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OptiStruct非线性丨插拔件问题

7月前浏览4230

您是否还记得小汰之前介绍过 OptiStruct 的非线性分析功能?不记得的话,可以回顾非线性分析的基本概念及 OptiStruct 的相关设置。


现在小汰将通过具体非线性案例引导大家认识 OptiStruct 的非线性分析,并把常见的非线性应用展现给大家。


作为系列的开篇,我们首先介绍 OptiStruct 应用于插拔件问题。这是非线性应用中的一类常见问题。一个是插针挤入针孔的过程,另一个是背包卡扣的嵌入过程。

   



   



部件的插拔过程看似简单,但实则涉及了几乎所有常见的非线性特性,包括:材料非线性、几何非线性以及接触非线性,有时插入过程甚至涉及结构的后屈曲问题。因此插拔件问题的求解过程中时常会碰到难以收敛的问题。


本次将以插针模型为例,讲解如何在 OptiStruct 中进行插拔件问题的非线性工况的设置,以及针对该应用问题的相关设置要点。



非线性材料定义


插针模型包含插针和底座两个部分,针孔大小为0.4 x 0.64mm的方形。部件均采用实体网格,属性PSOLID引用材料为钢。考虑钢的弹塑性特征,即使用MAT1和MATS1共同表征该材料。


   

插针

   

底座


 


在MAT1中定义弹性模量E、泊松比NU和密度RHO;


 


然后在MATS1中定义钢的塑性段,使用TABLES1曲线“steel_tables1”定义塑性段。


 
 



载荷边界条件定义


插拔问题的边界条件见下方图示。通常为一侧固定,另一侧进行相向运动。


 


关于边界条件的设置,需要说明这些要点:


  • 采用“强制位移”的加载方式,而不是使用力载荷的方式。这是因为在两个部件未接触的状态下,运动部件是处于自由状态的,该部件的整体刚度为零。如果使用力加载,那么在静力学分析中,该运动部件的位移将无穷大(发散)。


  • 通常插拔件问题关心插拔力的大小,因此为便于得到作用力数值,将强制位移施加于RBE2的中心点,然后通过RBE2单元施加到对应的结构区域。这样通过SPCF输出得到的反作用力即为插拔力的合力数值。


  • 建议在结构的特殊位置(例如对称面)施加辅助约束的SPC。通常来说,这些辅助约束SPC可以有效提高计算的收敛性,也能模拟一些控制手段(例如:居中插入)。



连续滑移的接触定义


插拔件的接触区域通常随着运动部件的位置状态发生改变,因此这类问题的接触区域通常需要选取可能接触的连续滑移面。本例中设置了两组接触面,如下图所示。


 


关于接触对的相关属性设置,其要点是:


  • 须使用TRACK=CONSLI的接触状态追踪。它的含义是,在载荷增量步内的每一个迭代步中,都进行接触对状态的更新。这样可以最大程度保证捕捉接触对的滑移状态,从而使计算更准确。插拔件问题不推荐使用TRACK=FINITE(只在每个增量步才更新接触对,而在迭代步中不更新),更不能使用TRACK=SMALL。


  • 推荐使用接触Property Option选项,通过调用PCONT卡片,可以进一步调整接触刚度的大小、摩擦系数大小、接触是否可分离等。


    特别的,当两个接触件的弹性模量刚度差异相差较大时,使用PCONT卡片中的STIFF=SOFT的参数,能够有效帮助计算收敛(缺点是部件穿透略微增大)

     
     



非线性工况定义


插拔件问题最常见的是使用非线性准静态(或瞬态)进行求解。OptiStruct 中设置非线性准静态工况的方法是使用NLPARM卡片。本例中的工况设置如图所示:


 


工况设置要点如下:


  • Analysis type设置为 Non-linear static;


  • SPC边界条件和LOAD载荷分别选取之前设置的SPC卡片和SPCD卡片;


  • NLPARM设置是必须的,且务必使用含LGDISP的设置项,否则须配合使用 PARAM,LGDISP,YES。LGDISP表示启用大变形分析,这样才能提供实时改变的结构状态。


  • NLOUT设置也是必须的,用于提供中间过程的输出,这在插拔问题中是需要关心的。在本例中,设置NLOUT的参数FREQ为1,则可以输出所有收敛的增量步。


  • NLADAPT设置是可选的,通常能用于提供更严格的收敛准则,以期得到更准确的结果。在本例中,设置NOPCL为0以及NSTSL为0,这是两个额外的收敛准则,它们分别要求接触对的open/close状态不再改变,以及stick/slide状态不再改变才算收敛。这是插拔问题中常见的一种设置,目的就是为了更准确的结果。


    需要说明的是,NLPARM卡片的各参数并没有严格的取值,在非线性分析中,OptiStruct会根据收敛准则和实际残差动态调整载荷增量步。同样地,NLOUT和NLADAPT卡片的参数也没有绝对的推荐数值,建议结合OptiStruct自带的帮助手册,根据实际的需求进行调整。


另外,在本例的工况输出控制中,设置如下输出请求:


DISPLACEMENT:位移结果

STRESS:应力

STRAIN:应变

SPCF:约束反力

CONTF:接触状态及接触力


案例结果


经过上述一系列的设置并提交 OptiStruct 计算,终于等到了最终的分析结果。在插拔问题中,通常关心两个问题:结构是否发生塑性变形,以及插拔力的数值是多少。


首先,使用 HyperView 查看“Plastic Strains“,可以看到插针插入过程已发生了塑性变形,最大等效塑性应变约5.6%。


其次,使用 HyperGraph 同步查看“SPCF Forces“,可以得到插入过程的RBE2单元中心作用点的反作用力大小。从SPCF曲线看出,插入过程的最大接触力是部件刚接触的瞬间,约为1.7N左右。之后整个后续插入过程的插入力基本稳定,在0.4~0.6N之间。


 


背包卡扣案例


对于背包卡扣模型(塑料材质),在 OptiStruct 的分析设置方面与插针模型是完全类似的过程,具体可下载附件模型进行比较。


同样通过 HyperView 和 HyeprGraph,可读取如下图所示的结构塑性应变以及卡簧侧面节点的位移。可以看出,由于背包卡扣塑料材质的弹性范围(屈服应力)过小,卡簧根部区域的内外侧都发生了较大的塑性变形,由此导致了卡簧侧面节点产生约0.3mm的不可恢复位移。


因此通过 OptiStruct 仿真,可以知晓该背包卡扣设计可能存在一定的缺陷,应考虑更换更优良的塑料材料,或者修改卡槽及卡簧的结构形态。


 


关于 OptiStruct 非线性功能应用于插拔件的分析,小汰就介绍到这里啦。


来源:Altair澳汰尔
HPCOptiStructHyperView静力学非线性航空航天汽车电子消费电子材料控制人工智能Altair
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:2024-03-06
最近编辑:7月前
Altair澳汰尔
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