CHw12skewplatenew.docx

1、CHw12skewplatenewIntroduction(前言)你要建立如图 W121 中所示的平板模型. 它跟总体坐标的第一轴歪斜 30 , 一端嵌入壁中, 另一端则被约束住只能沿着与板子的长轴向相平行的方向移动. 我们要决定当这个板子承受一个均匀压力时其中间跨距的挠度. 我们将会做线性与非线性的静态跟动态分析. Figure W121 Sketch of the skewed plate.Defining the model geometry 在 workshops/skewPlate 目录中启动 ABAQUS/CAE. ABAQUS/CAE 会自动为你定义一个模型的名称 (Model-

2、1). 然而, 由于线性分析模型将会作为稍后非线性分析模型的基础, 所以你应该要将这个模型改个名字，给它一个较适合的名字. 在模型树中的 Model-1 上单击鼠标右键, 从所弹出来的菜单中选取 Rename 功能选项. 将这个模型名称改为 linear.制作这个平板的几何形状的方法将在下面的段落中描述.To create the plate geometry(制作此平板):1. 制作一个三维的(3D) 的可变形体, 使用平面类薄壳型(planar shell)的基础特征(base feature)(制作零件时就要先决定的零件类型方法等). 将此零件取名为 Plate, 大小尺寸约为 4.0.

3、 2. 在草图环境中,使用Create Lines: Rectangle指令来画一任意的矩形. 3. 删除草图中的所有自动形成的约束（四个垂直和一个水平约束）.Tip:单击，选择Constraints作为提示区的Scope.然后选择所有的零件以选中所有约束.4. 约束左边和右边保持垂直，顶边和底边保持水平. Tip: 单击打开Add Constraint对话框.5. 用定义左边的尺寸 ，选择边且大小定为0.4m6. 定义底边的尺寸.选择垂直方向而不是线本身来定义尺寸，将垂直方向尺寸设定为1.0 m. Note:如果你是设定线本身的尺寸，你只能改变线的长度.7. 定义左边和底边的夹角.选中左边和

4、底边,设定角度值为60.最终的草图如图 W122. Figure W122 Sketch of the plate geometry.8. 在提示区, 单击 Done 按钮.Defining the material, the section properties, and the local material directions(定义材料, 剖面特性以及局部材料方向) 这块板子是一块均质等向性的线弹性材料, 其杨氏模量E=30E9Pa 泊松比 = 0.3. 定义这个材料; 将之取名为 Steel.这个结构在总体坐标中的方位如图 Figure W121 所示. 此总体坐标(采用卡氏坐标)定义

5、了材料的预设方向, 但是这块板子跟这个坐标系其实是歪斜的. 如果你使用这个预设的材料方向, 当要内插其分析运算出来的结果时会变得较困难, 因为在材料的第一方向的直接应力, , 其中会包含有两个轴向的应力在其中, 因为板子的弯曲而产生的应力, 跟板子轴向的横向应力. 如果材料的方向是跟这个板子的轴向贴齐的话, 要内插其分析运算出来的结果时会变得较容易. 所以, 需要使用一个局部的矩形的坐标系, 将它的 x-方向贴齐板子的长轴向(i.e., 也就是跟总体坐标的第一轴成 30 夹角) 还有它的 y-方向则是如图 W12-3 所示.To define shell section properties

6、and local material directions(定义薄壳剖面特性以及局部的材料方向):9. 定义一个均质的薄壳剖面特性叫做 PlateSection. 其中的薄壳厚度为 0.8E-2 并且使用 Metal 材料于此剖面特性中. 因为这个材料是线弹性材料, 所以在分析前要先给定其运算的积分点数量.10. 将此剖面特性指定给此平板使用.11. 如图 W123 中所示一样, 使用 Create Datum CSYS: 2 Lines 指令或者工具列中的 按钮来定义一个矩形基准坐标. Figure W123 Datum coordinate system used to define lo

7、cal material directions.12. 从上方的下拉式菜单中, 选用 AssignMaterial Orientation 功能选项并且选用整个零件作为这个局部的材料坐标所要施加上去的区域. 在图形区中, 选取刚才所制作出来的基准坐标. 选取其中的 Axis-3 作为薄壳的法线方向. 这个轴向不用再做任何旋转. Tip: 使用上方的下拉菜单中的 ToolsQuery 功能选项, 做一下特性查询可以用来确认这个局部的材料方向是否指定正确.一旦这个零件建好网格, 模型中的单元也建好之后, 所有的单元中的变量都会使用这个局部坐标系来定义. Creating an assembly,

8、defining an analysis step, and specifying output requests(制作组装, 定义分析步及指定输出项) 将这个板子加入组装中制作成一个独立的组件(instance).我们要在这块板子的中间将它分割成两半; 这样我们可以在那里设一个组(set). 另外我们也要再设定组装层级的组(sets), 在指定输出项及定义边界条件时可以使用.To partition the plate and define geometry sets(分割此平板并定义几何组别):13. 在模型树中的 Parts 中的 Plate 上双击使它成为目前的工作中零件.14. 使用

9、 Partition Face: Shortest Path Between 2 Points 功能选项, 或是工具列中的 按钮来将此平板分割成两半. 使用其歪斜边的中间点来分割此平板如图 W124. Figure W124 Partition used to define a geometry set at the plate midspan.15. 在模型树中, 将 Assembly 展开然后在其中的 Sets 上双击来为此中间处制作出一个几何组(geometry set)将之取名为MidSpan. 同样的方式, 为左边跟右边各制作出一个几何组然后将之命名为 EndA 跟 EndB.Tip

10、: 将模型树中 Assembly 之下的 Sets 处展开就可以查看有多少几何组(geometry set), 在其中的某个几何组(geometry set)上双击. 在图形区中该相对应的几何会反白亮起来, 同时如果有需要的话也可以在这里修改其定义.接着, 制作一个简单静态解的一般性分析步. 将之取名为 Apply Pressure, 并且在其描述字段中输入以下文字: Uniform pressure (20 kPa) load. 此分析步中的其它选项都使用其默认值就好.在输出的部分需要的是节点位移以及单元应力作为要输出的数据域位. 这些数据可以在 Visualization 模块中用来画出模

11、型的变形图以及等值上彩图. 同时也可以输出其中间位置处位移值的历程数据, 这样在 Visualization 模块中可以画出其对时间的 XY 曲线图. To change the default output requests(变更预设的输出项目):16. 修改输出项字段(field output request)让它变成整个模型中只有节点位移跟单元应力会被输出, 写入到输出数据文件(.odb)的字段中. 17. 修改历史输出项(history output request)让它变成只有 MidSpan 几何组中的节点位移会被写入到输出数据文件(.odb)的历史资料项里去.Prescribin

12、g boundary conditions and applied loads(指定边界条件与施加负载) 如图 W121 所示, 这个板子的左侧是完全固定住的; 右侧则是被约束住只能沿着与板子的长轴向相平行的方向移动而已. 因为后者这个边界条件的方向与总体坐标的轴向并不一致, 所以我们要定一个其轴向与板子的长轴方向一致的局部坐标. 然后我们可以使用这个基准坐标系来定义此局部的材料方向. To assign boundary conditions in a local coordinate system:18. 在模型树中的BCs 处双击在 Initial 分析步中新建为 Displacemen

13、t/Rotation 约束的边界条件, 并为之命名 Rail boundary condition.在本练习中我们要将边界条件设到组(sets)上去而不是直接在工作区中去选取几何来设定边界条件. 所以, 当提示要选取区域来加以设定边界条件时, 按下提示区中的 Sets 按钮. 19. 然后从弹出的 Region Selection 对话框中, 选取 EndB. 同时将 Highlight selections in viewport 选项打开, 以确认有选到正确组别. 此时这块板子的右侧会反白亮起来. 单击 Continue 按钮. 20. 然后在 Edit Boundary Conditio

14、n 对话框中, 单击 Edit 来指定此边界条件施加时所要使用的局部坐标系. 在图形区中, 选取稍早前我们所制作出来用来定义局部方向的基准坐标. 此局部坐标的第一方向是跟板子的长轴向贴齐的. 21. 在 Edit Boundary Condition对话框中, 将除了 U1 以外的所有自由度都约束住. 这块板子的右侧现在已经被约束住只能沿着板子的长轴向移动. 如果这块板子接着再把网格建好的话, 这个模型中的与此区域相关的节点上所输出的变量(displacements, velocities, reaction forces, etc.)都会是使用这个局部坐标.将此板子的左侧边(set EndA

15、)的自由度全部约束住完成此边界条件的整个设定. 将此边界条件命名为 Fix left end. 这个边界条件使用预设的总体坐标方向.最后, 在 Apply Pressure 分析步中定义一个横跨整个薄壳上表面的, 均匀的压力负载叫做 Pressure.使用 Shift+Click 的方法将此零件上的两个区域都选起来, 然后选取薄壳上表面(棕色的那一面) 作为此压力负载所要施加上去的面. 你可能需要旋转一下整个模型的视角才能够清楚的分辨出这块平板的上表面. 给定一个负载的值为 2.0E4 Pa. Creating the mesh and defining a job(制作网格与定义分析作业)

16、图 W125 显示出做这个分析时建议的网格划分状态. Figure W125 Suggested mesh design for the skewed plate simulation.在选用单元类型之前你必须回答以下这些问题: 这块板子是厚还是薄? 应变大不大? 这块板子其实相当薄, 其厚薄比只有 0.02. (厚度 0.8 cm, 最短跨距处的距离是 40 cm.) 然而我们并不能很快的预测这个结构中的应变量, 只能猜测其应变应该不大. 根据这些资料, 我们选用二次薄壳单元(S8R5), 因为他对于小应变的薄壳分析可以提供相当准确的结果. 有关于薄壳单元的选用的进一步细节, 可以参考在 A

17、BAQUS Analysis Users Manual(使用者手册)中的 15.6.2 章节里的“Choosing a shell element,”.在模型树中, 将Parts 之下的 Plate 项展开, 然后在其中的 Mesh 上双击来为之建构网格. 使用0.1 单元大小来为之建构网格. 从上方的下拉菜单中, 选用 MeshControls 来为此模型设定一些网格建构时的参数. 做出四边形的二次减积分薄壳单元, 其每个节点上有五个自由度 (S8R5).做一个分析作业叫做 SkewPlate 在其描述字段中(description)输入: Linear Elastic Skew Plate

18、, 20 kPa Load.将模型数据存盘成 SkewPlate.cae. 将此分析作业送进去分析, 然后监看整个解的程序; 如果分析过程中有出现任何错误讯息的话就将之更正, 还有要调查一下警告讯息的原因.Postprocessing the linear analysis results(处理线性分析的结果)切换到 Visualization 模块来处理此分析的结果. 基本上, ABAQUS/CAE 会以画出此模型的无变形状态为默认值Element normals(单元的法线方向) 使用此模型的无变形状态图形结果可以来检查模型的定义. 确认此歪斜平板模型的单元法线方向是否被正确的定义成指向第

19、三方向的正方向.To display the element normals(显示单元的法线方向):22. 在工具栏中, 单击Common Options选项. 然后 会出现Common Plot Options对话框. 23. 单击 Normals 标签页. 24. 将 Show normals 打开, 其它的 On elements 等选项按照其默认值就好. 25. 单击 OK 按钮.其预设的视图视角是等角视图. 你可以使用在view 菜单中的选项来更改其视图或是使用工具列中的动态视图调整工具(像 按钮就是一个).To change the view(变更视图):26. 从上方的下拉菜单中

20、选取 ViewSpecify 功能选项. 然后会出现 Specify View 对话框. 27. 从其中选用 Viewpoint 选项. 28. 输入这个视角的 X-, Y- 跟 Z-坐标值为 -0.2, -1, 0.8 还有此视角的向上方向向量为 0, 0, 1. 29. 单击 OK 按钮.30. 从上方的下拉菜单中选取ViewParallel功能选项, 将透视效果关掉.ABAQUS/CAE 会以你所指定的视图视角来显示你的模型, 如图 W126 所示. Figure W126 Shell element normals in skewed plate model.Symbol plots(

21、符号型显示模式) 符号型显示模式(Symbol plots)可以将指定的变量从其节点处或积分点处以向量的方式显示出来. 大部分的张量或向量型的变量都可以使用符号型显示模式(Symbol plots)来显示出来. 主要的例外是非物理性的输出变量以及储存在节点处的单元结果, 像节点力. 这些显示出来的箭头的大小同时也表示了结果中的值的大小, 其向量是以结果的总体坐标方向为方向. 也可以将数个变量的结果结合在一起, 像位移(U), 反作用力(RF), 等等.; 或者也可以单独将这些变量结果画出来.To generate a symbol plot of the displacement(将位移以符号

22、型模式显示出来):31. 从上方的下拉菜单中选取 ResultField Output 功能选项. 然后 Field Output 对话框会弹出来; 其预设是在 Primary Variable 标签页中. 32. 从其中的输出变量列表中, 选取 U3.33. 单击 OK 按钮. 然后会弹出 Select Plot Mode对话框来. 34. 选用 Symbol 选项, 然后单击OK按钮. ABAQUS/CAE 会在变形的模型上画出变形位移的三个方向的向量箭头. 35. 要修改这个模式的属性的话, 在Common Plot Options 对话框中改变为Wireframe（或者直接在工具栏里单

23、击按钮）. 36. 如果想要将这个结果以符号型模式画在无变形的模型上的话,在主菜单中，选择PlotSymbolsOn Undeformed Shape.这些要显示出来的结果会在无变形的模型上以箭头显示出来, 如图 W127.Figure W127 Symbol plot of displacement.Material directions(材料方向) ABAQUS/CAE 也可以让你看得出来单元的材料方向. 这个特性特别有用, 让我们可以确认材料方向的正确性. 材料方向跟单元的积分点是相关的. 所以, 要查看材料方向的话那么目前的输出变量必须是单元型的变量.To plot the mater

24、ial directions(显示出材料方向):37. 从上方的下拉菜单中选取ResultField Output功能选项. 然后Field Output对话框会弹出来; 其预设是在Primary Variable 标签页中. 38. 从其中的输出变量列表中, 选取S. 39. 单击 OK 按钮. 目前的主要输出变量会变成绩分点上的应力.40. 从上方的下拉菜单中选取PlotMaterial OrientationsOn Undeformed Shape功能选项; 或者是使用工具列中的 按钮. 材料方向便会显示在变形的模型上. 用来表示材料方向的三根轴向预设并不会画出箭头. 41. 在三根轴向

25、上要将箭头也画出来的话, 单击提示区中的 Material Orientation Options 选项. 或者是使用工具列中的 按钮.接着 Material Orientation Plot Options 对话框会弹出来. 42. 将其中的 Arrowhead 选项的Triad设成使用实心箭头. 43. 单击 OK按钮让这些设定生效并将此对话框关闭. 44. 从上方的下拉菜单中选取ViewViews Toolbox功能选项; 或者是使用工具列中的 按钮. 然后会出现 Views 对话框. 45. 使用在这个工具列中已经事先定义好了的这些可用的视图, 将这块板子显示成如图 W128 所示.

26、在此图中, 透视效果已经关闭了. 图 W128 中显示材料方向的时候使用了非预设的颜色: 其第一个方向以深蓝色显示出来, 第二个方向以金色显示.Figure W128 Plot of material orientation directions in the plate.Adding geometric nonlinearity(加上几何非线性)接着的分析当中我们再把几何非线性的效果也一并考虑进去. 将这个叫做 linear 的模型复制一份叫做 nonlinear. 下面将接着说明这一个新的模型中需要做那些变更.Step definition(分析步的定义)在模型树中的 nonlinear

27、模型之下的 Steps 之下的 Apply Pressure 分析步之上双击来修改此分析步的设定. 在 Edit Step 对话框的 Basic 标签页中, 将其中的 Nlgeom 选项开启, 让几何非线性的效果在分析中也一并考虑进去并将此分析步的时间设为 1.0. 在其 Incrementation标签页中, 设定其初始增量为 0.1. 预设的增量最大数量是 100; ABAQUS 分析时使用的增量数量可以少于此上限值, 但是如果需要大于此上限值时则分析会自动停止.你可能想要更改这个分析步的描述说明以正确的反应出来它现在是一个非线性分析步.Output control(输出的控制)在一个线性

28、的分析当中 ABAQUS 解平衡方程式只解一次并以此解来计算出其 它的结果. 而非线性分析则可能产生较多的输出结果因为在每一个收敛的增量步都可以输出结果. 如果你不仔细的选取输出项目的话, 输出的结果档会变得很大, 将你的计算机的硬盘空间塞爆都有可能. 如果你仔细的选取的话, 数据可以在整个分析的过程中固定性的储存而不会过度的使用硬盘空间.46. 打开 Field Output Requests Manager(场变量输出管理器). 47. 在这个对话框的右边, 单击 Edit 按钮打开场变量输出编辑器. 48. 将之前线性分析时所挑选的输出场变量移除掉,然后单击 Output Variabl

29、es 下的 Preselected defaults设定成使用其预设的输出变量. 这一组预设的输出变量是一般性静态分析时最常被使用的输出变量.49. 要减少输出数据文件中的数据量的话, 可以每两个增量才输出一次场变数. 如果你只对最终结果有兴趣的话, 你可以将 The last increment 选项选起来.至于在板子中间节点上的位移的历程输出设定可以将之从前个分析步中保留下来.Running and monitoring the job(开始执行并监控此分析作业) 制作一个叫做 NlSkewPlate 的分析作业并为之加上如下的描述说明 Nonlinear Elastic Skew Pla

30、te. 记得要你的模型数据文件存盘.将此分析作业送进去开始执行分析, 并监视此求解过程. 如果分析过程中有出现任何错误讯息的话就将之更正, 还有要调查一下警告讯息的原因.给与正确的修正动作.在非线性分析中 Job Monitor 特别有用. 他可以给你一个此分析中的自动时间增量总结报告. 这些讯息当该增量分析步完成时即会跟着被写入, 所以你可以在分析过程当中来监看之. 这个功能对于在做大型的, 复杂的问题时是很有用的. 这些在Job Monitor 中所显示出来的信息跟被送到状态文件 (NlSkewPlate.sta)中的信息是一样的.Comparing the linear and nonl

31、inear analysis results(比较线性与非线性分析结果)当分析作业完成之后, 切换到 Visualization 模块画出变形后的模型形状. 最终的变形后形状如图 W129 中所示.Figure W129 Final deformed shape.接着, 执行以下这些步骤来制作一张中间处的一个节点的线性与非线性分析的位移 XY 图. 所用的是如图 W1210 中所示的节点.Figure W1210 Midspan node.50. 确认如图 W1210 中所示的该节点的编号. 一个方法是使用从上方的下拉菜单中的 ToolsQuery 功能选项来查询. 或者单击按钮51. 在结果树中，打开在名字为NlSkewPlate.odb的数据文件下得History Output 功能选项，按以下方式查找输出结果：Spatial displacement: U3 at Node xxx in NSET MIDSPAN，其中xxx为上一步确定的节点编号. 52. 单击鼠标右键，从出现的菜单中选取Save As 按钮. 为曲线取名 nl-20kPa.53. 从上方的下拉菜单中选取FileOpen功能选项, 并且打开线性歪斜板分析作业的 ODB 文件.54. 重复上述的步骤 2 跟步骤 3, 用线性分析的结果来制作另一条曲线叫做 lin-20kPa.55. 在结