大變形
關注創建者：小橋流水123 創建時間：2019-01-16
大變形的視頻教程
ABAQUS橡膠網格大變形分析mapsolution功能的用法（三維橡膠啞鈴試樣拉伸大變形問題）
使用ABAQUS中的map solution功能，將大變形拆分成小變形，再通過手動重新劃分網格，數值傳遞，以解決橡膠材料大變形造成的網格畸變不收斂問題，本教程只需要一個插件即可，無需學習其它網格劃分軟件。 本課程的案例為：三維橡膠啞鈴試樣拉伸大變形有限元分析，將介紹模型的建立思想以及具體操作方法，map solution解決大變形問題，數據的拼合，導出（應力應變云圖，力位移曲線等）。
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基于ABAQUS橡膠大變形分析
本視頻內容：橡膠大變形的基本分析流程。 應用場景： 高壓、超高壓橡膠密封性能，保壓能力測試。 橡膠大變形的分析過程。 如何讓通過幾何剖分提高網格質量。 往期精彩： HYMPERMESH直齒輪六面體網格的劃分 ABAQUS幾何清理及修復 HYMPERMESH與ABAQUS聯合（銷軸簡化梁單元） HYPERMESH中設置ABAQUS銷軸接觸設置
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ABAQUS案例-CEL方法在大變形分析中的應用及技巧
在很多應用中，高度變形的材質（例如流體）與拉格朗日體相互作用，例如船體與波浪的作用，封閉在固體容器內的流體等，對于這種情況，ABAQUS提供了耦合CEL方法。本實例即是展示了如何采用CEL方法來模擬大變形問題(例如大變形沖壓成型)，以及演示了分析中的技巧。
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大變形的實例教程
對同一個模型來講，通常，拉格朗日建模方式計算更加準確，計算效率更高，因為所有的幾何體都采用拉格朗日單元類型，而CEL建模方式的計算更加耗時，且產生的文件更大，一個直接的原因是流體或大變形幾何體是歐拉體模型，采用歐拉單元建模，而歐拉單元的數量要明顯多于相應的拉格朗日模型的單元數量。
但是，如果模型要經歷極大變形，那么這兩種建模方式的優劣就要好好評價一下了。在大變形分析中，拉格朗日模型容易發生網格畸變，網格畸變區的計算結果準確性將會大打折扣，產生不可信的結果甚至計算中斷得不到結果；而CEL模型在犧牲一定的幾何模型精度和結果準確性的前提下，計算會非常穩定，網格不會發生畸變，相較于拉格朗日的網格畸變區反而會得到更加合理的計算結果。所以，在選擇建模分析方式時，尤其是大變形分析，兩種方法孰優孰劣，需要結合一定的經驗和以往案例，選擇折中處理或者兩種都用以綜合衡量。
本篇案例是一個鉚接案例，如下面的示意圖所示。 ? 具體的模型長下面這樣：左邊是中央截面圖，右面是實物圖，上下兩部分是沖模，張揚帶孔圓盤是固定模板，上下兩部分沖模同時施力以使鉚釘達到最終的變形。 ? 這個過程很明顯是一個極限大變形過程，我們可能關心這個過程中的三個問題：
1、 鉚釘在成型過程中的變形是否適當？
2、 成型后，鉚釘是否有足夠的力量保持材料的連接？
3、 成型過程工具的壓力是否足夠？
那么這三個關心的問題我們可以考察分析鉚釘的變形位移、成型后的等效塑性變形和成型過程中的沖模受力等變量，去評估我們關心的問題從而做出一些結論或改進。 本案例不再進行step by step的演示，各位小伙伴可以自行練習。下面來具體看一下分析模型和相關結果。 ?
左邊是拉格朗日建模，右邊是CEL建模。兩種建模方式中，接觸全部采用無摩擦通用接觸。
展開 在碰到幾何非線性問題時，有一個問題就是，是否打開大變形開關，在幾乎所有關于ANSYS書籍中自帶的案例和一些論文當中，很自然的都把大變形開關給打開了,然而個人覺得很多都不是大變形問題，如果打開大變形，很可能導致不收斂，結果不正確。所以有必要搞清楚這個大變形問題。
1、什么是小應變小變形、小應變大變形、大應變小變形、大應變大變形？怎么去判斷？位移變量多大才算是大變形？
2、如果不是大變形，打開了這個大變形開關，會產生什么影響對結果？
3、案例和論文中那些問題是不是都屬于大變形問題？工程上怎么認定這個大小？
諸如此類的問題隨之就來了。。。
從網頁上找來一些資料，經供參考：
大變形屬幾何非線性，是需要不斷秩代才能算出來的，每一次秩代，都會根據結構新的幾何位置坐標形成新的剛度矩陣，因些，求解起來比較慢。而小變形，由于變形很小，就忽略結構在受力過程中的變形對結構剛度矩陣的影響，因此只計算一次剛度矩陣。甚于什么時候變大變形，什么時候選小變形，得根據結構真實的受力情況而定。如果結構的變形量與結構的幾何尺寸相比非常小那就可以用小變形，反之，則應該用大變形。
http://zhidao.baidu.com/link?url=-6A-BUoNldUrUejjKnwMOgt4CdZo0PoTN4x0FoWcByJz0K4HXUMi-RzrX2lPdlJsNeK6oPhDNTdwITDbjYJha_
關閉大變形時根據模型初始尺寸構造剛度矩陣，然后進行求解計算；而打開大變形后，在迭代計算時，根據前一子步的模型尺寸構造剛度矩陣，然后進行求解計算。對于靜力分析而言，若是線性問題，僅需計算一次就可以了，此時開關大變形沒有區別。
展開 通常在進行初始網格劃分時．需特別注意大變形區的網格形態，開始盡量采用粗網格劃分。以降低分析的復雜程度。然后根據問題的類型和分析結果進行網格重劃分，盡可能使網格發生大變形后仍具有良好的單元幾何形態。
圖4、不同網格尺寸對大變形仿真的影響（左1mm/中2mm/右3mm）
2：網格階次的選擇
在大變形的仿真計算中，建議優先選用線性單元，一階單元較二階單元能更好地模擬橡膠的扭曲大變形，不易發生單元畸變。
圖5、不同網格屬性對大變形仿真的影響（左：二階單元 /右一階單元）
此外還應設置盡可能小的時間步長，以保證求解結果的精度和可靠性。并對結果作仔細檢查，以確定原始測試數據是否涵蓋了模型的變形模式和最大應變。以上均為常規手段，對于一些較為復雜的模型仍不能做到較好的收斂。那么針對一些復雜模型，就用應用一些非正常手段——網格重繪技術。
網格重繪技術不是ABAQUS軟件中的網格自適應技術，其利用Map Solution命令將計算結果映射到一個新的網格文件上，然后針對新的網格文件進行二次計算，其計算流程可總結為下圖所示
圖6、Map Solution命令一般計算流程
由于在第二段加載時雖然使用了MAP語句將第一段加載的計算結果映射進來，但是由于前后兩次的網格文件并不能做到完全一致，所以在分段計算的結果與整體一次性計算的結果略有偏差，這個在剛度曲線中就可以明顯的看出，前20mm的加載時，模型文件一致。所以剛度數據呈現出一致性，但是由于在20mm后引入重繪網格后，剛度計算值較一次性完整加載偏大。但是由于在第二段計算時進行了網格重繪，獲取了質量較高的網格文件，所以其可壓縮至40.76mm(模型原高度為50mm)。
展開 加載100N，查看線性分析和大變形分析的應力和位移
加載200N，查看線性分析和大變形分析的應力和位移
加載500N，查看線性分析和大變形分析的應力和位移
結論
當變形為壁厚的20%，線性分析和大變形分析的位移結果是近似的。
當變形為壁厚的50%，線性分析和大變形分析的位移結果相差10%。
當變形為壁厚的100%，線性分析和大變形分析的位移結果相差30%。
大變形分析的位移結果總是小于線性分析。
建議
大變形分析需要迭代，所以計算量大。對于較大的模型，可能會影響求解效率。對于小模型，計算量小，線性分析和非線性分析的求解時間相差不大。
當結構承受的載荷較大，結構變形較大時，是否考慮大變形效應（幾何非線性分析），求解結果是不一樣的。如果很明確所分析問題是線性問題，可以不打開大變形選項。
如果對分析問題的幾何非線性屬性不確定，建議打開幾何非線性設置。
實際工作中，可以對比同一問題的線性分析結果和幾何非線性分析結果，這樣不僅可以得出正確的分析結果，也可以從對比中鑒別出該問題的幾何非線性程度。
展開 結構分析中，大變形（Finite Deformation）是當結構件變形達到某種程度時，必須要考慮的一個因素。在數學理論上，大變形由于二次應變項的引入，給控制方程增加了非線性因素。
對于塑性和超彈性材料，WELSIM是默認打開大變形開關的。對于線性材料，如果用戶需要激活大變形特征，就需要在用戶界面中設置相關屬性。下面我們來看一下如何實現的。
在一個新建的FEM項目中，新建一個材料，并命名為myMaterial。設置楊氏模量為4000，泊松比為0.3。
建立一個塊狀（Box）結構體，并設置長寬高為1x1x10。并將剛才建立的材料myMaterial賦予此結構體。
設置最大單元為0.2，并選用高階單元，劃分好的網格模型如下。總共有9957個節點，5609個Tet10單元。
在StudySettings節點中，會有一個Finite Deformation屬性，將默認的False設置為True，這樣就打開了大變形開關。并設置10個子步，用于遞進加載受力。
在工件一端施加固定約束。
在工件的另一端施加Y方向向下的力，大小為1。
點擊計算，并很快得到結果。添加位移和應力結果并讀取。由于設置了10個子步數，所以有10個結果節點。
Y方向位移結果云圖。
Von-Mises應力結果云圖。
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形狀記憶合金（SMA）能夠在發生大變形后不產生殘余應變（偽彈性），并且可以通過溫度變化從大變形中恢復（形狀記憶效應）。偽彈性和形狀記憶效應使其特別適用于航空航天、生物醫學和結構工程等領域。本仿真模擬了將形狀記憶合金用作脊柱間隔器的過程。
目標
熟悉形狀記憶合金
理解考慮熱效應的形狀記憶合金建模流程
建模步驟
1.
Ansys Fluent獨有的局部網格重構技術可用于非結構網格、變形較大問題以及物體運動規律事先不知道而完全由流動所產生的力所決定的問題。Ansys Fluent 所具有的嵌套網格功能也極大提升了瞬態運動類型問題的分析效率。
在面對復雜流動及傳熱傳質分析問題的過程中，Ansys Fluent 的非耦合隱式算法、耦合顯示算法及耦合隱式算法可以應對各種求解需求。
剛柔耦合與多學科集成能力
· 獨創混合建模架構，可同時模擬剛體（齒輪、連桿）的剛性運動與柔體（殼體、軸類）的彈性變形，捕捉微米級變形與大幅度運動的耦合效應，適配精密機械、航空航天等高精度場景。
柔度越小，結構在該載荷下的剛度越大，抵抗變形的能力越強。
3. 多工況（Multi-Load Case）:
· 控制臂在實際工作中會同時承受多種載荷，例如：
· 垂直工況：來自地面的垂向沖擊力。（影響平順性）
· 制動工況：車輛制動時產生的縱向力。（影響制動穩定性）
· 轉彎工況：車輛過彎時產生的側向力。
開啟大變形并定義一些子步。在垂直方向上定義地球重力，并將小圓柱體向下移動 3 毫米。由于流體的體積模量導致體積變化可忽略不計，可以假設體積守恒，大圓柱體的垂直運動應為 3 毫米/402.6 ≈ 0.0075 毫米（圖3）。
（圖3：邊界條件示意圖）
5. 插入命令行以定義流體靜壓單元。在插入命令行之前，創建一個命名選擇，包含構成油液封閉體積的面（圖4）。
傳統的彈塑性模型無法準確模擬這種“又快、又熱、變形又大”的極端物理過程，而 JC 模型正是為了破解這些高能耗、高破壞性的力學難題而誕生的。
該模型的核心思想是將復雜的金屬材料行為進行“解耦”，認為材料的強度主要受到三個獨立因素的疊加影響：應變硬化、應變率（變形速度）強化和熱軟化。
但實際金屬材料并不是“均勻黑箱”：晶粒取向、滑移系激活、織構演化都會影響局部塑性變形，尤其在薄壁管壓潰這類大變形、強局部化問題中，微觀結構可能對吸能行為產生重要影響。
CAE仿真軟件（以LS-Dyna為例）使用的則是有效應力應變曲線，這條曲線需要滿足兩個條件：一是真實反映材料在大變形階段的應力-應變關系；二是曲線形態必須單調遞增，以便于數值計算。因此，從工程曲線到有效曲線需要經過兩次數學轉換。
開啟大變形，并定義若干子步。固定底面，在頂面施加 600 N 的壓力載荷。插入命令片段以創建靜水壓流體單元。這些單元的行為由理想氣體定律控制。要生成這些單元，需要準備一個表面選擇（之前創建的命名選擇）和一個壓力節點（該節點位于空氣體積內部）。實現上述功能的命令行如圖 2 所示。
創建靜水壓流體單元的命令行（圖2）
5. 運行仿真。
仿真中使用了超彈性材料和大變形設置。此示例還演示了如何應用軸對稱分析來簡化仿真過程。
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