扭矩載荷施加方法

2016-10-07 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

在ANSYS中,有些單元只有平移自由度,無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。對(duì)于只有平移自由度的單元,無(wú)法直接施加扭矩載荷,但是可以等效間接施加。本文介紹了幾種扭矩載荷施加的方法:等效節(jié)點(diǎn)力法、節(jié)點(diǎn)耦合法及控制節(jié)點(diǎn)法。

下面以一個(gè)簡(jiǎn)單的軸施加扭矩載荷為例,分別簡(jiǎn)要介紹這幾種方法的操作過(guò)程和結(jié)果對(duì)比。

該軸的邊界條件,軸一端柱面固定,另一端柱面施加扭矩。

1、等效節(jié)點(diǎn)力法

該方法是將扭矩轉(zhuǎn)換為力施加在軸一端柱面的節(jié)點(diǎn)上。每個(gè)節(jié)點(diǎn)分得力的大小為扭矩等效的力除節(jié)點(diǎn)數(shù)。首先將全局坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為柱坐標(biāo)系,然后將軸柱面上的節(jié)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)到該柱坐標(biāo)系下,最后在這些節(jié)點(diǎn)上施加等效的節(jié)點(diǎn)力,方向UY。結(jié)果如圖1所示。

圖1 等效節(jié)點(diǎn)力載荷

2、節(jié)點(diǎn)耦合法:利用MASS單元

MASS單元有旋轉(zhuǎn)自由度,將扭矩施加在MASS單元所在節(jié)點(diǎn)上,同時(shí)在該節(jié)點(diǎn)與軸柱面節(jié)點(diǎn)之間建立剛性耦合,然后在MASS單元所在節(jié)點(diǎn)上施加扭矩,如圖2所示。

圖2 節(jié)點(diǎn)剛性耦合

3、控制節(jié)點(diǎn)法:利用MPC算法

在控制節(jié)點(diǎn)上建立目標(biāo)單元,軸柱面上建立接觸單元,兩種單元同一實(shí)常數(shù),同時(shí)將接觸算法改為MPC算法。兩單元之間約束類型有力分布約束、剛性約束及耦合約束三種。接觸單元、目標(biāo)單元如圖3所示。

圖3 接觸對(duì)

4、求解結(jié)果對(duì)比

4.1、軸變形對(duì)比

圖4 采用等效節(jié)點(diǎn)力法的軸位移云圖

圖5 采用節(jié)點(diǎn)耦合法的位移云圖

圖6 采用控制節(jié)點(diǎn)法(剛性約束)的位移云圖

圖7 采用控制節(jié)點(diǎn)法(力分布約束)的位移云圖

比較圖4和圖7可知,采用等效節(jié)點(diǎn)力法和力分布控制節(jié)點(diǎn)法求得的軸位移基本一致,這兩種方法都考慮了施加載荷處節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位移,即載荷表面可以變形。對(duì)比圖5、圖6可知,采用節(jié)點(diǎn)耦合法和剛性控制節(jié)點(diǎn)法所求得的軸變形結(jié)果完全一致,這說(shuō)明了采用控制節(jié)點(diǎn)法的有效性。

4.2、軸應(yīng)力結(jié)果對(duì)比

圖8 采用等效節(jié)點(diǎn)力法的軸應(yīng)力云圖

圖9 采用節(jié)點(diǎn)耦合法的軸應(yīng)力云圖

圖10 采用剛性控制節(jié)點(diǎn)法軸應(yīng)力云圖

圖11 采用力分布的控制節(jié)點(diǎn)法軸應(yīng)力云圖

對(duì)比圖8、圖11可知,兩者應(yīng)力分布一致,在施加扭矩一側(cè)沒有應(yīng)力集中,該側(cè)考慮了軸表面節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位移,且應(yīng)力分布與實(shí)際接近。對(duì)比圖9、圖10可知,兩種方法求得軸的應(yīng)力分布基本一致,且在軸的兩側(cè)均存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。

綜合以上分析,在扭矩施加等效時(shí),采用等效節(jié)點(diǎn)力法和力分布的控制節(jié)點(diǎn)法兩種方法,求得的結(jié)果更接近實(shí)際情況,這兩種方法對(duì)于扭矩等效更有效。

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