通常,模擬工程師在建立有限元模型的過程中會涉及到不同的連接關係,並且它們有時候會種類繁多難以設定。

尤其是在顯式分析中,模擬工程師經常會使用到1D彈簧單元進行連接關係的類比,不同類型的連接關係的選擇和設定會加重工程師的工作任務。

在Altair HyperWorks的顯式求解器Radioss中,推薦工程師使用KJOINT2(/PROP/TYPE45)用於建立連接關係,它不僅可以設定連接關係的種類,簡化連接關係的繁瑣設置步驟,而且不會給整個模型增加多餘的品質。

 

 

我們先來簡單瞭解下KJOINT2PROP/TYPE45卡片,KJOINT2PROP/TYPE45卡片由三部分組成,分別是:全域屬性,平動屬性轉動屬性

 

1

 

   全域屬性

 

 
 
 

包含 ⬇⬇⬇

▶  連接的類型(不同自由度的定義),Type

▶  約束自由度的剛度,Kn

▶  臨界阻尼,Cr

▶  Sensor

▶  局部坐標系的定義 Skew_ID1和 Skew_ID2

 
 

 

 

 

2&3

 

  平動屬性轉動屬性

 

 
 
 

包含 ⬇⬇⬇

▶  平動剛度: Kti,fct_Kti; 轉動剛度: Cti,fct_Cti

▶  位移鎖:SDi-,SDi+; 角度鎖止,SAi-,Sai+

▶  摩擦:Kfxi,FFi,fct_FFi,Kfri,FMi,fct_FMi

 
 

 

 

 

那麼, 接下來就從以下四點對顯式求解器Radioss中的KJOINT2做具體剖析:

 KOINT2連接的類型的定義 – “Type

 KJOINT2的建模要求和坐標系

 KJOINT2的位移和角度鎖止

 KJOINT2的剛度和阻尼

 

 
 
 

KJOINT2連接的類型的定義 – “Type”

KJOINT2的連接類型 “Type”由不同的自由度DOF (degree of freedom) 組合來定義.

比如下面的連接類型是約束所有的平動自由度:

 

▶  Type=1: Spherical類型連接, 平動自由度全部約束,轉動自由度全部自由。所以它用於承受任何方向的彎曲載荷以及扭轉載荷。

 

*這個類型連接最少需要在/SPRING中定義兩個節點N1N2

 

▶  Type=5: Universal類型連接, 平動自由度全部約束,不可以軸向扭轉,可以任何承受任何方向的彎曲載荷。

 

 

▶  Type=2: Revolute類型連接, 僅可以承受軸向扭轉的荷載。

 

比如下面的連接類型是約束所有的轉動自由度:

 

 

▶  Type=6: Translation類型連接, 可以用於軸向的拉伸壓縮載荷。

 

 

▶  Type=7: Oldham類型連接, 可以用於承受y方向和z方向的剪切載荷。

 

還有一些特殊的約束組合,比如:

✴  所有自由度都約束的rigid類型連接。它的Kn就用於定義約束剛度,當然如果不填寫Radioss會使用默認的一個非常大的約束剛度。

✴  所有自由度都不約束的Free類型連接

 
 

 

▶  Type=3: Cylindrical連接類型

 

 

▶  Type=4: Planar連接類型

 

 
 
 

KJOINT2的建模要求和坐標系

首先介紹一下普通的彈簧單元的局部坐標系如下定義

在彈簧單元的卡片/SPRING中定義了N1N2N3這些節點,SPRING單元自身的局部坐標系參考如下:

局部x方向:從節點 N1到節點N2

那麼節點N1N2N3形成了局部xy平面, 這個平面的法向就是局部z方向;

y方向不是節點N1N3, 而是從N1出發的垂直於x方向的,公式描述為:

 

KJOINT2建模時需要使用到彈簧單元,然後對彈簧添加相應的屬性(SPRING+/PROP/TYPE45),並且它的兩端節點N1N2分別連接Rigid BodyN1指向N2的方向被定義為彈簧自身的X。節點N1N2用於定義KJOINT2彈簧單元本身,所以它們不可以是重合的點,但是為了較好的模擬連接,推薦N1N2點可以選用重合點

定義KJOINT2至少需要兩個節點N1N2,除此以外也可以有其他的節點比如N3N4用於定義局部坐標系。這需要在前處理器HyperMesh中考慮SPRING單元具體使用到幾個節點,如:SPRING2SPRING3

SPRING4

 

隨著KJOINT2是根據連接類型不同,局部坐標系也可以根據需要設置不同參考。比如SPRING的節點N1N2取重合點,那麼節點N1N3就是局部坐標系中的x方向。那麼N1N3N4節點就組成的平面,它的法線為局部z方向。如下圖

 

 

建模過程中定義SPRING彈簧的節點個數時需要根據連接關係類型(TYPE)注意以下問題:

▶  需要N1N2兩個節點的連接關係:

Type=1: SphericalType=8: Rigid

以上這些類型連接可以最少僅需要N1N2點,那麼當沒有定義節點N3,N4時,局部坐標系可以同全域坐標系。

▶  需要N1N2N3三個節點的連接關係:

Type=2: RevoluteType=3: CylindricalType=6: TranslationalType=4: Planar

以上這些類型連接可以最少僅需要N1,N2N3點三個節點,那麼節點N1N3就是局部坐標系中的x方向。如果節點還是N3沒有定義,那麼此時節點N1N2一定不能是重合點,因為需要根據N1N2節點定義局部x方向。

▶  需要N1N2N3N4四個節點:

Type=7: OldhamType=5: UniversalType=9: Free

以上這些類型連接可以最少僅需要N1,N2,N3N4點四個節點。

 

 
 
 

在定義彈簧單元時,為了滿足特殊的坐標系設定,那麼KJOINT2彈簧單元坐標系也可以根據skew_ID1和skew_ID2定義的不同而設定

 
 

 

 
 

 

 
 
 

KJOINT2的位移和角度鎖止

KJOINT2卡片中下面兩部分分別是定義平動轉動屬性的區域,首先我們來解釋一下位移和角度鎖止的定義。

 

KJOINT2SDi+SDi-是定義平動位移鎖止,而SAi+SAi-是定義轉動角度鎖止,用於角度鎖止的角度是用弧度單位。

其中i是指自由度,i=xyz方向。

比如Type=6: Translation類型連接中有x方向(軸向)平動自由度,那麼相應的平動位移鎖止就是SDx+SDx-

比如 Type=4: Planar連接類型中有y方向和z方向兩個平動自由度,和一個x方向(軸向)轉動自由度,那麼相應的平動鎖止位移就是y方向的SDy+SDy-z方向的SDz+SDz-。以及角度轉動鎖止SAx+SAx-

這裡的正+和負-的下標表示最大正向和最大負向的鎖止。

平動鎖止在3個自由度的鎖止如下圖表示。

 

 

x軸向拉伸導致的拉伸位移最大不超過SDx+壓縮導致的壓縮位移最大不超過SDx-

y方向剪切導致的正向剪切位移最大不超過SDy+,負向剪切位移最大不超過SDy-

z方向剪切導致的正向剪切位移最大不超過SDz+,負向剪切位移最大不超過SDz-

 

 

 

轉動鎖止在3個自由度上的鎖止如下圖表示。

 

 

x軸向扭矩導致的扭轉角度正向最大不超過SAx+負向最大不超過SAx-

y方向彎矩導致的正向彎曲角度正向最大不超過SAy+,負向最大不超過SAy-

z方向彎矩導致的正向彎曲角度最大不超過SAz+,負向最大不超過SAz-

 

 

 

 

這次的KJOINT2就介紹到這裡,下次要重點介紹一下KJOINT2的剛度和阻尼。

敬請期待唷~~~

 

 

【Radioss技巧】KJOINT2 連接介紹 01
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