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1、第25例非线性分析综合应用实例-钢板卷制成圆筒 本例介绍了综合利用ANSYS非线性分析功能模拟将钢板卷制成圆筒的方法和步骤。25.1问题描述将钢板卷制成圆筒一般要使用卷板机。图25-1所示为对称式三辊卷板机，该机器将钢板卷制成圆筒时分为三个步骤：首先，上辊下降使钢板发生挠曲，钢板挠曲线的最低点首先发生屈服；然后，下辊转动驱动钢板向前移动，使钢板各点发生同样的屈服形成圆筒；最后，圆筒卷制完成，上辊上升卸下筒体。图25-1 对称式三辊卷板机用ANSYS模拟将钢板卷制成圆筒，相应地也分为三个步骤。由于第二个步骤需要模拟上、下辊转动，而ANSYS的SOLIDn单元不支持大转动，位移边界条件不能施加大的
2、转动角度，所以上、下辊需要用壳单元建立有限元模型。上、下辊与钢板的作用需要用接触模拟，钢板卷制成圆筒材料发生屈服，产生大变形，所以钢板卷制成圆筒包括状态非线性、材料非线性和结构非线性三种非线性。用ANSYS模拟将钢板卷制成圆筒，计算结果可以得到圆筒直径与上辊下压量的关系，上、下辊受力大小，上、下辊的变形，下辊驱动力矩及卸载回弹等重要数据。因为分析过程复杂，步骤较多，所以本例只采用命令流法执行命令。25.2命令流/CLEAR !清除数据库，新建文件 /FILNAM, EXAMPLE25 !指定任务名为EXAMPLE25“/CONFIG, NRES, 2000 !设置最大子步数!前处理 /PREP
3、7 !进入前处理器/PNUM, VOLU, ON !打开体号ET, 1, SHELL181 !选择单元类型，壳单元用于划分上、下辊ET, 2, SOLID186 !实体单元用于划分钢板MP, EX, 1, 2E11 !定义材料模型1的弹性模量MP, DENS, 1, 7800 !定义材料模型1的密度MP, NUXY, 1, 0.3 !定义材料模型1的泊松比MP, EX, 2, 2E11 !定义材料模型2的弹性模量MP, DENS, 2, 7800 !定义材料模型2的密度MP, NUXY, 2, 0.3 !定义材料模型2的泊松比TB, BKIN, 2, 1 TBTEMP, 0 TBDATA, 2
4、40E6, 0 !定义材料模型2的屈服极限、切向模量SECTYPE, 1, SHELL !定义截面SECDATA, 0.02 !壳厚度 CYLIND, 0.38/2, 0, 0.2, 1.7, 0, 360 !创建上辊，圆柱体 CYLIND, 0.38/4, 0, 0.2, 0, 0, 360 CYLIND, 0.38/4, 0, 1.7, 1.9, 0, 360 VGLUE, ALL !黏结VSEL, NONE WPOFF, 0.54/2, -0.37 !偏移工作平面原点到右下辊中心CYLIND, 0.3/2, 0, 0.2, 1.7, 0, 360 !创建右下辊，圆柱体CYLIND, 0.
5、3/4, 0, 0.2, 0, 0, 360 CYLIND, 0.3/4, 0, 1.7, 1.9, 0, 360 VGLUE, ALL VSEL, NONE WPOFF, -0.54 !偏移工作平面原点到左下辊中心CYLIND, 0.3/2, 0, 0.2, 1.7, 0, 360 !创建左下辊，圆柱体CYLIND, 0.3/4, 0, 0.2, 0, 0, 360 CYLIND, 0.3/4, 0, 1.7, 1.9, 0, 360 VGLUE, ALL ALLS !选择所有实体VDELE, ALL !删除体，但保留面 ，HPTCREATE, AREA, 5, COORD !在上辊端面中心
6、处创建硬点HPTCREATE, AREA, 10, COORD, 0, 0, 1.9 HPTCREATE, AREA, 34, COORD, -0.54/2, -0.37, 1.9 !在左下辊端面中心处创建硬点HPTCREATE, AREA, 29, COORD, -0.54/2, -0.37, 0 HPTCREATE, AREA, 22, COORD, 0.54/2, -0.37, 1.9 !在右下辊端面中心处创建硬点HPTCREATE, AREA, 17, COORD, 0.54/2, -0.37, 0 MAT, 1 !为上、下辊划分单元指定属性，材料模型TYPE, 1 !单元类型 SEC
7、N, 1 !壳横截面ESIZE, 0.04 !指定单元边边长度SMRTSIZE, 7 !指定智能尺寸级别MSHAPE, 1 !指定单元形状为三角形AMESH, ALL !对所有面划分单元BLOCK, 0.7, -0.5, 0.3/2, 0.3/2+0.03, 0.5, 1.4 !创建钢板，块LESIZE, 96, 2 !指定线96 (钢板厚度)被划分为两段MAT, 2 !为钢板划分单元指定属性 TYPE, 2 MSHKEY, 1 !映射网格MSHAPE, 0 !指定单元形状为六面体ESIZE, 0.05 !指定单元边长度VMESH, ALL !对块划分网格ET, 4, TARGE170 !指定
8、单元类型，用于创建接触对ET, 5, CONTA174,1 KEYOPT, 5, 12, 1 !设置单元5接触表面无滑动 R, 10,0.1 !定义实常数，KFN=0.1R, 11, 0.1 R, 12, 0.1 ASEL, S,40 !在钢板上表面和上辊表面建立接触对NSLA, S, 1 NSEL, U, LOC, Z, 0.8, 1.1 MAT, 3 REAL, 10 TYPE, 4 ESURF ALLS ASEL, S, 3, 4, 1 NSLA, S, 1 NSEL, U, LOC, Z, 0.2,0.5 NSEL, U, LOC, Z, 0.8, 1.1 NSEL, U, LOC,
9、Z,1.4, 1.7 MAT, 3 REAL, 10 TYPE, 5 ESURF ALLS ASEL, S,39 ！在钢板下表面和左下辊表面建立接触对NSLA, S, 1 NSEL, U, LOC, Z, 0.8, 1.1 MAT, 4 REAL, 11 TYPE, 4 ESURF ALLS ASEL, S, 27, 28, 1 NSLA, S, 1 NSEL, U, LOC, Z, 0.2, 0.5 NSEL, U, LOC, Z, 0.8, 1.1 NSEL, U, LOC, Z, 1.4, 1.7 MAT, 4 REAL, 11 TYPE, 5 ESURF ALLS ASEL, S, 3
10、9 NSLA, S, 1 !在钢板下表面和右下辊表面建立接触对NSEL, U, LOC, Z, 0.8, 1.1 MAT, 4 REAL, 12 TYPE, 4 ESURF ALLS ASEL, S, 15, 16, 1 NSLA, S, 1 NSEL, U, LOC, Z,0.2,0.5 NSEL, U, LOC, Z,0.8,1.1 NSEL, U, LOC, Z,1.4,1.7 MAT, 4 REAL, 12 TYPE, 5 ESURF ALLS FINI !首先模拟下辊不动，上辊下降 /SOLU !进入求解器 D, ALL, UZ !在所有节点点上施加约束D, ALL, ROTX D,
11、 ALL, ROTY NSEL, S, LOC, X !选择上辊轴线上的节点NSEL, R, LOC, Y D, ALL, UY, -0.03 !施加约束，上辊下降0.03mD, ALL, UX D, ALL, UZ ALLS CSYS, 4 !激活工作平面坐标系ASEL, S, LOC, Y, -2, 0.3/2 !选择下辊上的所有面ASEL, U,39 NSLA, S, 1 !选择下辊上的所有节点D, ALL, ALL !约束掉所有自由度ALLS ANTYPE, TRANS !瞬态分析 LNSRCH, ON !打开线性搜索NLGEOM, ON !打开大变形选项TIME, 1 !指定载荷步时
12、问AUTOT, ON !打开自动载荷步长NSUBST, 15,20, 10 !指定子步数目KBC, 0 !斜坡载荷OUTRES, ALL, ALL !输出所有子步所有项旧的结果SOLVE !解答!以下模拟下辊转动，驱动钢板前进CSYS, 4 ASEL, S, LOC, Y, -2, 0.3/2 !选择下辊上的所有面ASEL,U,39 NSLA, S, 1 !选择下辊上的所有节点DDELE, ALL, ALL !删除上一载荷步施加在下辊上的所有约束ALLS D, ALL, UZ !在所有节点上施加约束 D, ALL, ROTX D, ALL, ROTY NSEL, S, LOC, X, 0 !选
13、择左下辊轴线上的所有节点NSEL, R, LOC, Y D, ALL, ROTZ, -3.1415926/2 !转动1/4周D, ALL, UX !约束掉移动D, ALL, UY ALLS WPOFF, 0.54 !偏移工作平面NSEL, S, LOC, X, 0 !选择右下右下辊轴线上的所有节点NSEL, R, LOC, Y D, ALL, UX !约束掉移动D, ALL, UY D, ALL, ROTZ, -3.1415926/2 !转动1/4周TIME, 2 ALLS KBC, 0 NSUBST, 800, 1000, 300 SOLVE !解答!模拟卸载ACEL, 0, 9.8 !施加
14、重力加速度 CSYS, 0 !激活全球直角坐标系NSEL, S, LOC, X !选择上辊轴线上的所有节点NSEL, R, LOC, Y D, ALL, UY, 0 !上辊向上移动，卸载D, ALL, UX D, ALL, UZ D, ALL, ROTX D, ALL, ROTY ALLS KBC, 0 NSUBST, 20, 300, 10 TIME, 2.1 SOLVE FINI !查看结果/POST1 SET, LAST !读最后载荷子步计算结果PLNS, U, SUM !变形云图ANTIME, 50, 0.5, 1, 2, 0, 2.1 !用动画查看卷制圆筒过程中的变形情况FINI图2
15、5-2 钢板卷制成圆的变形分布情况第26例非线性分析综合应用实例冲击本例介绍了一个综合应用材料非线性、状态非线性和结构非线性研究冲击过程力学行为的实例。26.1问题描述 为了研究装载时矿石对矿用载重车车厢的冲击作用，可以建立如图26-1所示的简化模型。由于冲击只作用于车厢底板，所以忽略车厢其余部分，车厢悬挂系统用弹簧模拟。现用有限元法分析矿石以一定速度v撞击时车厢的应力、应变和变形，以研究车厢的强度和刚度特性。图26-1冲击作用简化模型26.2分析步骤26.2.1改变任务名拾取菜单Utility Menu Jobname，弹出如图26-2所示的对话框，在“/FILNAM”文本框中输入EXAMP
16、LE26，单击“OK”按钮。图26-2改变任务名对话框26.2.2选择单元类型拾取菜单Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete，弹出如图26-3所示的对话框，单击“Add”按钮，弹出如图26-4所示的对话框，在左侧列表中选“Structural Solid”，在右侧列表中选“Brick 8 node 185，单击“APPLY”，表中选“Structural Shell”，在右侧列表中选“3D 4 Node 182”，单击“Apply”按钮；再在左侧列表中选“Combination”，在右侧列表中选“Spring-damper 14”，单击
17、“Apply”按钮；再在左侧列表中选“Contact”，在右侧列表中选“4 nd surf 173”，单击“Apply”按钮；再在左侧列表中选“Contact”，在右側列表中选“3D target 170”， 单击“OK”按钮；单击如图26-3所示对话框中的“Close”按钮。图26-3单元类型对话框图26-4单元类型库对话框26.2.3定义材料模型拾取菜单Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models，弹出如图26-5所示的对话框，在右侧列表中依次拾取“Structural”、“Linear”、“Elastic”、“Isotropic”，
18、弹出如图26-6所示的对话框，在“EX”文本框中输入2ell (弹性模量)，在“PRXY”文本框中输入0.3（泊松比），单击“OK”按钮；再在如图26-5所示的对话框的右侧列表中依次拾取”Structural” 、”Nonlinear” 、”Inelastic” 、 Rate Independent 、“Kinematic Hardening Plasticity”、“Mises Plasticity”、“Bilinear”，弹出如图26-7所示的对话框，在“Yield Stss”文本框中输入240e6（屈服极限），在“Tang Mods”文本框中输入2e8（切线模量），单击“OK”按钮；再在
19、图26-5所示的对话框的右侧列表中依次拾取“Structural”、“Density”，弹出如图26-8所示的对话框，在“DENS”文本框中输入7800（密度），单击“OK”按钮；然后关闭图26-5所示的对话框。图26-5材料模型对话框图26-6材料特性对话框图26-7材料特性对话框图26-8材料特性对话框26.2.4 定义壳单元的截面拾取菜单Main MenuPreprocessorSectionsShellLay-upAdd/Edit，弹出如图26-9所示的对话框，在“Thickness”文本框中输入0.06（壳厚度），单击OK”按钮。图26-9定义壳单元截面对话框26.2.5定义实常数拾
20、取菜单Main MenuPreprocessorReal ConstantsAdd/Edit/Delete，弹出如图26-10所示的对话框，单击“Add”按钮，弹出如图26-11所示的对话框，在列表中选择“Type 3COMBIN14”，单击“OK”按钮，弹出如图26-12所示的对话框，在“K”文本框中输入100000（弹簧刚度），单击“OK”按钮；返回到图26-10所示的对话框，再次单击“Add”按钮，再在图26-11所示的对话框列表中选择“Type 4 CONTA173”，弹出如图26-13所示的对话框，在“FKN”文本框中输入0.01（法向接触刚度因子），单击OK”按钮，返回到图26-1
21、0所示的对话框，单击“Close”按钮。图26-10定义实常数对话框图26-11选择单元类型对话框图26-12实常数对话框图26-13实常数对话框26.2.6改变视点拾取菜单Utility MenuPlotCtrlsPan Zoom Rotate，在弹出的对话框中，单击“Iso”按钮，或者单击图形窗口右侧显示控制工具条上的剧按钮。图26-14创建关键点对话框26.2.7创建关键点拾取菜单 Main MenuPreprocessorModelingCreateKeypointsIn Active CS,弹出如图26-14所示的对话框，在“NPT”文本框中输入1，在“X，Y，Z”文本框中分别输 ，
22、入-0.8，0，-1.5，单击“Apply”按钮；在“NPT”文本框中输入2，在“X，Y，Z”文本框中别输入0.8,0，1.5，单击“Apply”按钮；在“NPT”文本框中输入3，在“X,Y，Z”文本框中分别输入0.8,0，1.5，单击“Apply”按钮；在“NPT”文本框中输入4，在“X,Y，Z”文本框中分别输入0.8，0，-1.5，单击“OK”按钮。26.2.8 由关键点创建面拾取菜单Main MenuPreprocessorModelingCreate AreasArbitraryThrough KPs，弹出拾取窗口，依次拾取上一步创建的关键点1，2，3，4，单击“OK”按钮。26.2.
23、9对面划分单元拾取菜单Main MenuPreprocessorMeshingMeshTool，弹出如图26-15所示的对话框。选择“Element Attributes”的下拉列表框为“Areas”，单击下拉列表框后面的“Set”按钮，弹出拾取窗口，选择上一步创建的面1，单击拾取窗口的“OK”按钮，弹出“Areas Attributes”对话框，选择“TYPE”下拉列表框为2 SHELL181，选择SECT”下拉列表框为1，单击OK按钮。单击“Size Controls”区域中“Global”后面的“Set”弹出如图26-16所示的对话框，在“SIZE”文本框中输入0.08，单击“OK”按钮
24、；在图26-15所示的对话框的“Mesh”区域，选择单元形状为“Quad”（四边形），选择划分单元的方法为“Mapped”（映射），单击Mesh”按钮，弹出拾取窗口，拾取面1，单击“OK”按钮。图26-15划分单元对话框图26-16总体单元尺寸对话框26.2.10创建块 拾取菜单 Main MenuPreprocessorModelingCreateVolumes - Block By Dimension，弹出如图26-17所示的对话框，在“Xl，X2”文本框中分别输入-0.1，0.1，在“Y1，Y2”文本框中分别输入0.001，0.201，在“Z1，22”文本框中分别输入-0.1，0.1，单
25、击OK”按钮。26.2.11对体划分单元拾取菜单Main MenuProcessorMeshingMeshTool，弹出如图26-15所示的对话框。选择“Element Attributes”下拉列表框为“Volumes”，单击下拉列表框后面的“Set”按钮，弹出拾取窗口，选择上一步创建的体1，单击拾取窗口的“OK”按钮，弹出“Volume Attributes”对话框，选择“TYPE”下拉列表框为1 SOLID185，单击“OK”按钮。图26-17创建块对话框单击“Size Controls”区域中“Global”后面的“Set”按钮，弹出如图26-16所示的对话框，在“SIZE”文本框中输
26、入0.05，单击“OK”按钮；在图26-15所示的对话框的“Mesh”区域，选择实体类型为“Volumes”，选择单元形状为“Hex”（六面体），选择划分单元的方法为“Mapped”（映射），单击“Mesh”按钮，弹出拾取窗口，拾取体1，单击“OK按钮，关闭图26-15所示的对话框。26.2.12 创建节点拾取菜单Main Menu-PreprocessorModelingCreateNodesIn Active CS，弹出如图26-18所示的对话框，在“NODE”文本框中输入950，在“X，Y，Z”文本框中分别输入-0.8，-0.5，-1.5，单击“Apply”按钮；在“NODE”文本框中输
27、入951，在“X，Y，Z”文本框中分别输入0.8，-0.5，-1.5，单击“Apply”按钮；在“NODE”文本框中输入952，在“X，Y，Z”文本框中分别输入0.8，-0.5，1.5，单击“Apply”按钮；在“NODE”文本框中输入953，在“X，Y，Z”文本框中分别输入-0.8，-0.5，1.5，单击“OK”按钮。图26-18创建节点对话框26.2.13为下面所创建单元指定属性 拾取菜单Main MenuPreprocessorModelingCreateElementsElem Attributes,弹出如图26-19所示的对话框，选择下拉列表框“TYPE”为“3 COMBIN14”，
28、选择下拉列表“REAL 为“1”，单击“OK”按钮。图26-19单元属性对话框26.2.14显示节点号拾取菜单Utility MenuPlotCtrlsNumbering,在弹出的“Plot Numbering Controls”对话框中将Node Numbers（节点号）打开，单击“OK”按钮。26.2.15创建弹簧单元拾取菜单 Main MenuPreprocessorModelingCreateElementsAuto NumberedNodes，弹出拾取窗口，拾取节点1和950，单击拾取窗口的“Apply”按钮，于是在节点1和950之间创建了一个弹簧单元，重复以上过程，在节点60和95
29、1、40和952、2和953之间分别创建单元，最后关闭拾取窗口。26.2.16选择弹簧单元的固定端节点拾取菜单Utility MeSelectEntities，弹出如图26-20所示的对话框，在各下拉列表框、文本框、单选按钮中依次选择或输入“Nodes”、“By Num/Pick”、“From Full”，单击“Apply”按钮，弹出如图26-21所示的拾取窗口，在键盘输入区域选择“Min，Max，Inc”，在输入框中输入950，953，1，单击“OK”按钮。26.2.16选择弹簧单元的固定端节点拾取菜单Utility MenuSelectEntities，弹出如图26-20所示的对话框，在各
30、下拉列表框、文本框、单选按钮中依次选择或输入“Nodes”、“By Num/Pick”、“From Full”，单击“Apply”按钮，弹出如图26-21所示的拾取窗口，在键盘输入区域选择“Min，Max，Inc”，在输入框中输入950，953，1，单击。“OK”按钮。26.2.17在弹簧固定端节点上施加约束 拾取菜单 Main MenuPreprocessorLoadsDefine LoadsApplyStructuralDisplacementOn Nodes，弹出拾取窗口，单击“Pick All”按钮，弹出如图26-22所示的对话框，在“Lab2，列表中选择“All DOF”，单击“OK
31、”按钮。26.2.18选择所有拾取菜单Utility MenuEverything。以下在矿石底面和车厢底面之间创建接触对。图26-20选择实体对话框图26-21拾取窗口图26-22在节点上施加约束对话框26.2.19 选择车厢底面上的接触节点激活如图26-20所示的“选择实体对话框”，在各下拉列表框、文本框、单选按钮中依次选择或输入“Nodes”、“By Location”、“Y coordinates”、，0”、“From Full”，单击“Apply”按钮；再在各下拉列表框、文本框、单选按钮中依次选择或输入“Nodes”、“By Location”、“X coordinates”、“0.
32、3，0.3”、“Reselect”，单击“Apply”按钮；26.2.20为下面所创建单元指定属拾取菜单Main MenuPreprocessorModelingCreateElementsElem Attributes,弹出如图26-19所示的对话框，选择下拉列表框“TYPE”为“5 TARGE170”，选择下拉列表框“REAL”为“2”，单击“OK”按钮。26.2.21创建目标单元拾取菜单Main MenuPreprocessor Modeling CreateElementsSurf/Contact Surf to Surf,单击弹出对话框的“OK”按钮，单击闭单击随后弹出的拾取窗口的Pick All”按钮。26.2.22选择矿石底面上的节点激活如图26-20所示的“选择实体对话框”，在各下拉列表框、文本框、单选按钮中依次选择或输入“Areas”、“By Num/Pick”、“From Full”，单击“Apply”按钮，弹出拾取窗口,在输入框中输入4，单击“OK”按