基于网格重划分功能的铅挤压阻尼器有限元分析

2019-09-05 13:40张钰萌张文静管正华张香成
科技与创新 2019年11期
关键词:数值计算

张钰萌 张文静 管正华 张香成

摘要:采用ANSYS/LS-DYNA软件建立了铅挤压阻尼器的有限元模型,采用网格重划分功能模拟铅金属的塑性流动,解决了因单元变形过大出现负体积而终止计算的问题,计算得到了阻尼器的应力云图和力一位移滞回曲线。通过这种方法可以在阻尼器制作之前准确得到阻尼力的大小及力学性能,解决了实验方法研究成本高、开发周期长的问题,为类似阻尼器的数值仿真分析提供参考。

关键词:铅挤压阻尼器;网格重划分;有限元模拟;数值计算

中图分类号:TU352.1

文献标识码:A

DOI: 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.11.039

铅挤压阻尼器是一种耗能性能良好、结构简明、制作便捷的耗能装置,近年来得到工程界的广泛认可和推广[1]。为了保证铅挤压阻尼器在工程应用中的可靠性,对铅挤压阻尼器的阻尼力进行数值分析是十分必要的[2]。

铅挤压阻尼器运动过程中铅金属会产生塑性流动,很难建模分析。本文首先介绍了铅挤压阻尼器的基本构造及特点,然后采用ANSYS/LS-DYNA软件建立了铅挤压阻尼器的有限元模型,并开启了自适应网格划分功能,最后计算得到了阻尼器的应力云图和力一位移滞回曲线。

1 铅挤压阻尼器的有限元模型

本文铅挤压阻尼器的结构构造见文献[3],采用ANSYS/LS-DYNA进行铅挤压阻尼器的有限元分析,在建模时将三维问题转化成1/2轴对称平面问题,并采用4节点PLANE162单元,有限元模型如图1所示。建模时的参数及假定如下:①钢筒假定为刚体,密度为7 800 kg/m3,弹性模量为210 GPa,泊松比为0.3,刚体位移设为0;②铅金属及挤压轴假定为理想弹塑性模型,铅的弹性模量为17 GPa,屈服强度为11.8 MPa;③铅与挤压轴及钢套筒之间的静摩擦系数和滑动摩擦系数均取为0.3。

采用三角波加载,幅值为0.02 m,周期为0.8 s。

打开自动生成的k文件,将PART3(铅金属)中最后一个数值由0改为2,即为打开自适应网格功能,然后手动添加*CONTROL ADAPTIVE,网格重划分时间为0.01 s。*CONTROL ADAPTIVE

0.01 0.002 8 3 0.0 0.0 0 0

0.0 1 0 3.000

铅挤压过程中网格状态图2所示。

图2(a)为未打开网格重划分功能的有限元模型,从图中可以看出网单元网格变形过大,单元产生畸变和负体积,从而导致计算中断,而图2(b)为开启网格重划分功能的有限元模型,其网格排列整齐,没有较大的变形,两者对比明显。

2 计算结果分析

采用LS PrePost 4.0查看铅挤压阻尼器的有限元分析结果,图3和图4分别给出了挤压过程中不同时刻铅金属的应力云图及铅挤压阻尼器的阻尼力一位移曲线。

从图3开启网格重画分功能的压云图来看,应力分布不均匀且在轴突附近应力较大,两端应力较小,从图4力位移曲线可以看到,铅挤压阻尼器的阻尼力为波动型的滞回曲线,滞回曲线呈矩形包含的面积较大且较为平缓,说明铅挤压阻尼器的耗能效率高、减震性能良好。

从有限元分析结果来看是否开启网格重画分功能,对铅挤压阻尼器数值分析的影响是巨大的,开启网格重画功能,在网格畸变的过程中选择合理的重划分时间,用新的网格代替旧的网格,使网格畸变尽可能减小,解决了网格畸变过大出现负体积计算无法收敛而突然终止的问题,且数值较为稳定,波动小可以连续分析多个周期,得到较准确的阻尼力。如不开启网格重划分功能,将无法模拟铅金属的塑性流动。

3 结论

网格重画分功能对铅挤压阻尼器的有限元模拟有十分重要的意义,解决了因网格畸变过大而计算终止的问题。对于铅挤压阻尼器阻尼力数值波动产生的原因,本文并没有进行讨论分析,希望今后进行补充研究。

参考文献:

[1]闫维明,苏亮,彭凌云,等.铅阻尼器的发展与工程应用[J].工程抗震与加固改造,2009,31(5):52-57.

[2]杨明飞,徐赵东,黄兴淮.铅挤压阻尼器对网壳结构的减振控制[J].东南大学学报(自然科学版),2012,42 (4): 713-718.

[3]張香成.铅一磁流变复合阻尼器性能试验及建筑结构减震研究[D].南京:东南大学,2013.

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