彈塑性力學(xué)基礎(chǔ)與有限元分析-接觸分析實(shí)例

彈塑性力學(xué)基礎(chǔ)及有限元分析

—接觸分析實(shí)例IntroductiontoABAQUS/CAE參考書(shū)目《有限單元法》王勖成著，清華大學(xué)出版社《ABAQUS有限元分析實(shí)例》石亦平、周玉蓉著，機(jī)械工業(yè)出版社《ABAQUS有限元分析常見(jiàn)問(wèn)題解答》曹金鳳、石亦平著，機(jī)械工業(yè)出版社IntroductiontoABAQUS/CAE非線性的來(lái)源結(jié)構(gòu)問(wèn)題中存在著三種非線性來(lái)源：材料非線性邊界非線性幾何非線性IntroductiontoABAQUS/CAE材料非線性應(yīng)變率相關(guān)材料的材料參數(shù)和材料失效都是材料非線性的表現(xiàn)形式。在Material模塊中定義材料屬性時(shí)定義材料非線性因素。IntroductiontoABAQUS/CAE邊界非線性邊界非線性是極度不連續(xù)的：在模擬分析中發(fā)生接觸時(shí)，結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特性會(huì)在瞬時(shí)發(fā)生很大的變化。在Interaction模塊中定義接觸時(shí)引入邊界非線性因素。IntroductiontoABAQUS/CAE幾何非線性幾何非線性選項(xiàng)大撓度或轉(zhuǎn)動(dòng)“突然翻轉(zhuǎn)”初應(yīng)力或荷載硬化在step模塊中定義分析步時(shí)，定義是否存在幾何非線性因素。IntroductiontoABAQUS/CAE接觸分析實(shí)例—抽油桿接頭FRPsuckerrodEnd-fitting(1997-1998)IdeaforfurtherimprovementFatiguecycles:2.4millionFatiguecycles:6.9millionIntroductiontoABAQUS/CAE接觸分析實(shí)例—抽油桿接頭p=50MPa接頭（20CrNiMo）環(huán)氧樹(shù)脂膠玻璃鋼桿開(kāi)裂位置左端接頭固定，右端玻璃鋼桿承受50MPa的均布載荷。環(huán)氧樹(shù)脂膠凝固后和玻璃鋼桿緊密連接，不會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，因此可將兩者的結(jié)合面綁定約束。環(huán)氧樹(shù)脂膠和接頭的結(jié)合面之間有可能產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，需要定義為接觸關(guān)系。IntroductiontoABAQUS/CAE接觸分析實(shí)例—抽油桿接頭1.導(dǎo)入部件File->import->part，文件類型選擇Parasolid(*.x_t)將五個(gè)部件依次導(dǎo)入ABAQUS中。接頭桿環(huán)氧樹(shù)脂膠ABCIntroductiontoABAQUS/CAE接觸分析實(shí)例—抽油桿接頭2.定義材料，暫時(shí)全部定義為線彈性材料，材料參數(shù)如表格所示。零件

彈性模量（Mpa）

泊松比

管接頭

208000

0.295

玻璃鋼桿

70000

0.22

環(huán)氧樹(shù)脂膠

3200

0.33IntroductiontoABAQUS/CAE接觸分析實(shí)例—抽油桿接頭3.定義裝配體。直接將五個(gè)部件全部導(dǎo)入裝配體，因?yàn)槿S建模時(shí)是按照各自的位置準(zhǔn)確建模的，因此導(dǎo)入以后部件的位置不變，不需要重新定位各個(gè)部件。IntroductiontoABAQUS/CAE接觸分析實(shí)例—抽油桿接頭3.定義裝配體。如果需要重新定位，可以利用這個(gè)模塊中的定位工具對(duì)部件進(jìn)行移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)或者陣列等操作，如下所述。1、選取要進(jìn)行陣列的部件實(shí)體Instance2、陣列參數(shù)設(shè)置，陣列方向、數(shù)量、偏移量等LinearPattern線性陣列IntroductiontoABAQUS/CAE接觸分析實(shí)例—抽油桿接頭3.定義裝配體。如果需要重新定位，可以利用這個(gè)模塊中的定位工具對(duì)部件進(jìn)行移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)或者陣列等操作，如下所述。1、選取要進(jìn)行陣列的部件實(shí)體Instance2、陣列參數(shù)設(shè)置，陣列范圍（°）、數(shù)量、中心軸等RadialPattern輻射陣列IntroductiontoABAQUS/CAE接觸分析實(shí)例—抽油桿接頭3.定義裝配體。如果需要重新定位，可以利用這個(gè)模塊中的定位工具對(duì)部件進(jìn)行移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)或者陣列等操作，如下所述。1、選取要進(jìn)行平移的部件實(shí)體Instance2、設(shè)置平移量（終點(diǎn)坐標(biāo)-初始坐標(biāo)），可以手動(dòng)輸入點(diǎn)坐標(biāo)，也可選取部件實(shí)體的點(diǎn)3、預(yù)覽平移并確認(rèn)Translate平移IntroductiontoABAQUS/CAE接觸分析實(shí)例—抽油桿接頭3.定義裝配體。如果需要重新定位，可以利用這個(gè)模塊中的定位工具對(duì)部件進(jìn)行移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)或者陣列等操作，如下所述。1、選取要進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的部件實(shí)體Instance2、兩點(diǎn)法確定旋轉(zhuǎn)中心軸3、設(shè)置旋轉(zhuǎn)角度4、預(yù)覽平移并確認(rèn)Rotate旋轉(zhuǎn)IntroductiontoABAQUS/CAE接觸分析實(shí)例—抽油桿接頭3.定義裝配體。如果需要重新定位，可以利用這個(gè)模塊中的定位工具對(duì)部件進(jìn)行移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)或者陣列等操作，如下所述。1、選取要進(jìn)行移動(dòng)的部件實(shí)體Instance上的面2、選取固定不變的部件實(shí)體Instance上的面3、兩點(diǎn)法確定移動(dòng)方向4、輸入移動(dòng)后兩實(shí)體相應(yīng)兩面的間隙距離Translateto平移到，該操作僅適用于實(shí)體模型IntroductiontoABAQUS/CAE接觸分析實(shí)例—抽油桿接頭3.定義裝配體。如果需要重新定位，可以利用這個(gè)模塊中的定位工具對(duì)部件進(jìn)行移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)或者陣列等操作，如下所述。面平行面匹配邊平行邊共線同軸點(diǎn)重合坐標(biāo)系平行定位，與Translateto平移到類似IntroductiontoABAQUS/CAE接觸分析實(shí)例—抽油桿接頭3.定義裝配體。如果需要重新定位，可以利用這個(gè)模塊中的定位工具對(duì)部件進(jìn)行移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)或者陣列等操作，如下所述。合并Merge/剪切Cut來(lái)生成新PartIntroductiontoABAQUS/CAE接觸分析實(shí)例—抽油桿接頭3.部件實(shí)體Partinstances的顯示控制。當(dāng)裝配體中有多個(gè)部件時(shí)，有時(shí)候需要只顯示某個(gè)或某些部件來(lái)進(jìn)行前處理，這時(shí)就需要使用Partinstances的顯示控制。Replace在區(qū)域3選擇部件后，點(diǎn)擊此按鈕，則僅顯示選中的部件。Add在區(qū)域3選擇部件后，點(diǎn)擊此按鈕，則選中的部件被顯示，已經(jīng)顯示的部件仍顯示。Remove在區(qū)域3選擇部件后，點(diǎn)擊此按鈕，則選中的部件被隱藏?！?IntroductiontoABAQUS/CAE接觸分析實(shí)例—抽油桿接頭4.定義分析步，彈性靜力分析。IntroductiontoABAQUS/CAE接觸分析實(shí)例—抽油桿接頭4.定義分析步，彈性靜力分析。幾何非線性的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)在載荷作用過(guò)程中產(chǎn)生大的位移和轉(zhuǎn)動(dòng)。如板殼結(jié)構(gòu)的大撓度，此時(shí)材料可能仍保持為線彈性狀態(tài)，但是結(jié)構(gòu)的幾何方程必須建立于變形后的狀態(tài)，以便考慮變形對(duì)平衡的影響。Description：簡(jiǎn)單描述，便于記憶管理。Timeperiod：靜力學(xué)問(wèn)題，采用系統(tǒng)默認(rèn)值1即可。Nlgeom：是否考慮幾何非線性。Automaticstabilization：局部不穩(wěn)定問(wèn)題（局部屈曲、表面祛皺）的處理，即施加阻尼。IntroductiontoABAQUS/CAE接觸分析實(shí)例—抽油桿接頭4.定義分析步，彈性靜力分析。Type：選擇時(shí)間增量的控制方法，默認(rèn)Automatic即可。Maximumnumberofincrements：增量步的最大數(shù)目。Increment：初始時(shí)間增量、最小時(shí)間增量和最大時(shí)間增量。IntroductiontoABAQUS/CAE接觸分析實(shí)例—抽油桿接頭4.定義分析步，彈性靜力分析。Method求解器

Direct適用于大多數(shù)分析，Iterative對(duì)于大模型分析較快Matrixstorage矩陣存儲(chǔ)方式默認(rèn)即可選擇求解方法FullNewton完全牛頓法默認(rèn)，適用于大多數(shù)分析。Quasi-Newton準(zhǔn)牛頓法雅克比矩陣對(duì)稱且在迭代過(guò)程中變化不大時(shí)，能加快收斂。Contactiterations接觸迭代法對(duì)于幾何線性、小滑動(dòng)、無(wú)摩擦的靜力學(xué)問(wèn)題特別有效。IntroductiontoABAQUS/CAE接觸分析實(shí)例—抽油桿接頭5.定義各部件之間的連接關(guān)系和接觸關(guān)系。（Interaction模塊）1、選擇主面類型為Surface2、指定主面3、選擇從面類型為Surface4、指定從面PositionTolerance：位于該公差以外的從面節(jié)點(diǎn)將不會(huì)被綁定。默認(rèn)UseComputeddefault，若主從面間距較大應(yīng)考慮Specifydistance。Tie約束用于將兩個(gè)區(qū)域（面區(qū)域或節(jié)點(diǎn)區(qū)域）綁定在一起。IntroductiontoABAQUS/CAE接觸分析實(shí)例—抽油桿接頭5.定義各部件之間的連接關(guān)系和接觸關(guān)系。（Interaction模塊）環(huán)氧樹(shù)脂膠和玻璃鋼桿之間定義為綁定約束。選擇環(huán)氧樹(shù)脂膠為主面，玻璃鋼桿為從面。在此之前，為了能夠選擇到兩個(gè)部件的結(jié)合面，需要隱藏某些部件。IntroductiontoABAQUS/CAE接觸分析實(shí)例—抽油桿接頭5.定義各部件之間的連接關(guān)系和接觸關(guān)系。（Interaction模塊）環(huán)氧樹(shù)脂膠和接頭之間定義為接觸。首先要設(shè)置接觸屬性在定義接觸之前，需要先定義相應(yīng)的接觸屬性（摩擦特性、阻尼等）IntroductiontoABAQUS/CAE接觸分析實(shí)例—抽油桿接頭5.設(shè)置接觸屬性。（Interaction模塊）TangetialBehavior用于定義摩擦系數(shù)等摩擦屬性Frictionless：默認(rèn)不考慮摩擦Pentalty：主要用于定義摩擦系數(shù)IntroductiontoABAQUS/CAE接觸分析實(shí)例—抽油桿接頭5.設(shè)置接觸屬性。（Interaction模塊）環(huán)氧樹(shù)脂膠和接頭之間定義為帶摩擦的硬接觸。庫(kù)倫摩擦系數(shù)為0.25，摩擦系數(shù)由材料屬性決定。硬接觸，即接觸面之間能夠傳遞的接觸壓力大小不受限制，當(dāng)接觸面的壓力變?yōu)樨?fù)值或者零就表示兩個(gè)接觸面發(fā)生分離。IntroductiontoABAQUS/CAE接觸分析實(shí)例—抽油桿接頭5.定義各部件之間的連接關(guān)系和接觸關(guān)系。（Interaction模塊）其次要定義接觸對(duì)。Static，GeneralDynamic，ExplicitIntroductiontoABAQUS/CAE接觸分析實(shí)例—抽油桿接頭5.面對(duì)面接觸對(duì)的定義。（Interaction模塊）4、選擇已經(jīng)定義的接觸屬性1、選擇主面2、選擇從面的類型，直接點(diǎn)擊鼠標(biāo)中鍵或點(diǎn)擊Surface3、選擇從面面面接觸對(duì)包含一個(gè)主面和一個(gè)從面，劃分從屬表面和主控表面應(yīng)遵循的原則為：選擇剛度較大的面為主面，剛性表面必須為主面；從面應(yīng)由更為柔軟的材料組成；從面的網(wǎng)格應(yīng)劃分得更精細(xì)，一般采用線性減縮積分單元。選擇有限滑移或小滑移IntroductiontoABAQUS/CAE接觸分析實(shí)例—抽油桿接頭5.定義各部件之間的連接關(guān)系和接觸關(guān)系。（Interaction模塊）本實(shí)例中為彈性靜力分析，因此選擇面對(duì)面接觸。選擇接頭為主面，環(huán)氧樹(shù)脂膠為從面。在選擇時(shí)需要使用剖視圖。Tools->viewcut->manager->YPlane前面打鉤。IntroductiontoABAQUS/CAE接觸分析實(shí)例—抽油桿接頭5.定義各部件之間的連接關(guān)系和接觸關(guān)系。（Interaction模塊）接觸區(qū)域IntroductiontoABAQUS/CAE接觸分析實(shí)例—抽油桿接頭5.ABAQUS中的接觸分析小結(jié)。（Interaction模塊）接觸模擬的一般目的是確定接觸面積及計(jì)算所產(chǎn)生的接觸壓力。在有限元中，接觸條件是一類特殊的不連續(xù)的約束，允許力從模型的一部分傳播到另一部分。在接觸模擬中，要在模型中的各個(gè)構(gòu)件上建立表面，必須定出可能會(huì)相互接觸的一對(duì)表面（稱為接觸對(duì)）。接觸表面間的相互作用包括兩個(gè)部分：一是垂直于接觸面，另一是沿接觸面的切向。切向部分包括表面間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)（滑動(dòng)），可能就是摩擦剪應(yīng)力。ABAQUS中的表面相互作用行為稱為“硬接觸”，即接觸壓力變?yōu)榱慊蜇?fù)值時(shí)，兩表面分開(kāi)，且約束移去。IntroductiontoABAQUS/CAE接觸分析實(shí)例—抽油桿接頭5.ABAQUS中的接觸分析小結(jié)。（Interaction模塊）面面接觸對(duì)包含一個(gè)主面和一個(gè)從面，劃分從屬表面和主控表面應(yīng)遵循的原則為：選擇剛度較大的面為主面，剛性表面必須為主面；從面應(yīng)由更為柔軟的材料組成；從面的網(wǎng)格應(yīng)劃分得更精細(xì)，一般采用線性減縮積分單元。應(yīng)用小滑動(dòng)公式時(shí)，ABAQUS確定主控表面的哪個(gè)部分將與從屬表面的每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生作用。這種相互關(guān)系在整個(gè)分析過(guò)程中保持不變。如果兩個(gè)接觸面之間的相對(duì)滑動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)量很?。ɡ?，小于接觸面上單元尺寸的20%），就可以選擇小滑移。有限滑動(dòng)接觸公式要求ABAQUS經(jīng)常確定主控表面的哪個(gè)部分與從屬表面的哪些節(jié)點(diǎn)保持接觸。這是計(jì)算成本較高。如果兩個(gè)接觸面之間的相對(duì)滑動(dòng)或轉(zhuǎn)