Abaqus有限元分析實(shí)例解析——在棒中的應(yīng)力波傳播(一)

2013-08-14 by:非線性有限元分析來(lái)源:仿真在線

Abaqus有限元分析實(shí)例解析——在棒中的應(yīng)力波傳播(一)

本例題展示了在“ABAQUS基礎(chǔ)”中所描述過(guò)的顯式動(dòng)態(tài)分析的一些基本思想。它也描述了穩(wěn)定極限,以及在求解時(shí)網(wǎng)格細(xì)劃和材料的影響。

棒的尺寸如圖9-1所示。

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為了使問(wèn)題成為一個(gè)一維的應(yīng)變問(wèn)題,所有四個(gè)側(cè)面均由滾軸支撐;這樣,三維模型模擬了一個(gè)一維問(wèn)題。材料為鋼材,其性質(zhì)如圖9-1所示。棒的自由端承受一個(gè)量級(jí)為1.0×10⁵Pa的爆炸載荷,如圖9-2所示,爆炸載荷的持續(xù)時(shí)間為3.88×10^-5s。

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9.4.1 前處理——用ABAQUS/CAE創(chuàng)建模型

在這一節(jié)中,我們將討論如何應(yīng)用ABAQUS/CAE創(chuàng)建這個(gè)模擬所用的模型。在本手冊(cè)的在線文檔第A.7節(jié)“Stress wave propagation in a bar”提供了輸入文件。當(dāng)通過(guò)ABAQUS/CAE運(yùn)行這個(gè)輸入文件時(shí),將創(chuàng)建關(guān)于該問(wèn)題的完整的分析模型。根據(jù)下面給出的指導(dǎo)如果你遇到困難,或者如果你希望檢查你的工作,則可以運(yùn)行這個(gè)輸入文件。在附錄A“Example Files”中,給出了如何提取和運(yùn)行輸入文件的指導(dǎo)。

如果你沒(méi)有進(jìn)入ABAQUS/CAE或者其它的前處理器,可以人工創(chuàng)建關(guān)于這個(gè)問(wèn)題的輸入文件,關(guān)于這方面的討論,見(jiàn)Getting Started with ABAQUS/Standard:Keywords Version,第3.4節(jié)“Example:stress wave propagation in a bar”。

定義模型幾何

在這個(gè)例子中,應(yīng)用可拉伸實(shí)體的基本特征,將創(chuàng)建一個(gè)三維的可變形物體。首先畫(huà)一個(gè)棒的二維輪廓圖然后將它拉伸成型。

創(chuàng)建部件:

1.在Create Part對(duì)話框中,創(chuàng)建一個(gè)部件并命名為Bar,接受三維的變形體和可拉伸實(shí)體的基本特征的默認(rèn)設(shè)置,對(duì)于模型采用近似的尺寸為0.50。

2.應(yīng)用在圖9-3中給出的尺寸畫(huà)棒的橫截面。

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可以采用如下的步驟:

a.應(yīng)用位于畫(huà)圖工具箱右上角的Create Lines: Connected工具創(chuàng)建一個(gè)0.20 m高×0.20 m寬的矩形。

b.當(dāng)完成繪制輪廓圖后,在提示區(qū)點(diǎn)擊Done。

顯示Edit Base Extrusion(編輯基礎(chǔ)拉伸)對(duì)話框。為了完成部件定義,你必須指定橫截面拉伸的距離。

c.在對(duì)話框中,輸入拉伸深度1.0 m。

3.將模型保存到名為Bar.cae的模型數(shù)據(jù)庫(kù)文件中。

定義材料和截面性質(zhì)

創(chuàng)建一個(gè)單一線彈性材料,命名為Steel,采用密度7800 kg/m³,楊氏模量為207E9 Pa和泊松比0.3。

創(chuàng)建一個(gè)均勻的實(shí)體截面定義,命名為BarSection,接受Steel作為材料,接受Plane stress/strain thickness為1。

將截面定義BarSection賦予整個(gè)部件。

創(chuàng)建裝配件

進(jìn)入Assembly模塊,并創(chuàng)建一個(gè)部件Bar的實(shí)體。模型按照默認(rèn)方向放置,整體的3軸位于棒的長(zhǎng)度方向。

創(chuàng)建幾何集合和面

創(chuàng)建幾何集合TOP、BOT、FRONT、BACK、FIX和OUT,如圖9-4所示(集合OUT包含楞邊,在圖9-4中如黑粗線所示)。創(chuàng)建面命名LOAD,如圖9-5所示。這些區(qū)域?qū)⒂糜谑┘虞d荷和邊界條件,以及定義需要的輸出變量。

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定義分析步

創(chuàng)建一個(gè)單一的動(dòng)態(tài)、顯式分析步,命名為BlastLoad。鍵入Apply pressure load pulse作為分析步的描述,并設(shè)置Time period為2.0E-4 s。在Edit Step對(duì)話框中,點(diǎn)擊Other頁(yè)。為了保持應(yīng)力波盡可能的尖銳,將Quadrastic bulk viscosity parameter(二次體積粘性參數(shù),將在第9.5.1節(jié)“體積粘性”中討論)設(shè)置為0。

設(shè)置輸出要求

編輯默認(rèn)的場(chǎng)變量輸出要求,這樣在分析步BlastLoad中,將預(yù)先選擇的場(chǎng)變量數(shù)據(jù)以四個(gè)相等的空間間隔寫(xiě)入輸出數(shù)據(jù)庫(kù)。

刪除已存在的默認(rèn)的歷史變量輸出請(qǐng)求,而創(chuàng)建一個(gè)新的歷史變量輸出請(qǐng)求的集合。在Create History Output(創(chuàng)建歷史變量輸出)對(duì)話框中,接受默認(rèn)的名稱(chēng)H-Output-1和選擇的分析步BlastLoad,點(diǎn)擊Continue。點(diǎn)擊在Domain(范圍)選項(xiàng)框旁邊的箭頭,選擇Set name(集合名稱(chēng)),然后選擇OUT。在Output Varables(輸出變量)列表中,點(diǎn)擊在Stresses左邊的三角形,點(diǎn)擊在S, Stress components and invariants(應(yīng)力分量與不變量)左邊的三角形,并選中S33變量,它是在棒的軸向的應(yīng)力分量,指定在每1.0E-6 s保存一次輸出。

定義邊界條件

創(chuàng)建一個(gè)邊界條件,命名為Fix right end,并在所有三個(gè)方向上約束棒的右端面(幾何集合FIX)(見(jiàn)圖9-1)。創(chuàng)建其他的邊界條件,在這些面的法線方向約束頂面、底面、前面和后面(集合FRONT和BACK為1方向,集合TOP和BOT為2方向)。

定義載荷歷史

爆炸載荷將以它的最大值瞬時(shí)地施加并保持為常數(shù),持續(xù)時(shí)間為3.88×10^-5s。然后載荷突然全部去除并保持為零值。創(chuàng)建一個(gè)幅值定義,命名為Blast,采用在圖9-6中所示的數(shù)據(jù)。在本問(wèn)題中在任意給定時(shí)刻的壓力載荷值是指壓力載荷的給定量級(jí)乘以由幅值曲線插值的值。

創(chuàng)建壓力載荷,命名為Blast load,并選擇BlastLoad作為載荷施加的分析步。將載荷施加在LOAD面上。選擇Uniform(均勻)分布,指定值為1.0E5 Pa作為載荷量級(jí),并選擇幅值為Blast。

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創(chuàng)建網(wǎng)格

利用材料性質(zhì)(忽略了泊松比),我們可以應(yīng)用前面介紹的公式計(jì)算材料的波速

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我們感興趣的是隨著時(shí)間應(yīng)力沿著棒長(zhǎng)度方向的傳播;所以,需要一個(gè)足夠精細(xì)的網(wǎng)格來(lái)精確捕捉應(yīng)力波?？雌饋?lái)使爆炸載荷發(fā)生在10個(gè)單元的跨度內(nèi)是適合的。因?yàn)楸ㄊ浅掷m(xù)了3.88×10^-5 s,這意味著我們希望爆炸持續(xù)時(shí)間乘以波速等于10個(gè)單元的長(zhǎng)度:

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波以這個(gè)速度在1.94×10^-4s時(shí)通過(guò)棒的固定端。10個(gè)單元的長(zhǎng)度為0.2 m。因?yàn)榘舻拈L(zhǎng)度為1.0 m,這意味著我們要在長(zhǎng)度方向上劃分50個(gè)單元。為了保持網(wǎng)格均勻,在每個(gè)橫向上也劃分了10個(gè)單元,使得網(wǎng)格為50×10×10,這個(gè)網(wǎng)格如圖9-7所示。

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我們使用整體單元尺寸0.02為播撒種子的目標(biāo)。選擇C3D8R作為單元類(lèi)型,并剖分網(wǎng)格。

創(chuàng)建、運(yùn)行和監(jiān)控作業(yè)

創(chuàng)建一個(gè)作業(yè),命名為Bar,并鍵入Stress wave propagation in a bar (SI units)作為作業(yè)的描述。提交作業(yè),并監(jiān)控分析結(jié)果。如果遇到了任何錯(cuò)誤,必須修改模型和重新運(yùn)行模擬。必須調(diào)查任何警告信息的來(lái)源和采取適當(dāng)?shù)拇胧?回顧到某些警告信息可以安全地忽略,而其他的警告信息需要采取糾正的措施。

狀態(tài)文件(.sta)

你也可以觀察狀態(tài)文件Bar.sta來(lái)監(jiān)控作業(yè)的進(jìn)程,其中的信息包括關(guān)于慣性矩,接著是關(guān)注穩(wěn)定極限的信息。按照順序列出了10個(gè)具有最低穩(wěn)定時(shí)間極
限的單元。

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