设计仿真 | 基于Marc的对称结构仿真

引  言

Marc软件是一款功能强大的通用非线性有限元分析软件，能够针对广泛的工程设计与制造应用中的静力、动力和多物理场耦合问题进行准确仿真。

有一种美叫对称美，是秩序，是平衡，是科学，也是艺术。在真实工况中，很多情况下几何结构和载荷都是对称的，我们应该如何采用Marc软件充分利用对称条件进行模型简化并求解呢？

对称接触体

对于接触分析，Marc提供了5类接触体类型，每类接触体都可在二维或者三维问题中进行应用。包括：变形体、可传热的刚体、刚体、带控制节点的刚体和对称接触体。

对称接触体是在线对称问题或循环对称问题中常采用的一种接触体，常用来代替某些对称边界条件。

图1 对称接触体定义

在平面或者轴对称分析类型中，对称接触体可通过选择NURBS曲线、线体、小平面曲线进行定义；在三维分析问题中，对称接触体通过选择非均匀有理B样条曲面、片体、小平面来进行定义。其余设置类似常规接触设置。

对称接触体的特点    

• 对称平面可方便的用于定义对称条件

• 可代替某些固定边界条件

• 自动设置很高的分离力，不会发生分离

• 只允许接触面上的切向运动

• 仅适用于刚性曲线或曲面

• 自动进行相应的对称线或对称面的延伸，避免退出号2400

循环对称

在循环对称问题中，如果结构的几何和荷载周期性变化，则可只取结构的一部分建立模型，循环对称问题通过勾选分析任务中的循环对称来进行定义。在这类问题中，将自动附加一组位移向量约束条件：U’B=UA或UB=RUA。（此类问题无需定义对称接触体）

图2 循环对称问题示意图

图3 循环对称设置

循环对称问题的特点

■ 自动提供适当的网格约束边界条件

■ 对称轴上的节点自动约束在垂直于对称轴的平面上

■ 只用于实体单元

■ 输入数据包括：

• 对称轴的方向矢量

• 对称轴的位置

• 扇型块的角度

■ 该功能可以与“接触”功能一起使用，在这种情况下，循环对称扇形区域的两边对应位置必须同属于一个接触体

■ 如果将片段旋转360/a次可得到完成的模型，允许任意形状的片段

■ 该功能可与全局网格重划分功能一起使用， 

■ 热-机耦合分析中，温度场也必须是循环对称的

■ 绕对称轴的刚体转动可自动消除掉

■ 接触体两边的网格不一定要对应

图4 循环对称中的接触体设置

上图中，不同颜色表示不同变形体，循环对称问题中，左上、右上、左下的接触体设置是允许的，右下设置是不允许的。

对称结构的结果扩展显示

对于线对称或者循环对称问题，通过我们只采用模型的一部分进行分析，这样可以快捷准确地得到我们想要的分析结果。

在分析结束后，我们也可以根据原模型对称的特点，在后处理中，将模型扩展成完整模型进行显示，结果更为直观。以六分之一的循环对称模型为例，可通过结果后处理命令流文件实现模型的全景显示。

此示例中，模型为六分之一循环对称结构，回转轴线方向为（0,0,1），并经过几何点（-1,0,0）。

图5 循环对称示例模型

图6 结果文件导航设置

图7  结果后处理命令流文件编辑

图8 结果云图全景显示

（注：此方法对于2D-3D，轴对称-3D，线对称-全模型等问题的完整模型结果显示也同样适用，不同Marc版本的命令流可能会略有差别，用户可参照“复制”、“对称”、“扩展”等操作在对话区生成的命令流，进行编辑结果命令流文件来实现。）

小  结

在解决对称问题方面，Marc拥有卓越的解决方案。采用对称接触体设置，可代替对应的边界条件设置，并具备诸多优势。采用循环对称设置来解决循环对称问题，定义简单，求解效率也更高。对此类问题，用户可通过结果后处理脚本，实现完整模型的结果动画显示，操作友好，结果直观。

（海克斯康工业软件）

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