基于ANSYS 经典界面的密封垫片的加载-卸载仿真

【问题背景】

在机械系统中，为了防止气体或者液体的泄露，密封件得到了广泛的使用，而其中垫片密封是一种常见的密封形式。密封垫片在工作中必须保持足够的最低载荷，如果工作载荷低于最低载荷，就会产生气体或者液体的泄露。由于机械系统工作过程中，施加在密封垫片上的力是变化的，那么，这些变化的外力作用下，密封垫片还能保证其最低载荷吗？这通过手工计算很难完成，为此ANSYS提供了专门的单元来仿真这种行为。

垫片的工作有其特点：

（1）一般工作在压缩状态下。

（2）其承力在厚度的法线方向。因此一般不考虑其横向的剪切力。

（3）垫片的的力学特性表现为材料非线性。它有复杂的加载-卸载曲线。

本篇博文对ANSYS中自带的例子进行讲解，说明密封垫片仿真的基本过程。

【问题描述】

    在两个长方体金属块之间夹着一块垫片，其中一个金属块固定，另外一个金属块承受轴向位移，然后再卸载。本分析的终极目的是考察在此过程中垫片上的压力的变化过程。

【问题分析】

1. 这是一个静力学分析问题，使用静力学分析。

2. 使用SOLID185建模两边的金属块，使用INTER195建模垫片。这里对金属块和垫片均只划分为一个单元，对于该单元采用直接创建的方式，也就是先创建节点，然后由节点创建单元。

3. 对垫片的材料定义是比较特殊的部分。这里定义一条加载曲线，而定义5条线性的卸载曲线。

4. 分析中进行一次加载，然后卸载。

5. 后处理中考察垫片单元的压力与 变形的关系曲线。

6. 本文使用命令流的方式进行讲解。

【求解过程】

一 建模

1. 定义参数

从命令窗口中输入下列命令

n1    =  20
n2    =  n1*100
n3    =  n1
dis1  = -0.0008
dis2  = -0.000001
pres  =  1.0e7
pres2 =  10
pres3 =  1.4E8
dp    = -2.0e7
elb   =  1.0
elg   =  0.1

delta0 = 0.00e-3
stiff0 = 0.0e7
scap   = 1.0e-5

上述命令用于定义一些变量，这些变量在下面会用到。

命令运行完毕后在ANSYS的参数对话框中显示如下图

2. 定义材料模型

（1）定义金属块的材料模型

继续输入

/prep7

mp,ex,1,2.1E12
mp,nuxy,1,0.0

其中，

第1行:进入前处理器。

第2-3行：设置金属材料的弹性模量和泊松比。

（2）定义垫片的材料模型

继续输入

tb,gasket,2,,,para
tbdata, 1,delta0,stiff0,scap

这里定义了一种垫片材料，并设置了它的三个基本特性。

继续输入

tb,gask,2,1,13,comp

tbpt,,0.460800E-03, 0.161226E+07
tbpt,,0.511600E-03, 0.520884E+07
tbpt,,0.562400E-03, 0.113134E+08
tbpt,,0.613200E-03, 0.200499E+08
tbpt,,0.664000E-03, 0.259960E+08
tbpt,,0.714800E-03, 0.290345E+08
tbpt,,0.765600E-03, 0.357453E+08
tbpt,,0.816400E-03, 0.440064E+08
tbpt,,0.867200E-03, 0.563189E+08
tbpt,,0.918000E-03, 0.748254E+08
tbpt,,0.968800E-03, 0.967287E+08
tbpt,,0.101960E-02, 0.129001E+09
tbpt,,0.109326E-02, 0.157147E+09

这用于定义垫片的加载特性曲线。

输入完毕后查看ANSYS的材料模型对话框，可以看到：里面有了两种材料

其中第一种是金属材料，第二种是垫片的材料。第二种材料包含了两个部分：一般设置和压缩特性的设置。

打开压缩特性的设置对话框，显示如下。这里面显示的就是刚刚用命令行输入的数据。

单击graph按钮，显示此曲线。

这是按照上述数据所绘制的压力与变形关系的曲线，也就是加载曲线。

继续输入

tb,gask,2,1,5,lunl       
tbpt,,0.460800E-03, 2.430000E+11
tbpt,,0.714800E-03, 3.565000E+11
tbpt,,0.816400E-03, 5.92300E+11
tbpt,,0.968800E-03, 1.088000e+12
tbpt,,0.109326E-02, 1.490000E+12

其中

第1行：指明要定义垫片的5条线性卸载曲线。

第2-6行:依次给出这5条卸载曲线。

命令执行完毕后，打开ANSYS的材料模型对话框，显示如下

可以看到，对于垫片材料，又多了一个线性卸载项。打开该线性卸载对话框，显示如下

可见，里面有5条曲线。对于每条曲线，是通过一个前面加载曲线上的一个点（横坐标由closure决定）以及斜率（slope）确定。这就是根据点斜式来确定直线。点击graph,可以看到曲线如下

上述图形意味着，加载时候只有一条曲线，材料会沿着此条曲线上升，但是卸载时并不是原路返回。严格说来，从不同的卸载点卸载其曲线并不相同，这里给定了5条曲线。

如果实际卸载点刚好是这五条曲线的卸载点，那么就沿着这几条曲线卸载；

如果实际卸载点并非刚好这五条曲线的卸载点，ANSYS应该根据该卸载点的位置，基于上述5条曲线进行插值，得到一条新的卸载曲线。

3. 创建金属块的有限元模型

继续输入

et,1,185 

定义金属块用SOLID185单元来建模。这是三维的8节点单元。

继续输入

n,1,
n,2,1.0
n,3,1.0,1.0
n,4,0.0,1.0
ngen,2,4,1,4,,0.0,0.0,elb
ngen,2,8,1,4,,0.0,0.0,elb+elg
ngen,2,12,1,4,,0.0,0.0,2*elb+elg

这用于生成两个金属块的所有角点。输入完毕后，主窗口显示如下图

继续输入

et,1,185,,1
mat,1
e,1,2,3,4,5,6,7,8
e,9,10,11,12,13,14,15,16

其中，

第1行，说明下面准备使用185单元来建模

第2行，说明下面准备使用的是金属材料

第3行，创建一个金属块

第4行，创建另外一个金属块。

这里只创建了2个单元，每个单元就代表一个金属块。对于单元的创建，是直接给出构成该单元的8个节点，然后基于上述节点创建单元，这就是所谓的直接建模法。

命令执行后，主窗口显示如下图：

4. 创建垫片的有限元模型

继续输入

et,2,195 

type,2
mat,2
e,5,6,7,8,9,10,11,12   
其含义很简单。

就是先创建垫片单元INTER195，然后用垫片单元，垫片材料,使用直接建模法创建两个金属块之间的垫片单元。同样，也只有一个垫片单元。

命令执行后，打开单元的颜色和编号显示，可以看到主窗口显示如下图：

此时已经有了3个单元。

5. 施加位移边界条件

继续输入

nsel,s,loc,z
d,all,uz

是指把Z坐标为零的所有节点，固定其Z方向的位移。

继续输入
nsel,all
nsel,s,loc,x
d,all,ux

是指把X坐标为零的所有节点，固定其X方向的位移。
继续输入

nsel,all
nsel,s,loc,y
d,all,uy

是指把Y坐标为零的所有节点，固定其Y方向的位移。

上述操作，实际上指，在三个做表面XOY,XOZ,XOY内的所有节点，只能在该面内移动，而不能离开该做表面。

继续输入

nsel,all
finish

是指，选择所有的节点后，退出前处理器。
二 仿真

1. 加载

继续输入

/solu

ANTYPE,STATIC

nsubst,n1,n2,n3
outres,all,all
outres,svar,all

其中，

第1行：进入到求解器

第2行：使用静力学分析

第3行：指定计算的载荷子步数目

第4-5行：指定要写入到数据库的计算数据。这里要把所有载荷步的所有数据以及状态变量都写入到数据库中。

继续输入

nsel,s,loc,z,elb*2+elg
d,all,uz,dis1                   
nsel,all

其中，

第1行：说明要选择一个金属块端面上的4个节点

第2行：给这4个节点加上强制压缩位移，大小是dis1  = -0.0008

第3行：选择所有节点，以便计算。

上述操作的目的是要给其中一个金属块的端面施加强制压缩位移，位移的大小是0.0008，也就是0.8mm

接着输入

solve

其含义是开始计算。计算过程中，主窗口显示计算的收敛情况。

可见，只计算了20载荷子步，结果就收敛了。20个子步，正是在前面所指定的最小载荷子步数目。

2. 卸载

计算完毕后，继续输入

nsubst,n1,n2,n3
outres,all,all
outres,svar,all
nsel,s,loc,z,elb*2+elg
d,all,uz,dis2                   
nsel,all

solve
finish

这里面命令的含义，与前一步相似，不再赘述。唯一需要说明的是，现在是要使得端面位移恢复到

dis2  = -0.000001

这就意味着卸载。计算过程中，主窗口显示计算的收敛情况。

可见，只计算了20载荷子步，结果就收敛了。

三 后处理

继续输入

/post26
esol,2,3, ,s,x,press
esol,3,3, ,epel,x,delta

其含义是：

第1行：进入时间历程后处理器

第2行：取出垫片单元的X方向的应力，放入变量2，并将此变量命名为press

第3行：取出垫片单元的X方向的弹性应变，放入变量3，并将此变量命名为delta

接着输入
add,4,2, , ,press,,,-1,     
add,5,3,,,delta,,,-1,

其含义是：

第1行：取变量2的数值的相反数，放入变量4.

第2行：取变量3的数值的相反数，放入变量5. 

上述两2行的意思是把前面的X方向的应力和弹性应变反一个符号。这是因为，前面得到的应力和应变都是负数，这里都转化为正数，以便下面画图。 

接着输入 
xvar,5
plvar,4

其含义是：

第1行：取应变为横坐标

第2行：取应力为纵坐标，绘制应力-应变曲线。

执行完毕后，结果如下

这是典型的非线性材料的加载-卸载曲线。可以看到，加载是曲线，而卸载是直线，这与预先定义的材料曲线是一致的。