Workshop 14
管子敲击分析
Introduction(简介)
本练习将说明在动力厂(电厂)中高压管线的破裂所导致的管子跟管子冲击的分析. 它是假设流体的突然释放引起管子的其中一段会以其支撑点为中心而旋转并碰到期相邻的另一根管子. 本分析的目标是要知道这两根管子的应力跟应变的状况以及其变形的情况. 本分析将需要使用到 ABAQUS/Explicit 模块.
本练习是根据 ABAQUS Benchmarks 手册中的第 1.3.9 节中的 “Pipe whip
simulation,” 而做的.
Geometry and model(几何与模型)
两根管子的平均直径都是 6.5 in 璧厚 .432 in 在两支撑点之间的跨距是 50 in. 固定的管子是假设它两端都被拘束住, 而另一根撞击的管子则是以其一端为中心可以旋转, 另一端则是没有拘束. 我们利用结构跟负载的对称性只建构对称平面一边的几何形状就好, 如图 W14–1 所示. 这管子的几何是以薄壳来建构的. Figure W14–1 Pipe model assembly. 1. 从 ../IntroClass/workshops/ pipeWhip 目录中启动 ABAQUS/CAE.
2. 在模型树中的 Parts 上双击新建一个零件.
3. 在 Create Part 对话框中:
A 将此零件取名 pipe-fixed .
impacting pipe
fixed pipe axis of rotation
B 这个管子将会使用薄壳元素来建构之; 所以, 选择Shell作为其
基础特征形状(base feature shape), Extrusion作为其基础特征类型(base
feature type), 并设定其环境大小(Approximate size)为50.
C 查看一下其它的默认值并单击Continue按钮.
4.因为这个管子是用薄壳来做的, 所以这个管子的半径便直接以管子的平均半
径来制作.画出一个半径3.25 in. 的圆,如图 W14–2.
Tip:先画一个任意圆然后用尺寸工具修改即可。
Figure W14–2 Geometry sketch for the fixed pipe.
5.在图形区中单击鼠标中键继续; 然后在Edit Base Extrusion对话框中, 输入
25.0 in. 作为拉伸的深度值. (使用三件鼠标时是按下中键; 使用两键鼠标时,
是同时按下两个键.)
6.在模型树中将Parts项展开. 在pipe-fixed零件上单击鼠标右键并从其弹出
的菜单中选用其中的Copy功能选项. 将pipe-fixed零件复制成另一个新的零件叫做pipe-impacting.
在模型树中的这个新的pipe-impacting零件的底下会画有底线以表示它是目前显示在工作区中的目前工作中零件.
7.在模型树中将Parts项之下的pipe-impacting项展开. 在所弹出来的列表中,
将Features项展开并双击其中的Shell extrude-1特征来修改此特征.
8.在Edit Feature对话框中, 单击Edit Section Sketch.
9.通过圆心建一条垂直线（Add→Construction→Vertical或者在工具栏中单击
按钮）
10.用按钮来删掉其中的圆的一个，如图 W14–3 中所示.
Figure W14–3 Geometry sketch for the impacting pipe.
11.在Edit Feature对话框中, 将拉伸的深度值改为50.0然后单击OK来产生此
修改过的零件.
Materials and section(材料与剖面特性)
两根管子都是使用钢材. 材料是用冯氏(von Mises elastic)弹性材料模型, 塑性材料模型则是使用完美型(perfectly plastic material model), 其降服应力是 45,000 psi.
1.在模型树中的Materials上双击. 制作一个材料取名Steel，其材料特性如下:
弹性系数(Modulus of elasticity): 30E6 psi
泊松比(Poisson's ratio): 0.3
屈服应力(Yield Stress): 45.0E3 psi
密度(Density): 7.324E-4 lb-sec2/in4
2.在模型树中的Sections上双击制作一个均质的Shell剖面特性叫做
PipeSection , 其薄壳厚度为0.432 in.
3.在薄壳的剖面性质中, 在薄壳厚度方向的三个积分点上使用高斯刻度(Gauss
quadrature)来做薄壳厚度方向的积分.
4.接受其预设的剖面性质泊松比(Poisson ratio).
5.在模型树中, 将每一个零件都展开并在其中的Section Assignments上双击
来将此薄壳剖面性质指定到该两个零件上.
Model assembly(组装模型)
接着我们要将各个零件放入组装中成为组件并且调整他们的相对位置.
1.在模型树中将Assembly项展开并在其中的Instances上双击.
2.在弹出来的Create Instance对话框中, 选取该两个零件并且将Auto-offset
from other instances选项开启. 然后选用Independent组件类型.
3.按照以下步骤修改冲击件的位置:
a.从上方的下拉菜单中选取Instance→Translate功能选项.选取该冲击
管作为要移动的组件, 并使用如图 W14–4 中所示的起始点跟终止点来
定义其平移的向量.
End point of translation vector (top point on
end of fixed pipe). If necessary, first rotate
the fixed pipe about its axis so that its
perimeter points are along the 2-axis.
Start point of translation
vector (center point on bottom
edge of impacting pipe)
Figure W14–4 Translation used to position the impacting pipe.
b.从主菜单中选取Instance→Rotate 功能选项并将此冲击管以如图
W14–5 所示的两个点作为旋转轴将之旋转90.
End point of rotation axis
Start point of rotation axis
Figure W14–5 Rotation used to position the impacting pipe.
因为 ABAQUS/Explicit 在接触分析计算时会考虑其薄壳厚度并且不
允许任何的初始干涉, 所以初始位置的部分要含薄壳的厚度一起计算
进去.
c.按照以下的步骤修改冲击管的垂直位置:
从上方的下拉菜单中选取Instance→Translate 功能选项. 将此冲击管
在垂直方向平移一个距离0.432 in. 这样可以排除两根管子之间的初
始干涉状态.
在冲击管的旋转的固定端将会使用刚体约束来建构其模型. 此约束会将冲击管的端面上的节点跟其中间要作为旋转中心的参考节点绑缚(tie)在一起.
4.从上方的下拉菜单中选取Tools→Reference Point功能选项制作一个如图
W14–6 中所示的参考点:
参考点
Figure W14–6 Final assembly and reference point.
Analysis step and output requests(分析步跟输出项的设定)
由于这个分析的高速状态, 本分析将使用单一个explicit 动态分析步来做.
1.在模型树中的Steps上双击来制作一个Dynamic, Explicit分析步, 其分析时
间为0.015秒. 接受其余的像时间增量跟其它参数等默认值.
2.在模型树中将Field Output Requests项展开并且在其中的F-Output-1上双
击. 在弹出的Edit Field Output Requests对话框中, 查看预选了的输出场变
数. 将输出频繁度设定成每隔12次增量就输出一次.
3.使用以下的步骤制作一个其中包含有参考点的几何组别. 这个组别将用来限
制反作用力.
a.在模型树中将Assembly项展开并双击其中的Sets.
b.在Create Set对话框中, 将此组别取名为RefPt然后单击Continue
按钮.
c.然后选取工作区中的RP-1参考点,然后单击提示区中的Done按钮.
4.在模型树中的History Output Requests上双击来制作一个在固定管子的受
约束端之反作用力的历时输出数据设定. 在Edit History Output Request对
话框中:
a.在Domain区中选取Set并从列出来的选单中选用RefPt组别.
b.将这个分析中所要储存的历时输出数据项设定成每100个等时间间
距便储存一次.
c.从列出来的可选用输出变数表中, 单击在Forces/Reactions旁边的箭
头将之展开然后将其中的RF, Reaction forces and moments都开启.
d.单击OK 按钮.
Interactions(相互影响部份)
接着我们要在这两根管子之间定义一个一般性的相互接触并且约束住冲击管件的枢纽端使其行为如刚体一般.
Contact interaction(相互接触)
1.在模型树中的Interaction Properties 上双击.
2.在弹出来的Create Interaction Property对话框中, 接受Contact这个互动类
型然后单击Continue按钮.
3.在Edit Contact Property对话框中, 选取Mechanical Tangential Behavior
选项便且选择其中的 Penalty 摩擦方程式. 输入摩擦系数0.2, 然后单击OK
结束此对话框.
4.在模型树中的Interactions上双击.
5.在Create Interaction对话框中, 接受Step-1作为这个相互接触所发生的分析
步并且选用General contact (Explicit)作为其互动类型.
6.在Edit Interaction对话框中, 接受All* with self作为接触区域. 单击OK按钮
结束掉此对话框.
Rigid body constraint(刚体约束)
1.在模型树中的Constraints上双击.
2.在Create Constraint 对话框中, 选取Rigid body作为约束的类型然后单击
Continue按钮.
3.在Edit Constraint对话框中, 选取Tie (nodes)然后单击对话框右边的Edit
按钮.
4.选取如图W14–7 中所示的边缘作为刚体所要绑缚(tie)的区域.
5.同样的, 选取工作区中的参考点RP-1 作为刚体的参考点.
6.在Edit Constraint 对话框中, 单击OK按钮将此约束施加上去.
tie region
Figure W14–7 Rigid body constraint.
Boundary conditions(边界条件)
在对称平面上的边缘必须为之设定正确的对称边界条件. 这个冲击管件有一端是完全拘束的, 而固定管的两端也都是完全拘束的.
1.在模型树中的BCs上双击.
2.然后在Create Boundary Condition 对话框中, 接受Symmetry/
Antisymmetry/Encastre作为其边界条件的类型并且单击Continue按钮来制作如图 W14–8 中所示的边界条件.
?
对称边界条件: 选取如图 W14–8 中所示的边缘; 然后在其 Edit Boundary Condition 对话框中, 选择 ZSYMM (U3=UR1=UR2=0) 的边界条件. ?
完全拘束边界条件: 选取如图 W14–8 中所示的边缘; 然后在 Edit Boundary Condition 对话框中, 选择ENCASTRE (U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0) 边界条件.
? 插销边界条件: 在工作区中选取 RP-1 参考点. 然后在 Edit Boundary
Condition 对话框中, 选择 PINNED (U1=U2=U3=0) 边界条件.
Figure W14–8 Boundary conditions.
Initial conditions(初始状态)
冲击管件会被设定一个初始角速度 75 radians/sec 绕着它的支撑(pinned)端旋转.
1. 使用 Tools →Query →Point/Node 来查询一下冲击管的支撑端的两个端点的坐标, 如图 W14–9 中所示.
Figure W14–9 Points on axis of rotation.
PINNED BC
fully constrained end:
ENCASTRE BC symmetry: ZSYMM BC (all edges on this plane) second point first point
这些坐标值会列出来在CLI 区中, 如图 W14–10.
Figure W14–10 Point coordinates.
2.在模型树中的Predefined Fields上双击.
3.在Create Predefined Field对话框中, 选择Initial分析步, Mechanical类别,
以及Velocity类型. 单击Continue按钮继续设定.
4.选取冲击管件作为要为之设定初始速度的区域, 然后单击Done按钮.
5.在Edit Predefined Field对话框中, 将定义(definition)字段处的选项改成
Rotational only. 输入75作为其Angular velocity(角速度). 然后使用如图
W14–9 中所示的第一个点作为旋转轴的第一个点以及图W14–9 中所示的第二个点作为旋转轴的第二个点.
Tip: 从CLI 区中复制粘贴坐标值到对话框中。
Mesh(网格划分)
这个管子将使用线性, 简积分薄壳元素(S4R)来建构其网格. 我们将要沿着固定管子的长度方向将其分割开以在上面指定局部的网格密度(下种子-seed).
1.在模型树中将Instances项之下的pipe-fixed-1展开并在其中的Mesh上双
击.
2.从上方的下拉式菜单中选取Tools→Partition功能选项, 来做一个面的分割
动作, 做的时候使用其中的两点间最短距离法. 使用如图W14–11 中所示的两个点来做分割.
Figure W14–11 Face partition using shortest path between 2 points.
3.从上方的下拉式菜单中选取Mesh→Element Type功能选项.检查在Element
type对话框中各种可用的选项, 并且接受其预设的单元类型S4R.
4. 从上方的下拉式菜单中选取 Seed →Edge By Number 功能选项, 然后将固定管上各个边缘上的网格建构数量设定成如图W14–12 中所示一样.
Figure W14–12 Fixed pipe seeds.
5. 从上方的下拉式菜单中选取Mesh →Instance 功能选项, 然后按下提示区中的 Done 按钮来将此组件网格建构起来. 建好的网格如图 W14–13 中所示一样
.
Figure W14–13 Fixed pipe mesh.
6. 从上方的下拉式菜单中选取 Seed →Edge By Number 功能选项, 然后将冲击管上各个边缘上的网格建构数量设定成如图W14–14 中所示一样.
Figure W14–14 Impacting pipe mesh seeds.
46 16
12 16 12
7.从上方的下拉式菜单中选取Mesh→Instance功能选项, 然后单击提示区中的
Done按钮来将此组件网格建构起来. 建好的网格如图W14–15中所示一样.
Figure W14–15 Impacting pipe mesh.
Analysis(分析)
现在我们已经准备好了, 可以开始制作整个模型的分析作业并将之送进去进行分析运算了.
1.制作一份分析作业叫做pipe-whip. 为之输入适当的作业说明. 接受其它所
有的预设设定.
2.将此作业送进去进行分析运算.
3.在Jobs项之下的pipe-whip上单击鼠标右键并从弹出的选项菜单中选用其
中的Monitor功能选项来监看这个作业的过程.
Visualization(查看可视化的结果)
1.一旦这个分析成功的完成分析,在 Visualization模块中开启其输出数据文件
pipe-whip.odb .
2.分别画出其未变形及变形后的模型形状. 从上方的下拉式菜单中选取
Tools→Color Code功能选项（或者单击工具栏的按钮）, 来为这两个组件分别指定不同的颜色上去, 如图W14–16 中所示一样.
Figure W14–16 Deformed model shape.
3.从上方的下拉式菜单中选取Animate Time History功能选项来动画式的播
放其变形历程.
4.在变形的模型形状上画出Mises应力的等值彩色分布图跟等效塑性应变
(PEEQ) 的等值分布图. 画出来的等值彩色分布图如图W14–17.
MISES PEEQ
Figure W14–17 Contour plots.
5.制作模型的动能(ALLKE)对时间的X–Y图, 还有内能(ALLIE)跟消失能
(ALLPD) 对时间的X–Y图. 能量对时间的曲线图如图 W14–18 中所示.
Tip:在结果树中展开History Output对话框, 选取上面提到的三条曲线，单击鼠标右键并单击Plot按钮来将这些曲线显示出来
. Array Figure W14–18 Energy histories.
在接近此分析模拟的最后一段时间里, 这根冲击管开始回弹, 而它大部分的动
能已经被溃缩区的非弹性变形给消耗掉了.
6.选取冲击管的旋转中心节点的反作用力分量RF1, RF2,和RF3画图，反作用
力的图形如图 W14–19.
Figure W14–19 Reaction force histories.
Note: 为了方便起见, 有一个指令描述文件(script)可以用来做出本段说明中所描述的整个管子的组装模型. 如果你按照此处的说明练习还是碰到困难的话你可以使用这个指令描述文件(script), 或者是你想要确认你的练习的话也可以使用这个指令描述文件(script). 这个指令描述文件(script)叫做ws_intro_pipe_whip.py 你可以透过ABAQUS fetch 工具来使用它.