塑性加工過程CAE-02FEM基礎(chǔ).ppt

塑性加工過程CAE 板料沖壓成形CAE分析 鮑益東南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院航空宇航制造工程系 第三章板料成形的有限元基礎(chǔ) 3 1序言 3 2桿和梁單元 3 2二維問題 3 3有限元求解技術(shù) 3 4板殼單元 3 1序言 3 1 1基本概念 3 1 2矩陣代數(shù)的回顧 3 1 3彈簧元 3 1序言 有限元方法或有限元分析的基本思想就是將一個復(fù)雜的物體分解成許多易于處理的小片來處理 這種思路在日常生活和工程實際中經(jīng)常被使用 3 1 1基本概念 搭積木游戲 建筑 3 1 1基本概念 圓面積的近似求解 注意 一個復(fù)雜的連續(xù)的物體可以被許多小片 單元 來近似代替 工程中有限元的應(yīng)用機(jī)械 航空 土木 汽車工程結(jié)構(gòu)分析 靜態(tài) 動態(tài) 線性 非線性 熱 液體流動電磁地質(zhì)力學(xué)生物力學(xué) 齒輪式彈性軸接的模型 3 1 1基本概念 有限元的簡要發(fā)展歷史1943 Courant1956 Tuner Clough Martin Topp Stiffness 1960 Clough FiniteElement 平面問題 1970s 在大型機(jī)上得到應(yīng)用1980s 在微機(jī)上得到應(yīng)用 前后處理軟件1990s 大型機(jī)構(gòu)系統(tǒng)分析 3 1 1基本概念 3 1 1基本概念 易拉罐的跌落測試 結(jié)構(gòu)分析中的有限元 過程 將結(jié)構(gòu)體劃分成小片 單元 節(jié)點 形成描繪物理特性的單元剛度將單元組裝成一個整體結(jié)構(gòu)的近似方程組求解已經(jīng)引入位置物理量 位移 的方程組計算單元中用戶所關(guān)心的物理量 應(yīng)變 應(yīng)力 3 1 1基本概念 計算機(jī)前處理 建立有限元模型 載荷和約束 有限元求解器 組裝和求解系統(tǒng)方程 后處理 顯示計算結(jié)果 商業(yè)化有限元軟件包ANSYS NASTRAN ALGOR 通用目的 ABAQUS 非線性動力分析 PATRAN HyperMesh 前后處理 LS DYNA 碰撞動力分析 DynaForm 前后處理 3 1 1基本概念 本章有限元基礎(chǔ)課的目的理解有限元分析的基本原理和思路掌握本章中所涉及到的單元模型的推導(dǎo)和適用范圍對一個給定的問題能夠建立適當(dāng)?shù)挠邢拊Ｐ湍軌蚪忉尣⒃u價有限元分析結(jié)果的優(yōu)劣 知道問題的物理意思 明白有限元的局限性 不要錯誤地應(yīng)用有限元 數(shù)值工具 3 1 1基本概念 線性代數(shù)方程組系統(tǒng) 矩陣形式 A稱為n n矩陣 x和b分別是n維的列向量 3 1 1矩陣代數(shù)的回顧 矩陣的加法減法 矩陣的乘法 矩陣的轉(zhuǎn)置 對稱矩陣 單位矩陣 3 1 1矩陣代數(shù)的回顧 矩陣行列式的值 奇異矩陣 如果detA 0 那么系統(tǒng)存在問題 非唯一解 發(fā)散等 矩陣的逆 3 1 1矩陣代數(shù)的回顧 線性方程組系統(tǒng)的求解技術(shù) 高斯消去法迭代法正定矩陣 對于所有非零向量X 有XTAX 0 A為正定矩陣正定矩陣為非奇異矩陣矩陣的導(dǎo)數(shù)和積分 3 1 1矩陣代數(shù)的回顧 彈簧元 3 1 3彈簧單元 考慮彈簧元的力的平衡條件 節(jié)點i 節(jié)點j 矩陣形式 注意 K為對稱矩陣 K是非奇異的還是奇異的 3 1 3彈簧單元 彈簧元系統(tǒng) 單元1 單元2 3 1 3彈簧單元 對整個系統(tǒng)進(jìn)行單元剛度矩陣的組裝 考慮節(jié)點力的平衡條件 節(jié)點1 節(jié)點2 節(jié)點3 矩陣形式 K為該彈簧系統(tǒng)的剛度矩陣 結(jié)構(gòu)矩陣 3 1 3彈簧單元 單元剛度矩陣另一種組裝方法 分別擴(kuò)大單元1和2的剛度矩陣這與根據(jù)節(jié)點力平衡得出的矩陣是一樣的 3 1 3彈簧單元 引入邊界條件和力的條件 假設(shè)u1 0 F2 F3 P 那么未知量為 u2 u3和F1求解方程可得 3 1 3彈簧單元 檢查計算結(jié)果 結(jié)構(gòu)變形后的形狀外力平衡有關(guān)彈簧元的注意事項 適于剛度分析的計算不適合用于彈簧本身的應(yīng)力分析計算在彈簧元的橫向是否具有剛度 彈簧元是否具有扭轉(zhuǎn)剛度 3 1 3彈簧單元 例子1 已知 求 a 整體剛度矩陣 b 節(jié)點2和3的位移 c 節(jié)點1和4的支反力 d 彈簧2的力 3 1 3彈簧單元 a 問 分別求出單元剛度矩陣 單元1 單元2 單元3 組裝后 3 1 3彈簧單元 組裝后 注意到整體剛度矩陣是對稱并帶狀分布的 該系統(tǒng)的平衡方程為 3 1 3彈簧單元 b 問 將邊界條件 u1 u4 0 應(yīng)用到平衡方程中 去掉1行1列 4行4列后 求解得 c 問 從平衡方程組中的1和4可得 3 1 3彈簧單元 d 問 彈簧元2的平衡方程為 式中i 2 j 3 可以計算出彈簧力為 3 1 3彈簧單元 例子2 問題描述 對上述一個具有任意彈簧元節(jié)點和單元的系統(tǒng) 求其整體剛度矩陣 3 1 3彈簧單元 單元拓?fù)潢P(guān)系 上表中為每個彈簧元的局部節(jié)點號和整體節(jié)點號的對應(yīng)關(guān)系 然后依次求出每個彈簧元的剛度矩陣 3 1 3彈簧單元 組裝后 整體剛度矩陣是對稱并帶狀分布的 3 1 3彈簧單元 3 2桿和梁單元 3 2 1線性靜力分析 3 2 2桿單元 3 2 3梁單元 大部分結(jié)構(gòu)分析問題都可以看作是線性靜力分析問題 它們都基于以下假設(shè) 1 小變形 加載方式不會因為變形而改變 2 線彈性材料 不存在塑性和破裂 3 靜力載荷 在結(jié)構(gòu)上的載荷是慢速平穩(wěn)地施加上去的 線性靜力分析可以解決結(jié)構(gòu)分析問題中大部分的問題 對于大多數(shù)的結(jié)構(gòu)分析問題 靜力分析可以得到一個近似的結(jié)果 線性靜力分析是非線性分析的基礎(chǔ) 3 2 1線性靜力分析 桿單元 3 2 2桿單元 剛度矩陣 直接法 假設(shè)位移u沿著桿的軸向線性分布 K即為桿單元的剛度系數(shù) 桿單元和彈簧元類似 3 2 2桿單元 單元剛度矩陣為 單元的平衡方程組為 節(jié)點自由度 對一維的桿單元 每個節(jié)點就只有一個自由度剛度矩陣K中系數(shù)的物理意義 K中第j列的系數(shù)表示在節(jié)點j施加單位位移而其他節(jié)點固定不動的時候 桿上所承受的力 3 2 2桿單元 剛度矩陣 正規(guī)推導(dǎo)方法 定義兩個形函數(shù) 位移u沿著桿的軸向線性分布 可得應(yīng)變?yōu)?B為單元的應(yīng)變 位移矩陣 3 2 2桿單元 單元應(yīng)力為 桿單元上的應(yīng)變能為 桿單元2個節(jié)點所做的功為 對于保守系統(tǒng) U W 故有 3 2 2桿單元 上式等價于 其中k即為單元剛度矩陣上述方法就是正規(guī)的推導(dǎo)過程 該方法也可以用來推導(dǎo)其他類型的單元剛度矩陣 單元剛度矩陣也可以通過其他嚴(yán)格的方法獲得 比如最小勢能原理 伽遼金方法等 于是我們可以得到桿單元的剛度矩陣 上式結(jié)果和直接法的結(jié)果一樣 3 2 2桿單元 例子 問題描述 在節(jié)點2處施加F 求桿1和桿2上的應(yīng)力 求解方法 用1 D桿單元 單元1和單元2的剛度矩陣分別為 假設(shè)在節(jié)點2處是用一個無摩擦的鉸鏈將桿1和桿2所連接 3 2 2桿單元 組裝后 載荷和邊界條件為 刪除第1行第1列和第3行第3列后得 3 2 2桿單元 最后可以得到單元1內(nèi)的應(yīng)力 同理 可以得到單元2內(nèi)的應(yīng)力 負(fù)號表示單元2所受的是壓應(yīng)力 3 2 2桿單元 注意 1 在這個例子中 根據(jù)一維線性理論所計算出來的單元1和2中的應(yīng)力是精確解 所以如果我們將單元細(xì)化不會提高精度 2 如果對于階梯桿結(jié)構(gòu) 其中的A要采用橫截面的平均面積 3 為了得到單元1和2中的應(yīng)力 我們首先要得到節(jié)點的位移 因為采用的基于位移場的有限元法 3 2 2桿單元 二維空間上的桿單元 注意 在線彈性理論的前提下 橫向位移對桿單元的拉伸沒有貢獻(xiàn) 3 2 2桿單元 坐標(biāo)變換 矩陣形式 3 2 2桿單元 對于2個節(jié)點的桿單元有 節(jié)點力也采用相同的變換方法 二維空間下的局部坐標(biāo)系下的剛度矩陣 3 2 2桿單元 擴(kuò)大后 矩陣形式 K為整體坐標(biāo)系下的剛度矩陣 3 2 2桿單元 K的顯式表達(dá)式為 單元應(yīng)力 3 2 2桿單元 三維空間上的桿單元 先在局部坐標(biāo)系下求出單元剛度矩陣 然后再轉(zhuǎn)換并組裝到整體坐標(biāo)系下進(jìn)行計算 3 2 2桿單元 簡單的平面梁單元 基本的梁理論 3 2 3梁單元 3 3二維問題 3 3 1基本理論回顧 3 3 2二維問題的有限元 應(yīng)力和應(yīng)變 在特定的條件下 應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)可以簡化 因此 一般的三維問題可以簡化成二維問題來分析 3 3 1基本理論回顧 平面應(yīng)力 平面應(yīng)變 3 3 1基本理論回顧 本構(gòu)關(guān)系 平面應(yīng)力 本構(gòu)關(guān)系 平面應(yīng)變 3 3 1基本理論回顧 應(yīng)變與位移的關(guān)系 邊界條件 3 3 1基本理論回顧 常應(yīng)變單元 CSTorT3 位移函數(shù) 3 3 2二維問題的有限元 位移插值函數(shù) 3 3 2二維問題的有限元 應(yīng)變 CST單元剛度矩陣為 t為單元厚度 k為一個6 6的對稱矩陣 3 3 2二維問題的有限元 雙線性四邊形單元 Q4 位移函數(shù) 3 3 2二維問題的有限元 例子 3 3 2二維問題的有限元 網(wǎng)格劃分 3 3 2二維問題的有限元 計算結(jié)果 3 3 2二維問題的有限元 載荷的變換 集中力 點載荷 面力 壓力載荷 體力 重力 為三種主要的外載荷 面力和體力都需要經(jīng)過變換以后才能加到有限元中 變換的基本思想就是 等效功 3 3 2二維問題的有限元 其中 t為單元厚度 L為單元邊長 un為垂直于邊界AB的位移分量 對于Q4單元來說 有 3 3 2二維問題的有限元 應(yīng)力計算 單元內(nèi)的應(yīng)力計算公式為 B為應(yīng)變與節(jié)點位移之間的關(guān)系矩陣 d為計算后的節(jié)點位移向量 我們可以計算出單元內(nèi)部任意一點的應(yīng)力 包括單元中心和節(jié)點位置 應(yīng)力分布的等值線可以通過后處理軟件顯示出來 3 3 2二維問題的有限元 討論 1 需要了解每個單元類型的特性 T3和Q4 線性位移 常量應(yīng)變和應(yīng)力T6和Q8 二次位移 線性的應(yīng)變和應(yīng)力2 對于一個特定的問題選擇一種合適的單元毫無疑問 應(yīng)該盡可能地采用高階單元和細(xì)網(wǎng)格 3 要避免單元具有大形狀比和尖角 3 3 2二維問題的有限元 討論 4 單元之間要互相連通 在有限元模型中不能存在間隙或自由單元 3 3 2二維問題的有限元 3 3有限元求解技術(shù) 3 3 1方程組求解 3 3 2有限元方法的實質(zhì) 3 3 3數(shù)值誤差 3 3 4有限元求解的收斂性 直接法 高斯消去法 求解時間是和NB2成正比 N為矩陣的維數(shù) B為矩陣的帶寬 適合小到中等規(guī)模的問題 小帶寬的問題 對于多重載荷的情況 容易處理 迭代法 求解時間事先不可預(yù)知降低對存儲空間的要求適合大型規(guī)模問題的求解 帶寬可以很大 收斂快 對于不同載荷的工況需要重新求解 3 3 1方程組求解 高斯消去法例子 回代求解 3 3 1方程組求解 迭代法 高斯 賽德爾 例子 從一個初始解X 0 開始按照以下公式計算 一直到X滿足以下條件 迭代終止 其中 為收斂控制的容忍誤差 3 3 1方程組求解 有限元模型 是基于很多近似以后對實際結(jié)構(gòu)的一個數(shù)學(xué)模型 實際結(jié)構(gòu) 具有無限個節(jié)點 所以具有無限個自由度 有限元模型 具有有限個節(jié)點 所以具有有限個自由度 位移場是被有限個節(jié)點位移的值所控制的 3 3 2有限元方法的實質(zhì) 剛度效果 有限元模型比實際結(jié)構(gòu)要更剛一些 一般來說 位移解要比實際情況偏小一些 所以 有限元計算的位移是精確解的一個下限 3 3 2有限元方法的實質(zhì) 誤差 錯誤 模型和計算 誤差的類型 模型誤差 梁 板 理論 離散誤差 有限 分段 數(shù)值誤差 在求解有限元方程組的時候 例子 數(shù)值誤差 3 3 3數(shù)值誤差 有限元方程組為 如果K2 K1的話 方程組是奇異的 病態(tài)的 3 3 3數(shù)值誤差 如果K2 K1的話 方程組是非病態(tài)的 在有限元模型中不同部分的剛度相差很大的話有可能導(dǎo)致有限元方程組的病態(tài) 產(chǎn)生很大的誤差 病態(tài)方程組的情況下 很小的輸入變化量 右端項向量 求解時會引起很大的變化量 3 3 3數(shù)值誤差 隨著有限元模型中的網(wǎng)格不斷地被加密和細(xì)化 有限元的計算結(jié)果將收斂于被求解的問題的數(shù)學(xué)模型的精確解 有限元網(wǎng)格自適應(yīng)類型 h refinement 減小單元尺寸 h指單元的尺寸 p refinement 增加單元多項式插值函數(shù)的階次 p指更高階次的多項式插值函數(shù) r refinement 重新劃分有限元網(wǎng)格 hp refinement h方法和p方法互相結(jié)合的方法 3 3 4有限元求解的收斂性 網(wǎng)格自適應(yīng)類型例子 3 3 4有限元求解的收斂性 網(wǎng)格自適應(yīng)類型例子 3 3 4有限元求解的收斂性 網(wǎng)格自適應(yīng)類型例子 3 3 4有限元求解的收斂性 3 4板殼單元 3 4 1板理論 3 4 2板單元 3 4 3殼和殼單元 板理論 平板橫向加載彎曲效應(yīng)為主注意 應(yīng)用范圍 剪力墻地板架子等 3 4 1板理論 板單元的力和彎矩 應(yīng)力 3 4 1板理論 板單元的力和應(yīng)力之間的關(guān)系 單位長度的彎矩 單位長度的扭矩 單位長度的剪力 最大彎曲應(yīng)力 最大彎曲應(yīng)力總是在在中性層沒有彎曲應(yīng)力 與梁單元類似 3 4 1板理論 薄板理論 Kichhoff板理論 直法線假設(shè) 與梁單元類似 與中性層垂直的直法線在變形后仍然與中性層保持垂直 也就是說沒有剪切變形 位移 3 4 1板理論 應(yīng)變 注意 在中性層沒有拉伸變形 應(yīng)力 平面應(yīng)力 剪力和彎矩 3 4 1板理論 厚板理論 Mindlin板理論 如果板厚不夠薄 即t L 1 10 應(yīng)該采用厚板理論 直線假設(shè) 該理論認(rèn)為在變形過程中截面角度發(fā)生改變 即 與中性層垂直的直線在變形后與中性層不再保持垂直 但仍然是直線 3 4 1板理論 新的獨立變量 x和 y 分別為直線沿x軸和y軸的旋轉(zhuǎn)角度 變形前該直線與中性層垂直 新的關(guān)系 注意 如果我們引入以下條件 厚板理論又可以退化成薄板理論 3 4 1板理論 Kichhoff板單元 四節(jié)點四邊形單元每個節(jié)點的自由度 每個單元的z方向的位移為 3 4 2板單元 Kichhoff板單元是一種不協(xié)調(diào)單元 但是其