彈性筒夾變形分析

1、 UGS Corp. 2007. All rights reserved.彈性筒夾變形分析彈性筒夾變形分析問題描述問題描述 本實例以彈性筒夾在受壓后發(fā)生大變形為研究對本實例以彈性筒夾在受壓后發(fā)生大變形為研究對象，圖象，圖11-4所示為彈性筒夾的裝配主模型，工作時彈所示為彈性筒夾的裝配主模型，工作時彈性筒夾不動，將壓套壓向筒夾下端剖開的錐面（錐面性筒夾不動，將壓套壓向筒夾下端剖開的錐面（錐面總長為總長為20mm，錐度為，錐度為30），使得均布的三瓣錐面），使得均布的三瓣錐面產(chǎn)生大變形，徑向向內(nèi)壓縮，從而夾緊放入其孔內(nèi)的產(chǎn)生大變形，徑向向內(nèi)壓縮，從而夾緊放入其孔內(nèi)的工件。因此需要計算彈性筒夾在在變

2、形過程中的變形工件。因此需要計算彈性筒夾在在變形過程中的變形位移、最大主應(yīng)力大小的變化過程，為進一步的結(jié)構(gòu)位移、最大主應(yīng)力大小的變化過程，為進一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供原始參數(shù)。優(yōu)化設(shè)計提供原始參數(shù)。1、彈性筒夾夾持范圍的確定、彈性筒夾夾持范圍的確定實際工況中，彈性筒夾在徑向變形范圍是有限制的，實際工況中，彈性筒夾在徑向變形范圍是有限制的，也就是說，它夾持工件的直徑有一個范圍。另外，夾也就是說，它夾持工件的直徑有一個范圍。另外，夾持工件本身有剛度，也限制了彈性筒夾過大的大變形。持工件本身有剛度，也限制了彈性筒夾過大的大變形。本實例主要演示去掉工件后，由壓套強制壓緊彈性筒本實例主要演示去掉工件后，由

3、壓套強制壓緊彈性筒夾后查看它的變形范圍和應(yīng)力變化情況，和實際工況夾后查看它的變形范圍和應(yīng)力變化情況，和實際工況有所出入。為了一般性，結(jié)合實際經(jīng)驗預(yù)估彈性筒夾有所出入。為了一般性，結(jié)合實際經(jīng)驗預(yù)估彈性筒夾端部的最大變形在端部的最大變形在3mm（直徑方向）左右。通過本實（直徑方向）左右。通過本實例非線性計算和分析，進一步確定最大的夾持范圍。例非線性計算和分析，進一步確定最大的夾持范圍。問題描述問題描述2、彈性筒夾彈變最大許用應(yīng)力的確定、彈性筒夾彈變最大許用應(yīng)力的確定 彈性筒夾的材料為彈性筒夾的材料為40CrNiMoA（對應(yīng)于材料庫中的（對應(yīng)于材料庫中的AISI_Steel_4340）。屈服強度為）

4、。屈服強度為1178 MPa，抗拉強度極限為，抗拉強度極限為120 MPa，壓套的材料為壓套的材料為45鋼（對應(yīng)于材料庫中的鋼（對應(yīng)于材料庫中的Steel），屈服強度為），屈服強度為130MPa，抗，抗拉強度極限為拉強度極限為262 MPa，這些材料的抗拉強度極限、屈服極限均為已知，一，這些材料的抗拉強度極限、屈服極限均為已知，一般由設(shè)計手冊和產(chǎn)品設(shè)計規(guī)范分別查詢這兩類材料在工況下的許用應(yīng)力。般由設(shè)計手冊和產(chǎn)品設(shè)計規(guī)范分別查詢這兩類材料在工況下的許用應(yīng)力。 顯然，本實例彈性筒夾會發(fā)生大變形，除去結(jié)構(gòu)上不可避免的應(yīng)力集中，顯然，本實例彈性筒夾會發(fā)生大變形，除去結(jié)構(gòu)上不可避免的應(yīng)力集中，加上安全系

5、數(shù)，保證該彈性套筒大部分結(jié)構(gòu)的工作應(yīng)力不超過抗拉強度極限加上安全系數(shù)，保證該彈性套筒大部分結(jié)構(gòu)的工作應(yīng)力不超過抗拉強度極限的的75%即可，也假設(shè)壓套移動過程平穩(wěn)的，因此，最大部位的最大主應(yīng)力不即可，也假設(shè)壓套移動過程平穩(wěn)的，因此，最大部位的最大主應(yīng)力不超過超過1000MPa。3、非線性解算中的其他規(guī)定、非線性解算中的其他規(guī)定 非線性解算時間長，為了簡化操作，對實體模型進行非線性解算時間長，為了簡化操作，對實體模型進行3D自由網(wǎng)格劃分，自由網(wǎng)格劃分，單元大小由軟件自動確定即可，對計算精度影響也不大。單元大小由軟件自動確定即可，對計算精度影響也不大。問題分析問題分析 從實際工況來看，彈性筒夾工作過

6、程是一個動態(tài)大變形的過程，但不屬于從實際工況來看，彈性筒夾工作過程是一個動態(tài)大變形的過程，但不屬于高速沖擊動態(tài)響應(yīng)，因此可以選用高速沖擊動態(tài)響應(yīng)，因此可以選用NX Nastran提供的提供的【ADVNL 601,129】非線非線性計算模塊。性計算模塊。 根據(jù)工況可以設(shè)定壓套壓向筒夾錐面的時間為根據(jù)工況可以設(shè)定壓套壓向筒夾錐面的時間為1s，壓套移動的距離為，壓套移動的距離為2025mm，在不知道壓套的軸向加載大小的情況下，可以認為將壓套強迫下移，在不知道壓套的軸向加載大小的情況下，可以認為將壓套強迫下移25mm，這樣可以定義相應(yīng)的加載函數(shù)。，這樣可以定義相應(yīng)的加載函數(shù)。 壓套在移動過程中和錐面接

7、觸是非線性的，因此可以利用壓套在移動過程中和錐面接觸是非線性的，因此可以利用【ADVNL 601,129】提供的提供的【高級非線性接觸高級非線性接觸】來定義兩者之間的接觸狀況，這樣需要定來定義兩者之間的接觸狀況，這樣需要定義筒夾受壓后徑向的收縮量（過盈量）為義筒夾受壓后徑向的收縮量（過盈量）為0.5mm（單側(cè)），當然，改變該收縮（單側(cè)），當然，改變該收縮量錐面的變形效果不一樣了，就需要重新計算。量錐面的變形效果不一樣了，就需要重新計算。 兼顧計算精度和運行時間，本實例取時間增量為兼顧計算精度和運行時間，本實例取時間增量為0.05s，共有，共有20給計算步長。給計算步長。 在沒有特殊要求的情況下

8、，本實例操作中可以默認非線性計算過程中的收斂在沒有特殊要求的情況下，本實例操作中可以默認非線性計算過程中的收斂準則。收斂公差、自動遞增方案和最大迭代次數(shù)等內(nèi)部參數(shù)。準則。收斂公差、自動遞增方案和最大迭代次數(shù)等內(nèi)部參數(shù)。練習：彈性筒夾變形分析練習：彈性筒夾變形分析一、創(chuàng)建有限元模型一、創(chuàng)建有限元模型1、打開模型、打開模型Clip_Assem.prt，（文件夾，（文件夾Ch11_Clip中），進入高級仿真，中），進入高級仿真，新建新建fem，并命名為，并命名為fem1_NonLinear.fem，其余參數(shù)默認設(shè)置；，其余參數(shù)默認設(shè)置；2、單擊指派材料圖標為彈性筒夾指派、單擊指派材料圖標為彈性筒夾指

9、派AISI_Steel_4340，為壓套指派，為壓套指派steel;3、單擊物理屬性圖標，點擊創(chuàng)建按鈕，分別創(chuàng)建材料為、單擊物理屬性圖標，點擊創(chuàng)建按鈕，分別創(chuàng)建材料為AISI_Steel_4340 的的PSOLID1和材料為和材料為steel的的PSOLID2，如下圖所示；，如下圖所示；4、單擊網(wǎng)格捕集器圖標，按下圖，將實體屬性改為、單擊網(wǎng)格捕集器圖標，按下圖，將實體屬性改為PSOLID1，名稱按默認，名稱按默認Solid(1)，點擊應(yīng)用，將實體屬性，點擊應(yīng)用，將實體屬性改為改為PSOLID2，名稱按默認，名稱按默認Solid(2)，點擊確定。，點擊確定。練習：彈性筒夾變形分析練習：彈性筒夾變

10、形分析5、按下圖為彈性筒夾劃分網(wǎng)格，其余設(shè)置按系統(tǒng)、按下圖為彈性筒夾劃分網(wǎng)格，其余設(shè)置按系統(tǒng)默認值；默認值；6、按下圖為壓套劃分網(wǎng)格，其余設(shè)置按系統(tǒng)默認值；、按下圖為壓套劃分網(wǎng)格，其余設(shè)置按系統(tǒng)默認值；練習：彈性筒夾變形分析練習：彈性筒夾變形分析二、創(chuàng)建仿真模型二、創(chuàng)建仿真模型1、右擊仿真導(dǎo)航器、右擊仿真導(dǎo)航器fem1_NonLinear.fem節(jié)點，新建仿真，節(jié)點，新建仿真，并命名為并命名為sim1_NonLinear.sim,在彈出的創(chuàng)建解算方案對在彈出的創(chuàng)建解算方案對話框中選擇解算方案類型話框中選擇解算方案類型ADVNL 601,106，點擊確定。，點擊確定。2、固定彈性筒夾上端面：單擊

11、用戶定義的約束命令，、固定彈性筒夾上端面：單擊用戶定義的約束命令，選擇上端面，方向選擇柱坐標系，點擊局部再選擇端面選擇上端面，方向選擇柱坐標系，點擊局部再選擇端面圓周棱邊，即可在模型上自動創(chuàng)建一個圓柱局部坐標系，圓周棱邊，即可在模型上自動創(chuàng)建一個圓柱局部坐標系，原點為圓周棱邊中心。原點為圓周棱邊中心。 自由度按下圖設(shè)置。自由度按下圖設(shè)置。三、定義加載函數(shù)和強迫位移條件三、定義加載函數(shù)和強迫位移條件1、右鍵點擊仿真導(dǎo)航器中字段節(jié)點，新建表格，、右鍵點擊仿真導(dǎo)航器中字段節(jié)點，新建表格，如下圖，如下圖，2、在彈出表格中，域下（獨立）欄選擇時間，、在彈出表格中，域下（獨立）欄選擇時間，（因）欄選擇長度

12、，并輸入（因）欄選擇長度，并輸入（0,0），（），（1，-25），），如下圖所示完成如下圖所示完成表格設(shè)置。表格設(shè)置。練習：彈性筒夾變形分析練習：彈性筒夾變形分析表格含義：表示壓套壓緊筒夾的運動，壓緊時間設(shè)置為表格含義：表示壓套壓緊筒夾的運動，壓緊時間設(shè)置為1S，表示不涉及沖擊效應(yīng)，這與實際情況吻合，壓，表示不涉及沖擊效應(yīng)，這與實際情況吻合，壓套壓緊方向與套壓緊方向與+Z方向相反，因此其運動長度為負值，實際上，壓套運動長度為方向相反，因此其運動長度為負值，實際上，壓套運動長度為20mm即可將筒夾壓緊，因此即可將筒夾壓緊，因此設(shè)定的強迫運動距離超過設(shè)定的強迫運動距離超過20mm即可。即可。3、選

13、擇強迫位移約束命令，選擇壓套上端面，方向選柱坐標系，局部選擇壓套上端面圓周棱邊，自由度除、選擇強迫位移約束命令，選擇壓套上端面，方向選柱坐標系，局部選擇壓套上端面圓周棱邊，自由度除DOF3外全部設(shè)置為外全部設(shè)置為0， DOF3按下圖點擊按下圖點擊FX設(shè)置。設(shè)置。練習：彈性筒夾變形分析練習：彈性筒夾變形分析四、定義高級非線性接觸四、定義高級非線性接觸1、點擊仿真對象模型圖標，選擇面對面接觸，在彈出對話框中按下圖設(shè)置：、點擊仿真對象模型圖標，選擇面對面接觸，在彈出對話框中按下圖設(shè)置：其中源區(qū)域設(shè)置為筒夾模型三板錐面，在源偏置中輸入其中源區(qū)域設(shè)置為筒夾模型三板錐面，在源偏置中輸入0.5作為徑向壓縮量

14、，作為徑向壓縮量，目標區(qū)域設(shè)置為壓套模型內(nèi)錐面，其余為默認設(shè)置。目標區(qū)域設(shè)置為壓套模型內(nèi)錐面，其余為默認設(shè)置。練習：彈性筒夾變形分析練習：彈性筒夾變形分析五、定義時間步五、定義時間步在仿真導(dǎo)航器中右鍵點擊在仿真導(dǎo)航器中右鍵點擊solution1，選擇編輯圖標，在彈出的編輯解算方案中按下圖編輯，選擇編輯圖標，在彈出的編輯解算方案中按下圖編輯工況控制。完成后返回解算方案編輯對話框。工況控制。完成后返回解算方案編輯對話框。二者乘積即為壓二者乘積即為壓套作用時間套作用時間1S。練習：彈性筒夾變形分析練習：彈性筒夾變形分析六、定義解算參數(shù)六、定義解算參數(shù)1、在解算方案工況控制中，點擊策略參數(shù)右側(cè)創(chuàng)建建模

15、對象圖標，如下圖。在彈出對話框中，將分析控制選、在解算方案工況控制中，點擊策略參數(shù)右側(cè)創(chuàng)建建模對象圖標，如下圖。在彈出對話框中，將分析控制選項卡下自動增量設(shè)置為項卡下自動增量設(shè)置為ATS,再單擊平衡選項卡，將每個時間步的最大迭代次數(shù)設(shè)置為再單擊平衡選項卡，將每個時間步的最大迭代次數(shù)設(shè)置為150，其他參數(shù)默認值。，其他參數(shù)默認值。自動增量提供自動增量提供3種方式：種方式：ATS指自動時間步長控制方案；指自動時間步長控制方案；LDC載荷位移控制方案；載荷位移控制方案；TLA總載荷應(yīng)用方案?？傒d荷應(yīng)用方案。各種、方案提供的參數(shù)設(shè)置值各種、方案提供的參數(shù)設(shè)置值各不相同。各不相同。練習：彈性筒夾變形分析

16、練習：彈性筒夾變形分析2、在解算方案中點擊參數(shù)選項卡，勾選、在解算方案中點擊參數(shù)選項卡，勾選大位移，如下圖，即完成解算方案設(shè)置。大位移，如下圖，即完成解算方案設(shè)置。七、求解七、求解解算監(jiān)視器中包含三個對話框，如下圖解算監(jiān)視器中包含三個對話框，如下圖非線性歷史：記錄記錄加載時間步的過程；非線性歷史：記錄記錄加載時間步的過程；載荷步收斂：記錄解算迭代及其收斂過程。載荷步收斂：記錄解算迭代及其收斂過程。如果計算中出現(xiàn)不能收斂的情況，首先要檢查所構(gòu)建的如果計算中出現(xiàn)不能收斂的情況，首先要檢查所構(gòu)建的有限元模型是否和實際情況相吻合，單元類型、邊界條有限元模型是否和實際情況相吻合，單元類型、邊界條件和加載

17、方式是否合理，如果這些操作合理的話，建議件和加載方式是否合理，如果這些操作合理的話，建議采用減小加載步長、線性搜索、調(diào)整收斂準則、切換自采用減小加載步長、線性搜索、調(diào)整收斂準則、切換自動增量模式和增加單步最大迭代次數(shù)等方法來保證模型動增量模式和增加單步最大迭代次數(shù)等方法來保證模型計算的收斂。計算的收斂。練習：彈性筒夾變形分析練習：彈性筒夾變形分析八、后處理及動畫演示八、后處理及動畫演示1、可看到有、可看到有20個解算成功的非線性步長節(jié)點，可展開每個節(jié)點，查看各節(jié)點個解算成功的非線性步長節(jié)點，可展開每個節(jié)點，查看各節(jié)點/單元的位移和應(yīng)力情況；單元的位移和應(yīng)力情況；2、右鍵點擊、右鍵點擊solut

18、ion1，選擇新建后處理視圖；，選擇新建后處理視圖；3、點擊、點擊post view2節(jié)點，抑制節(jié)點，抑制3d_mesh2，在圖形窗口中僅剩彈性筒夾。，在圖形窗口中僅剩彈性筒夾。4、點擊設(shè)置結(jié)果、點擊設(shè)置結(jié)果 圖標，將坐標系更改為柱坐標系，單位圖標，將坐標系更改為柱坐標系，單位mm。（模型為圓柱體形狀，構(gòu)建位移約束是也采用的柱坐標系）（模型為圓柱體形狀，構(gòu)建位移約束是也采用的柱坐標系）練習：彈性筒夾變形分析練習：彈性筒夾變形分析4、繪制關(guān)節(jié)節(jié)點位移隨時間變化曲線：、繪制關(guān)節(jié)節(jié)點位移隨時間變化曲線：右鍵點擊右鍵點擊post view2，選擇新建圖表，如下圖；彈出圖表對話框如下圖，選擇新建圖表，如

19、下圖；彈出圖表對話框如下圖2將圖表類型更改為交叉迭代，如右圖，點擊將圖表類型更改為交叉迭代，如右圖，點擊 圖標，在圖圖標，在圖形區(qū)選擇筒夾錐面大徑外緣上一個節(jié)點（如形區(qū)選擇筒夾錐面大徑外緣上一個節(jié)點（如7261），其他參數(shù)默），其他參數(shù)默認。點擊應(yīng)用即可出現(xiàn)下頁曲線。認。點擊應(yīng)用即可出現(xiàn)下頁曲線。完成后點擊返回到模型圖標。完成后點擊返回到模型圖標。練習：彈性筒夾變形分析練習：彈性筒夾變形分析練習：彈性筒夾變形分析練習：彈性筒夾變形分析九、結(jié)合設(shè)計要求進行分析九、結(jié)合設(shè)計要求進行分析分析彈性筒夾在關(guān)鍵時間步上，其徑向最大的變形位移和最大的節(jié)點應(yīng)力，便于判定是否滿足設(shè)計要求。分析彈性筒夾在關(guān)鍵時間

20、步上，其徑向最大的變形位移和最大的節(jié)點應(yīng)力，便于判定是否滿足設(shè)計要求。1、展開非線性步長、展開非線性步長20的各個子節(jié)點，雙擊的各個子節(jié)點，雙擊【位移位移-節(jié)點節(jié)點】的的X節(jié)點，在圖形窗口中出現(xiàn)模型在節(jié)點，在圖形窗口中出現(xiàn)模型在X方向的變方向的變形云圖，抑制壓套網(wǎng)格顯示；形云圖，抑制壓套網(wǎng)格顯示；2、將位移、將位移-節(jié)點的坐標系設(shè)置為柱坐標系，節(jié)點的坐標系設(shè)置為柱坐標系，3、點擊標記開、點擊標記開/關(guān)圖標；在窗口中顯示彈性筒夾徑向變形位移極值；關(guān)圖標；在窗口中顯示彈性筒夾徑向變形位移極值；由此圖可得出結(jié)論，最大變形位于前端棱邊上，向內(nèi)壓縮移動由此圖可得出結(jié)論，最大變形位于前端棱邊上，向內(nèi)壓縮移

21、動8.35mm，這也是筒夾內(nèi)圓沒有剛度限制前提下，能夠達到的最大理論變形。而本例這也是筒夾內(nèi)圓沒有剛度限制前提下，能夠達到的最大理論變形。而本例中設(shè)計筒徑向夾持范圍為中設(shè)計筒徑向夾持范圍為3mm左右，在分析該時間步的應(yīng)力情況；左右，在分析該時間步的應(yīng)力情況；4、雙擊、雙擊【非線性應(yīng)力非線性應(yīng)力-節(jié)點單元節(jié)點單元】的的Max Principal（最大主應(yīng)力）節(jié)點，（最大主應(yīng)力）節(jié)點，設(shè)置坐標系為柱坐標系，其他設(shè)置如右圖。設(shè)置坐標系為柱坐標系，其他設(shè)置如右圖。點擊標記開點擊標記開/關(guān)圖標。關(guān)圖標。可看出最大主應(yīng)力位于筒體中間薄弱部位，可看出最大主應(yīng)力位于筒體中間薄弱部位，達到達到2019MPa,遠遠超過了材料抗拉極限強度，遠遠超過了材料抗拉極限強度，顯然非線性步長顯然非線性步長20計算結(jié)果不可取。計算結(jié)果不可取。結(jié)合上頁曲線初步判定非結(jié)合上頁曲線初步判定非線性步長線性步長15為本例計算需為本例計算需要的數(shù)據(jù)。要的數(shù)據(jù)。練習：