Workbench流体压力渗透分析实战

“之前的案例，APDL Showcase3里使用到了流体压力渗透载荷。有朋友读到以后，希望能在Workbench里实现这一功能。有需求就有动力，我们来试一试。 ”

01—结果展示

先看计算结果：（为了截图方便将模型旋转了90度）

  该案例为轴对称模型，分为两个载荷步。第一步将橡胶环和密封盖压紧，第二步在接触单元上施加流体压力渗透载荷，研究接触对的分离情况。
 

（接触单元的压力。这个结果的数量级有问题，请忽略）

本文参考 APDL Technology Showcase td-3 案例，在Workbench中实现施加流体压力渗透载荷的分析。
 

02—命令分析

官方案例中，加载部分的命令为：

从官方给的dat文件中可以看到，第一步只是施加一个强制位移，并没有什么特殊。第二步才是重点。施加流体压力渗透载荷的命令如下，我们依次分析。
 

! Load Step 2 -  Apply fluid penetration pressureesel,s,real,,6                      ! select rigid-flexible contact pairesel,r,ename,,172                   ! reselect contact elements only esel,a,real,,8                     ! select flexible-flexible contact pairsfe,all,1,pres,,4.1           ! apply fluid pressure allsel! Remove overlaping fluid penetration pressure loadsesel,s,real,,8                      ! select flexible-flexible contact pairnsleesln,s,1esel,r,real,,6                      ! reselect rigid-flexible contact pairsfedele,all,all,all                 ! remove overlaping fluid pressure loadsallsel

   上面这一段命令分两部分，第一部分选择接触单元，施加流体压力渗透载荷；第二部分是去除重复的载荷。 
   

esel命令，第一个参数s代表新建选择，r代表在当前选择集内重新选择，a代表添加到选择。第二个参数real表示按实常数选择，ename顾名思义，是按单元类型进行选择。

因此，前三行命令中文注释为：

esel,s,real,,6       ! 按实常数选择，选实常数为6的单元。在案例模型中为刚-柔接触对
esel,r,ename,,172    ! 在当前选择中重选，只留下CONTA172单元
esel,a,real,,8      ! 添加到选择，增加选择柔-柔接触对单元

   这里为什么要只留下接触单元呢？因为APDL中的案例，下压的压头是刚体，这个接触对是刚-柔接触。如果我们做柔-柔接触，则不需要这一行。 
   




   第四行sfe命令，对当前选中的接触单元施加流体压力渗透载荷。
  
  

sfe,all,1,pres,,4.1    ! sfe施加表面压力在单元上; 1表示法向压力, 大小4.1(单位一致为MPa)

接下来是第二部分。这几行命令，用比较巧妙的方式，选中了重复的接触单元，将流体压力渗透载荷在重复的单元里去掉。

esel,s,real,,8        ! 选择实常数为8的柔-柔接触对
nsle                  ! 选择接触对连接到的节点
esln,s,1              ! 再选择节点对应的单元。1代表只有单元内所有节点都在当前选择中时才选择单元。这样避免了选中结构单元。
esel,r,real,,6        ! 在当前选择集中，重选刚-柔接触对
sfedele,all,all,all   ! 删除重复的流体压力渗透载荷。
allsel

   这个方法是：先选择实常数为8的柔-柔接触对；然后通过nsle命令选择这些单元对应的节点；再通过esln命令选择节点对应的单元。在这一过程中，和柔-柔接触对的节点重复的刚-柔接触对的接触单元也被选中了。最后通过esel, r命令，在当前选择集下重新选择实常数为6的刚-柔接触对，将其载荷删除。
  
  


   （NSLE命令的帮助文档页。请忽略那个错误的机器翻译……）
  

  接下来这一段就相对简单一点。
 

! Define starting points   sfe,2529,2,pres,,-1      ! 屏蔽掉默认的流体压力渗透起始点suppress default starting point (one end point) for contact surfacesfe,2625,2,pres,,-1      ! suppress default starting point (one end point) for target sfe,3121,2,pres,,1       ! 在o形密封圈上自定义流体压力的起始点 define starting point for o-ringsfe,3308,2,pres,,1       ! define starting point for cap

  大概意思是说，施加流体压力渗透载荷的时候，软件会默认给一个起始点。但是那个点往往不是你想要的，所以你需要关掉默认的起点，并自定义一个新的起点。在关掉默认起始点的时候，不用看官方给的，直接全选单元关掉即可。
 

03—Workbench实现

在Workbench里，我做了一个类似的轴对称模型。据我考察在Workbench环境下轴对称模型中定义刚体好像不是很方便，我就索性都做成了变形体，然后把应该做成刚体的地方弹性模量设置大了几个数量级。
 

材料属性是从官方案例的APDL文件里导入的。但是导入时候单位好像出了点问题……总之O形密封圈是Ogden超弹性材料，塑料封盖是弹塑性材料。

在此也定义了两个接触，分别起名叫外部接触和内部接触：

由于流体压力渗透载荷一般需要先做一个密封分析步，第二步再施加流体压力，所以我们需要在  求解 部分添加命令，将命令对象添加到第2分析步里。
 

在此之前，我们需要确定这两个接触对在APDL中对应的实常数分别是多少。
 

为了确认接触对的实常数编号，我们可以通过 求解方案-生成MAPDL输入文件 按钮，或直接在Workbench的文件管理窗口找到.dat文件来查看求解器输入。

在生成的dat文件里搜索你在Workbench Mechanical环境下为接触对起的名字，就可以找到接触对的编号啦。
 

在这里注意，Windows环境里，生成的dat输入文件中的中文字符编码格式为GB2312，如果使用VS Code默认的UTF-8字符编码打开，中文会出现乱码。右下角修改一下即可。
 

（搜索“外部”，找到外部接触，看到其cid为6. 注意右下角的字符编码为GB2312）
 

同理，找到另一个接触对“内部接触”，确认cid为8.
 

另外，需要注意，根据帮助文档，在施加流体压力渗透载荷的时候，柔-柔接触对的“行为”如果设置为对称，则只需要对接触单元施加流体压力渗透载荷。反之如果设置为不对称，则需要同时对接触面和目标面施加。(详见帮助文档页：3.14. Applying Fluid Pressure-Penetration Loads）
 

  好的，现在可以开始在求解部分插入命令流。我同样设置了两个分析步，这些命令被插入在第2分析步处。
 

全部命令如下（不要觉得看起来好像很多的样子，有套路的）：

!   Commands inserted into this file will be executed just prior to the ANSYS SOLVE command.

!   These commands may supersede command settings set by Workbench.

!   Active UNIT system in Workbench when this object was created:  Metric (mm, kg, N, s, mV, mA)

!   NOTE:  Any data that requires units (such as mass) is assumed to be in the consistent solver unit system.

!                See Solving Units in the help system for more information.

esel,s,real,,6        ! 按实常数选择，选实常数为6的单元。在案例模型中为“外部接触”

esel,a,real,,8        ! 按实常数选择，选实常数为8的单元。在案例模型中为“内部接触”

sfe,all,1,pres,,2000000 ! 这个压力数值，以及本案例中所有的材料参数都请勿参考

ALLSEL

esel,s,real,,8        ! 选择实常数为8的接触对，本案例中为“内部接触”

nsle                  ! 选择接触对连接到的节点

esln,s,1              ! 再选择节点对应的单元。1代表只有单元内所有节点都在当前选择中时才选择单元。这样避免了选中结构单元。

esel,r,real,,6        ! 在当前选择集中，重选"外部接触"对应的单元

sfedele,all,all,all   ! 删除重复的流体压力渗透载荷。

allsel

sfe,all,2,pres,,-1   ! 先删除默认的流体压力渗透起点

nsel,s,node,,5        ! 选择编号为5的结点

esln,s,0              ! 选择与节点连接的单元

esel,r,real,,8        ! 选择“内部接触”接触单元

sfe,all,2,pres,,1     ! 指定“内部接触” 接触面流体压力渗透开始位置

ALLSEL

nsel,s,node,,5121     ! 选择编号为5121的结点

esln,s,0              ! 选择与节点连接的单元

esel,r,real,,8        ! 选择接触单元

sfe,all,2,pres,,1     ! 指定“内部接触” 目标面流体压力渗透开始位置

ALLSEL

nsel,s,node,,5137        ! 选择编号为5137的结点

esln,s,0              ! 选择与节点连接的单元

esel,r,real,,6        ! 选择接触单元

sfe,all,2,pres,,1     ! 指定“外部接触”流体压力渗透开始位置

ALLSEL

nsel,s,node,,169        ! 选择编号为169的结点

esln,s,0              ! 选择与节点连接的单元

esel,r,real,,6        ! 选择接触单元

sfe,all,2,pres,,1     ! 指定“外部接触”流体压力渗透开始位置

ALLSEL

nsel,s,node,,9184        ! 选择编号为9184的结点

esln,s,0              ! 选择与节点连接的单元

esel,r,real,,6        ! 选择接触单元

sfe,all,2,pres,,1     ! 指定“外部接触”流体压力渗透开始位置

ALLSEL

第一段选中接触单元，施加流体压力渗透载荷；第二段删除重复载荷，并删除所有的默认起始点。（看图可以发现，内部接触和外部接触的接触单元定义有重复）

  第3段开始直到最后，都是在定义流体压力的起始点。
 

  这个起始点的含义再解释一下 。流体压力渗透载荷主要施加在接触单元上，目的就是研究在流体的压力作用下，原先处于关闭状态的接触对是否会变为打开状态。因此如果压力错误的从原先就处于关闭状态的位置起始，计算结果就会出错。
 

  另外，APDL案例中，定义开始位置的方法是直接指定接触单元的编号。在Workbench中，不太容易确定某个位置对应的接触单元的编号，但确定一个节点的编号是很容易的事情。所以我们在这里首先选择节点，然后选择与它连接的接触单元。用这种方式定义起始点。
 

另外，施加流体压力渗透载荷的分析过程中，一个不小心就会出现计算不收敛的情况。官方的案例在求解时添加了一个0.01的能量耗散率。经过试验，这个案例模型还需要更大的能量耗散率才可以达到收敛。工程应用中，这个数值应该取能够收敛的最小值，否则有点暴力 即使收敛了结果可能也不准确。

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