OptiStruct非线性教程：插拔件问题-北京尧图网络

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TRACKCONSLI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TRACKFINITE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TRACKSMALL。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STIFFSOFT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 staticSPC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模型文件见附件链接并提交 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。【相关内容】只有Abaqus还需要HyperMesh吗对企业而言HyperMesh值得买吗HyperMesh适合什么专业学习

OptiStruct非线性教程：插拔件问题

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