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使用Abaqus模拟弹簧

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使用Abaqus中的连接器来模拟弹簧行为。

01 Abaqus中的弹簧

弹簧,作为一种使用频率比较高的部件,常常在各种结构中见到。一般来说,弹簧约束了两个部件的相互关系,使得它们只能在弹簧轴向发生相互运动。那么,在Abaqus中如何去模拟弹簧呢?

模拟弹簧的方法不止一种,今天介绍下使用连接器(Translator)来模拟弹簧的方法。
首先介绍下连接器模拟弹簧的基本原理和参数的含义。
打开Abaqus,切换到Interaction模块,点击Create Connector Section,在Connection Type中选择Translator,如下图所示。


点击Continue,进入编辑界面,在Behavior Options中点击右侧加号,弹出可以设置的各种属性,在模拟弹簧时常用的几种属性含义为:

Elasticity用来定义弹簧的弹性系数。
Reference length指弹簧的原长,即弹簧受力为零时的长度。
Stop的上下限指的是弹簧被压缩或拉长的最大限度。
Lock指的是当弹簧的变形达到某个值时,弹簧被锁住,不能再变形。
Stop和Lock的区别在于,达到Stop的变形限度时,弹簧仍然可以朝着反方向变形;弹簧达到Lock的变形限度时,弹簧不能再变形,即便反方向也是。
下面用一个弹簧振子的例子,来在Abaqus中具体操作下如何创建弹簧。

02 弹簧振子模型

弹簧振子是结构动力学中基础的概念之一,最简单的弹簧振子就是一个质量块连接着一个弹簧,固定弹簧一端,使质量块能够随着弹簧伸长缩短而移动。
弹簧振子模型涉及到的质量、刚度、频率、阻尼等之间的关系这里不做叙述,感兴趣可以从大部分结构动力学书籍中找到。这里只讨论如何使用Abaqus实现弹簧振子模型。
打开Abaqus,创建一个方块。

再创建一个刚性面以及参考点,作为固定面。
将刚性面和方块装配到一起,使它们的参考点在同一高度,在两个参考点间创建一个Wire。

在Interaction模块,为方块添加刚体约束,并创建Connnector Section,选择Type为Translator,设置弹簧为线性,设置弹性系数为10N/mm。

这样一个最简单的弹簧属性就设置好了。设置好之后点击Creat Connector Assignment,选择前面创建的Wire,赋予弹簧属性,注意应该在Orientation 1 中创建一个局部坐标系,该局部坐标系的x轴方向与弹簧轴向平行。

这样一个线性、只具有刚度系数一个参数的弹簧振子模型就建好了。如下图所示。

创建一个静力分析步,刚性面完全固定,给刚体块一个沿弹簧轴向10mm的拉伸量,在场变量结果输出中增加支反力RF,提交分析。
由于两个部件都是刚体,因此没有应力结果。查看刚性面参考点的支反力结果如下图所示。

由于我们设置弹簧刚度系数为10N/mm,因此刚体块沿弹簧轴向变形10mm时,弹簧力线性增长到100N。
如果希望更清楚看到弹簧振子的运动,可以将分析步切换成显式分析步,由于弹簧振子运动周期 ,其中k为弹簧刚度系数,m为质量块质量。为了使计算加快,调整刚度系数为1000N/mm,质量为7.86kg,则周期为0.0176s,设置分析步时长为0.088s,即5个周期。
在弹簧属性中,增加Reference Length的设置,本例中质量块和刚性面间距为100mm,因此可设弹簧原长为80mm,相当于弹簧初始被拉伸20mm,也就是弹簧振子的振幅为20mm。

设置历史变量输出,增加Wire的支反力RF和轴向位移U3。

由于刚性面为刚体,质量块又加了刚体约束,因此需要在分析步指定增量步长,这里设置为0.0001s,提交计算。

查看位移和支反力结果如下图所示。

在弹簧属性中添加Stop参数来查看其功能。在Stop中设置弹簧长度下限为70mm,提交计算。
查看结果如下图所示。

若要查看lock的功能,可以增加lock属性,如图所示,设置弹簧在长度变为70mm时锁定。
提交计算,得到结果如图所示。

03 总结

总结如下:
1. 在Abaqus中,可以使用Translator来模拟弹簧行为;
2. 弹簧属性中,Elasticity用来定义弹簧的弹性系数。Reference length指弹簧的原长,即弹簧受力为零时的长度。Stop的上下限指的是弹簧被压缩或拉长的最大限度。Lock指的是当弹簧的变形达到某个值时,弹簧被锁住,不能再变形。
3. 当显式分析中没有可变形单元时,Abaqus无法自动确定增量步长,此时可以自定义增量步长。

来源:仿真老兵
ACTAbaqus装配
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2024-11-29
最近编辑:1天前
无情浪子
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