abaqus中的垫片模拟|abaqus有限元仿真案例分析-凯发网站

什么是垫片？

垫片的主要用途是在两个法兰之间提供坚固的密封，以承受热负荷和机械负荷，防止暴露于不同的材料，并确保整个系统的完整性。重要的例子包括内燃机中的缸盖和阀盖垫圈。

 

 

 

为什么我们使用垫圈？

一个经常被问到的问题是，“为什么不直接将法兰夹紧在一起，而是使用垫圈？”

 

尽管这种方法很简单，但它并不是最经济的凯发网站的解决方案。夹紧法兰需要使用更多的螺栓、平滑加工法兰（增加成本），或者可能进行焊接，这会在拆卸过程中带来复杂性。

 

垫圈在防止泄漏和确保密封部件的完整性方面发挥着决定性作用。了解它们在复杂装配体和负载条件下的行为和属性对于准确的工程分析至关重要。

 

垫片的典型应用有哪些？

典型应用包括：

在内燃机中，垫片应用包括气缸盖垫片、排气歧管垫片、阀盖垫片和进气歧管垫片。

l医疗设备

l食品包装

l手机  

l燃料电池

 

我们使用什么类型的垫圈？

垫片有不同类型，包括金属垫片和非金属垫片。金属垫圈由钢、铝和铜制成，具有耐用性和弹性。非金属垫片可由纤维材料、复合材料、模压橡胶和石墨制成。每种材料类型都是根据其特定属性和应用要求来选择的。

 

垫片分析的挑战

由于其复杂的几何形状和复杂的行为，尤其是沿厚度方向的机械响应，垫片模拟在高级工程分析中可能具有挑战性但又至关重要。

 

l面内尺寸通常与厚度显着不同，这可能导致复杂的网格划分过程。

l有限元分析可能需要复杂的模型来解释复杂的厚度行为、复杂的校准和网格划分，并产生具有数百万自由度的复杂模型。

 

此外，必须结合整体结构和天花板分析来考虑垫片，以解决法兰和紧固件的合规性。

整体方法对于解决这些复杂性至关重要，承认垫片在更广泛的结构背景中的作用。

 

abaqus 凯发网站的解决方案：垫片元件

abaqus引入了带有垫片元件的专用凯发网站的解决方案，专门用于对垫片进行建模。这些元素通过以下方式改善和简化了与垫片相关的网格划分和建模挑战：

l通过消除过度细化实体单元网格的需要来提高网格质量。

l在整个厚度范围内使用一层垫片元素简化网格创建。

l通过使用轮廓确定网格划分要求来简化网格修改。

l利用本构模型来解决与整个厚度的机械响应有关的复杂垫片厚度行为。数据可以从测试数据或垫片横截面的有限元模型结果输入。

 

abaqus/standard中的预紧部分是应用螺栓载荷的便捷方法。另外，abaqus/standard 和abaqus/explicit也提供连接器元件技术。

 

abaqus 中的垫片元件类型

 

 

 

abaqus提供两种主要的垫片元件公式：常规垫片元件和普通垫片元件。常规垫片单元每个节点有 3 个自由度，可以模拟非耦合膜、横向剪切和全厚度行为，仅普通垫片元件具有一个自由度。它们仅对全厚度行为进行建模。仅普通垫片元件在数值上比常规垫片元件更具成本效益，但并不常见。

 

常规垫片元件特性：

l所有行为都可以包括热膨胀。

l膜和横向剪切行为是弹性的。

l全厚度行为可以是塑性的并具有永久蠕变变形或遵循受损的弹性响应。

 

两种类型的垫片单元均可用于模拟三维、轴对称和平面问题。垫片单元可应用于静态模拟、动态模拟、频率模拟或频率提取，并且它们是为小应变和小位移计算而制定的。

 

垫片元件配方

 

 

abaqus/standard包含各种单元类型，包括具有两个、四个和八个节点的单元。这些元素可用于静态、动态、静态扰动、准静态和频率仿真，满足不同的工程场景。

 

通常，垫片网格在整个厚度上都有一个垫片元件。此处显示的垫片网格中的不同颜色代表不同的垫片行为。红色网格与绿色网格具有不同的垫圈行为。

 

动态垫片具有由粘弹性特性定义的阻尼。有些垫片元件在其节点处具有温度自由度，允许通过厚度方向传递热量。

 

垫片元件专为整体小应变和小位移计算而设计，但也可用于大位移计算。如果垫圈元件经历显着旋转，则不适合使用，因为局部方向不旋转。垫片元件可以有大的封闭件；如果需要，顶部可以穿过底部。

 

 

 

l区域单元具有定义垫片顶部和底部表面上的面的节点。

l法线从底部到顶部并定义厚度方向。

l垫片的厚度是根据节点位置计算的，也可以直接在“垫片截面”选项上指定。

l垫片单元的默认厚度（局部 1 方向）由 abaqus 使用节点坐标计算。

l用户可以使用“垫片截面”选项来覆盖一组垫片单元的默认局部 1 方向。

l可以使用“正常”选项在节点基础上指定局部 1 方向。

l在垫片单元节点处获得的厚度方向的方向余弦列在打印输出(.dat)文件中。

 

垫片元件连接可能与实体元件连接不同。对垫片的节点进行编号至关重要，因为它定义了垫片的法线方向。如有必要，请使用单元上的实体单元编号参数来解决此差异。如果网格生成器不支持垫片单元，或者在使用连续体单元对垫片中的热传导进行建模的热应力分析中，这会很方便。

 

幸运的是，abaqus/cae支持垫片元件。用户可以制作具有正确厚度方向的垫片网格；但是，在某些情况下，您可能需要重新排列单元定义上的节点顺序才能获得正确的厚度方向。数据 (.dat ) 的输出和abaqus/viewer 的输出将使用正常的垫片元件连接。

 

例子

 

 

 

以下示例展示了垫片元件编号的正确方法。右图定义的单元顺序为 1-2-3-4，仅适用于平面应变单元或平面应力单元 cpe4 或 cps4。

 

在垫片元件的情况下，厚度方向必须从底部法兰延伸到顶部法兰。因此，交叉连接模式势在必行。因此，如果您希望使用右图的编号方法，则必须声明实体单元编号等于 4。这将告诉 abaqus 将该单元的第四面（定义为普通单元）视为垫圈的底部。

 

在将垫片集成到计算模型之前验证垫片的属性至关重要，特别是在进行复杂和扩展系统的模拟时。

 

垫片元件几何形状

考虑下面的示例，使用简化的网格对复杂的垫圈进行建模。左图显示了 aa 部分中复杂垫片几何形状的横截面，其特征是精心放置的凸块以引起天花板压力。然而，中心区域中的间隙需要显着压低凸块以到达垫圈主体。

 

 

 

我们的方法包括对底部的横截面进行建模以代表我们的垫片网格。我们在该部分上施加压力以考虑间隙和凸起，从而确定垫圈闭合所需的力。这是通过在 abaqus 中定义单元内的压力闭合曲线来实现的，适应厚度方向上的复杂机械响应，包括间隙效应。abaqus 中的压力闭合定义使我们能够解释厚度方向上的复杂机械响应，包括间隙的影响。

 

由于垫片中间横截面和凸块的差异，我们为每种情况定义了不同的行为。abaqus/cae 中的垫片定义是可以实现的，但为了简单起见，一些细节被掩盖了。abaqus/cae 提供了用于垫片定义的全面工具集。

 

此外，3d experience 平台支持材料定义应用程序中的垫片行为。这种集成增强了垫片建模在更广泛的计算框架内的多功能性。

 

垫片厚度行为

abaqus 中的垫片行为是使用压力闭合曲线、材料定义以及损伤和弹塑性行为之间的选择来定义的。压力闭合曲线是通过在机器中测试垫片并提取必要的数据来定义行为而获得的。

abaqus 提供了用于输入垫片面积如何变化的选项，特别是对于管线垫片。然后，该数据用于定义垫片行为，有两种基本类型：损坏和弹塑性。损坏类型涉及非线性弹性响应，可能包括损坏的影响，而弹塑性类型包括卸载时的塑性或残余闭合。

 

什么是损害行为？

type=damage 定义非线性弹性响应，其中可能包括损坏的影响。如果卸载曲线不遵循输入卸载曲线存在问题，则使用 interpolation=direct。

 

 

例如，如果垫圈表现出意外行为，偏离指定曲线，建议探索这个新选项。

 

由此产生的厚度行为与超弹性中观察到的受损弹性响应非常相似，称为马林斯效应。将垫片加载到 b 点并随后卸载时，如果定义了损坏卸载，则响应弹性返回到 a 点。重新加载时会遍历损坏的曲线，并且该过程相应地继续。

 

针对这种类型的厚度响应定义了主加载曲线，并附有一组卸载曲线。当从中间压力发生卸载时，abaqus 采用插值法来导出相应的卸载行为。

 

 

 

什么是弹塑性行为？

abaqus中的弹塑性行为在卸载时表现出塑性或残余闭合，类似于弹塑性材料。该软件提供了定义屈服点和修改插值的选项，以在模拟中实现精确的垫片行为。

 

默认可塑性起始遵循 10% 规则，允许用户根据喜好自定义此标准。选择“类型等于损坏”通常不会那么麻烦，特别是在垫圈未完全卸载的情况下。

 

abaqus支持垫片元件的各种材料选项，包括用户定义的材料，并且能够直接在厚度行为中指定动态刚度和阻尼。蠕变选项可作为垫片行为或材料选项的子选项用于蠕变分析。

 

垫片元件输出变量

分析垫片元件的输出时，关键参数包括上限压力，表示为s11。例如，该名称适用于 gk3d8cs 等元件。对于管线垫片元件，上限压力由e11表示。

 

e11表示垫片闭合，以垫片元件特定的长度单位测量。虽然可以从垫片中提取其他变量，但最常检查的是s11和e11，用于捕获压力闭合。

 

对于寻求更多自定义输出变量的用户，可以使用用户输出变量和子例程 uvarm 创建用户定义的输出变量。值得注意的是，最近的 abaqus 版本支持 linux 用户的 gfortran。

 

垫片元件使用的实用技巧

有效使用垫片元件的实用技巧包括验证垫片行为和收敛特性。

 

设置单个垫片元件模型，通过将其向下推、卸载并确认压力闭合行为来仔细检查其行为。此预防措施可防止在运行大型且复杂的模型后发现垫片行为的差异。

 

这种方法对于引入 abaqus 模拟中的任何新功能都是有益的。在将复杂材料模型、连接器元件行为等纳入更广泛的模拟之前，使用简化模型验证其性能至关重要。

 

对于垫片，涉及整个垫片的全面测试可以验证间隙是否正确，并确保只有在间隙适当闭合时才会产生密封压力。

 

垫片元件可能会出现技术问题，特别是在元件不受支撑的情况下。无支撑垫片元件是指垫片的一部分在没有适当支撑的情况下延伸穿过间隙（例如法兰中的孔）的情况。这种情况可能会导致分析过程中出现问题。

 

为了解决这个问题，垫片部分有一个称为稳定刚度的选项，专门设计用于管理不受支撑的垫片元件。您可以在数据检查期间通过检查打印输出文件中的“无交叉”文本来识别不受支持的垫片单元节点。

 

应用少量的刚度来减轻由初始间隙引起的数值病态问题。abaqus 默认使用间隙之外的斜率乘以 0.001 来确定间隙刚度。

 

然而，这可能会导致垫圈体上出现过大的刚度和明显的顶压力。为了解决这个问题，拉伸刚度系数选项（垫片厚度行为的一部分）允许用户控制并可能减少该系数，从而确保更准确的结果。

 

结论

由于垫片复杂的几何形状和复杂的行为，abaqus/standard 中的垫片模拟提出了许多挑战。在有限元分析中使用垫片单元对于准确捕获垫片在各种负载条件下的行为至关重要。

abaqus 为垫片分析提供了强大的凯发网站的解决方案，克服了与有限元建模相关的传统挑战。工程师可以通过结合专门的垫片元件和厚度行为定义来实现更高效、更准确的模拟，从而改进产品设计和可靠性。