ABAQUS: Zgniatanie i wybaczanie kształtownika

Celem tego artykułu jest zrozumienie efektu zniszczenia, wyboczenia i zakłócenia siatki w oparciu o tryby wyboczenia. W tym badaniu nastąpi zgniatanie kwadratowej stalowej rury między dwiema sztywnymi płytami. Rura jest wolna na jednym końcu, a na drugim końcu jest przymocowana do sztywnej płyty o masie 500 kg. Zarówno rura, jak i sztywna płyta z masą mają prędkość początkową 9 m/s tuż przed uderzeniem górnej krawędzi rury w nieruchomą sztywną płytę. Podczas uderzenia rura rozprasza dużą ilość początkowej energii kinetycznej na odkształcenie plastyczne. Celem tej analizy jest ocena zdolności rury do pochłaniania energii kinetycznej. Ta symulacja trwa łącznie 30 milisekund.

Rysunek 1 Kwadratowa, stalowa rura (kształtownik) zgnieciona między dwiema płytami

Definicje geometrii, materiału i siatki dla rury i blachy są zawarte w modelu. Ten model zostanie najpierw użyty do przeprowadzenia analizy wyboczenia, a później zostanie edytowany w celu wykonania analizy zgniecenia.

Analiza wyboczenia

Przed wykonaniem analizy zgniatania warto przeprowadzić analizę wyboczenia, aby określić tryby własnego wyboczenia konstrukcji. Te wyboczenia zostaną wykorzystane do wprowadzenia niedoskonałości do geometrii rury, aby zapewnić fizycznie poprawny odkształcony kształt na końcu analizy zgniatania.

Aby zapewnić fizycznie sensowną symulację, analizę wyboczenia należy przeprowadzić na modelu podobnym do modelu zgniatania. Rura musi być obciążona w sposób podobny do rzeczywistego obciążenia, jakie będzie wywierane na rurę podczas zgniatania. Obciążenie to uzyskuje się przez przyłożenie siły skupionej w kierunku osi rury. Model wyboczeniowy musi również uwzględniać efekty kontaktu między rurą a płytami.

Rysunek 2 Model badania w programie

W analizie wyboczeniowej zakłada się, że pomiędzy rurą a płytą górną występuje kontakt beztarciowy. Kontakt beztarciowy jest domyślną właściwością kontaktu w Abaqus. Dlatego zdefiniowana została taka interakcja kontaktowa pomiędzy górną częścią rury a górną płytą.

Rysunek 3 Tryb wyboczenia 1 (po lewej) i tryb wyboczenia 2 (po prawej)

Wiązanie pozostanie aktywne przez cały czas trwania analizy wyboczeniowej. Tak więc w opcjach dostosowania wtórnego programu warto określić tolerancję strefy dopasowania 0,01 m, aby zapewnić początkowo zamknięty stan styku. Dolna płyta zostanie „przyklejona” do dna rury za pomocą wiązania Tie. Po stworzeniu zadania w module JOB dostaniemy wynik zależnie od typu badania i ilości kroków jakie użyliśmy. W badaniu wyboczenia ustawiłem kilka kroków lecz interesujące są tylko pierwsze dwa, reszta jest już z za dużym odkształceniami.

Po zakończeniu analizy wchodzimy w moduł do wizualizacji i możemy utworzyć film jak wybacza się nasz kształtownik.

http://www.dpstoday.pl/wp-content/uploads/2023/10/2023-06-27-11-33-46.mp4

Rysunek 4 Wizualizacja wyboczenia kształtownika

Analiza kruszenia

Po analizie wyboczenia możemy przejść do analizy zgniecenia. Model wymaga małych modyfikacji. Model do analizy zgniatania będzie obejmował ogólny kontakt i początkową prędkość rury, która powoduje jej uderzenie w górną sztywną powierzchnię. Ponadto można skorzystać z Edytora Keywords, aby określić, że tryby z analizy wyboczenia powinny być używane do wprowadzania imperfekcji do analizy zgniatania.

Przed przystąpieniem do modyfikacji wymaganych do analizy zgniatania warto wykonać kopię modelu analizy wyboczeniowej. W modelu analizy zgniatania trzeba usunąć obciążenie skupione i interakcje kontaktu użyte w oryginalnym modelu analizy wyboczenia.

Rysunek 5 Zdeformowana siatka – analiza zgniecenia

Procedura jawnej analizy dynamiki zostanie zastosowana zamiast liniowej procedury wyboczenia wartości własnej. Trzeba zastąpić krok wyboczenia, krokiem dynamicznym.
W wyborze kroku w module Step, trzeba ustawić uderzenie ze swobodnym opóźnieniem i określić okres czasu 0,03 sekundy.

Rysunek 6 Wynik analizy

Gdy rura się zgniata, wielokrotnie się wygina; w ten sposób wiele obszarów wewnątrz i na zewnątrz rurki styka się ze sobą. Ponieważ trudno jest z góry ustalić, które obszary będą się ze sobą stykać, musimy umożliwić kontakt w bardzo ogólny sposób, tak aby dowolny obszar mógł się stykać, zarówno po wewnętrznej, jak i na zewnątrz rury. Ten rodzaj kontaktu można osiągnąć za pomocą kontaktu ogólnego. Własny kontakt rury ma współczynnik tarcia 0,1; kontakt między rurą a płytą jest beztarciowy.

http://www.dpstoday.pl/wp-content/uploads/2023/10/2023-06-27-11-33-46.mp4

Rysunek 7 Wizualizacja zgniecenia

Do analizy zgniatania górna sztywna płyta jest nieruchoma. Rura i dolna sztywna płyta wraz z masą mają prędkość 9 m/s. Pęd wynikający z tej prędkości początkowej spowoduje zmiażdżenie rury o górną sztywną płytę.

http://www.dpstoday.pl/wp-content/uploads/2023/10/2023-06-27-11-33-46.mp4

Rysunek 8 Wizualizacja zgniecenia przekrój

Tworząc analizę i patrzeć na wyniki widzimy jak mocno się zgniata nasz kształtownik, przez wysoką prędkość zniszczeń. W tym przykładzie zniszczenia zachodzą symetrycznie przez idealne warunki badań. Aby zobaczyć wnętrze możemy użyć opcji przekroju w module wizualizacji co pomoże zobaczyć lepiej wyniki analizy.

Na koniec można dodać imperfekcje geometryczne, które są wprowadzane do modelu do analizy po wyboczeniu. Niedoskonałości powodują deformację, dzięki czemu wyboczenie zachodzi płynnie. Imperfekcja jest zawarta z badania wyboczenia i jej wielkość jest skalowana w taki sposób, że maksymalna imperfekcja wynosi 2% grubości powłoki w oparciu o pierwszy tryb. Najłatwiej jest to wprowadzić za pomocą edytora Keyword.

*Niedoskonałość, file=TubeBuckle, step=1 1, 2.0E-5

2, 0,25E-5 3, 0,25E-5 4, 0,18E-5 5, 0,16E-5 6, 0,10E-5 7, 0,10E-5 8, 0,08E-5 9, 0,02E-5 10, 0,02E-5

Następnie możemy ponownie przeprowadzić analizę zgniatania przy nieidealnym modelu zniszczenia. Za pomocą opcji tworzenia wykresu, uzyskać wykresy do naszych badań.

Rysunek 9 Wykres historii energii rozpraszania sztucznego, kinetycznego i plastycznego dla całego modelu

Jak pokazano na wykresie, energia sztucznego odkształcenia pod koniec analizy stanowi ponad 30% energii plastycznej. Idealnie, energia sztucznego odkształcenia powinna stanowić znacznie mniejszy procent wewnętrznej lub plastycznej energii rozpraszania (około 5%). Możemy również zaobserwować, że całkowita strata energii kinetycznej jest równa całkowitemu wzrostowi energii rozpraszania plastycznego i energii sztucznego odkształcenia. Innymi słowy, energia jest zachowana.

Rysunek 10Zdeformowana sitka z idealnym modelem i z początkowymi niedoskonałościami

Porównując dwa modele, nienaruszona siatka odkształca się w ostrych fałdach, podczas gdy zaburzona siatka ma gładki zdeformowany kształt. Takie badanie było możliwe w Abaqusie, dzięki zaawansowanym modułom modelowania. Warto korzystać z opcji modelowania za pomocą kodowania, przyspiesza to pracę w przypadku skomplikowanych badań na modelu. Program Abaqus pozwala na wiele opcji wizualizacji która daje nam pełną swobodę w badaniach i wizualizacjach naszych symulacji.

Post: ABAQUS: Zgniatanie i wybaczanie kształtownika