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绑定接触与节点耦合方法对比及结果验证

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前言

在本公 众号上的一篇文章《结构有限元网格节点耦合的几个高效方法》中,着重介绍了网格节点耦合的三种方法,因为节点耦合是计算最快、收敛性最好的方法,是最优先选择的方法。但是在对于某些复杂结构来说,使“节点耦合”比较费时间,那么就可以使用别的方法,在这些方法中,“绑定接触”方法操作简单,计算效率高,不失为一种合适的方法。本文使用极简结构来说明体网格之间、壳网格之间、体网格与壳网格之间的绑定接触的使用方法,同时为了验证该方法的可靠性,使用“节点耦合”方法再计算一次,对比两种方法结果的差异。  

1. 不同类型体网格的连接  

假设有一根截面为正方形的杆,一半使用六面体网格划分,另外一半使用四面体网格划分,且分界面网格节点没有耦合,见图1。  

不同体网格的节点没耦合  

(1)为主面master、从面slaver选择接触单元集,见图2-图3,该设置为面-面接触。  

图2 选择主面单元集  

图3 选择从面单元集  

(2)设置“绑定接触”。接触类型选择绑定“FREEZE”(字面意思:冻结),SSID选择slaver单元集,MSID选择master单元集,见图4。  

设置绑定接触  

(3)设置约束、载荷和计算步。计算类型选项“Linear Static”(线性静态分析),选择约束和载荷,见图5。

设置约束、载荷和计算步  

(4)提交计算,结果如图6,最大位移、应力分别为0.0721mm和30.58Mpa。  

6  绑定接触下的计算结果  

(5) 结果验证。使用六面体重新划分网格,使网格节点耦合,见图7。设置相同的约束、载荷(120*5=100*6,保证端部受力一致),提交计算,结果见图8。最大位移、应力分别为0.0738mm和30.58Mpa,与“绑定接触”下的计算结果接近,但是在接触面的应力云图还是有差异的。节点耦合下的应力云图更加连贯、流畅。  

节点耦合下的模型  

8  节点耦合下的计算结果  

在步骤(1)中主面、从面都是选择了单元,属于面-面接触,如果为从面选择节点,见图9,则属于点-面接触,(节点只能在从面上,不能在主面上)  

从面选择节点  

点-面接触下,计算结果如图10,最大位移、应力分别为0.0731mm和30.58Mpa,更接近节点耦合下的结果。  

10  -面接触下的计算结果

不同类型壳网格的连接  

假设两种壳网格相交,但是网格节点没有耦合,见图11。  

11 壳网格的节点没耦合
(1) 为主面master选择单元、从面slaver选择节点,见图12-图13

12 为主面选择单元集  

13 为从面选择节点集  

(2)设置“绑定接触”。解除类型选择绑定“FREEZE”,SSID选择slaver单元集,MSID选择Master单元集。  

14 设置绑定接触  

(3)设置约束、载荷和计算步。计算类型选项“Linear Static”,选择约束和载荷。  

15 设置约束、载荷和计算步  

(4)提交计算,结果如图16,最大位移、应力分别为0.27mm和109.9Mpa。  

16 绑定接触下的计算结果  

(5) 结果验证。重新划分网格,使网格节点耦合,见图17。设置相同的约束、载荷,提交计算,结果见图18。最大位移、应力分别为0.27mm和108.5Mpa,与“绑定接触”下的计算结果接近,但是在接触面的应力云图还是有差异的。  

17 节点耦合下的模型  

18  节点耦合下的计算结果  

体网格与壳网格的连接  

假设六面体网格和壳网格相交,但是节点没有耦合,见图19。  

19 体网格和壳网格节点没耦合  

(1) 为主面master选择单元、从面slaver选择节点,见图20-图21。  

20 为主面选择单元集  

21 为从面选择节点集

(2)设置“绑定接触”。解除类型选择绑定“FREEZE”,SSID选择slaver单元集,MSID选择Master单元集。  

(3)设置约束、载荷和计算步。计算类型选项“Linear Static”,选择约束和载荷。  

22  设置约束、载荷和计算步  

(4)提交计算,结果如图23,最大位移、应力分别为0.54mm和272.9Mpa。  

23 绑定接触下的计算结果  

(5) 结果验证。重新划分网格,使网格节点耦合,见图24。设置相同的约束、载荷,提交计算,计算结果非常大(10的14次方),这是由于体网格与壳网格具有不同自由度造成的。  

24 节点耦合下的模型  

为了限制壳单元的旋转,使用刚性单元把壳网格节点与体网格节点连接起来,看上去好像壳网格“插入”体网格内,见图25。  

25 使用刚性单元连接体网格和壳网格  

设置完成后,提交计算,结果如图26所示,最大位移、应力分别为0.53mm和273.4Mpa,与绑定接触下结果非常接近。  

26 节点耦合下的计算结果  

总结

以上计算结果表明,正确使用绑定接触,可得到与节点耦合相近的结果,避免了在节点耦合上花费大量的时间,对于结构复杂的结构来说,不失为一种退而求其次的方法。  

    


来源:CAE与Dynamics学习之友
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首次发布时间:2025-04-06
最近编辑:21小时前
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博士 乾坤未定,你我皆是黑马
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车-线-桥刚柔耦合动力学建模方法

摘要本文概述了列车-轨道-桥梁耦合作用的有限元模型建立流程,涉及Hypermesh、Abaqus和Simpack等软件操作。首先,在Hypermesh中构建几何模型并划分网格,导出inp文件;随后,在Abaqus中计算频率与子结构并导出.sim文件;再于Simpack中创建fbi与ftr文件,建立弹性体与轨道;最后,建立全刚体车辆模型并设置力元完成模型搭建。文章强调模型位置摆放的重要性,并提供了应力变化的可视化,但未深入模态计算与力元参数细节。正文前言在列车运行的过程中,会经过各种类型的桥梁。从动力学角度来看,对于桥梁来说,列车载荷作为一种激励作用在桥梁上,引起桥梁的振动;而桥梁振动产生的动力响应通过轨道又传到列车上,进而影响到列车的振动,两者相互影响,时刻耦合在一起,这就是车-线-桥耦合作用。本文仅仅是从软件操作上说明此类模型的建立方法。1.建立有限元模型(软件:Hypermesh(Abaqus求解器))单位制:在做Abaqus与Simpack联合仿真时,因为在Simpack中长度单位为m,所以在Hypermesh中,长度单位也要为m,则密度单位为kg/m3,力单位为N,质量单位为kg,弹性模量单位为pa。(1)建立几何模型可以在三维软件中建立,如有现成三维模型,可直接导入Hypermesh中。导入三维模型后,通过translate、rotate命令调整模型放置位置,使模型坐标符合铁路坐标规则。创建坐标原点,把弹性轨道的起始点放在原点处。在Simpack中,Z方向的原点是在轨面上,因此需要把钢轨最高点放在Z=0上(由于删除了三维模型,这里用有限元模型来说明),见图1。模型的摆放位置特别重要,一定要把这一步做好!!图1模型的摆放位置(2)网格划分在网格划分过程中,最重要的就是要考虑后续力元位置的节点对齐。为了防止应力集中,需要在力元位置创建rbe3单元(elemtypes为COUP_DIS)来连接周围节点,同时为了显示方便,需要把各个体稍微分开,这就需要把dependentnode稍微移动一点,使上下两个体的dependentnode在空间上重合(因为在Simpack中创建5号力元时需要重合的两个Marker点),见图2。图2力元位置节点重合(3)各弹性体主节点的选取在Simpack中,要使用子结构的一些节点来创建力元,因此需要选取一些节点来生成子结构。主节点的选取原则:创建力元位置的节点必须选取,表征弹性体主体结构的节点必须选取。图3-图6分别为桥墩、箱型梁、浮置板、钢轨的主节点。图3桥墩主节点图4箱型梁主节点图5浮置板主节点图6钢轨主节点(4)各弹性体inp文件导出以导出浮置板为例:打开ExportSolverDeck,Export类型选择Custom,再点击“SelectEntities”,选择与导出弹性体相关的属性(部件、材料、属性、主节点),最后单击“Export”,导出完成,生成弹性体inp文件,见图7。图7inp文件导出2.计算弹性体频率和子结构(软件:Abaqus)导入inp文件,计算各弹性的模态和子结构,模态计算设置很常见,这里不展开,重点说一下子结构的计算。以计算浮置板为例,按图8设置子结构分析步。图8子结构分析步的设置然后创建边界条件,保留主节点上的所有自由度,见图9。图9保留主节点自由度最后提交计算,查看结果,最终需要的是子结构.sim文件(后续生成fbi文件需要)。3.建立动力学模型(软件:Simpack)(1)生成fbi文件在Simpack软件中,选择各个弹性的inp文件和对应的sim文件,按图10所示设置生成各自的fbi文件。图10生成弹性体fbi文件(2)书写ftr文件该部分较难,可参考文献《城市轨道交通振动模型及减振分析》来进行ftr文件的编写,见图11。图11ftr文件语法规则按照语法规则编写ftr文件,图12为该文件的部分内容。图12编写的ftr文件(3)创建弹性体首先把所有的fbi文件放在database中(除Rail.fbi),设置fbi文件搜索路径,否则在创建Body时,找不到fbi文件,见图13。图13搜索路径设置在轨道文件夹mbs_db_flextrack中,创建一个文件夹,把Rail.fbi和ftr文件放入这个文件夹中(特别注意:ftr文件的名称要与它所处文件夹一样的名称)创建桥墩body,Type选择“Linearflexible”,在“Database”中选择fbi文件,Apply一下,见图14。图14弹性文件的导入fbi文件导入后,质量、惯量属性自动填入。选择模态阶数,见图15。该界面的具体参数意义可参考帮助文档。图15选择参与计算模态在节点(就是在Hypermesh中设置的主节点)处生成Marker点。选择“Atnode”,Generate一下即可,见图16。图16弹性体上Marker点的生成设置Body的铰接,比如桥墩固结在大地上,见图17。注意:在Simpack中,坐标原点在初始点,此时有限元中的坐标原点(见图1)已经不是Simpack中的坐标原点,所以铰接位置要根据弹性轨道的开始位置计算好。图17桥墩铰接的设置创建箱型梁、浮置板Body采用相同的方法,只是这两个的铰接是采用25号铰,具有6个自由度,见图18。图18箱型梁铰接的设置(4)创建弹性轨道在创建弹性轨道时,Type选择“NonlinearFlextrack”,选择创建的ftr轨道文件,Apply一下,见图19。图19弹性轨道的导入在ftr文件中定义的节点会显示出来,见图20。图20ftr文件中定义的节点弹性轨道的铰接,是固结在大地上,见图21。图21弹性轨道的铰接(5)建立全刚体的车辆模型与传统建模方式一样,此处省略不表。(6)设置力元箱型梁与桥墩、浮置板与箱型梁之间才有5号力元,见图22。图22箱型梁与桥墩、浮置板与箱型梁之间的连接弹性轨道与浮置板采用43号力元模拟扣件力(主要是需要用到防侧滚刚度,如果不设置防侧滚刚度,计算会中止报错),见图23。图23弹性轨道与浮置板之间的连接这样就完成了所有的车、线、桥模型搭建。因为是弹性体,通过相应的设置还可以查看在运动过程中,各弹性体的实时应力变化,见图24。由于篇幅有限,以后有时间再来整理。图24箱型梁的实时应力变化来源:CAE与Dynamics学习之友

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