APDL Showcase3: 流体压力渗透分析

记得就好 2020年12月18日浏览：2697 评论：2 收藏：7

“ 2D轴对称密封圈，加压密封以后模拟高压液体流入，检验密封性能。”

这次带来APDL Showcase的第三个模型。和上一个模型有些类似，也是使用了流体压力渗透载荷。

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问题描述

这是一个轴对称模型。

APDL Showcase3: 流体压力渗透分析的图1

经过3维扩展形状如图所示。

将轴对称模型扩展到三维的菜单操作在这里。

APDL Showcase3: 流体压力渗透分析的图3

其中，只有弹性O型圈和塑料封盖是变形体。其余线条均为刚体。注意，在Workbench中轴对称模型暂时是无法设置刚体的。

其中，O型圈是橡胶材料，使用不可压缩的一阶Ogden超弹性模型；塑料封盖使用弹塑性材料，使用各向同性硬化应力-应变曲线。

APDL Showcase3: 流体压力渗透分析的图4

APDL Showcase3: 流体压力渗透分析的图5

APDL Showcase3: 流体压力渗透分析的图6

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载荷定义

该分析一共分两个载荷步。

第一步，将左右两侧的刚性外壳向中间挤压，将O型圈和塑料封盖压紧；

第二步，模拟流体从底部流入，施加流体压力渗透载荷，分析密封系统的变形。

这一步分析中，还调整了自动时间步长等信息。

第二步，施加流体压力渗透载荷，并定义流体压力的起点。

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仿真结果

第一载荷步，把密封圈压在一起，von-Mises应力：

APDL Showcase3: 流体压力渗透分析的图13

APDL Showcase3: 流体压力渗透分析的图14

第二载荷步，流体开始流入，把密封圈挤到上面。但还好没有漏气/漏水 APDL Showcase3: 流体压力渗透分析的图15

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APDL Showcase3: 流体压力渗透分析的图16

von-Mises应力动画：

APDL Showcase3: 流体压力渗透分析的图17

接触对压力：

APDL Showcase3: 流体压力渗透分析的图18

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技术简介

首先是Ogden超弹性模型。对于橡胶材料，可以使用单轴拉伸数据和不可压缩条件来拟合超弹性模型。这一功能在Workbench里的Engineering Data中实现也很容易。有时候难点不在拟合模型参数，更多的在于获得测试数据。
在这一模型中，使用了轴对称情况下的刚-柔接触对。而Workbench环境下Mechanical APP的帮助文档中说，在轴对称模型中不允许将部件定义为刚体。但其实问题不大，放在Workbench里就把它们定义成刚度较大的变形体也行。
使用了稳定系数，来防止出现错误的刚体位移。本案例使用了基于能量耗散率的稳定系数。这个稳定系数可能需要多次尝试才能确定。

stabilize,constant,energy,0.01,anytime ! activate stabilization to prevent rigid body motion

4. 流体压力渗透载荷。这一载荷主要是模拟高压液体从某处开始流入，在流入过程中可能会让原本闭合的接触对变成打开的过程。

如果你的仿真中涉及液体/气体的注入，可以考虑在不做流固耦合的情况下使用这一功能做替代。

但其实只要分析中不涉及接触对状态的变化，都用不到这一功能。

使用流体压力渗透载荷，需要将该边界条件施加在接触单元上。因此官方给的命令流开始是这么写的：

! Load Step 2 -  Apply fluid penetration pressure   
esel,s,real,,6                      ! select rigid-flexible contact pair
esel,r,ename,,172                   ! reselect contact elements only
esel,a,real,,8                     ! select flexible-flexible contact pair
sfe,all,1,pres,,4.1           ! apply fluid pressure allsel

在施加流体压力渗透载荷时，需要注意两点：

第一，如果有重复的接触对，不要重复施加载荷。要把重复的部分删除掉。

! Remove overlaping fluid penetration pressure loads
esel,s,real,,8                      ! select flexible-flexible contact pair
nsle
esln,s,1
esel,r,real,,6                      ! reselect rigid-flexible contact pair
sfedele,all,all,all                 ! remove overlaping fluid pressure loads
allsel

第二，流体压力渗透载荷在大部分情况下，可能需要手动定义流体流入的起始点。

! Define starting points   
sfe,2529,2,pres,,-1                 ! suppress default starting point (one end point) for contact surface
sfe,2625,2,pres,,-1                 ! suppress default starting point (one end point) for target 
sfe,3121,2,pres,,1                  ! define starting point for o-ring
sfe,3308,2,pres,,1                  ! define starting point for cap