前言
公路桥梁结构的随机振动问题是一个只能用统计规律来解决的问题,无法采用确定性的方法和手段来解决。
本案例在利用现有通用的有限元软件Abaqus的基础上,将所测得的加速度信号转化为PSD曲线,进而观察随机振动对长跨横梁的影响。
本案例详细叙述了仿真工程师的工作流程。从前处理的模型简化、网格划分,到求解设定,再到后处理以及报告输出。案例主要介绍了Abaqus中随机振动分析过程,包括功率谱密度曲线的定义、多轴顺序激励流程,数据由于保密原因,结果数值不具参考性,其流程不足之处恳请诸位专家、从事CAE分析的业界同仁提出意见。
仿真分析总体分为三大步:前处理、求解、后处理,其中前处理决定着整个仿真精度及成败。前处理第一步是模型简化,需处理孔洞、具有细小特征的部件,其中简化模型最为复杂的是处理面体(丢失面和小面)部分,常常较为耗时。
仿真工程师简化模型通常使用的两款软件:SCDM、HyperMesh。
SCDM:从三维入手,直接拉伸拖拽结构进而改进修复结构,常用Design、Repair、Prepare。
HyperMesh:修复SCDM解决不了的亦或是在SCDM解决起来较为复杂的特征。
图1、横梁结构
图2、横梁侧视图
图3、横梁俯视图
本次分析对象图1-图3所示,横跨3m有余,多孔且不对称,同时大小不一;从俯视图看顶端结构中间仍有不连贯出处,从侧视图看截面依然各不相同。
由于实际桥梁如此,所以并未作出较大的几何修改。如此结构虽然单一,但要想的得到质量较好的六面体网格,只能通过专业前处理软件Hypermesh来实现。
网格划分占用着仿真大部分的时间,网格质量同样也决定着计算精度以及效率。在精密分析中,都会用到专业的网格划分软件如:HyperMesh、Ansa、Patran等,本次以hm(下文hypermesh均以hm简写出现)为例。
网格划分的原则:能划六面体尽量不划四面体,同时综合考量网格质量以及效率来决定。
图4、几何拓扑图
图5、网格划分图
在划分六面体时,通常第一步一定是考虑结构的拓扑关系,本次我们将结构分成三个部分,如图4所示,红色绿色部分采用左右拓扑,即先划分两片面网格为然后使用solid map或者element offset/drag都可以。中间黄色的板相对复杂,采用前后拓扑,先对面进行分割尤其是带小孔的地方。划分每一片面的时候记得检查normal(法向)、Edges(自由边和T型边),避免生成三维网格出现问题。
Hm为ABAQUS、ANSYS、Nastran等商用软件提供前处理,需要在如图6网格检查设定中做相应设置。Hm划分网格的思想笔者习惯降维划分,即是说先2D后3D。
六面体:2D时画四边形或四边形为主、然后检查网格质量并进一步进行拉伸拖拽为3D亦或通过solid map实现。此时会产生一些作为过渡的五面体,Abaqus是接受的。
四面体:2D时画分三角形,检查网格质量,Tetra Mesh为3D网格。2D网格在3D完成后必须删除,否则在Abaqus中不能赋予属性。
网格质量检查,在成熟的行业均有自己的一套标准。常规的检查与设定大概如图7、2D网格检查主要内容,检查以下六个项目,分别为:
aspact:长宽比,一般设置小于5
skew:扭曲度,一般设置小于5
warpage:翘曲,一般设置小于5
length:最小边长度设定,一般设置不小于0.2
jacobian:雅克比,一般设置不小于0.7
Max angle:最大角,一般设置小于5
图6、网格检查设定
图7、2D网格检查主要内容
1.4、材料赋予
在Abaqus中材料的赋予分为三步:
1、如图八材料属性创建,将密度、弹性模量、泊松比材料如图创建。
2、如图九截面属性创建,将结构区分壳、实体、杆并带入材料。
3、如图十截面属性赋予,将2创建好的截面属性赋予相应的零件。
ABaqus材料属性赋予,逻辑清晰,同时拥有多材料种本构方程,以及损伤失效准则。
图8、材料属性创建
图9、截面属性创建
图10、截面属性赋予
模态求解是动力学(随机振动)的求解的基础,在此我们使用Lanczos算法,提取前30阶模态(如图12设置),具体提取阶数,由有效参与质量和实际总质量比值决定,工程上取0.75以上。(如图12-14所示)
图11、模态求解设定
图12、模型总质量
图13、有效参与质量1
图14、有效参与质量2
随机振动来源即传播方向,从约束的地方沿着设定的方向传播。此处可以将需要约束的节点放在一个Set中,方便约束的施加。如图16所示;同时横梁两端截面设置了对称约束,如图15所示。
图15、对称约束
图16、全约束
模态分析的一大优点就是可以检查接触情况,对于装配体来讲,可能会出现许多阶固有频率为0的情况,此时要放大振型趋势,查看约束不足的地方,加以改进亦或修正。
模态分析得到特征值、特征向量是由动力学方程决定的。其为随机振动分析提供了基础。其固有频率如图17所示。
图17、结果分析
按照08904-00021-00-DV-A CAE仿真规范进行10~1000Hz base Gravity,先Z轴,再Y轴,最后X轴,PSD单位需要转化为与分析项目所匹配的单位。功率谱密度(自谱)如下表一。多轴随机振动在Abaqus中的设定如图18,阻尼设定方式通过模态阶数设定,具体如图19。
表一、各种功率谱值
Z轴 PSD值 | Y轴 PSD值 | X轴 PSD值 | |||
频率(Hz) | 功率谱密度(m/s²)²/Hz | 频率(Hz) | 功率谱密度(m/s²)²/Hz | 频率(Hz) | 功率谱密度(m/s²)²/Hz |
5 | 4.81 | 5 | 0.96 | 5 | 1.2 |
10 | 5.77 | 10 | 1.44 | 10 | 2.89 |
20 | 5.77 | 20 | 1.44 | 20 | 2.89 |
200 | 0.08 | 50 | 0.96 | 200 | 0.02 |
200 | 0.04 |
图18、随机振动求解设定
图19、阻尼设定
PSD曲线设定,选以重力加速度为基础的选项(参考重力加速度后的数值是可以根据需求改变的),同时将转换后的功率谱密度输入实数部分,频率输入频率部分,虚数部分不能为空。如图20所示。
图20、PSD曲线设定步骤
在边界条件设定中(如图21,首先选择方向,然后选择Approach中的相关(Correlated),接着选PSD曲线,最后查看三个载荷步与三条PSD曲线的关联。如图22.
图21、边界条件设定
图22、PSD曲线与载荷步关联
创建工作即将之前的设定创建一个求解文件(inp),接着进行Data chek检查设定以及语法错误,当看到成功三连方可提交。同时依据电脑属性设定并行(线程数)。此次利用30个线程,历时15分钟左右。如图23-25所示。
图23、提交Job并检查
图24、检查无误提交工作
图25、电脑CPU以及线程适配
随机振动是一种基于概率统计的方法,有价值的是各方向应力、位移的均方根值。在材料刚度、结构刚度、连接刚度以及自谱准确的情况下,认为结论是可靠的。
如表所示,三轴位移均方值分别为Z轴6.13e6mm、Y轴7.50e2mm、X轴1.46e12mm,三轴应力均方值分别为Z轴1.46e9Mpa、Y轴5.09e5Mpa、X轴3.62e13Mpa。可以与铜制材料以及铝制材料屈服强度进行比较得出结论。从概率上进行预判。各轴应力、位移均方根值如图26-图31所示,同时汇总在表二。
图26、Z轴位移最大均方根值6.13e6mm
图27、Y轴位移最大均方根值7.50e2mm
图28、X轴位移最大均方根值1.46e12mm
图29、Z轴应力最大均方根值1.46e9Mpa
图30、Y轴应力最大均方根值5.09e5Mpa
图31、X轴应力最大均方根值3.62e13Mpa
表二、各轴RS、RU汇总
五、总结
案例主要介绍了运用Abaqus实现长横跨梁的随机振动,同时也简短的介绍了运用HyperMesh为Abaqus提供前处理。
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