土木在线论坛 \ 建筑结构 \ ANSY \ CAE前处理 | 薄壁 实体结构 (2)

CAE前处理 | 薄壁 实体结构 (2)

发布于:2021-09-15 14:38:15 来自:建筑结构/ANSY 1 29 [复制转发]

导读:上一篇文章引出了问题:薄壁+实体结构建模,并进行了一些基本的探讨,本文主要从壳+实体组合建模方向进行尝试,其中的核心在于如何连接两部位防止结构刚度的突变。




03 壳+实体组合建模  




说明



为了实现“分区治理”,首先得选择截断部位。由于在弯管处以及圆角处均为明显的应力集中,为了避免对这两区域产生较大影响,截断部位选择靠近两者中心位置:




边共节点



要完全传递壳体→实体之间的自由度,最容易想到的就是边线共节点(壳体厚度向内偏置),如图所示:



稍微有过了解的伙伴可能会知道:一般有限元软件中壳体的自由度比实体的多,因此单独边线连接不能传递完全的内力。


从局部来说是这样,但是从整圈来看截面的所有内力依然可以全部传递,所以正常进行分析是可行的。


按照这种处理方式,提取下结构的应力云图:



很明显,虽然正常分析可以进行,但是在局部有比较严重的应力集中,已经到了影响全局应力的程度。


这里分析原因:应力是局部量,虽然整体内力可以传递,但是局部的自由度不协调依旧会对局部的应力分布产生较大影响,当处于高应力区尤为明显。



加载点变形:2.80mm   

弯管处应力:515MPa

问题:过渡处应力集中明显




面共节点(铺面)



既然边线共节点容易出现不真实的应力集中,那么自然想到面共节点是不是就能避免这种现象,如图所示:



对于铺面的方式,有向内铺以及向外铺两种,顾名思义:内铺就是沿着壳厚度方向铺,外铺就是沿着表面铺,然后实现共节点连接。


显然,铺面这种方式过渡柔顺性的核心在于:铺面的范围和材质。显然,除非针对结构特别研究过,要不很难确定这两部分参数。这里暂定范围为壁厚,材质与壳一致,提取结果如下:



貌似过渡的还不错,再仔细看下局部应力分布:



确实,相比于单纯的边共节点,使用铺面的方式得到的应力分布也不会那么让人诧异,但是需要留心的是:根据铺的程度不同,问题的表现也不一样。



内铺/外铺:

加载点变形:2.712mm/2.707mm

弯管处应力:515MPa/515MPa

问题:操作较为繁琐,且需要使用合理的铺面范围和材料




连接单元



上面采用铺面的方法好像不错,但是同时也发现这样处理的问题就是操作太麻烦,需要在实体表面布面,因此想到是否可以使用rbex单元代替连接



【注:这里考虑使用rbe3单元,是由于这种柔性的连接方式更贴近于自然的过渡,不会像rbe2一样刚度突然增加的过于猛烈。】


这样处理的好处在于不需要壳和实体共节点也不需要多余的处理,它们的牵手由连接单元rbe3完成。对于这种方式提取下应力结果:



目测效果比上面尺寸下的铺面要稍微好一些,至少不会出现过于剧烈的变化。但是依然得注意,应力的跳跃是存在的,只是减缓到比较小。



加载点变形:2.67mm

弯管处应力:515MPa

问题:影响程度受两侧网格尺寸影响




绑定接触



貌似使用连接单元是一种比较好的办法了,操作起来非常方便,但是对于hypermesh来说这么处理完全没问题,有些前处理软件不一定能支持到这么底层,因此想到了绑定接触,这种方式通用性较好



严格来讲,绑定接触实现的方式和使用rbe3有点类似但是确实在识别和分配上有一定区别,本例中结果基本一致,这里直接提取结果:



加载点变形:2.68mm

弯管处应力:515MPa

问题:相对于rbe3操作复杂,内部机制不便理解和控制




部分总结  



对于壳+实体建模方式大致做出以下总结:


① 首先,引入壳单元之后,不可避免会引入单元误差,实际在本文中已有体现,不管哪种办法都使得位移值接近2.7mm,与真实的2.8mm有误差。


【注:边共节点等于2.8mm,是因为局部不完善的自由度传递削弱了刚度弥补了单元误差,但是这种结果多偏向于巧合】


② 其次,不管哪种方式,其实对于一定距离之外的部位应力影响并不大,所以从某种意义来说,只要结果不要过于惊为天人都有一定的合理性。


③ 最后,作为个人比较推荐的方法的话是rbe3,主要原因非常方便,带来的误差也不是很大。


下面一篇主要从分层实体+常规实体建模的方式进行说明,并对所有方法进行一个简单的总结。


未完待续


  • 夜宿长安城

    由于在弯管处以及圆角处均为明显的应力集中,为了避免对这两区域产生较大影响,截断部位选择靠近两者中心位置

    2022-02-27 21:50:27

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