用ABAQUS軟件分析扭轉問(wèn)題

2013-06-23  by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM  來(lái)源:仿真在線(xiàn)

工程中承受扭轉載荷的構件有很多,如車(chē)床的光桿、攪拌機和主軸、汽車(chē)傳動(dòng)軸、鉆機和鉆桿等。本文以ABAQUS軟件為平臺,旨在解決兩個(gè)問(wèn)題,1、如何分析橡膠材料的性能,2、如何正確的完成扭轉分析。

1、引言
在處理扭轉問(wèn)題時(shí),常規的計算方法,往往會(huì )伴隨一些假設,這會(huì )降低了結果的準確程度。根據有限元理論,使用有限元軟件求解扭轉問(wèn)題會(huì )大大提高求解的精確度,特別是對復雜的結構,效果更為明顯。本文以橡膠產(chǎn)品為例,討論的在A(yíng)BAQUS軟件中,如何正確完成扭轉分析,并提取需要的分析結果。

    2、問(wèn)題描述
受扭轉件結構由鋼筒和橡膠筒組成,產(chǎn)品尺寸如圖1所示。

用ABAQUS軟件分析扭轉問(wèn)題+培訓課程圖片1

圖1產(chǎn)品結構簡(jiǎn)圖

    3、有限元建模
加載時(shí)內芯固定,在外圈施加扭轉位移。根據產(chǎn)品的CAD結構建立有限元模型如圖2所示:

用ABAQUS軟件分析扭轉問(wèn)題+培訓課程圖片2

圖2產(chǎn)品有限元模型圖

    4、材料性質(zhì)定義
鋼:彈性模量EX=2×105MPa,泊松比μ=0.3
橡膠:橡膠是一種超彈性材料,對于超彈性材料,不用楊氏模量和泊松比,而用應變勢能(U)來(lái)表達應力—應變關(guān)系。ABAQUS軟件中有兩種應變勢能可利用,分別是多項式模型和奧根(Ogden)模型,本例中使用多項式模型,表達式如下:

    用ABAQUS軟件分析扭轉問(wèn)題+培訓課程圖片3
式中:U—應變勢能,Jel—彈性體積比;I1、I2—應變不變量;Di—定義材料的壓縮性;Cij—Rinvlin系數。本例中取N=1,以橡膠材料的單軸拉伸,單軸壓縮和平面剪切實(shí)驗數據為依據,并考慮到橡膠的不可壓縮性,輸入方程系數值:C01=0.36,C10=0.09,D1=0
注意事項: 橡膠的特性錯綜復雜,材料特性和幾何特性均呈非線(xiàn)性變化的。如果要準確預測模型中發(fā)生變形或應變部分的行為,那么提供的試驗數據的范圍要涵蓋計算模型中可能會(huì )出現的變形狀態(tài)和應變范圍。

    5、加載求解
加載時(shí),內鋼筒的內套固定,即UX=UY=UZ=0,將外鋼筒的最外層結點(diǎn)的坐標系定義為柱坐標系。在此柱坐標系中施加扭轉載荷。
注意事項:在分析過(guò)程中最外層結點(diǎn)的柱坐標系的方向始終保持與結點(diǎn)原始柱坐標系的方向相同,并不隨著(zhù)結點(diǎn)的移動(dòng)而改變方向。因此,施加的位移量并不是結點(diǎn)始末位置間的弧線(xiàn)長(cháng)度,而應是結點(diǎn)始末位置間的直線(xiàn)距離。所以此例中所加的位移載荷應為:UR=60*sin30°=30(mm)UF=60*cos30°-60=-8.038(mm)

    6、結果分析
將模型信息提交給求解器,經(jīng)迭代求解出結果:橡膠部分的Von—Mises 應力云圖如圖3所示 :

用ABAQUS軟件分析扭轉問(wèn)題+培訓課程圖片4

圖3 橡膠的Von Mises應力云圖

由上圖看出,橡膠上的應力呈層狀分布,且隨著(zhù)半徑的增加承遞減趨勢。其遞減情況如圖4所示。應力的這種隨半徑遞減的分布趨勢,與實(shí)際使用中,產(chǎn)品率先在中間發(fā)生破壞的情況是相吻合的。

由分析求得的反作用力結果如下表所示

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計算扭矩需要沿圓周切線(xiàn)方向的分量,而這里的F合是沿弦線(xiàn)的合力,其沿切線(xiàn)方向的分量應為, F切=F合*cos15°。計算的扭矩結果與實(shí)驗結果的對照情況如下表所示

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產(chǎn)生誤差的原因大致如下: 實(shí)測操作的本身;計算過(guò)程中模型的簡(jiǎn)化,材料參數的選擇;在對連續的結構做離散處理時(shí)。誤差在工程的許可范圍內,分析計算結果是可信的。

    7、結論
本文利用ABAQUS軟件分析了超彈性橡膠材料受扭時(shí)的性能,分析結果與實(shí)驗結果的對比表明,計算結果與實(shí)測結果吻合的很好,對確定產(chǎn)品的使用方案有指導意義。

在有限元軟件的使用過(guò)程中,我們還會(huì )遇到很多疑難,只有經(jīng)過(guò)不斷的實(shí)踐不斷的實(shí)際操作,才會(huì )心領(lǐng)神會(huì )。所謂冰凍三尺非一日之寒,在不斷的解決問(wèn)題的過(guò)程中,我們才能真正學(xué)到東西。


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