Блог

ANSYS - Советы и рекомендации по созданию подмоделей с контактными элементами на границах

Рейтинг:  5 / 5

Звезда активнаЗвезда активнаЗвезда активнаЗвезда активнаЗвезда активна
 

ANSYS - Советы и рекомендации по созданию подмоделей с контактными элементами на границах

Для анализа усталостной прочности необходим точный расчет напряжений в зонах максимальной их концентрации, что для больших и сложных конечноэлементных моделей приводит к большим вычислительным затратам. Обеспечение точности сетки, необходимой для определения местной концентрации напряжений, приводит к тому, что расчет полной модели объекта становится либо невозможным, либо крайне неэффективным. Эта проблема особенно актуальна для нелинейных расчётов, в которых часто требуется большое количество итераций из-за многочисленных контактных взаимодействий.

Инженеры часто обращаются к методу подмоделирования (submodeling) – методу получения точного распределения напряжений с помощью отдельной конечно-элементной подмодели (модели локальной зоны). Граничные условия для подмодели извлекаются из расчета полной модели посредством интерполяции перемещений. Затем для подмодели проводится отдельный расчёт. В общем случае, следует избегать включения в подмодель контактирующих поверхностей, но иногда, исходя из конкретной геометрии объекта, без этого может быть трудно обойтись. В данной статье показано, что подмоделирование может использоваться и в тех случаях, когда границы подмодели пересекают поверхности нелинейного контактного взаимодействия, при условии, что инженер-расчетчик точно следует изложенным ниже рекомендациям.

ANSYS Для примера изображена полная модель, в которой задано нелинейное контактное взаимодействие по всей внешней поверхности фланца

В случае, когда границы подмодели пересекают контактные элементы, для успешного подмоделирования следует выполнить 5 последовательных шагов, необходимых для получения достоверного результата.

  1. Создание подмодели:

    1. Геометрические границы отдельной подмодели должны находиться вдали от зон, в которых наблюдаются максимальные напряжения. Идеальный вариант, если они расположены в областях относительно малых градиентов напряжений. На рисунке 2 изображена сетка описываемой в примере подмодели. В дополнение к тому, что подмодель должна иметь такую же геометрию, материалы, последовательность нагружения, как и полная модель, она должна также иметь соответствующие параметры контактного взаимодействия (трение, жесткость, и т.п.) для контактных элементов у границы подмодели. Это является ключевым фактором, так как при подмоделировании нагрузка прикладывается в виде перемещений узлов, полученных по результатам расчёта полной модели, и потому жесткости полной модели и подмодели должны совпадать. Если есть необходимость, можно добавить местные скругления внутри подмодели, но они должны находиться далеко от границ.

      ANSYS Подмодель зоны с центральным болтом с мелкой сеткой

    2. Группы узлов на границах подмодели должны быть извлечены независимо для каждой детали в сборке. Это требование является ключевым фактором для корректной интерполяции перемещений из расчёта полной модели, поскольку любая совместная интерполяция перемещений для тел, разделённых поверхностью контактного взаимодействия, будет ошибочной.
  2. Создание и расчет полной модели:

    1. Сетка полной модели должна быть достаточно мелкой для адекватного представления общей жесткости модели и получения правдоподобной картины перемещений. При подмоделировании с границами на контактных элементах следует уделить особое внимание сетке на поверхности контактного взаимодействия в той зоне, где она пересекается границами подмодели. Если сетка полной модели слишком грубая, в подмодели в контактных зонах у границы появится неестественная концентрация напряжений.
    2. Убедитесь, что в файл результатов расчёта полной модели сохраняется вся история перемещений узлов для всех этапов нагружения. Это позволит создать необходимый для подмоделирования согласованный набор файлов с последовательными значениями перемещений на границах.
    3. В большинстве случаев, лучше учесть в расчёте большие перемещения (large deflections) – это гарантирует точный расчет зазоров по контактирующим поверхностям в обеих моделях.
    4. Проведите расчет полной модели и определите зоны максимальных напряжений, а также зоны с относительно малым градиентом напряжений. Эти зоны являются идеальным местом для задания границ подмодели. Убедитесь, что если контактное взаимодействие подразумевает частичное раскрытие стыка, то на границе подмодели имеется достаточное количество элементов для обеспечения правдоподобного перехода от зазора к сомкнутому контакту.
  3. Интерполяция перемещений из расчета полной модели:

    1. Интерполяция (перенос) перемещений из расчета полной модели на узлы на границах подмодели должна выполняться независимо для каждой детали. Это гарантирует, что перемещения контактирующих деталей не будут усреднены с различных сторон от поверхности контакта. Группа узлов подмодели должна быть сопоставлена с группой элементов полной модели, из которой будет извлечена интерполированная история перемещений. На рисунке 3 изображена интерполяция перемещений, выполняемая независимо для каждой детали.

      ANSYS Пример независимого переноса перемещений из полной модели на границы каждой детали подмодели

    2. Поскольку статус контакта на границе подмодели может изменяться между шагами анализа, особенно важно, чтобы отдельные файлы с перемещениями для границ создавались для каждого шага (step) и подшага (substep) нагружения полной модели. Таким образом статус контакта в каждом расчете подмодели будет задан корректно.
  4. Расчет подмодели:

    1. Этапы нагружения подмодели должны соответствовать нагружению полной модели. В сложных нелинейных задачах зачастую необходимо задавать много шагов нагружения. Наиболее точных результатов можно достичь, когда эти шаги и подшаги нагружения идентичны в полной модели и в подмоделях. Иногда для улучшения сходимости расчёта производят изменения в подшагах нагружения подмодели, но при условии, что обеспечено последовательное приложение перемещений и не упущены моменты резкого изменения в статусе контакта.
  5. Проверка результатов расчета:

    1. Проверка результатов любого подмоделирования является естественным этапом процесса расчёта. Подмодели с контактами требуют особого внимания, так как задание правильных перемещений и соответствующей истории нагружения зачастую является непростой задачей.
    2. Перед тем, как замахнуться на расчеты моделей с миллионами конечных элементов, лучше сначала в совершенстве освоить изложенный в данной статье метод на небольших моделях – типа той, которая использована здесь в качестве примера.
    3. Наиболее распространенным признаком ошибки в подмоделировании являются неестественно высокие напряжения на границах подмодели.
    4. Проверка расчета подмодели с границами по контактным элементам выполняется таким же образом, как и обычной подмодели, состоящей из одной детали. Единственное отличие заключается в том, что вдобавок к оценке всей модели целиком, следует также проверить результирующие силы, распределения напряжений по путям и пр. для каждой детали в отдельности.
    5. На рисунке 4 представлено сравнение  распределения напряжений в полной модели и в подмодели в сечении, проведенном по плоскости симметрии подмодели. Обратите внимание, что за исключением зон максимальной концентрации напряжений распределения напряжений в полной модели и в подмодели совпадают.

    ANSYS Сравнение напряжений по Мизесу (указаны в psi – фунтах на квадратный дюйм) в полной модели и в подмодели при нагружении внутренним давлением с предварительной затяжкой болта

Понравился материал? Подпишитесь, чтобы быть в курсе событий

Facebook

Linkedin

Софт Инжиниринг Групп