abaqus铆钉成型

abaqus铆钉成型此示例问题演示了Abaqus / Explicit中成形分析的以下方面：使用耦合的欧拉-拉格朗日（CEL）分析公式分析经受极端变形的实体力学模型，以及将基于CEL的分析结果与使用传统拉格朗日公式得出的相同模型的结果进行比较。

铆钉是一种紧固件，设计用于在两张或更多张材料之间建立永久的连接。

铆钉设计通常由具有两个直径的圆柱体组成：将较小的直径插入重叠的薄板中的孔中，然后压缩铆钉的两端。

压缩有效地扩大了铆钉体的直径，从而将材料片夹在铆钉的两端之间（见图2.3.1–1）。

不同的铆钉设计和应用会经历不同的变形，但是基本原理在所有情况下都相同。

本示例通过模拟特定的铆钉压缩（也称为成形过程）来研究其有效性。

在此研究中，三个问题特别重要：铆钉在成型过程中是否会适当变形？成型后，铆钉是否保持足够的强度以保持固定材料的牢固性？铆钉安装工具能形成铆钉吗？成形模拟过程中的位移指示铆钉是否适当变形。

变形后，铆钉的强度在很大程度上取决于其材料特性。

检查铆钉中的等效塑性应变可得出材料潜在损坏或强度降低的迹象。

为了评估铆钉对安装工具的影响，可以将工具中的反作用力与标准安装工具中的已知作用力进行比较。

几何如上所述，这些分析中使用的铆钉是一个简单的多直径圆柱体。

为了帮助铆钉较小端的变形，从圆柱体的中心去除了半球形部分。

图2.3.1–2显示了铆钉模型的尺寸。

为了模拟成形，将铆钉放在圆盘中心的孔中。

代表安装工具的圆形模具位于铆钉的顶端和底端（请参见图2.3.1–3）。

材料该模型中的铆钉由密度为7.85×10–9 t / mm3，杨氏模量为2.1×105 N / mm2，泊松比为0.266的弹塑性钢组成，塑性屈服始于3.0 ×105牛顿/平方毫米。

假定板和模具比铆钉坚硬得多，并且预计这些部件不会变形。

边界条件和载荷通过强制位移边界条件来模拟成形过程。

将板限制在固定位置。

上模向下移动3毫米，而下模向上移动2毫米。

接触必须在铆钉和所有安装工具组件之间强制进行接触相互作用。

铆钉的变形取决于通过工具的位移传递的接触载荷。

工具组件永远不会相互接触，因此可以忽略板与模具之间的相互作用。

baqus建模方法和仿真技术使用两种根本不同的元素配方在Abaqus / Explicit中进行铆钉成形模拟。

传统的拉格朗日公式通常可提供准确性和计算效率，但是当进行极端变形时，纯的拉格朗日模型往往会表现出网格变形以及相关的准确性损失。

欧拉公式以几何精度为代价，并在涉及很大变形的分析中获得了稳健性。

在Lagragian公式产生不可靠的解决方案或根本没有解决方案的情况下，可以使用Eulerian公式获得合理的解决方案。

拉格朗日元素和欧拉元素可以使用称为欧拉-拉格朗日耦合（CEL）分析的技术合并到同一模型中。

在CEL分析中，将经历大变形的物体与欧拉元素啮合，而将模型中的较硬物体与更有效的拉格朗日元素啮合。

使用纯拉格朗日方法进行铆钉成形分析，其中，所有拉铆钉，板和模具均采用拉格朗日元素建模；以及欧拉-拉格朗日耦合方法，其中，铆钉采用欧拉元素建模，而板和模具则采用拉格朗日元素建模。

分析案例摘要案例1纯拉格朗日铆钉成形分析。

案例2耦合欧拉-拉格朗日（CEL）铆钉成形分析。

以下各节详细介绍了两种分析案例共有的一些建模技术。

分析类型两种分析案例均使用准静态显式动态程序进行。

成型过程持续1 ms，仅一步之遥。

材料模型铆钉的材料使用各向同性的硬化Mises塑性模型。

表2.3.1-1中显示了用于定义塑性行为的应力应变数据点。

边界条件在这两种分析情况下，板和模具均建模为具有刚性约束的拉格朗日体。

将防止位移和旋转的边界条件强加在板体的参考点上。

边界条件还应用于每个模具参考点，以防止它们旋转或移位，除了在垂直3方向上：顶部参考点上的边界条件在负3方向上将其位移3 mm，而在3方向上的边界条件则在3方向上偏移。

底部参考点在正3方向上将其移动2 mm。

边界条件的应用受一个振幅控制，该振幅在0.8 ms的过程中使位移从零线性地倾斜到完全位移。

然后将模具固定到位，以进行最后的0.2 ms分析。

约束条件如上所述，刚体约束应用于板和两个模具。

假定这些组件比铆钉坚硬得多，并且在成型过程中不会变形。

刚体约束提高了计算效率，并允许使用简单的边界条件来启动成形。

输出要求对于模型中的等效塑性应变（PEEQ），特别要求现场输出。

另外，在每个模具的参考点处请求在3方向（RF3）上反作用力的历史输出。

纯拉格朗日分析案例第一个分析案例使用从离散几何零件实例划分网格的四个拉格朗日体。

在纯拉格朗日情况下，模型的几何形状直接与要建模的零件的形状相对应，从而使组装过程相当直观。

网格设计使用0.25 mm的整体网格种子将铆钉与C3D8R元素网格化（见图2.3.1–4）。

板和模具也与C3D8R元素啮合，但是应用于这些零件的刚体约束使元素选择有些随意。

可以使用未网格化的分析刚性表面来对板和模具进行建模，但是可以使用刚体约束来保持与CEL模型的一致性。

接触常规接触定义会强制模型中所有实体之间的接触。

无摩擦的硬接触模型控制所有接触。

解决方案控制尽管在分析中预期会有大的变形，但是没有对模型应用特殊的解决方案控制或分析技术（例如自适应网格划分），从而可以在纯拉格朗日模型和CEL模型之间进行直接比较。

CEL分析案例在第二种分析情况下，使用欧拉元素对铆钉进行建模。

板和模具仍然是刚性体。

CEL分析中的建模方法与纯Lagrangian情况有一些明显的不同。

网格设计在欧拉公式中，网格通常不对应于要建模的零件的几何形状。

相反，材料在欧拉网格中的放置定义了零件的几何形状。

欧拉网格不会变形或移位；只有网格内的材料可以移动。

通常，欧拉网格是规则六面体元素的任意集合，这些元素完全包围了分析过程中可能存在材料的区域。

在此示例中，欧拉部分是与EC3D8R元件啮合的尺寸为17×17×11.5 mm的矩形棱镜。

0.25毫米的全局网格种子决定了单元的大小。

该网格没有定义铆钉的几何形状。

相反，网格定义了可以存在铆钉材料的区域。

铆钉的几何形状是通过将钢材料分配到该网格的与铆钉形状相对应的部分来定义的，如下面“初始条件”部分所述。

欧拉技术的一项优势是能够定义规则的高质量网格，而与要建模的零件的几何形状无关。

重要的是，欧拉网格必须足够大以在变形时完全容纳铆钉材料。

如果材料到达网格的边缘，它将流出模型并丢失到模拟中。

初始条件铆钉的几何形状是使用欧拉网格上的材料分配初始条件定义的。

材质分配指定了网格中的哪些元素最初包含钢。

每个元素都指定一个百分比（称为体积分数），代表该元素中填充钢的部分。

对于部分填充的元素，Abaqus将材料放置在元素中，以使其与相邻元素中的材料形成连续的表面。

最终结果是材料在网格中的分布与铆钉的几何形状相对应，如图 2.3.1–5所示。

您可以使用Abaqus / CAE的“可视化”模块中的视图剪切管理器来可视化Eulerian网格中材料的范围，如《Abaqus / CAE用户指南》的第28.7节“查看Eulerian分析的输出”中所述。

物料分配是借助Abaqus / CAE中的体积分数工具创建的。

体积分数工具计算欧拉网格和某些参考几何零件之间的重叠。

要在此分析案例中使用体积分数工具，请从先前的分析案例中复制整个拉格朗日装配体（包括拉格朗日铆钉），并将其放置在欧拉网格内（请参见图2.3.1–6）。

拉格朗日铆钉用作参考零件，并且体积分数工具会创建一个离散字段，该字段基于铆钉在该元素内占据的空间量，将欧拉网格中的每个元素与体积分数相关联。

然后，可以将此离散字段用作Abaqus / CAE中物料分配预定义字段的基础。

接触一般的接触定义会强制模型中所有刚体与欧拉材料之间的接触相互作用。

一般接触不会强制刚体与欧拉元件之间发生接触；刚体可以不受阻碍地通过欧拉网格，直到它们遇到网格内的材料为止。

与纯拉格朗日案例一样，无摩擦的硬接触模型控制着所有相互作用。

通常不建议在欧拉网格的边界附近模拟拉格朗日-欧拉接触。

网格边界处材料的流入或流出会导致不正确的接触约束执行。

因此，欧拉网格将一些元素延伸到模具和铆钉之间的接触界面之外。

普通接触不会强制分析刚性表面和欧拉材料之间的相互作用，这就是为什么必须将工具部件建模为具有刚体约束的拉格朗日零件的原因。

输出要求除了在纯拉格朗日分析案例中使用的字段和历史输出请求外，还要求将欧拉体积分数输出变量（EVF）作为字段输出以可视化几何结果。

果讨论和案例比较图2.3.1–7显示了纯Lagrangian和CEL分析案例的变形网格。

（要查看CEL分析的结果，请按照《Abaqus / CAE用户指南》第28.7节“查看欧拉分析的输出”中所述使用视图切割管理器。

）纯拉格朗日分析可以完成，但是网格变得极端沿铆钉底部变形-这种不规则网格导致的结果可能不可靠。

欧拉分析显示出相似的变形形状，但保留了高质量的规则网格。

计算效率通常，就运行时间和文件大小而言，欧拉分析比类似的拉格朗日分析更昂贵。

在选择分析公式时，应该权衡这种性能折衷与欧拉鲁棒性对大变形的好处的权衡。

接触困难图2.3.1–8显示了纯拉格朗日和CEL情况下铆钉和板之间的接触界面。

两种情况都表明铆钉有些不希望地渗入板中。

在纯拉格朗日情况下，穿透是网格变形的直接结果。

随着铆钉小平面的展开，每个给定区域的约束点更少，并且部分小平面能够不受约束地进入板表面。

尽管拉格朗日公式通常擅长于模拟接触，但变形严重的网格会引起嘈杂的，不一致的接触强制。

在CEL情况下，穿透率主要来自用于可视化欧拉材料的近似值。

欧拉材料的边界不对应于离散的元素面。

如前所述，Abaqus根据每个元素内的体积分数确定材料在欧拉网格中的位置。

对体积分数进行平均并进行插值，以在可视化期间计算出光滑的材料表面。

因此，在Abaqus / CAE的“可视化”模块中显示的材料边界是基于数值平均而不是几何特性的近似值。

这种近似会在接触界面处产生明显的穿透，并解释了为什么在拉格朗日模型中的尖角在欧拉模型中显得是圆的。

尽管有明显的穿透，但耦合的欧拉-拉格朗日接触并未遭受与纯拉格朗日网格变形相关的不一致约束执行，并且固体拉格朗日体与欧拉材料之间的接触通常可提供可靠的结果。

在这两种分析情况下，都可以通过使用更精细的网格来减轻接触渗透：在纯拉格朗日情况下，较小的元素可以减少网格变形，而在欧拉情况下，其他元素可以提供额外的采样点，以实现更精确的体积分数平均。

结果两种分析情况下，变形铆钉横截面中的等效塑性应变的等高线图如图2.3.1–9所示。

结果相似，但最大塑性应变区域出现在略有不同的区域。

在欧拉铆钉中，峰值应变发生在铆钉与平板底部汇合的拐角附近；在成型过程中，该区域会受到极大的弯曲和拉伸。