abaqus鉚釘成型

1、abaqus鉚釘成型此示例問題演示了Abaqus/Explicit中成形分析的以下方面：使用耦合的歐拉-拉格朗日（CEL）分析公式分析經(jīng)受極端變形的實(shí)體力學(xué)模型，以及將基于CEL的分析結(jié)果與使用傳統(tǒng)拉格朗日公式得出的相同模型的結(jié)果進(jìn)行比較。鉚釘是一種緊固件，設(shè)計(jì)用于在兩張或更多張材料之間建立永久的連接。鉚釘設(shè)計(jì)通常由具有兩個(gè)直徑的圓柱體組成：將較小的直徑插入重疊的薄板中的孔中，然后壓縮鉚釘?shù)膬啥?。壓縮有效地?cái)U(kuò)大了鉚釘體的直徑，從而將材料片夾在鉚釘?shù)膬啥酥g（見圖2.3.1-1）。不同的鉚釘設(shè)計(jì)和應(yīng)用會(huì)經(jīng)歷不同的變形，但是基本原理在所有情況下都相同。本示例通過模擬特定的鉚釘壓縮（也稱為成形過程）

2、來研究其有效性。在此研究中，三個(gè)問題特別重要：鉚釘在成型過程中是否會(huì)適當(dāng)變形？成型后，鉚釘是否保持足夠的強(qiáng)度以保持固定材料的牢固性？鉚釘安裝工具能形成鉚釘嗎？成形模擬過程中的位移指示鉚釘是否適當(dāng)變形。變形后，鉚釘?shù)膹?qiáng)度在很大程度上取決于其材料特性。檢查鉚釘中的等效塑性應(yīng)變可得出材料潛在損壞或強(qiáng)度降低的跡象。為了評估鉚釘對安裝工具的影響，可以將工具中的反作用力與標(biāo)準(zhǔn)安裝工具中的已知作用力進(jìn)行比較幾何如上所述，這些分析中使用的鉚釘是一個(gè)簡單的多直徑圓柱體。為了幫助鉚釘較小端的變形，從圓柱體的中心去除了半球形部分。圖2.3.1-2顯示了鉚釘模型的尺寸。為了模擬成形，將鉚釘放在圓盤中心的孔中。代表安裝

3、工具的圓形模具位于鉚釘?shù)捻敹撕偷锥耍ㄕ垍⒁妶D2.3.1-3）。材料該模型中的鉚釘由密度為7.85X10-9t/mm3，楊氏模量為2.1X105N/mm2，泊松比為0.266的彈塑性鋼組成，塑性屈服始于3.0X105牛頓/平方毫米。假定板和模具比鉚釘堅(jiān)硬得多，并且預(yù)計(jì)這些部件不會(huì)變形。邊界條件和載荷通過強(qiáng)制位移邊界條件來模擬成形過程。將板限制在固定位置。上模向下移動(dòng)3毫米，而下模向上移動(dòng)2毫米。接觸必須在鉚釘和所有安裝工具組件之間強(qiáng)制進(jìn)行接觸相互作用。鉚釘?shù)淖冃稳Q于通過工具的位移傳遞的接觸載荷。工具組件永遠(yuǎn)不會(huì)相互接觸，因此可以忽略板與模具之間的相互作用。baqus建模方法和仿真技術(shù)使用兩種根

4、本不同的元素配方在Abaqus/Explicit中進(jìn)行鉚釘成形模擬。傳統(tǒng)的拉格朗日公式通?？商峁?zhǔn)確性和計(jì)算效率，但是當(dāng)進(jìn)行極端變形時(shí)，純的拉格朗日模型往往會(huì)表現(xiàn)出網(wǎng)格變形以及相關(guān)的準(zhǔn)確性損失。歐拉公式以幾何精度為代價(jià)，并在涉及很大變形的分析中獲得了穩(wěn)健性。在Lagragian公式產(chǎn)生不可靠的解決方案或根本沒有解決方案的情況下，可以使用Eulerian公式獲得合理的解決方案。拉格朗日元素和歐拉元素可以使用稱為歐拉-拉格朗日耦合（CEL）分析的技術(shù)合并到同一模型中。在CEL分析中，將經(jīng)歷大變形的物體與歐拉元素嚙合，而將模型中的較硬物體與更有效的拉格朗日元素嚙合。使用純拉格朗日方法進(jìn)行鉚釘成形分析

5、，其中，所有拉鉚釘，板和模具均采用拉格朗日元素建模；以及歐拉-拉格朗日耦合方法，其中，鉚釘采用歐拉元素建模，而板和模具則采用拉格朗日元素建模。分析案例摘要案例1純拉格朗日鉚釘成形分析。案例2耦合歐拉-拉格朗日（CEL）鉚釘成形分析。以下各節(jié)詳細(xì)介紹了兩種分析案例共有的一些建模技術(shù)。分析類型兩種分析案例均使用準(zhǔn)靜態(tài)顯式動(dòng)態(tài)程序進(jìn)行。成型過程持續(xù)1ms，僅一步之遙。材料模型鉚釘?shù)牟牧鲜褂酶飨蛲缘挠不疢ises塑性模型。表2.3.1-1中顯示了用于定義塑性行為的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)點(diǎn)。YieldstressPlasticstrain30 x1Q5045x10s0.027.5x10s0.341dx1060.

6、35邊界條件在這兩種分析情況下，板和模具均建模為具有剛性約束的拉格朗日體。將防止位移和旋轉(zhuǎn)的邊界條件強(qiáng)加在板體的參考點(diǎn)上。邊界條件還應(yīng)用于每個(gè)模具參考點(diǎn)，以防止它們旋轉(zhuǎn)或移位，除了在垂直3方向上：頂部參考點(diǎn)上的邊界條件在負(fù)3方向上將其位移3mm,而在3方向上的邊界條件則在3方向上偏移。底部參考點(diǎn)在正3方向上將其移動(dòng)2mm。邊界條件的應(yīng)用受一個(gè)振幅控制，該振幅在0.8ms的過程中使位移從零線性地傾斜到完全位移。然后將模具固定到位，以進(jìn)行最后的0.2ms分析。約束條件如上所述，剛體約束應(yīng)用于板和兩個(gè)模具。假定這些組件比鉚釘堅(jiān)硬得多，并且在成型過程中不會(huì)變形。剛體約束提高了計(jì)算效率，并允許使用簡單的

7、邊界條件來啟動(dòng)成形。輸出要求對于模型中的等效塑性應(yīng)變（PEEQ），特別要求現(xiàn)場輸出。另外，在每個(gè)模具的參考點(diǎn)處請求在3方向（RF3）上反作用力的歷史輸出。純拉格朗日分析案例第一個(gè)分析案例使用從離散幾何零件實(shí)例劃分網(wǎng)格的四個(gè)拉格朗日體。在純拉格朗日情況下，模型的幾何形狀直接與要建模的零件的形狀相對應(yīng)，從而使組裝過程相當(dāng)直觀。網(wǎng)格設(shè)計(jì)使用0.25mm的整體網(wǎng)格種子將鉚釘與C3D8R元素網(wǎng)格化（見圖2.3.1-4）。板和模具也與C3D8R元素嚙合，但是應(yīng)用于這些零件的剛體約束使元素選擇有些隨意?？梢允褂梦淳W(wǎng)格化的分析剛性表面來對板和模具進(jìn)行建模，但是可以使用剛體約束來保持與CEL模型的一致性。接觸常

8、規(guī)接觸定義會(huì)強(qiáng)制模型中所有實(shí)體之間的接觸。無摩擦的硬接觸模型控制所有接觸。解決方案控制盡管在分析中預(yù)期會(huì)有大的變形，但是沒有對模型應(yīng)用特殊的解決方案控制或分析技術(shù)（例如自適應(yīng)網(wǎng)格劃分），從而可以在純拉格朗日模型和CEL模型之間進(jìn)行直接比較。CEL分析案例在第二種分析情況下，使用歐拉元素對鉚釘進(jìn)行建模。板和模具仍然是剛性體。CEL分析中的建模方法與純Lagrangian情況有一些明顯的不同。網(wǎng)格設(shè)計(jì)在歐拉公式中，網(wǎng)格通常不對應(yīng)于要建模的零件的幾何形狀。相反，材料在歐拉網(wǎng)格中的放置定義了零件的幾何形狀。歐拉網(wǎng)格不會(huì)變形或移位；只有網(wǎng)格內(nèi)的材料可以移動(dòng)。通常，歐拉網(wǎng)格是規(guī)則六面體元素的任意集合，這些

9、元素完全包圍了分析過程中可能存在材料的區(qū)域。在此示例中，歐拉部分是與EC3D8R元件嚙合的尺寸為17X17X11.5mm的矩形棱鏡。0.25毫米的全局網(wǎng)格種子決定了單元的大小。該網(wǎng)格沒有定義鉚釘?shù)膸缀涡螤睢Ｏ喾?，網(wǎng)格定義了可以存在鉚釘材料的區(qū)域。鉚釘?shù)膸缀涡螤钍峭ㄟ^將鋼材料分配到該網(wǎng)格的與鉚釘形狀相對應(yīng)的部分來定義的，如下面“初始條件”部分所述。歐拉技術(shù)的一項(xiàng)優(yōu)勢是能夠定義規(guī)則的高質(zhì)量網(wǎng)格，而與要建模的零件的幾何形狀無關(guān)。重要的是，歐拉網(wǎng)格必須足夠大以在變形時(shí)完全容納鉚釘材料。如果材料到達(dá)網(wǎng)格的邊緣，它將流出模型并丟失到模擬中。初始條件鉚釘?shù)膸缀涡螤钍鞘褂脷W拉網(wǎng)格上的材料分配初始條件定義的。材

10、質(zhì)分配指定了網(wǎng)格中的哪些元素最初包含鋼。每個(gè)元素都指定一個(gè)百分比（稱為體積分?jǐn)?shù)），代表該元素中填充鋼的部分。對于部分填充的元素，Abaqus將材料放置在元素中，以使其與相鄰元素中的材料形成連續(xù)的表面。最終結(jié)果是材料在網(wǎng)格中的分布與鉚釘?shù)膸缀涡螤钕鄬?yīng)，如圖2.3.1-5所示。您可以使用Abaqus/CAE的“可視化”模塊中的視圖剪切管理器來可視化Eulerian網(wǎng)格中材料的范圍，如Abaqus/CAE用戶指南的第28.7節(jié)“查看Eulerian分析的輸出”中所述。物料分配是借助Abaqus/CAE中的體積分?jǐn)?shù)工具創(chuàng)建的。體積分?jǐn)?shù)工具計(jì)算歐拉網(wǎng)格和某些參考幾何零件之間的重疊。要在此分析案例中使用

11、體積分?jǐn)?shù)工具，請從先前的分析案例中復(fù)制整個(gè)拉格朗日裝配體（包括拉格朗日鉚釘），并將其放置在歐拉網(wǎng)格內(nèi)（請參見圖2.3.1-6）。拉格朗日鉚釘用作參考零件，并且體積分?jǐn)?shù)工具會(huì)創(chuàng)建一個(gè)離散字段，該字段基于鉚釘在該元素內(nèi)占據(jù)的空間量，將歐拉網(wǎng)格中的每個(gè)元素與體積分?jǐn)?shù)相關(guān)聯(lián)。然后，可以將此離散字段用作Abaqus/CAE中物料分配預(yù)定義字段的基礎(chǔ)。接觸一般的接觸定義會(huì)強(qiáng)制模型中所有剛體與歐拉材料之間的接觸相互作用。一般接觸不會(huì)強(qiáng)制剛體與歐拉元件之間發(fā)生接觸；剛體可以不受阻礙地通過歐拉網(wǎng)格，直到它們遇到網(wǎng)格內(nèi)的材料為止。與純拉格朗日案例一樣，無摩擦的硬接觸模型控制著所有相互作用。通常不建議在歐拉網(wǎng)格的邊

12、界附近模擬拉格朗日-歐拉接觸。網(wǎng)格邊界處材料的流入或流出會(huì)導(dǎo)致不正確的接觸約束執(zhí)行。因此，歐拉網(wǎng)格將一些元素延伸到模具和鉚釘之間的接觸界面之外。普通接觸不會(huì)強(qiáng)制分析剛性表面和歐拉材料之間的相互作用，這就是為什么必須將工具部件建模為具有剛體約束的拉格朗日零件的原因。輸出要求除了在純拉格朗日分析案例中使用的字段和歷史輸出請求外，還要求將歐拉體積分?jǐn)?shù)輸出變量（EVF）作為字段輸出以可視化幾何結(jié)果。果討論和案例比較圖2.3.1-7顯示了純Lagrangian和CEL分析案例的變形網(wǎng)格。（要查看CEL分析的結(jié)果，請按照Abaqus/CAE用戶指南第28.7節(jié)“查看歐拉分析的輸出”中所述使用視圖切割管理器

13、。）純拉格朗日分析可以完成，但是網(wǎng)格變得極端沿鉚釘?shù)撞孔冃?這種不規(guī)則網(wǎng)格導(dǎo)致的結(jié)果可能不可靠。歐拉分析顯示出相似的變形形狀，但保留了高質(zhì)量的規(guī)則網(wǎng)格。計(jì)算效率通常，就運(yùn)行時(shí)間和文件大小而言，歐拉分析比類似的拉格朗日分析更昂貴。在選擇分析公式時(shí)，應(yīng)該權(quán)衡這種性能折衷與歐拉魯棒性對大變形的好處的權(quán)衡。接觸困難圖2.3.1-8顯示了純拉格朗日和CEL情況下鉚釘和板之間的接觸界面。兩種情況都表明鉚釘有些不希望地滲入板中。在純拉格朗日情況下，穿透是網(wǎng)格變形的直接結(jié)果。隨著鉚釘小平面的展開，每個(gè)給定區(qū)域的約束點(diǎn)更少，并且部分小平面能夠不受約束地進(jìn)入板表面。盡管拉格朗日公式通常擅長于模擬接觸，但變形嚴(yán)重的

14、網(wǎng)格會(huì)引起嘈雜的，不一致的接觸強(qiáng)制。在CEL情況下，穿透率主要來自用于可視化歐拉材料的近似值。歐拉材料的邊界不對應(yīng)于離散的元素面。如前所述，Abaqus根據(jù)每個(gè)元素內(nèi)的體積分?jǐn)?shù)確定材料在歐拉網(wǎng)格中的位置。對體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行平均并進(jìn)行插值，以在可視化期間計(jì)算出光滑的材料表面。因此，在Abaqus/CAE的“可視化”模塊中顯示的材料邊界是基于數(shù)值平均而不是幾何特性的近似值。這種近似會(huì)在接觸界面處產(chǎn)生明顯的穿透，并解釋了為什么在拉格朗日模型中的尖角在歐拉模型中顯得是圓的。盡管有明顯的穿透，但耦合的歐拉-拉格朗日接觸并未遭受與純拉格朗日網(wǎng)格變形相關(guān)的不一致約束執(zhí)行，并且固體拉格朗日體與歐拉材料之間的接觸通

15、常可提供可靠的結(jié)果。在這兩種分析情況下，都可以通過使用更精細(xì)的網(wǎng)格來減輕接觸滲透：在純拉格朗日情況下，較小的元素可以減少網(wǎng)格變形，而在歐拉情況下，其他元素可以提供額外的采樣點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)更精確的體積分?jǐn)?shù)平均。結(jié)果兩種分析情況下，變形鉚釘橫截面中的等效塑性應(yīng)變的等高線圖如圖2.3.1-9所示。結(jié)果相似，但最大塑性應(yīng)變區(qū)域出現(xiàn)在略有不同的區(qū)域。在歐拉鉚釘中，峰值應(yīng)變發(fā)生在鉚釘與平板底部匯合的拐角附近；在成型過程中，該區(qū)域會(huì)受到極大的彎曲和拉伸。在拉格朗日鉚釘中，峰值應(yīng)變出現(xiàn)在變形最嚴(yán)重的元素中。對于小到中等變形，歐拉方法提供的結(jié)果可與傳統(tǒng)拉格朗日方法相提并論（盡管計(jì)算成本較高）。對于大變形，歐拉結(jié)果似乎比拉格朗日結(jié)果更可靠。PEEQVAVG(Aug:75%)+2.40Ce+00-H-2,200e+00+2.OOOe+OO+.SOOe+OO+1.600e+00+1.400e+00-+.200e-l-00+1,OOCe+OO+8.000e-01+6.000e-01-十斗.QOCe-Cl-+2.OOOe-ai+0.OOOe+OO圖2.3.1-10繪