MSHKEY,1!

映射网格

MSHAPE,0!

指定单元形状为六面体

ESIZE,0.05!

指定单元边长度

VMESH,ALL!

对块划分网格

ET,4,TARGE170!

指定单元类型，用于创建接触对

ET,5,CONTA174,,,,,1

KEYOPT,5,12,1!

设置单元5接触表面无滑动

R,10,,,0.1!

定义实常数，KFN==0.1

R,11,,,0.1

R,12,,,0.1

ASEL,S,,,40!

在钢板上表面和上辊表面建立接触对

NSLA,S,1

NSEL,U,LOC,Z,0.8,1.1

MAT,3

REAL,10

TYPE,4

ESURF

ALLS

ASEL,S,,,3,4,1

NSLA,S,1

NSEL,U,LOC,Z,0.2,0.5

NSEL,U,LOC,Z,0.8,1.1

NSEL,U,LOC,Z,1.4,1.7

MAT,3

REAL,10

TYPE,5

ESURF

ALLS

ASEL,S,,,39！

在钢板下表面和左下辊表面建立接触对

NSLA,S,1

NSEL,U,LOC,Z,0.8,1.1

MAT,4

REAL,11

TYPE,4

ESURF

ALLS

ASEL,S,,,27,28,1

NSLA,S,1

NSEL,U,LOC,Z,0.2,0.5

NSEL,U,LOC,Z,0.8,1.1

NSEL,U,LOC,Z,1.4,1.7

MAT,4

REAL,11

TYPE,5

ESURF

ALLS

ASEL,S,,,39

NSLA,S,1!

在钢板下表面和右下辊表面建立接触对

NSEL,U,LOC,Z,0.8,1.1

MAT,4

REAL,12

TYPE,4

ESURF

ALLS

ASEL,S,,,15,16,1

NSLA,S,1

NSEL,U,LOC,Z,0.2,0.5

NSEL,U,LOC,Z,0.8,1.1

NSEL,U,LOC,Z,1.4,1.7

MAT,4

REAL,12

TYPE,5

ESURF

ALLS

FINI

!

首先模拟下辊不动，上辊下降

/SOLU!

进入求解器

D,ALL,UZ!

在所有节点点上施加约束

D,ALL,ROTX

D,ALL,ROTY

NSEL,S,LOC,X!

选择上辊轴线上的节点

NSEL,R,LOC,Y

D,ALL,UY,-0.03!

施加约束，上辊下降0.03m

D,ALL,UX

D,ALL,UZ

ALLS

CSYS,4!

激活工作平面坐标系

ASEL,S,LOC,Y,-2,0.3/2!

选择下辊上的所有面

ASEL,U,,,39

NSLA,S,1!

选择下辊上的所有节点

D,ALL,ALL!

约束掉所有自由度

ALLS

ANTYPE,TRANS!

瞬态分析

LNSRCH,ON!

打开线性搜索

NLGEOM,ON!

打开大变形选项

TIME,1!

指定载荷步时问

AUTOT,ON!

打开自动载荷步长

NSUBST,15,20,10!

指定子步数目

KBC,0!

斜坡载荷

OUTRES,ALL,ALL!

输出所有子步所有项旧的结果

SOLVE!

解答

!

以下模拟下辊转动，驱动钢板前进

CSYS,4

ASEL,S,LOC,Y,-2,0.3/2!

选择下辊上的所有面

ASEL,U,,,39

NSLA,S,1!

选择下辊上的所有节点

DDELE,ALL,ALL!

删除上一载荷步施加在下辊上的所有约束

ALLS

D,ALL,UZ!

在所有节点上施加约束

D,ALL,ROTX

D,ALL,ROTY

NSEL,S,LOC,X,0!

选择左下辊轴线上的所有节点

NSEL,R,LOC,Y

D,ALL,ROTZ,-3.1415926/2!

转动1/4周

D,ALL,UX!

约束掉移动

D,ALL,UY

ALLS

WPOFF,0.54!

偏移工作平面

NSEL,S,LOC,X,0!

选择右下右下辊轴线上的所有节点

NSEL,R,LOC,Y

D,ALL,UX!

约束掉移动

D,ALL,UY

D,ALL,ROTZ,-3.1415926/2!

转动1/4周

TIME,2

ALLS

KBC,0

NSUBST,800,1000,300

SOLVE!

解答

!

模拟卸载

ACEL,0,9.8!

施加重力加速度

CSYS,0!

激活全球直角坐标系

NSEL,S,LOC,X!

选择上辊轴线上的所有节点

NSEL,R,LOC,Y

D,ALL,UY,0!

上辊向上移动，卸载

D,ALL,UX

D,ALL,UZ

D,ALL,ROTX

D,ALL,ROTY

ALLS

KBC,0

NSUBST,20,300,10

TIME,2.1

SOLVE

FINI

!

查看结果

/POST1

SET,LAST!

读最后载荷子步计算结果

PLNS,U,SUM!

变形云图

ANTIME,50,0.5,,1,2,0,2.1!

用动画查看卷制圆筒过程中的变形情况

FINI

图25-2钢板卷制成圆的变形分布情况

第26例非线性分析综合应用实例—冲击

本例介绍了一个综合应用材料非线性、状态非线性和结构非线性研究冲击过程力学行为的实例。

26.1问题描述

为了研究装载时矿石对矿用载重车车厢的冲击作用，可以建立如图26-1所示的简化模型。

由于冲击只作用于车厢底板，所以忽略车厢其余部分，车厢悬挂系统用弹簧模拟。

现用有限元法分析矿石以一定速度v撞击时车厢的应力、应变和变形，以研究车厢的强度和刚度特性。

图26-1冲击作用简化模型

26.2分析步骤

26.2.1改变任务名

拾取菜单UtilityMenu→File→ChangeJobname，弹出如图26-2所示的对话框，在“[/FILNAM]”文本框中输入EXAMPLE26，单击“OK”按钮。

图26-2改变任务名对话框

26.2.2选择单元类型

拾取菜单MainMenu→Preprocessor→ElementType→Add/Edit/Delete，弹出如图26-3所示的对话框，单击“Add…”按钮，弹出如图26-4所示的对话框，在左侧列表中选“StructuralSolid”，在右侧列表中选“Brick8node185"，单击“APPLY”，—表中选“StructuralShell”，在右侧列表中选“3D4Node182”，单击“Apply”按钮；再在左侧列表中选“Combination”，在右侧列表中选“Spring-damper14”，单击“Apply”按钮；再在左侧列表中选“Contact”，在右侧列表中选“4ndsurf173”，单击“Apply”按钮；再在左侧列表中选“Contact”，在右側列表中选“3Dtarget170”，单击“OK”按钮；单击如图26-3所示对话框中的“Close”按钮。

图26-3单元类型对话框

图26-4单元类型库对话框

26.2.3定义材料模型

拾取菜单MainMenu→Preprocessor→MaterialProps→MaterialModels，弹出如图26-5所示的对话框，在右侧列表中依次拾取“Structural”、“Linear”、“Elastic”、“Isotropic”，弹出如图26-6所示的对话框，在“EX”文本框中输入2ell（弹性模量），在“PRXY”文本框中输入0.3（泊松比），单击“OK”按钮；再在如图26-5所示的对话框的右侧列表中依次拾取”Structural”、”Nonlinear”、”Inelastic”、"RateIndependent"、“KinematicHardeningPlasticity”、“MisesPlasticity”、“Bilinear”，弹出如图26-7所示的对话框，在“YieldStss”文本框中输入240e6（屈服极限），在“TangMods”文本框中输入2e8（切线模量），单击“OK”按钮；再在图26-5所示的对话框的右侧列表中依次拾取“Structural”、“Density”，弹出如图26-8所示的对话框，在“DENS”文本框中输入7800（密度），单击“OK”按钮；然后关闭图26-5所示的对话框。

图26-5材料模型对话框

图26-6材料特性对话框

图26-7材料特性对话框

图26-8材料特性对话框

26.2.4定义壳单元的截面

拾取菜单MainMenu→Preprocessor→Sections→Shell→Lay-up→Add/Edit，弹出如图26-9所示的对话框，在“Thickness”文本框中输入0.06（壳厚度），单击"OK”按钮。

图26-9定义壳单元截面对话框

26.2.5定义实常数

拾取菜单MainMenu→Preprocessor→RealConstants→Add/Edit/Delete，弹出如图26-10所示的对话框，单击“Add…”按钮，弹出如图26-11所示的对话框，在列表中选择“Type3COMBIN14”，单击“OK”按钮，弹出如图26-12所示的对话框，在“K”文本框中输入100000（弹簧刚度），单击“OK”按钮；返回到图26-10所示的对话框，再次单击“Add…”按钮，再在图26-11所示的对话框列表中选择“Type4CONTA173”，弹出如图26-13所示的对话框，在“FKN”文本框中输入0.01（法向接触刚度因子），单击"OK”按钮，返回到图26-10所示的对话框，单击“Close”按钮。

图26-10定义实常数对话框

图26-11选择单元类型对话框

图26-12实常数对话框

图26-13实常数对话框

26.2.6改变视点

拾取菜单UtilityMenu→PlotCtrls→PanZoomRotate，在弹出的对话框中，单击“Iso”按钮，或者单击图形窗口右侧显示控制工具条上的剧按钮。

图26-14创建关键点对话框

26.2.7创建关键点

拾取菜单MainMenu→Preprocessor→Modeling→Create→Keypoints→InActiveCS,弹出如图26-14所示的对话框，在“NPT”文本框中输入1，在“X，Y，Z”文本框中分别输，入-0.8，0，-1.5，单击“Apply”按钮；在“NPT”文本框中输入2，在“X，Y，Z”文本框中别输入—0.8,0，1.5，单击“Apply”按钮；在“NPT”文本框中输入3，在“X,Y，Z”文本框中分别输入0.8,0，1.5，单击“Apply”按钮；在“NPT”文本框中输入4，在“X,Y，Z”文本框中分别输入0.8，0，-1.5，单击“OK”按钮。

26.2.8由关键点创建面

拾取菜单MainMenu→Preprocessor→Modeling→Create→Areas→Arbitrary→ThroughKPs，弹出拾取窗口，依次拾取上一步创建的关键点1，2，3，4，单击“OK”按钮。

26.2.9对面划分单元

拾取菜单MainMenu→Preprocessor→Meshing→MeshTool，弹出如图26-15所示的对话框。

选择“ElementAttributes”的下拉列表框为“Areas”，单击下拉列表框后面的“Set”按钮，弹出拾取窗口，选择上一步创建的面1，单击拾取窗口的“OK”按钮，弹出“AreasAttributes”对话框，选择“TYPE”下拉列表框为2SHELL181，选择"SECT”下拉列表框为1，单击"OK"按钮。

单击“SizeControls”区域中“Global”后面的“Set”弹出如图26-16所示的对话框，在“SIZE”文本框中输入0.08，单击“OK”按钮；在图26-15所示的对话框的“Mesh”区域，选择单元形状为“Quad”（四边形），选择划分单元的方法为“Mapped”（映射），单击"Mesh”按钮，弹出拾取窗口，拾取面1，单击“OK”按钮。

图26-15划分单元对话框

图26-16总体单元尺寸对话框

26.2.10创建块

拾取菜单MainMenu→Preprocessor→Modeling→Create→Volumes-→Block→ByDimension，弹出如图26-17所示的对话框，在“Xl，X2”文本框中分别输入-0.1，0.1，在“Y1，Y2”文本框中分别输入0.001，0.201，在“Z1，22”文本框中分别输入-0.1，0.1，单击"OK”按钮。

26.2.11对体划分单元

拾取菜单MainMenu→Processor→Meshing→MeshTool，弹出如图26-15所示的对话框。

选择“ElementAttributes”下拉列表框为“Volumes”，单击下拉列表框后面的“Set”按钮，弹出拾取窗口，选择上一步创建的体1，单击拾取窗口的“OK”按钮，弹出“VolumeAttributes”对话框，选择“TYPE”下拉列表框为1SOLID185，单击“OK”按钮。

图26-17创建块对话框

单击“SizeControls”区域中“Global”后面的“Set”按钮，弹出如图26-16所示的对话框，在“SIZE”文本框中输入0.05，单击“OK”按钮；在图26-15所示的对话框的“Mesh”区域，选择实体类型为“Volumes”，选择单元形状为“Hex”（六面体），选择划分单元的方法为“Mapped”（映射），单击“Mesh”按钮，弹出拾取窗口，拾取体1，单击“OK"按钮，关闭图26-15所示的对话框。

26.2.12创建节点

拾取菜单MainMenu-→Preprocessor→Modeling→Create→Nodes→InActiveCS，弹出如图26-18所示的对话框，在“NODE”文本框中输入950，在“X，Y，Z”文本框中分别输入-0.8，-0.5，-1.5，单击“Apply”按钮；在“NODE”文本框中输入951，在“X，Y，Z”文本框中分别输入0.8，-0.5，-1.5，单击“Apply”按钮；在“NODE”文本框中输入952，在“X，Y，Z”文本框中分别输入0.8，-0.5，1.5，单击“Apply”按钮；在“NODE”文本框中输入953，在“X，Y，Z”文本框中分别输入-0.8，-0.5，1.5，单击“OK”按钮。

图26-18创建节点对话框

26.2.13为下面所创建单元指定属性

拾取菜单MainMenu→Preprocessor→Modeling→Create→Elements→ElemAttributes,弹出如图26-19所示的对话框，选择下拉列表框“TYPE”为“3COMBIN14”，选择下拉列表“REAL"为“1”，单击“OK”按钮。

图26-19单元属性对话框

26.2.14显示节点号

拾取菜单UtilityMenu→PlotCtrls→Numbering,在弹出的“PlotNumberingControls”对话框中将NodeNumbers（节点号）打开，单击“OK”按钮。

26.2.15创建弹簧单元

拾取菜单MainMenu→Preprocessor→Modeling→Create→Elements→AutoNumbered→Nodes，弹出拾取窗口，拾取节点1和950，单击拾取窗口的“Apply”按钮，于是在节点1和950之间创建了一个弹簧单元，重复以上过程，在节点60和951、40和952、2和953之间分别创建单元，最后关闭拾取窗口。

26.2.16选择弹簧单元的固定端节点

拾取菜单UtilityMe→Select→Entities，弹出如图26-20所示的对话框，在各下拉列表框、文本框、单选按钮中依次选择或输入“Nodes”、“ByNum/Pick”、“FromFull”，单击“Apply”按钮，弹出如图26-21所示的拾取窗口，在键盘输入区域选择“Min，Max，Inc”，在输入框中输入950，953，1，单击“OK”按钮。

26.2.16选择弹簧单元的固定端节点

拾取菜单UtilityMenu→Select→Entities，弹出如图26-20所示的对话框，在各下拉列表框、文本框、单选按钮中依次选择或输入“Nodes”、“ByNum/Pick”、“FromFull”，单击“Apply”按钮，弹出如图26-21所示的拾取窗口，在键盘输入区域选择“Min，Max，Inc”，在输入框中输入950，953，1，单击。

“OK”按钮。

26.2.17在弹簧固定端节点上施加约束

拾取菜单MainMenu→Preprocessor→Loads→DefineLoads→Apply→Structural→Displacement→OnNodes，弹出拾取窗口，单击“PickAll”按钮，弹出如图26-22所示的对话框，在“Lab2，，列表中选择“AllDOF”，单击“OK”按钮。

26.2.18选择所有

拾取菜单UtilityMenu→Everything。

以下在矿石底面和车厢底面之间创建接触对。

图26-20选择实体对话框

图26-21拾取窗口

图26-22在节点上施加约束对话框

26.2.19选择车厢底面上的接触节点