弹簧片零件的大变形分析.docx

CopyrightANSYS教学算例集弹簧片零件的大变形及应力分析撰写：孟志华审核：校对：2018年09月30日关键字：板壳单元、几何非线性、大变形、收敛问题算例来源：安世亚太科技股份有限公司目录1 .摘要12 .案例描述13 .操作步骤23.1. 打开ANSYSWorkbench,导入已有文件23.2. 检查确认材料的力学属性33.3. 进入MeChaniCaL赋予材料及网格划分43.4. 施加载荷和边界条件635静力分析求解83.6. 线性分析结果查看83.7. 改为几何非线性求解103.8. 非线性分析结果查看134.分析小结141 .摘要本算例对一个弹簧片进行非线性大变形分析。在ANSYSMeChaniCal软件中进行模型导入、网格划分、载荷约束施加，分别计算线性小变形和非线性大变形的结构位移和应力，校核板壳的位移是否满足要求。其中，MeChaniCal默认对板壳单元使用ShenI81单元，适合模拟薄壳到中等厚度壳。由于簧片的厚度较薄，变形量较大。因此，在本例题中，除了使用板壳单元181建模外，还应打开几何大变形的开关，作为几何非线性问题来对待。本例适合于初学者快速了解非线性问题的基本分析过程，并了解几何非线性的设置操作。2 .案例描述弹簧片零件结构如图，材料为ANSYS内置的钢材料，一端承受均布力荷载，另一端有固定约束。由于结构的厚度远小于长度和宽度方向，可以用板壳单元模拟，分别计算线性小变形和非线性大变形的结构位移和应力。3 .操作步骤3.1. 打开ANSYSWorkbench,导入已有文件首先启动ANSYSWorkbench环境。(1)导入已有的WOrkbenCh文件包：在WOrkbenCh界面的顶部【File】菜单中，使用“RestoreArchive.”菜单,指定本算例文件“SNLWS2apring.wbpz”及路径,解压并打开文件。在系统提示保存时，选择“保存”。提示：.WbPz,是ANSYSWOrkbenCh的一种压缩文件格式,压缩文件内包含了所有的仿真项目及必要的过程文件。该文件不能直接用“Open”打开,而是用“RestoreArchive”解压打开。在解压打开时,必须接受“保存"为.wbpj文件和同名文件夹,以便继续完成操作。八Shell-Disk-Workbench(2)检查确认导入的WbPZ文件：在WorkberICh界面中，导入文件后，在GUl视窗中，可以看到已经创建了一个“静力分析”的项目及过程。FileViewToolsUnitsExtensionsJobsHelp回国画画S_FJQImport.uReconnectRefreshProject/UpdateProjectJjACTStartPageTootx)xProject Schematic日 Analysis SystemsDesignAssessment EigenvaIueBuckIing ElectricExplicit DynamicsFluid FIow(CFX) Fluid Flow(Fluent) HannonicAcoustks HarmonicResponse Hydrodynamic Diffracbon Hydrodynamic Response IC Engine (Fluent) Magnetostabc苍 Static Structural (ANSYS)2 Engineering DataVZ /3 ® GeometryJ /SetupSolutionResultsStatic Structural (ANSYS)3.2. 检查确认材料的力学属性提示：ANSYSMeChaniCal在WOrkbenCh环境中，提供了一些钢、铝等常用材料库，在EngineeringDataI可以设置、修改、或创建材料。而且，ANSYSMechanical默认将所有单元设置为低碳钢材料。(1)在ProjectSchematic视窗栏目中，双击静力分析过程的【EngineeringData】栏目，则进入材料数据的设置和修改、创建页面。(2)检查“structuralsteel”材料属性：点击默认的“structuralsteel”材料，可以看到下面的材料力学属性表格。结构有限元分析最基本的材料力学属性为杨氏模量、泊松比等，对于材料非线性分析，则需要添加和定制更多的材料本构关系。27C4fflprVMT< Mm S*WQtt I OV, 工 *iLeM尼川(3)直接关闭EngineeringData页签，回到WOrkbenCh的起始页面(主页面)。3.3. 进入Mechanicalr赋予材料及网格划分(1)打开ANSYSMechanical模块：在Workbench起始界面，找到项目流程ProjectSchematic窗口下的静力分析过程，双击其中的【Model】栏目，即打开ANSYSMeChaniCal模块的界面。在本例题中，Geometry】栏的几何模型，已经创建好，读者无需操作。提示:在MeChaniCcd的界面下,将完成除几何建模和清理之外的网格划分、赋予材料、施加荷载和约束、求解控制、后处理等工作。FileViewToolsUnitsExtensionsJobsHelpE国画画®ProjectImPort.ReconnectRefreshProject/UpdateProjectACTStartPageToolbox5hemacAnalysisSystemsDesignAssessmentEigenvaIueBuckIingElectricBlicitDynamicsFluidFIow(CFX)FluidFlow(Fluent)HannonicAcousticsHarmonicResponseHydrodynamicDiffractionHydrodynamicResponseICEngine(Fluent)Magnetostatic遹StaticStructural(ANSYS)StaticStructural(ANSYS)70Results2EngineeringDatavz/3鲍Geometry,/4睁MOdd77(1)修改单位制：在MeCharIiCaI界面的顶部菜单栏，设置单位制【Units】为毫米、公斤、牛的单位制。UnitsMetric(mr3MSV,A)11S,Metric(c11X9dyne,s,V,A)Itric(mgMXeV,mA)(mm,NrmV,mA)Metric(mm,<UM2mV,mA)Metric(m.kgH,V.mA)US.Customxy(flbrrfcf,eF,tV,A)U.S.Customicy(m.Ibr11lbf,FrV,A)JDegreesFld<m(2)检查确认板壳结构的材料和厚度：在MeChaniCal的左侧目录树Outline下，依次找到【Project】-Model-Geometry,左键点中“surfacebody”零件，此时在界面左下角的【Detail】细节设置面板中可为该零件赋予材料或设置其他属性。找到细节设置面板下的【Material】-Assignment,确认是系统默认材料structuralSteeL找到细节设置面板下【Thickness】栏，确认此处的板壳厚度为1mm。（3）定义网格划分方法及尺寸：本例题中，簧片模型规则，可以自动划分扫掠的四边形板壳网格，读者可以不做修改。（4）生成网格：在目录树【Outline】下，找到-【Mesh】，鼠标右键，在弹出菜单中选择IGenerateMeshI即可完成网格划分。划分网格后的网格数量、质量等信息，可以在选中-【Mesh】下的细节设置面板中查看。3.4. 施加载荷和边界条件本案例需要添加两类边界条件，一类为均布推力载荷，一类为固定约束。（1）施加均布推力载荷：例题中的目录树中，已经添加并定义了【Force】力载荷，并定义了作用区域和数值。如下图，无需修改。SjModel(A4)Geometry-十tSurfaceBody由一Materials国,W<CoordinateSystems,阿MeShP11StaticStructural(A5)AnalysisSettingsFixedSupportForCejSolution(A6)SolutonInformationTotalDeformationEqurvalentStressJ Force: 250. NScop«Scoping MethodGeometry SelectionGeometry1 EdgeDefinitionTypeForceDefine ByComponentsCoordinate SystemGlobal Coordinate System X Component250. N (ramped)Y Component0. N (ramped)Z Component0. N (ramped)SuppressedNoDetails of "Force"qGeomeryIXPrint PreVieW入 RepOrt Preview/Graph(2)施加固定约束：例题中的目录树中，已经添加并定义了FixedSupport固定约束，并定义了约束作用的区域和数值。如下图，无需修改。SiProjectl-j(Model(A4)d(ZGGeometry三8¾SirfaceBody田冠MaterialsBxxCoordinateSystemsw>MeshQStaticStructural(A5)，啰AnalySiSSettrgS¾FixedSupportSForceSolution(A6)!”yfflSolUtjonInfbrmabon.eTotalDeformatjonEquivalentStressDetailsof'AxedSupportaQBScopeScopingMethodGeometrySelectionGeometry1EdgeBDefinitionTypeFixedSupportSuppressedNo3.5. 静力分析求解第一次的求解，为常规的静力、线性问题，因此无需进行更多的求解控制。直接在左边目录树Outlines中找到需要求解的静力分析工况，即-【StaticStructural,在【Solution】栏上鼠标右键，弹出菜单选SOIVe,进行求解。3.6. 线性分析结果查看计算完成后，(1)添加并查看VOnmiSeS应力结果：继续在左侧目录树【outline】下的【Solution】，点鼠标右键，在弹出菜单选择-【insert】-stress-Equivalentstress/Von-mises,即可在Solution栏下插入一个Von-mises应力的查看选项。然后在目录树中新插入的EqUiVaIentStreSS应力上点击鼠标右键，使用44EvaluateAllResults,即可看到应力云图的显示。在本例题中，Von-miese应力最大值为4307Mpa,最大值在簧片固定端根部。F :XJr EU Duuy山及 MaterialsS y> Coordinate SystemsMesh yQ Static Structural (A5)：- JA Analysis Settings；,电 Fixed Support.电 ForceB Solution (A6)Solutxxi InformationTotal DeformationEquivatent Stress;tails of "Equivalent Stress'QScope.Scoping MethodGeometry SelectionGeometryAll BodiesPositionTop/BottomDefinitionTypej Equivalent (von-Mises) S. 4307.5 Max3829.9335242874.82397.21919.6144296444486.869.279 Min提示：该例题中，结构形状对称，且荷载和约束也对称，但计算结果的云图略有不对称，例如根部的应力分布云图在板的两侧略有差异。请思考原因一一这是因为网格划分时，网格模型不是完全对称的，网格略有差异，导致了计算结果的对称性略有差异。（2）添加并查看整体变形应力结果：继续在左侧目录树【outline】下的【Solution】，点鼠标右键，在弹出菜单选择-【insert】-deformation-total,即可在SOlUtion栏下插入一个结构总变形量的查看选项。然后在目录树中新插入的“totaldefbrmation”上点击鼠标右键，使用“EvaluateAllResults",即可看到结构总体位移云图的显示。对于本例题，最大位移点在簧片的加力一端，37mmo由.随 Materials y>> Coordinate Systems y<> Mesh白” .zf Static Structural (A5)Jd Analysis Settings：- y¾, Fixed SupportForce白 Solution (A6)/ JI Soluti InformationTotal DefbrmatiOn.电 Equivalent Stress.37.551 3337929.20625.03420.862-16.689123178.344 7 GeometryX Print Preview Report Preview/3.7. 改为几何非线性求解由于板壳结构的厚度较薄，线性分析结果的位移达到37mm,簧片的宽度也仅为40mm左右，显然结构变形量较大。因此，在本例题中，应打开几何大变形的开关，作为几何非线性问题来对待。（1）复制一个静力分析的项目：回到WorkbenCh的主页面，在原有的静力分析项目流程中,找到MOdeL并使用右键，弹出菜单选择“Duplicate"（复制）。该操作，系统将复制一个静力分析项目，与原有项目的模型、流程一致。然后，将新的静力分析项目通过右键菜单重命名为“LargeDeflectionwithLinearMaf,o(2)打开新创建的静力分析项目：在WorkbenCh的主页面，双击新创建的静力分析项目流程中的“Model”栏，即可打开新的静力分析项目MeChaniCal界面。在新的项目中，将使用大变形行为来计算。(3)打开几何大变形开关：在新的MeChaniCal界面目录树中，在该静力分析工况Staticstructural栏下，点击AnalysisSettingI栏，相应的细节设置面板中，可以设置各种线性、非线性、动力学的求解参数和选型。此处，将Autotimestepping保持“programcontrolled,即非线性求解的时间步长由系统自动调整。并将"LargeDeflection"改为“on”，即打开几何非线性开关，求解时作为几何非线性问题来求解。OutlineFiltenName囱¢)日田臼疝IProject重LargeDeflectionzLinearMat,l(B4)EGeometry>kCoordinateSystems,喔MeshB.臼StaticStructural(B5).GAnaIySlSSettings“电FixedSupportp-,Force白鱼Solution(B6)SolutionInformation的TotalDeformation励EquivalentStress一色ForceReactionDetdilsofStep Controls Solver Controls SoIverType Weak Springs Solver Pivot CheckingProgram ControlledProgram ControlledProgram ControlledLarge DeflectionOnInertia ReliefOff+a*RestartControlsNonlinearControlsOutputControlsAnalysisDataManagementVisibilityIansys（4）重新求解：在目录树的StaticStructural-Solution）栏上鼠标右键，弹出菜单选SOIVe,进行重新求解。（5）监控求解过程的收敛曲线：非线性求解过程中，迭代和收敛是重要的问题。在目录树找到【Solution】下的SokitionInformation,点击，并在细节设置而板中，设置（SolutionOutput为“ForceConverge”（力收敛准则），可以在视窗中看到收敛曲线和求解进度。提示:在收敛曲线的图形中，看到两条红色的竖线（虚线）,这是代表在该步位置发生了“自动二分”。系统在计算到该步时,发现难以收敛,则自动将该步的步长减半,重新求解,以加强收敛。这是非线性问题中非常常见的一种操作。3.8. 非线性分析结果查看由于是非线性问题，求解一般需要多次迭代才能收敛，所以求解时间长于线性问题。本例题总共进行了34次迭代。计算完成后，(1)查看Vonmises应力结果：再次查看Von-miese应力，最大值为3832MPa,最大值的位置不变，但低于没有打开大变形开关时4307MPa的结果。3832.2 Max3407.62983.12558.52134170941284.9860.3435.7511.193 Min(2)查看整体变形应力结果：点击目录树的“totaldeformation”，即可看到结构总体位移云图的显示。最大位移原为37mm,当打开大变形开关后，位移变为31mm。4.分析小结本算例对一个弹簧片的板壳模型进行线性和非线性大变形的分析。在ANSYSMeChaniCal软件中分别计算线性小变形和非线性大变形的结构位移和应力。由于弹簧片结构的厚度较薄，线性分析结果的位移达到37mm,变形量已经接近结构整体尺寸，因此，在本例题中，理应打开几何大变形的开关，作为几何非线性问题来对待，才能获得与工程实际相符的结果。另外，基于本例题，简单探讨了几何对称且载荷对称的结构为何会有不完全对称的结果的原因，并介绍了非线性问题中很重要的“二分”概念。注意，打开几何大变形的开关，会使得求解结果比线性小变形分析更接近工程实际，但也会导致转换为非线性问题而增加求解时间。如果是否打开大变形开关，导致计算结果偏差很大，那么，通常几何非线性的计算结果更为可信。