下面我们通过一个L形支架为例,支架的拐角处有一个圆角,圆角半径非常小,可以将其忽略。我们将对带有圆角和不带圆角的模型进行分析求解,讨论它们的区别。本文先在忽略圆角的情况下通过局部网格控制策略对模型进行分析。
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方法:
1.打开模型。
2.点击【应用程序】-【Simulate】,如下图所示。
3.点击“材料”,弹出如下图所示的窗口,点击“创建新的实体材料”按钮,创建新材料。
材料名称为AISI 304,材料参数如下图所示。
4.点击“材料分配”按钮,对零件分配上面创建的材料,如下图所示。
5.点击“位移”按钮,设置边界条件,对下图所示的面上施加固定约束。
6.点击“力/力矩”按钮,在下图所示的面上施加载荷,按照下图进行设置,力的大小为900N,方向为-Y方向。
7.进行网格划分。点击【精细模型】,点击“控制”按钮,弹出如下图所示的窗口。设置最大元素尺寸为10mm,点击确定。
点击“AutoGEM”,然后点击创建,生成网格。
8.点击【分析和研究】。
新建一个静态分析。
9.按照下图进行设置。
10.点击开始运行。
11.计算完成。点击“查看设计研究或有限元分析结果”按钮。
12.按照下图进行设置,查看von Mises应力。
13.从分析结果可以看出:L形支架的最大变形量为0.2885mm,而最大von Mises应力为111.9MPa。
14.重新进行网格划分。点击【精细模型】,点击“控制”按钮,弹出如下图所示的窗口。设置最大元素尺寸为5mm,点击确定。
15.重新提交计算。
16.从分析结果可以看出:L形支架的最大变形量为0.2886mm,而最大von Mises应力为206.4MPa。
17.再次进行网格划分。点击【精细模型】,点击“控制”按钮,弹出如下图所示的窗口。设置最大元素尺寸为2mm,点击确定。
18.重新提交计算。
19.从分析结果可以看出:L形支架的最大变形量为0.2888mm,而最大von Mises应力为435.3MPa。
20.下表显示了三个分析的最大位移和最大von Mises应力值。
从上面的分析结果可以看出:
- 每次网格的精细化都会增加最大位移和最大von Mises应力值。位移的增加是比较小,趋向于一个有限值,基本可以认为位移结果是收敛的。然而应力的情况却大不相同。随着网格的精细化,得到的应力值越来越大,是一个发散的数值。如果我们继续划分网格,将会得到各种大小的应力结果。
- 导致应力结果发散不是因为有限元模型本身的错误,而是有限元模型基于一个错误的数学模型。根据弹性理论,尖角处的应力是无穷大的。由于离散化误差,有限元模型并不会产生无穷大的应力结果。
- 如果我们的目的是确定最大应力值,那么忽略圆角的存在,导致模型含有一个尖锐的拐角是一个严重的错误。如果想了解圆角附近的应力情况,那么不管圆角的尺寸多么小,都应该在模型中将其包含进来。
21.接下来我们将对带有圆角的模型重新进行分析。
22.重新进行网格划分。点击【精细模型】,点击“控制”按钮,弹出如下图所示的窗口。参考选择主体,设置最大元素尺寸为2mm,点击确定。
参考选择曲面,设置最大元素尺寸为0.7mm,点击确定。
23.点击“AutoGEM”,然后点击创建,生成网格。
24.从分析结果可以看出:L形支架的最大变形量为0.2848mm,而最大von Mises应力为108.7MPa。圆角的应力分布状态是均匀且对称的,可以判断这个应力值是精确的。因此如果我们想了解圆角附近的应力情况,那么不管圆角的尺寸多么小,都应该在模型中将其包含进来。
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