使用Workbench完成流體壓力滲透分析

        “之前的案例,APDL Showcase3里使用到了流體壓力滲透載荷。有朋友讀到以后,希望能在Workbench里實現這一功能。有需求就有動力,我們來試一試。 


01

結果展示
先看計算結果:(為了截圖方便將模型旋轉了90度)

使用Workbench完成流體壓力滲透分析的圖1

該案例為軸對稱模型,分為兩個載荷步。第一步將橡膠環和密封蓋壓緊,第二步在接觸單元上施加流體壓力滲透載荷,研究接觸對的分離情況。

使用Workbench完成流體壓力滲透分析的圖2

(接觸單元的壓力。這個結果的數量級有問題,請忽略)


本文參考 APDL Technology Showcase td-3 案例,在Workbench中實現施加流體壓力滲透載荷的分析。

02

命令分析

官方案例中,加載部分的命令為:


使用Workbench完成流體壓力滲透分析的圖3
使用Workbench完成流體壓力滲透分析的圖4
使用Workbench完成流體壓力滲透分析的圖5
使用Workbench完成流體壓力滲透分析的圖6

從官方給的dat文件中可以看到,第一步只是施加一個強制位移,并沒有什么特殊。第二步才是重點。施加流體壓力滲透載荷的命令如下,我們依次分析。
! Load Step 2 -  Apply fluid penetration pressure
esel,s,real,,6                      ! select rigid-flexible contact pair
esel,r,ename,,172                   ! reselect contact elements only
esel,a,real,,8                     ! select flexible-flexible contact pair
sfe,all,1,pres,,4.1           ! apply fluid pressure
allsel
! Remove overlaping fluid penetration pressure loads
esel,s,real,,8                      ! select flexible-flexible contact pair
nsle
esln,s,1
esel,r,real,,6                      ! reselect rigid-flexible contact pair
sfedele,all,all,all                 ! remove overlaping fluid pressure loads
allsel
上面這一段命令分兩部分,第一部分選擇接觸單元,施加流體壓力滲透載荷;第二部分是去除重復的載荷。

esel命令,第一個參數s代表新建選擇,r代表在當前選擇集內重新選擇,a代表添加到選擇。第二個參數real表示按實常數選擇,ename顧名思義,是按單元類型進行選擇。

使用Workbench完成流體壓力滲透分析的圖7

因此,前三行命令中文注釋為:
esel,s,real,,6       ! 按實常數選擇,選實常數為6的單元。在案例模型中為剛-柔接觸對
esel,r,ename,,172    ! 在當前選擇中重選,只留下CONTA172單元
esel,a,real,,8      ! 添加到選擇,增加選擇柔-柔接觸對單元
這里為什么要只留下接觸單元呢?因為APDL中的案例,下壓的壓頭是剛體,這個接觸對是剛-柔接觸。如果我們做柔-柔接觸,則不需要這一行。

第四行sfe命令,對當前選中的接觸單元施加流體壓力滲透載荷。
sfe,all,1,pres,,4.1    ! sfe施加表面壓力在單元上; 1表示法向壓力, 大小4.1(單位一致為MPa)

接下來是第二部分。這幾行命令,用比較巧妙的方式,選中了重復的接觸單元,將流體壓力滲透載荷在重復的單元里去掉。

esel,s,real,,8        ! 選擇實常數為8的柔-柔接觸對
nsle                  ! 選擇接觸對連接到的節點
esln,s,1              ! 再選擇節點對應的單元。1代表只有單元內所有節點都在當前選擇中時才選擇單元。這樣避免了選中結構單元。
esel,r,real,,6        ! 在當前選擇集中,重選剛-柔接觸對
sfedele,all,all,all   ! 刪除重復的流體壓力滲透載荷。
allsel
這個方法是:先選擇實常數為8的柔-柔接觸對;然后通過nsle命令選擇這些單元對應的節點;再通過esln命令選擇節點對應的單元。在這一過程中,和柔-柔接觸對的節點重復的剛-柔接觸對的接觸單元也被選中了。最后通過esel, r命令,在當前選擇集下重新選擇實常數為6的剛-柔接觸對,將其載荷刪除。

(NSLE命令的幫助文檔頁。請忽略那個錯誤的機器翻譯……)

使用Workbench完成流體壓力滲透分析的圖8

使用Workbench完成流體壓力滲透分析的圖9


接下來這一段就相對簡單一點。
! Define starting points   
sfe,2529,2,pres,,-1      ! 屏蔽掉默認的流體壓力滲透起始點suppress default starting point (one end point) for contact surface
sfe,2625,2,pres,,-1      ! suppress default starting point (one end point) for target
sfe,3121,2,pres,,1       ! 在o形密封圈上自定義流體壓力的起始點 define starting point for o-ring
sfe,3308,2,pres,,1       ! define starting point for cap


大概意思是說,施加流體壓力滲透載荷的時候,軟件會默認給一個起始點。但是那個點往往不是你想要的,所以你需要關掉默認的起點,并自定義一個新的起點。在關掉默認起始點的時候,不用看官方給的,直接全選單元關掉即可。

03

Workbench實現

在Workbench里,我做了一個類似的軸對稱模型。據我考察在Workbench環境下軸對稱模型中定義剛體好像不是很方便,我就索性都做成了變形體,然后把應該做成剛體的地方彈性模量設置大了幾個數量級。

使用Workbench完成流體壓力滲透分析的圖10

材料屬性是從官方案例的APDL文件里導入的。但是導入時候單位好像出了點問題……總之O形密封圈是Ogden超彈性材料,塑料封蓋是彈塑性材料。


在此也定義了兩個接觸,分別起名叫外部接觸和內部接觸:

使用Workbench完成流體壓力滲透分析的圖11

使用Workbench完成流體壓力滲透分析的圖12


由于流體壓力滲透載荷一般需要先做一個密封分析步,第二步再施加流體壓力,所以我們需要在  求解 部分添加命令,將命令對象添加到第2分析步里。
在此之前,我們需要確定這兩個接觸對在APDL中對應的實常數分別是多少。
為了確認接觸對的實常數編號,我們可以通過 求解方案-生成MAPDL輸入文件 按鈕,或直接在Workbench的文件管理窗口找到.dat文件來查看求解器輸入。

使用Workbench完成流體壓力滲透分析的圖13


在生成的dat文件里搜索你在Workbench Mechanical環境下為接觸對起的名字,就可以找到接觸對的編號啦。
在這里注意,Windows環境里,生成的dat輸入文件中的中文字符編碼格式為GB2312,如果使用VS Code默認的UTF-8字符編碼打開,中文會出現亂碼。右下角修改一下即可。

使用Workbench完成流體壓力滲透分析的圖14

(搜索“外部”,找到外部接觸,看到其cid為6. 注意右下角的字符編碼為GB2312)
同理,找到另一個接觸對“內部接觸”,確認cid為8.

另外,需要注意,根據幫助文檔,在施加流體壓力滲透載荷的時候,柔-柔接觸對的“行為”如果設置為對稱,則只需要對接觸單元施加流體壓力滲透載荷。反之如果設置為不對稱,則需要同時對接觸面和目標面施加。(詳見幫助文檔頁:3.14. Applying Fluid Pressure-Penetration Loads)

使用Workbench完成流體壓力滲透分析的圖15

好的,現在可以開始在求解部分插入命令流。我同樣設置了兩個分析步,這些命令被插入在第2分析步處。

使用Workbench完成流體壓力滲透分析的圖16


全部命令如下(不要覺得看起來好像很多的樣子,有套路的):


!   Commands inserted into this file will be executed just prior to the ANSYS SOLVE command.

!   These commands may supersede command settings set by Workbench.

!   Active UNIT system in Workbench when this object was created:  Metric (mm, kg, N, s, mV, mA)

!   NOTE:  Any data that requires units (such as mass) is assumed to be in the consistent solver unit system.

!                See Solving Units in the help system for more information.

esel,s,real,,6        ! 按實常數選擇,選實常數為6的單元。在案例模型中為“外部接觸”

esel,a,real,,8        ! 按實常數選擇,選實常數為8的單元。在案例模型中為“內部接觸”

sfe,all,1,pres,,2000000 ! 這個壓力數值,以及本案例中所有的材料參數都請勿參考

ALLSEL

esel,s,real,,8        ! 選擇實常數為8的接觸對,本案例中為“內部接觸”

nsle                  ! 選擇接觸對連接到的節點

esln,s,1              ! 再選擇節點對應的單元。1代表只有單元內所有節點都在當前選擇中時才選擇單元。這樣避免了選中結構單元。

esel,r,real,,6        ! 在當前選擇集中,重選"外部接觸"對應的單元

sfedele,all,all,all   ! 刪除重復的流體壓力滲透載荷。

allsel

sfe,all,2,pres,,-1   ! 先刪除默認的流體壓力滲透起點

nsel,s,node,,5        ! 選擇編號為5的結點

esln,s,0              ! 選擇與節點連接的單元

esel,r,real,,8        ! 選擇“內部接觸”接觸單元

sfe,all,2,pres,,1     ! 指定“內部接觸” 接觸面流體壓力滲透開始位置

ALLSEL

nsel,s,node,,5121     ! 選擇編號為5121的結點

esln,s,0              ! 選擇與節點連接的單元

esel,r,real,,8        ! 選擇接觸單元

sfe,all,2,pres,,1     ! 指定“內部接觸” 目標面流體壓力滲透開始位置

ALLSEL

nsel,s,node,,5137        ! 選擇編號為5137的結點

esln,s,0              ! 選擇與節點連接的單元

esel,r,real,,6        ! 選擇接觸單元

sfe,all,2,pres,,1     ! 指定“外部接觸”流體壓力滲透開始位置

ALLSEL

nsel,s,node,,169        ! 選擇編號為169的結點

esln,s,0              ! 選擇與節點連接的單元

esel,r,real,,6        ! 選擇接觸單元

sfe,all,2,pres,,1     ! 指定“外部接觸”流體壓力滲透開始位置

ALLSEL

nsel,s,node,,9184        ! 選擇編號為9184的結點

esln,s,0              ! 選擇與節點連接的單元

esel,r,real,,6        ! 選擇接觸單元

sfe,all,2,pres,,1     ! 指定“外部接觸”流體壓力滲透開始位置

ALLSEL

第一段選中接觸單元,施加流體壓力滲透載荷;第二段刪除重復載荷,并刪除所有的默認起始點。(看圖可以發現,內部接觸和外部接觸的接觸單元定義有重復)

使用Workbench完成流體壓力滲透分析的圖17

使用Workbench完成流體壓力滲透分析的圖18

第3段開始直到最后,都是在定義流體壓力的起始點。
這個起始點的含義再解釋一下 使用Workbench完成流體壓力滲透分析的圖19。流體壓力滲透載荷主要施加在接觸單元上,目的就是研究在流體的壓力作用下,原先處于關閉狀態的接觸對是否會變為打開狀態。因此如果壓力錯誤的從原先就處于關閉狀態的位置起始,計算結果就會出錯。
另外,APDL案例中,定義開始位置的方法是直接指定接觸單元的編號。在Workbench中,不太容易確定某個位置對應的接觸單元的編號,但確定一個節點的編號是很容易的事情。所以我們在這里首先選擇節點,然后選擇與它連接的接觸單元。用這種方式定義起始點。

使用Workbench完成流體壓力滲透分析的圖20


另外,施加流體壓力滲透載荷的分析過程中,一個不小心就會出現計算不收斂的情況。官方的案例在求解時添加了一個0.01的能量耗散率。經過試驗,這個案例模型還需要更大的能量耗散率才可以達到收斂。工程應用中,這個數值應該取能夠收斂的最小值,否則有點暴力 即使收斂了結果可能也不準確。


使用Workbench完成流體壓力滲透分析的圖21



最后,這個案例的官方模型(oring.cdb,oring.dat)和ANSYS 2020R2版本的Workbench模型 (td3.wbpz)文件已上傳百度云。感興趣的小伙伴可以下載學習使用Workbench完成流體壓力滲透分析的圖22


鏈接:https://pan.baidu.com/s/1jV5n92aOfKYXveIEYl5L_A

提取碼:f450

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