【OptiStruct要領】非線性分析丨插拔件問題

 

作為系列的開篇，我們首先介紹OptiStruct 應用於插拔件問題。這是非線性應用中的一類常見問題。一個是插針擠入針孔的過程，另一個是背包卡扣的嵌入過程。

部件的插拔過程看似簡單，但實則涉及了幾乎所有常見的非線性特性，包括：材料非線性、幾何非線性以及接觸非線性，有時插入過程甚至涉及結構的後屈曲問題。因此插拔件問題的求解過程中時常會碰到難以收斂的問題。

本次將以插針模型為例，講解如何在OptiStruct 中進行插拔件問題的非線性工況的設置，以及針對該應用問題的相關設置要點。

 

非線性材料定義

插針模型包含插針和底座兩個部分，針孔大小為0.4 x 0.64mm的方形。部件均採用實體網格，屬性PSOLID引用材料為鋼。考慮鋼的彈塑性特徵，即使用MAT1和MATS1共同表徵該材料。

插針

底座

在MAT1中定義彈性模量E、泊松比NU和密度RHO；

然後在MATS1中定義鋼的塑性段，使用TABLES1曲線“steel_tables1”定義塑性段。

 

載荷邊界條件定義

插拔問題的邊界條件見下方圖示。通常為一側固定，另一側進行相向運動。

 

關於邊界條件的設置，需要說明這些要點：

• 採用“強制位移”的加載方式，而不是使用力載荷的方式。這是因為在兩個部件未接觸的狀態下，運動部件是處於自由狀態的，該部件的整體剛度為零。如果使用力加載，那麼在靜力學分析中，該運動部件的位移將無窮大（發散）。
  • 通常插拔件問題關心插拔力的大小，因此為便於得到作用力數值，將強制位移施加於RBE2的中心點，然後通過RBE2單元施加到對應的結構區域。這樣通過SPCF輸出得到的反作用力即為插拔力的合力數值。
  • 建議在結構的特殊位置（例如對稱面）施加輔助約束的SPC。通常來說，這些輔助約束SPC可以有效提高計算的收斂性，也能模擬一些控製手段（例如：居中插入）。

 

連續滑移的接觸定義

插拔件的接觸區域通常隨著運動部件的位置狀態發生改變，因此這類問題的接觸區域通常需要選取可能接觸的連續滑移面。本例中設置了兩組接觸面，如下圖所示。

 

關於接觸對的相關屬性設置，其要點是：

• 須使用TRACK=CONSLI的接觸狀態追蹤。它的含義是，在載荷增量步內的每一個迭代步中，都進行接觸對狀態的更新。這樣可以最大程度保證捕捉接觸對的滑移狀態，從而使計算更準確。插拔件問題不推薦使用TRACK=FINITE（只在每個增量步才更新接觸對，而在迭代步中不更新），更不能使用TRACK=SMALL。
  • 推薦使用接觸Property Option選項，通過調用PCONT卡片，可以進一步調整接觸剛度的大小、摩擦係數大小、接觸是否可分離等。

特別的，當兩個接觸件的彈性模量剛度差異相差較大時，使用PCONT卡片中的STIFF=SOFT的參數，能夠有效幫助計算收斂（缺點是部件穿透略微增大）

 

非線性工況定義

插拔件問題最常見的是使用非線性準靜態（或瞬態）進行求解。OptiStruct 中設置非線性準靜態工況的方法是使用NLPARM卡片。本例中的工況設置如圖所示：

 

工況設置要點如下：

• Analysis type設置為Non-linear static；
• SPC邊界條件和LOAD載荷分別選取之前設置的SPC卡片和SPCD卡片；
• NLPARM設置是必須的，且務必使用含LGDISP的設置項，否則須配合使用PARAM,LGDISP,YES。LGDISP表示啟用大變形分析，這樣才能提供實時改變的結構狀態。
• NLOUT設置也是必須的，用於提供中間過程的輸出，這在插拔問題中是需要關心的。在本例中，設置NLOUT的參數FREQ為1，則可以輸出所有收斂的增量步。
• NLADAPT設置是可選的，通常能用於提供更嚴格的收斂準則，以期得到更準確的結果。在本例中，設置NOPCL為0以及NSTSL為0，這是兩個額外的收斂準則，它們分別要求接觸對的open/close狀態不再改變，以及stick/slide狀態不再改變才算收斂。這是插拔問題中常見的一種設置，目的就是為了更準確的結果。
  需要說明的是，NLPARM卡片的各參數並沒有嚴格的取值，在非線性分析中，OptiStruct會根據收斂準則和實際殘差動態調整載荷增量步。同樣地，NLOUT和NLADAPT卡片的參數也沒有絕對的推薦數值，建議結合OptiStruct自帶的幫助手冊，根據實際的需求進行調整。

 

另外，在本例的工況輸出控制中，設置如下輸出請求：

DISPLACEMENT：位移結果

STRESS：應力

STRAIN：應變

SPCF：約束反力

CONTF：接觸狀態及接觸力

 

案例結果

經過上述一系列的設置並提交OptiStruct 計算，終於等到了最終的分析結果。在插拔問題中，通常關心兩個問題：結構是否發生塑性變形，以及插拔力的數值是多少。

首先，使用HyperView 查看“Plastic Strains“，可以看到插針插入過程已發生了塑性變形，最大等效塑性應變約5.6%。

其次，使用HyperGraph 同步查看“SPCF Forces“，可以得到插入過程的RBE2單元中心作用點的反作用力大小。從SPCF曲線看出，插入過程的最大接觸力是部件剛接觸的瞬間，約為1.7N左右。之後整個後續插入過程的插入力基本穩定，在0.4~0.6N之間。

 

背包卡扣案例

對於背包卡扣模型（塑料材質），在OptiStruct 的分析設置方面與插針模型是完全類似的過程，具體可下載附件模型進行比較。

同樣通過HyperView 和HyeprGraph，可讀取如下圖所示的結構塑性應變以及卡簧側面節點的位移。可以看出，由於背包卡扣塑料材質的彈性範圍（降伏應力）過小，卡簧根部區域的內外側都發生了較大的塑性變形，由此導致了卡簧側面節點產生約0.3mm的不可恢復位移。

因此通過OptiStruct 模擬，可以知曉該背包卡扣設計可能存在一定的缺陷，應考慮更換更優良的塑料材料，或者修改卡槽及卡簧的結構形態。

 

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