Simdroid 结构非线性测试：悬臂梁翻转（附APP）
本帖最后由 IBEsim 于 2021-12-8 12:13 编辑本案例选自NAFEMS(National Agency for Finite Element Methods and Standards) ,Test NL5 “NAFEMS Non-Linear Benchmarks”。本案例可用作验证Simdroid非线性求解器的标准测试算例。
问题描述
几何：
https://cdnwww.simapps.com/upload/file/20211206/4b7e6362-ab02-4662-8070-9033f791f212.png
材料：线弹性，弹性模量2.1e11，泊松比0 。
边界条件：点B固支，整体约束z方向位移 。荷载：点A施加弯矩M 。https://pic3.zhimg.com/80/v2-1282c617bb23fe5d307679932411cfc2_1440w.png其中E为弹性模量，I为截面惯性矩。单元：此处选择Hex20单元，30*2个单元，厚度方向布置两层。采用梁和壳单元的测试将在后续文章中发布。连接：由于采用了实体单元，需要在悬臂梁自由端中心处（点A）布置一个参考点，并将参考点与端面运动耦合，弯矩施加在点A上，注意运动耦合会限制截面变形，给结构增加一定的刚度，引入少量误差。分析：采用通用静力分析，初始时间增量0.01。参考解本例中的荷载选择为：https://pic1.zhimg.com/80/v2-a5f1265de3163d02cd9f1eb524aa03ac_1440w.png其恰好是理想梁模型的抗弯刚度的倍数，则预期的自由端截面转角为：https://pic1.zhimg.com/80/v2-ac913d89f826fef88d721a6a307352dc_1440w.png结果对比
https://cdnwww.simapps.com/upload/file/20211206/1ab79060-7e78-4408-b05f-f7600fe738e2.jpg
由软件生成的端部位移-时间曲线图为：
https://cdnwww.simapps.com/upload/file/20211206/dce1eb67-8097-4ba1-97c8-16f79871b638.png
Simdroid通用静力分析采用自动时间增量配合完全牛顿迭代求解非线性方程，其时间为伪时间，一般表示正比例加载时的荷载正比例系数，当采用默认设置时，时刻达到1表示结构满载（达到100%荷载），时刻0.5表示50%的荷载。
结果云图0.5时刻悬臂梁等效应力云图：https://cdnwww.simapps.com/upload/file/20211206/d4a0b7b6-99bc-45d7-8b11-8e4196bf4455.jpg
1.0时刻悬臂梁等效应力云图：
https://cdnwww.simapps.com/upload/file/20211206/63116da1-14b7-485a-a78b-44898a96cf30.jpg
1.0时刻悬臂梁转角云图：
https://cdnwww.simapps.com/upload/file/20211206/9ab326e5-cfbc-45de-89f0-c7d559c911f0.jpg
实体单元缺少转动自由度，仅在运动耦合的面上具有转动自由度。最后附上一份本案例的操作教程：
软件操作第一步，在xy平面内绘制草图，通过“点线”、“水平距离”、“垂直距离”等约束控制草图尺寸。然后通过拉伸命令创建实体模型。https://cdnwww.simapps.com/upload/file/20211206/cbf97c2a-60b8-4ec6-a8be-b6eb83265538.jpg
在梁端部创建参考点，通过“三维建模”->“图元”创建点。
https://pic1.zhimg.com/80/v2-80c57f0019c17a858fb12e0634883290_1440w.jpg第二步，创建材料，目标选择之前创建的拉伸体，选择线弹性-各向同性材料。并在材料属性栏内填写弹性模量和泊松比。
https://pic2.zhimg.com/80/v2-9a18df031fe5d1fcf264475a4238fb69_1440w.jpg
https://pic1.zhimg.com/80/v2-9e5c51b2b8c20f15cbcec6816a989ddc_1440w.jpg第三步，创建网格，选择拉伸体，使用映射命令剖分成六面体，并选择二阶，注意本例绕着z轴旋转，需要z方向至少含有两层网格。剖分完成后的网格如下图。第一步创建的参考点无需进行网格剖分。
https://cdnwww.simapps.com/upload/file/20211206/7e253eec-bd9d-4226-bb8b-29c081bcdc37.jpg
第四步，创建“耦合连接”，耦合参考点和梁自由端表面的全部6个自由度。为模型施加“常规约束”，其中整个拉伸体约束z方向平动，固定端表面约束3个方向平动，参考点约束rx和ry。
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第五步，在分析菜单中创建“通用静力分析”，双击模型树上的“通用静力分析”，修改初始时间增量为0.01，几何非线性选择“是”。
https://pic1.zhimg.com/80/v2-1a4864d7fbcbf5ad250a856b0eeb7128_1440w.jpg施加荷载，创建弯矩，目标选择参考点，如下图：
https://cdnwww.simapps.com/upload/file/20211206/92e675ea-cc79-47e5-9dbe-f58e5711d20b.jpg
本次分析因需要程序输出0.25、0.5、0.75时刻的结果，故定义了加载函数“分段线性函数”，在设置弯矩的任务面板中选择“分段线性函数”，可以确保程序计算自动时间增量时经过加载函数中的特征时刻点，方便后处理进行结果比较。一般的分析如果荷载为正比例加载，可以不设置函数，如果不是正比例加载，可以设置加载函数用以控制荷载的变化趋势。实际计算用到荷载为“荷载值”乘以“加载函数”。
https://pic2.zhimg.com/80/v2-ef6d3b756f8d659f60ac9d46fdda2c31_1440w.jpg第六步，计算，打开报告浏览器可以查看当前的求解日志，日志反应了非线性分析的求解进度、收敛情况、分析时间等内容。
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第七步，后处理，计算完毕后模型树上会出现结果模型，单击结果模型，选择MISES应力，并勾选偏移，偏移系数设置为1（表示真实位移，没有进行放大），点击应用后即生成云图。
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基于以上分析过程，作者使用Simdroid 软件封装仿真模型和流程，形成了独立的仿真APP，已上传到APP商店，点击链接在线使用：
悬臂梁翻转仿真APP：https://www.simapps.com/v/7056.html
Simdroid 是由北京云道智造科技有限公司开发的基于“仿真平台+仿真APP”模式的通用多物理场仿真平台。该平台具备自主可控的结构、电磁、流体和热四大物理场求解器和多物理场仿真内核，在统一友好的环境中为仿真工作者提供了前处理、求解分析和后处理工具，同时其内置的APP开发器支持用户以无代码化开发的方式便捷封装全参数化仿真模型及仿真流程，将仿真知识、专家经验转化为可复用的仿真APP，实现知识变现。仿真APP通过APP商店Simapps 实现在线展示、交易，用户通过云端快速、便捷、低成本使用各类工业APP，真正实现普惠仿真的愿景。Simdroid 已经开展了广泛的商业化推广，在电力、家电、生物医疗、电子信息、航空航天等行业领域得到了工程化应用。现已开放试用，登录注册申请试用：www.simapps.com/user/my.action
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