彈性筒夾變形分析

彈性筒夾變形分析問題描述本實例以彈性筒夾在受壓后發(fā)生大變形為研究對象，圖11-4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（錐面總長為20mm，錐度為30°），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)。1、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，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。本實例主要演示去掉工件后，由壓套強制壓緊彈性筒夾后查看它的變形范圍和應力變化情況，和實際工況有所出入。為了一般性，結(jié)合實際經(jīng)驗預估彈性筒夾端部的最大變形在3mm（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。問題描述2、彈性筒夾彈變最大許用應力的確定彈性筒夾的材料為40CrNiMoA（對應于材料庫中的AISI_Steel_4340）。屈服強度為1178MPa，抗拉強度極限為120MPa，壓套的材料為45鋼（對應于材料庫中的Steel），屈服強度為130MPa，抗拉強度極限為262MPa，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)上不可避免的應力集中，加上安全系數(shù)，保證該彈性套筒大部分結(jié)構(gòu)的工作應力不超過抗拉強度極限的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力不超過1000MPa。3、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3D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。問題分析從實際工況來看，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，因此可以選用NXNastran提供的【ADVNL601,129】非線性計算模塊。根據(jù)工況可以設(shè)定壓套壓向筒夾錐面的時間為1s，壓套移動的距離為20~25mm，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，這樣可以定義相應的加載函數(shù)。壓套在移動過程中和錐面接觸是非線性的，因此可以利用【ADVNL601,129】提供的【高級非線性接觸】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0.5mm（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。兼顧計算精度和運行時間，本實例取時間增量為0.05s，共有20給計算步長。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)。練習：彈性筒夾變形分析一、創(chuàng)建有限元模型1、打開模型Clip_Assem.prt，（文件夾Ch11_Clip中），進入高級仿真，新建fem，并命名為fem1_NonLinear.fem，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AISI_Steel_4340，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AISI_Steel_4340的PSOLID1和材料為steel的PSOLID2，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PSOLID1，名稱按默認Solid(1)，點擊應用，將實體屬性改為PSOLID2，名稱按默認Solid(2)，點擊確定。練習：彈性筒夾變形分析5、按下圖為彈性筒夾劃分網(wǎng)格，其余設(shè)置按系統(tǒng)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；練習：彈性筒夾變形分析二、創(chuàng)建仿真模型1、右擊仿真導航器fem1_NonLinear.fem節(jié)點，新建仿真，并命名為sim1_NonLinear.sim,在彈出的創(chuàng)建解算方案對話框中選擇解算方案類型ADVNL601,106，點擊確定。2、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。自由度按下圖設(shè)置。三、定義加載函數(shù)和強迫位移條件1、右鍵點擊仿真導航器中字段節(jié)點，新建表格，如下圖，2、在彈出表格中，域下（獨立）欄選擇時間，（因）欄選擇長度，并輸入（0,0），（1，-25），如下圖所示完成表格設(shè)置。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1S，表示不涉及沖擊效應，這與實際情況吻合，壓套壓緊方向與+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20mm即可將筒夾壓緊，因此設(shè)定的強迫運動距離超過20mm即可。3、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0，DOF3按下圖點擊F[X]設(shè)置。練習：彈性筒夾變形分析四、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：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，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：彈性筒夾變形分析五、定義時間步在仿真導航器中右鍵點擊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。二者乘積即為壓套作用時間1S。練習：彈性筒夾變形分析六、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150，其他參數(shù)默認值。自動增量提供3種方式：ATS指自動時間步長控制方案；LDC載荷位移控制方案；TLA總載荷應用方案。各種、方案提供的參數(shù)設(shè)置值各不相同。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，勾選大位移，如下圖，即完成解算方案設(shè)置。七、求解解算監(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；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。練習：彈性筒夾變形分析八、后處理及動畫演示1、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/單元的位移和應力情況；2、右鍵點擊solution1，選擇新建后處理視圖；3、點擊postview2節(jié)點，抑制3d_mesh2，在圖形窗口中僅剩彈性筒夾。4、點擊設(shè)置結(jié)果圖標，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）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：①右鍵點擊postview2，選擇新建圖表，如下圖；彈出圖表對話框如下圖2②將圖表類型更改為交叉迭代，如右圖，點擊圖標，在圖形區(qū)選擇筒夾錐面大徑外緣上一個節(jié)點（如7261），其他參數(shù)默認。點擊應用即可出現(xiàn)下頁曲線。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)點應力，便于判定是否滿足設(shè)計要求。1、展開非線性步長20的各個子節(jié)點，雙擊【位移-節(jié)點】的X節(jié)點，在圖形窗口中出現(xiàn)模型在X方向的變形云圖，抑制壓套網(wǎng)格顯示；2、將位移-節(jié)點的坐標系設(shè)置為柱坐標系，3、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；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。而本例中設(shè)計筒徑向夾持范圍為3mm左右，在分析該時間步的應力情況；4、雙擊【非線性應力-節(jié)點單元】的MaxPrincipal（最大主應力）節(jié)點，設(shè)置坐標系為柱坐標系，其他設(shè)置如右圖。點擊標記開/關(guān)圖標?？煽闯鲎畲笾鲬ξ挥谕搀w中間薄弱部位，達到2019MPa,遠遠超過了材料抗拉極限強度，顯然非線性步長20計算結(jié)果不可取。結(jié)合上頁曲線初步判定非線性步長15為本例計算需要的數(shù)據(jù)。練習：彈性筒夾變形分析5、查看非線性步長15的【位移-節(jié)點】的X節(jié)點，其半徑方向向內(nèi)壓縮1.837mm，和預估的直徑方向3mm夾持范圍相差不大，因此需要進一步查看該工步彈性筒夾徑向最大主應力（456MPa,未超出材料許用應力，因此該工況下其強度是安全的，后二者同理，不贅述）、最大切應力和最大Von-Mises應力進行分析；6、從上述分析可看出，彈性筒夾在