ABAQUS壳单元在有限元分析中的应用研究

模 具 技术 文章编号 一一一 加 一 壳单元在有限元分析中的应用研究 邱智学 黄菊花 谢世坤 刘志云 南昌大学机电工程学院 江西南 昌 摘要利用对一受话器播脚采用不同的壳单元类型进行了有限元分析和比较 并 用 软件的模拟结果进行检验 结果表明完全积分线性单元 是一个通用的有限薄 膜应变壳单元 它适合于大多数问题的分析 它对单元变形不敏感 没有沙漏模式减缩积分二 次单元对于小应变薄膜弯曲问题的模拟能给出精确解 还详细讨论了在板壳数值模拟 中壳单元的选取方法以及一 次单元与二次单元过渡应采取的方法 关键词壳单元 中圈分类号文献标识码 沈 印 即 研找如 引言 针对当一维尺度远小于其它方向尺度的构 件 为简化计算 可采用壳单元来进行有限元分 析 在中 壳单元分为三类通用壳 如 薄 壳如 厚壳 通常认为如果 单一材料制造的各向同性壳体的厚度和跨度之比 在 一 之间属于厚壳问题 如果比值小于 则属于薄壳问题 按壳的应变大小分 壳单 元又可分为有限应变单元和小应变壳单元 有 限应变单元 和允许壳在厚度方 向 尺寸的改变 因此它适合于大应变分析的场合 也即它允许壳截面泊松比不为零 如果截面泊松 比为 零 则板 壳厚 度不变 小 应 变壳 单元 和 适合于小应变分析的场合 它允许有任意 的旋转角度 在有些场合对同一个问题选择不同的单元对 数值模拟的结果影响很大 通常通用壳单元对大 多数情况能提供较精确的数值模拟结果 它允许 有剪切应变 当壳厚度增加的时候用厚壳理论 当 厚度减少的时候离散为基尔霍夫薄壳单元薄壳 单元用于剪切变形很小或者可以忽略 而且基尔 霍夫条件必须精确满足的情况厚壳单元用于剪 切变形很重要的情况 而且此时宜采用二次积分 单元 收稿日期 一一 荞金项目江西省主要学科跨世纪学术和技术带头人培养计划项目 作者简介邱智学 一 男 硕士研究生 己 壳单元的一般选取 图所示为一受话器的插脚简化模型 三点承受集 中力作用 黑色区域为全约束 区域 受话器插脚材料为铁情铜图弹性模量 泊松比 产 极限抗拉强度可 达 口 一 厚度为 因为 材料厚度很小 因而是一个典型的薄壳问题的有 限元分析 要求其受力在线弹性范围内 故采用线 性分析川 以下是用 一 分别采用 壳单元 进行有限元模拟所得的 最大等应力和最大位移 的竖直方向的位移量可以看出 因而剪切变形并 不显著 如图所示受纯弯曲作用的一小块材料 的变形 变形前后水平线和竖直线之间的夹角改 变了 从而引起了伪剪应力的发生 而减缩积分 单元如侧却没有这种情况 并且对于线 性减缩积分单元来说 在受弯曲力作用下会 有 沙漏 现象发生 如图所示受纯弯曲作用的 一小块材料的变形 由于每个单元只有一个积分 点 单元中虚线的长度和夹角均没有改变 因而在 单元单个积分点上的应力分量都为零 单元扭曲 没有产生应变能 所以单元在弯曲状态下没有刚 度 但由于材料很薄 线性减缩积分单元的 沙 漏 现象没有得到很好 的体现 用模拟的位 移只是比用单元模拟的略微大一些 图受话器播脚 裹 气巨王夕 一挂习 图受纯弯曲的完全积分线性单元的变形 丈日日夕招曰 弘 口 入朋的 一 九 一 一 哄 田刀倪 十田 伪 一一 舰 一倒一 倪 一以 一以 空跳一以 一以 由上表可以看出 用单元模拟的位移最小 的 因为是一个完全积分线性单元 每个单元 有四个积分点 单元的边不能弯曲 它的 刚性 比 都要大 单元边不能弯曲导致了单 元剪切变形的发生 这意味着应变能正在引起剪 切变形 而不是弯曲变形 所以总的挠度减小了 但由于本例中所施载荷产生的弯曲很小从模拟 圈受纯弯曲的减缩积分线性单元的位移 由于软件的网格划分功能很强 为 了比较在选用不同壳单元模拟结果的 精确性 故用选用壳单元 对受话器划分网格 且在有应力集 中的地方用细 网格进行数值模拟 结果如下如图所示 由的分析结果可知 最大等效应力 一 最大位移 注最大允许位移 一 最大等 效应力的位置在图中对应等值线 此外应力最 大 由于受话器插脚结构中此处有尖点 产生了 蕊万日里日 蕊乙匀心 峨刃公日 日公口口 日万 翻口钾 吕甘口甘汤朋 翻 加比 口甘几皿 蕊朋翻月份叫目匕七 翻峨一 皿一 日翻区一 甘 几 扭今 一 口皿咋口 一 砚月 一 龙心口 盆 皿今 圈 创侣模拟的称效应力等值雌圈 模 具 技 术 应力集中的缘故 与结果比较吻合的是 采用和壳单元进行模拟的结果 因为 单元是一个全积分的 通用 的有限薄膜应变壳 元 它对于大多数问题能够提供比较精确的结果 特别是在面内弯曲和有弯曲沙漏的情形单 元是一个五节点的减缩积分二次单元 它用 于一 般小变形的薄壳时是很有效的图对应 的最大 等效应变为 它对剪力 自锁和薄膜锁死 是不敏 感的 而且比同 阶 次的单 元 经 济 耗费更少的时间 一次单元与二次单元之间的连接 通过的模拟还 发现 当模拟过程 采用线性和二次混合单元时 如果两者之间连接 不当 就会产生与实际相差很远的模拟结果 图 是在区域采用单元 区域采用 单元划分的网格图 图是采用和混合 单元且两者连接处没进行处理时模拟的等效应力 等值线图 从应力等值线图中可以知道 越靠近二 次单元的中节点 应力值越小 以至于在中节点位 置处应力值为零 而且模拟所得最大应力值为 与在所有区域用单元 模拟的结果 二 相去甚远 形成 这种大小交替相间的类似于 声波干涉 的模拟结 果 与在处理不同阶次单元过渡时所 采取的手段是有关的 解决这种问题的最简单的 方法是用中的 命令将一次单 元区域与二次单元区域分开 然 后用 模块将两个区域用 将过渡区域的两个部分 做个连接 约束两个区域在连接的地方有相同的 应力和位移就能排除问题 得到正确可靠的解 如图所示正确结果 已略去数据 采用斜和 圈 采用翻和岛孙单元进行模拟 丫 圈 将一次和二次单元区域用 触联接 结论 本文采用数值模拟的方法 分别用 单元所划的网格 和对一受话器插脚受力进行了数值模 拟 通过分析得出以下结论 如果单元不是在承受面内弯曲载荷的情 况下变形 通常减缩积分单元能够在花费更少的计 算机时的情况下提供比同次完全积分单元更高的 精度 特别是在三维问题中 但是线性减缩积分单 元要防止 沙漏 现象的发生 二次减缩积分单元也 有沙漏模式 但是在正常网格中这种模式几乎不可 能扩展 防止 沙漏 现象的发生通常有两种办法 细分网格或将集中载荷分布在多个节点上 同样的 在模拟局部应力集中区域 采用完全积 分线性单元能得到较精确的模拟精度 但由于单元 边是直边 可能会引起伪剪应力 即剪力自锁现象 此刚 叻口大网格密度并不能获得满意的精度 因此 只有在能确切地认为在模型中载荷将产生小弯曲 时 才可以采用完全积分线性单元 在复杂的应力 状态下 如果单元扭曲或弯曲应力有梯度 完全积分 二次单元也可能发生锁死 下转第巧页 模 具 技 术 进行优化 采用合理的喷涂工艺参数 使制备的金 属涂层组织致密 空隙率低 对涂层进行强化 处理 最常用的方法是对涂层进行喷丸处理 可以 提高涂层结合强度 提高致密度对模具型腔 表面进行喷镍处理 可提高模具表面硬度和耐磨 性 但要从根本上提高模具寿命 必须开展中 高 熔点金属及其合金在电弧喷涂快速模具制造中的 应用研究 图注塑制品 参考文献 结论 目前由于受到原型耐热性和低熔点喷 涂材料性能的限制 基于原型电弧喷涂快 速模具制造工艺多用于小批量产品生产 距离中 高批量生产要求还有一定差距困 为延缓电弧喷 涂模具失效 提高模具使用寿命 应采取如下措 施对原型表面进行处理 涂胶打磨 喷 刷耐热性脱模剂提高喷涂涂层组织性能 由于电弧喷涂涂层为层状结构 涂层 的力学性能 和同材料原始组织会有一定差别 为获得具有较 好力学性能和致密涂层组织 应对喷涂工艺参数 赵国群等基于的产品快速设计与模具快速 制造技术的应用 中国机械工程 一 宋宝通等电弧喷涂制模技术的研究及应用 电 加工与模具 一 刘宪军等电弧喷涂制模涂层 的力学性能研究 理化检验 一 物理分册 一 朱东波等 板料成形模具快速制造技术研究 中 国机械工程 加 刘宪军 应用电弧喷涂技术制作塑料模具 模具 技术 一 二 张海鸥快速模具制造技术的现状及其发展趋势 模具技术 刃 一 飞 气 暇 厂厂月 月卜闷卜月卜月卜月卜闷卜 月卜月 一 卜月 川州卜 月卜 月卜月 卜咖司卜阅卜咖月卜川日阅卜月卜咖闷卜咖月卜月卜川 卜月卜仆阅卜咖阅卜 上接第页 是一个全积分的有限薄膜应变线性 壳单元 它适合于大多数间题的分析 它对单元变 形不敏感 没有沙漏模式 特别适合面内弯曲和 有弯曲沙漏 的情形 在这些场合它都要优于 单元 但它不适合于超弹性和超泡沫材料 单元是一个五节点的减缩积分二次单元 它用于 一般小变形的薄壳很有效 它对剪力 自锁和薄膜 锁死不敏感 而且因为它在每个节点只考虑五个 自由度 因而比同阶次的单元要经济 单元适合于剪切应变很小而旋转可以很大的薄壳 问题场合 而且只花费很少的代价 当需要在一个中同时