ABAQUS模拟纳米压痕

计算固体力学专业：固体力学学生姓名：学号：2015年4月28日一、问题描述与分析下表面固定的柱形材料被一个刚性球沿中心点压入（类似于球形硬度计实验），求刚性球所受反力与压入深度之间的关系，并画出柱形内部的Mises应力分布，找出最大应力位置。已知参数：球半径为4mm，柱体半径为10mm，高为h=10mm，材料为线弹性，E=1MPa，v=0.49，最大压入深度为h/10。（1）要注意检验网格尺寸的收敛性；（2）要注意接触点造成的应力集中，接触点处要网格细化；（3）要用显式和隐式分别求解，在显式中加载时间为0.1s；（4）写出求解步骤。二、建模过程1．隐式分析（1）建立几何模型将问题简化为一个轴对称问题进行处理。进入Part模块，单击createpart图标，先建立柱形材料，命名为cylinder，详细设置如图1a。再建立球体，此处将球体处理为解析刚体，命名为rigid，详细设置如图1b。指定刚体参考点，在主菜单中选择Tools—ReferencePoint，然后点击圆弧圆心为参考点。1a1b图1几何模型的建立（2）创建材料和截面属性a.创建材料。进入property功能模块，点击creatematerial图标，设置杨氏弹性模量为1MPa，泊松比为0.49。b.创建截面属性。点击createsection按钮，点击continue，然后OK。c.赋予截面属性。在Part中选择cylinder，然后点击assignsection按钮，选中几何模型，赋予截面属性。（3）定义装配件进入Assembly功能模块，单击createpart按钮，在弹出对话框中，选中两个part，然后OK。再单击，将刚体移至圆柱上方，如下图2所示。图2组装部件（4）设置分析步进入Step功能模块，创建一个分析步Step-1，默认为Static，General（隐式求解），点击continue。在弹出的editstep对话框中，选中NlgeomOn。（5）定义接触进入Interaction功能模块a.定义接触面。在主菜单中选择Tools—Surface—Create，在弹出的CreateSurface对话框中Name后输入Surf-Cylinder，点击Continue，点击柱形体上表面，然后点击视图区底部的Done。同样的方式定义接触面Surf-Sphere。b.定义带摩擦接触属性。单击，在Name后面输入IntProp-Friction，点击Continue。定义摩擦系数为0.1的罚函数摩擦公式，如图3。点击OK。c.定义接触。单击，然后点击Continue。单击提示区右侧的Surface，在弹出的RegionSelection对话框选择Surf-Sphere，再点击continue。点击提示区右侧Surface，在弹出的RegionSelection对话框选择Surf-Cylinder，点击Continue。在弹出的EditInteraction对话框中点击OK，如图4。图3图4（6）设置历史输出变量返回Step模块，在主菜单中选择Output—HistoryOutputRequests—Manager，双击Step-1下面的Created，在弹出的EditHistory对话框设置如下图5。图5（7）定义边界条件和载荷进入Load功能模块，在Initial步，约束柱体下边界所有自由度如图6，约束柱体轴X方向上的平动位移如图7；在Step-1步，在刚性圆弧的参考点施加Y方向的位移载荷-1e-3，如图8。图6图7图8（8）划分网格进入Mesh功能模块。将环境栏中Object选项设为Part：Cylinder。a.布置边界上的种子。单击，选择平板部件的上下边界，点击Done。将弹出的LocalSeeds对话设置如图9，点击OK。同样设置左右边界。b.设置网格参数。点击，将MeshControls对话框设置如图10，点击OK。c.设置单元类型。点击，将ElementType设置如图11，点击OK。d.划分网格。点击，点击提示区中的Yes，=便可得到如图12所示网格。图9图10图11图12（9）提交作业分析进入Job功能模块。在jobmanger中建立job-implicit作业，submit，如下图13。计算完成后可通过jobmanager中的result进入visualization模块查看结果。图132.显示分析显示计算方法建模的过程，与隐式基本相似，区别在于以下几个过程：（1）修改材料参数，添加质量。（2）在划分网格时，应该选择选择显示分析单元，如下图14所示.图14（3）在建立分析步时，应选择Dynamic,Explicit，并进一步设置分析时间。（4）在设置接触时，选择显式的面-面接触。（5）在定义载荷时，需要定义加载方式，考虑缓慢加载，需要定义AMPLITUDE。如下图15。0图15三、后处理与结果分析1.结果输出单击jobmanager中的result，进入visualization模块，查看计算结果。（1）接触反力与压入深度之间的关系可通过Historyoutput输出。选择菜单栏中的result—Historyoutput，在弹出的对话框中，选择CFN2，再plot，得到刚性球所受反力与压入深度之间的关系。如下图16.图16（2）通过单击按钮，可输出柱形材料内部的Mises应力云图。如下图17所示。图17（3）选择菜单栏上的Tools—Path—Manager,通过节点在轴的方向上建立一条测量路径如下图18所示，通过Tools—XYData—Manager可以得到沿着路径方向的应力变化曲线，如图19所示。保存XYData数据，通过菜单栏的Report选择对应的XYData数据，将数据导入到C:\Temp\abaqus.rpt文件中，打开文件可以看到最大应力大致在1mm厚度位置，数值为0.2737MPa。图18图19（3）另外，可以通过工具栏中的view—ODBdisplayoption—Sweep/Extrude来旋转轴对称面得到一个类似实体的模型。2.隐式与显示计算结果的比较接触反力/N最大Mises应力/MPa最大Mises应力位置/mmCPU时间/s隐式4.0640.27370.974197显示4.0290.27730.9639710从上面结果可以看出，显式和隐式的结果非常相近。但是目前单元数量的规模较小，隐式的计算相对于显式的计算在CPU时间上有较大的优势。3.收敛性检验考虑以下四种划分结果，对计算结果进行比较。20×2030×3040×4050×50从下面四个方面来考察网格密度对于计算结果的影响：a.Y方向的接触反力b.最大Mises应力c.最大Mises应力的位置d.CPU时间计算结果如下表所示。20×2030×3040×4050×50接触反力/N4.0644.0684.1574.074最大Mises应力/MPa0.27370.27500.27460.2748位置/mm0.974190.906340.897320.85146CPU时间/s791011可以看出，20×20的网格划分已经达到很好的收敛性了。