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[原创] 基于optistruct的隐式非线性接触分析建模实例

罐头孙 楼主
2022-06-21 10:53 1001352
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基于optistruct的隐式非线性接触分析建模实例

首先介绍部分弹塑性材料相关知识。

     、弹塑性材料模型

首先介绍下OptiStruct中弹塑性材料模型。

弹塑性材料在加载的初始阶段即弹性阶段,应力—应变关系基本呈线性,斜率即弹性模量。但当应力大于屈服应力时,材料进入塑形,若此后继续加载,应力-应变不呈线性关系,一些情况下仍可近似为线性,但斜率与弹性阶段不同。卸载时,卸载曲线和弹性段曲线斜率相同,但完全卸载后,材料将保留永久的塑形变形。这里由于屈服点和比例极限相差较小,故而OptiStruct中设定两者是同一点。OptiStruct中弹塑性材料的应力应变曲线为:

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下面介绍下弹塑性的三要素,即

• 屈服准则

• 流动准则

• 硬化准则

(一) 屈服准则

屈服准则用于预测材料在一定应力下是处于弹性或者塑性状态,即判别材料是否有塑性应变产生。OptiStruct中用到的屈服准则为Mises屈服准则。Mises屈服准则认为,当材料在复杂应力状态下的形状改变能达到单项拉伸屈服时的形状改变能时,材料开始屈服。Mises屈服准则是除了土壤和脆性材料外典型的屈服准则。

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 应力状态在屈服面之内为弹性状态

 应力状态在屈服面上为塑性状态

 应力不会落在屈服面之外

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(二) 流动准则

前面提到一般工程材料当达到一定的应力状态后,即出现塑性流动,呈现材料非线性。流动准则是指当材料发生屈服时,塑性应变增量的方向。OptiStruct中流动准则假定塑性势函数与屈服函数一致,塑性变形增量方向总是沿塑性势法线方向。

(三) 硬化准则

当材料发生屈服卸载后,重新加载,材料将重新屈服,但材料屈服极限提高了,这种现象成为冷作硬化,此时的屈服成为后继屈服。当材料发生硬化后,屈服准则也将发生改变。

OptiStruct中考虑的硬化模型为,各向同性硬化、随动硬化以及混合硬化。在MATS1中控制参数为HR。

1)各向同性硬化:各向同性硬化即材料硬化后,仍保持各向同性。此时屈服半径变大,屈服中心不变。

但此模型无法反应包辛格效应(实验表明:如果材料从塑形段某点卸载到应力为零点后反向加载,应力在低于初始屈服极限时,就开始屈服)。

2)随动硬化(运动硬化):材料从塑形段的某点B开始卸载,一旦降低时,材料就开始反向屈服,以后按塑形加载段规律流动(沿与AB段一样的硬化曲线A’B‘流动)。随动强化模型认为后继屈服在塑形变形方向作刚体平行移动。材料在塑性变形方向屈服极限增加了,而在其相反方向屈服极限降低了,因此可反映包辛格效应。此时屈服半径不变,屈服中心移动。

混合硬化:为了适应材料的一般硬化特性,同时考虑各向同性硬化以及随动硬化。混合硬化准则中,将塑性应变增量分为两部分即与各向同性硬化相关的塑性应变增量以及和随动硬化相关的塑性应变增量。OptiStruct中默认由30%随动强化和70%各向同性强化构成,当然因子可以通过MATS1材料参数中的HR进行调节。随动强化的因子为HR,各向同性强化的因子为1-HR。此时屈服半径及屈服中心都在变化。

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需要注意的是随动硬化和混合硬化仅对实体模型有效。

(四) 增量/全量分析

在进行弹塑性分析时,我们选择进行增量/全量的有限元分析方法。全量分析应变包括弹性和塑性应变,而增量分析中应变仅为塑性应变部分。在OptiStruct中,我们可以通过参数MATS1—TYPSTRN来进行控制。那么对应不同的分析方法,应力应变曲线表格的输入MATS1-TID也是不一样的。

全量分析(TYPSTRN=0)应力应变曲线TABLES1输入

起点:(X1 = 0, Y1 = 0);第二点(X2, Y2)=初始屈服点,且斜率=弹性模量(E)

增量分析(TYPSTRN=1)应力应变曲线TABLES1输入:

起点:(X1=0, Y1 )

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(五) 输出设置

OptiStruct中的弹塑性分析可以在积分点、高斯点、角点输出塑性应变、应力。

等效塑性应变

只要有应变输出要求,都会输出等效塑性应变

塑性应变分量

STRAIN(PLASTIC)=YES

节点塑性应变的输出

GPSTRAIN(PLASTIC) = YES

等效塑性应力

STRESS(VON)=YES

但是需要注意一些限制:

只能输出实体单元的节点塑性应变

只支持静力分析

只能输出到H3D文件

这里需要注意的是,如果加载过程是承接上一步加载,而不是若干个独立的工况,则需要在GLOBAL_CASE_CONTROL这里设置CNTNLSUB,YES。

------------------------------------下面介绍样例------------------------------------------------------------------------

本文以Hypermesh19.0软件为例。

模型共两部分,一部分为实体1,实体2,模拟实体力压缩实体2的过程。

模型创建过程(划分面网格、体网格)这里不一一赘述:

实体1:

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实体2:

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接触面号(定义接触的主从面)

Step 1: 建立材料

弹塑性非线性材料注意红框内设置

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Step 2: 建立属性(section)

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同理,solid2的属性如下

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Step 3: 建立载荷

常规载荷和约束如图:

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建立应力应变曲线:

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Step 4: 建立集合(set)

建立solid1的top和solid2的bottom集合

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Step 5: 建立非线性分析

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Step 6:建立接触(contact)

接触类型选择小滑移,主从接触选择top 和bottom

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Step 7 :设置求解参数

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Step 8 :定义控制和输出(control and output)

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Step 9 :后处理

导入结果

optistruct用户手册文档下载接触位移和接触应力分别如下图所示


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