Abaqus剛性體

2013-08-14 by:Abaqus培訓中心來源:仿真在線

Abaqus剛性體

在ABAQUS中,剛性體是節(jié)點和單元的集合體,這些節(jié)點和單元的運動由稱為剛性體參考節(jié)點(rigid body reference node)的單一節(jié)點的運動所控制,如圖3-7所示。

定義剛性體的形狀或者是一個解析表面,通過旋轉或者拉伸一個二維幾何圖形得到這個表面,或者是一個離散的剛性體,通過剖分物體生成由節(jié)點和單元組成的網(wǎng)格得到這個剛性體。在模擬過程中,剛性體的形狀不變,但可以產(chǎn)生大的剛體運動。基于構成離散剛性體的單元的貢獻,可以計算它的質量和慣性,或者可以特殊設置。

通過在剛性體參考點上施加邊界條件可以描述剛性體的運動。在剛體上生成的載荷來自施加在節(jié)點上的集中載荷和施加在部分剛性體單元上的分布載荷,或者來自施加在剛性體參考點上的載荷。通過節(jié)點連接和通過接觸可變形的單元,剛性體與模型中的其它部分發(fā)生相互作用。

在第12章“接觸”中將描述剛性體的應用。

3.2.1 確定何時使用剛性體

剛性體可以用于模擬非常堅硬的部件,這一部件或者是固定的或者是進行大的剛體運動。它還可以用于模擬在變形部件之間的約束,并且提供了指定某些接觸相互作用的簡便方法。當ABAQUS應用于準靜態(tài)成型(quasi-static forming)分析時,采用剛性體模擬加工工具(如沖頭、砧、抽拉模具、夾具、輥軸等等)是非常理想的,并且將其作為一種約束方式也可能是有效的。

使模型的一部分成為剛性體可能有助于達到驗證模型的目的。例如,在開發(fā)復雜的模型時,所有潛在的接觸條件是難以預見的,可以將遠離接觸區(qū)域的單元包含在剛性體中,成為其中的一部分,從而導致更快的運行速度。當用戶對模型和接觸對的定義感到滿意時,可以消除那些剛性體的定義,這樣,展現(xiàn)在模擬全過程中的就是一個可精確變形的有限元了。

將部分模型表示為剛性體而不是變形的有限單元體,其主要的優(yōu)點在于計算效率。已經(jīng)成為是部分剛性體的單元不進行單元層次的計算。盡管需要某些計算工作以更新剛性體中節(jié)點的運動和設置集中和分布載荷,但是在剛性體參考點處的最多6個自由度完全確定了剛性體的運動。

在ABAQUS/Explicit分析中,對于模擬結構中相對比較剛性的部分,若其中的波動和應力分布是不重要的,應用剛性體是特別有效的。在堅硬區(qū)域對單元的穩(wěn)定時間增量估計可能導致非常小的整體時間增量,所以在堅硬區(qū)域應用剛性體代替可變形的有限單元,從而可以導致更大的整體時間增量。剛性體和部分剛性體的單元并不影響整體時間增量,也不會顯著地影響求解的整體精度。

在ABAQUS中,由解析剛性表面定義的剛性體比離散的剛性體可多少節(jié)省一些計算成本。例如,在ABAQUS/Explicit中,因為解析剛性表面可以十分光滑,而離散剛性體本身有很多面,所以與解析剛性表面接觸比與離散剛性體接觸,在計算中產(chǎn)生的噪音(noisy)較少。然而,只有有限的形狀能夠被定義成為解析剛性表面。

3.2.2 剛性體部件

一個剛體的運動是由單一節(jié)點控制的:剛性體參考點。它有平動和轉動的自由度,對于每一個剛性體必須給出唯一的定義。

剛性體參考點的位置一般并不重要。除非對剛性體施加旋轉或者希望得到繞通過剛性體的某一軸的反力矩,在以上任何一種情況下,節(jié)點必須位于通過剛性體的某一理想的軸上。

除了剛性體參考點外,離散的剛性體包含由設置單元生成的節(jié)點和剛性體上的節(jié)點的集合體。這些節(jié)點稱為剛性體從屬節(jié)點(rigid body slave nodes)(見圖3-7),它們提供了與其它單元的連接。部分剛性體上的節(jié)點具有如下兩種類型之一:

l 銷釘節(jié)點(pin),它只有平動自由度。

l 束縛節(jié)點(tie),它有平動和轉動自由度。

剛性體節(jié)點的類型取決于這些節(jié)點附屬的剛性體單元的類型。當節(jié)點直接布置在剛性體上時,也可以指定或修改節(jié)點類型。對于銷釘節(jié)點,僅是平動自由度屬于剛性體部分,并且剛性體參考點的運動約束了這些節(jié)點自由度的運動。對于束縛節(jié)點,平動和轉動自由度均屬于剛性體部分,剛性體參考點的運動約束了這些節(jié)點的自由度。

定義在剛性體上的節(jié)點不能被施加上任何邊界條件、多點約束(multi-point constraints)或者約束方程(constraint equations)。然而,邊界條件、多點約束、約束方程和載荷可以施加在剛性體參考點上。

3.2.3 剛性性單元

在ABAQUS中,剛性體的功能適用于大多數(shù)單元,它們均可成為剛性體的一部分,不僅僅局限于剛性單元(rigid element)。例如,只要將單元賦予剛體,殼單元或者剛性單元可以用于模擬相同的問題?？刂苿傂泽w的規(guī)則,諸如如何施加載荷和邊界條件,適合于所有組成剛性體的單元類型,包括剛性單元。

所有剛性單元的名字都以字母“R”開頭,下一個字符表示單元的維數(shù),例如,“2D” 表示單元是平面的;“AX” 表示單元是軸對稱的,最后的字符代表在單元中的節(jié)點數(shù)目。

剛性單元庫

三維四邊形(R3D4)和三角形(R3D3)剛性單元用來模擬三維剛性體的二維表面。在ABAQUS/Standard中,另外一種單元是2節(jié)點剛性梁單元(RB3D2),主要用來模擬受流體拽力和浮力作用的海上結構中的部件。

對于平面應變、平面應力和軸對稱模型,可以應用2節(jié)點剛性單元。在ABAUQS/Standard中,也有一種平面2節(jié)點剛性梁單元,主要用于模擬二維的海上結構。

自由度

僅在剛性體參考點處有獨立的自由度。對于三維單元,參考點有3個平動和3個轉動自由度;對于平面和軸對稱單元,參考點有自由度1、2和6(繞-3軸的轉動)。

附屬到剛性單元上的節(jié)點只有從屬自由度。從屬自由度的運動完全取決于剛性體參考點的運動。對于平面和三維剛性單元只有平動的從屬自由度。相應于變形梁單元,在ABAQUS/Standard中的剛性梁單元具有相同的從屬自由度:三維剛性梁為1-6,和平面剛性梁為1、2和6。

物理性質

所有剛性單元必須指定其截面性質。對于平面和剛性梁單元,可以定義橫截面面積。對于軸對稱和三維單元,可以定義厚度,而厚度的默認值為零。只有在剛性單元上施加體力時才需要這些數(shù)據(jù),或者在ABAQUS/Explicit中定義接觸時才需要厚度。

數(shù)學描述和積分

由于剛性單元不能變形,所以它們不用數(shù)值積分點,也沒有可選擇的數(shù)學描述。

單元輸出變量