ANSYS经典案例在Workbench中实现 | 基于网格重划分的金属成型仿真分析

在上两期的ANSYS经典案例在Workbench中实现的分享中，我们分享了ANSYS经典案例在Workbench中实现之汽车刹车盘制动噪音分析和密封圈仿真分析的案例（可以点击下滑线文字查看前期内容），本期则要为大家分享的是基于网格重划分的金属成型仿真分析。

案例背景

对复杂的金属成型问题采用有限元分析，可以提高产品质量，同时提高生产效率。但是，由于结构的大变形、金属的非线性以及非线性的接触，往往大幅度增加了仿真计算的难度，尤其是因为网格变形过大所导致的网格畸形，极易导致计算的失败。

网格重划分可以很好地解决由于网格畸形所导致的收敛困难。由于有了网格重划分，即使在计算过程中出现了网格地严重扭曲，程序也会对问题网格进行修复，从而保证计算顺利进行。

采用二维轴对称模型进行该案例地分析。弹性圆柱体为工件，刚性面为模具。其中，动模位于工件上端，以一个微小地速度向下挤压工件，最终，工件成为一个齿圈地形状。

图1 模型介绍

材料输入

工件地材料为AISI8620。杨氏弹性模量为200GPa；泊松比为0.3。

该材料可以近似看成是线弹性材料，且满足等向强化准则。此案例中，将使用幂强化准则（Power-hardening）。

其中为当前屈服强度；为初始屈服强度（此处为385.4MPa）；G为剪切模量；N为幂系数（此处为0.13）；为等效塑性应变。

接触设置

案例中采用无摩擦接触，增强拉格朗日算法，并且每次迭代都更新法向刚度。具体接触对地选择请参照下图：

图2 接触设置

边界条件

如下图所示，在左侧施加无摩擦约束（这里近似可以理解为对称约束）；下端的几何（静模）固定，上端的几何（动模）向下移动135mm。整个工件添加Nonlinear Adaptive Region，表示该区域在计算过程中会进行网格重划分计算。

图3 边界条件

Nonlinear Adaptive Region是Workbench中网格重划分功能。该功能完全自动，无需用户在计算过程中进行操作。用户可以在计算前处理时定义网格重划分的准则，重划分的区域，甚至在计算的那些时间区域进行网格重划分。

对于该选项，Workbench中存在一些限制，需要用户了解：

1 该功能目前只能用于结构静力学分析；

2 计算需要打开大变形功能，并且在Output Control中将结果保存设置为All Time Points；

3不能与一些接触设置（如法向拉格朗日算法，MPC算法……）和边界设置（周期对称边界条件，运动副连接，弹簧连接，远场载荷……）同时使用，具体请参见帮助文档；

4 不能用于混凝土材料、铸铁材料、记忆合金材料以及部分断裂力学材料的计算，具体请参见帮助文档；

5 在二维仿真中，网格重划分仅能用于低阶单元，且三维仿真中，网格重划分仅支持四面体单元，不支持壳单元、梁单元和杆单元，且不支持自接触计算…

Nonlinear Adaptive Region的具体设置如下图所示

图4 网格重划分设置

求解设置如下图所示

图5 求解选项设置

结果分析

用户在查看收敛曲线时，可以阅读网格重划分的相关信息。下图橙色实线所对应的时间点，即为网格重划分的时刻。

图6 收敛曲线

此外，在阅读应力变形等结果时，最右侧的Changed Mesh一列也显示了网格重划分的相关信息。

图7 结果列表中的网格重划分信息

齿圈的成型过程如下组图所示：

T=0.0175s

  T=0.245s

T=0.50457s

T=0.80234s

T=0.90094s

T=1s

图8 各时间点的工件变形

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