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create part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—Reference Point，然后点击圆弧圆心为参考点。

1a 1b

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create material 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create section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assign section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create part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edit step 对话框中，选中Nlgeom On。

（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Create

Surface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Region Selection对话框选择Surf-Sphere，再点击continue。点

击提示区右侧Surface，在弹出的Region Selection对话框选择Surf-Cylinder，点击Continue。在弹出的Edit Interaction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—History Output Requests—Manager，双击Step-1下面的Created，在弹出的Edit History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Local Seeds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Mesh Controls对话框设置如图10，点击

OK。

c.设置单元类型。点击，将Element Type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job manger中建立job-implicit作业，submit，如下图

13。计算完成后可通过job manager中的result进入visualization模块查看结果。

图13

2. 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。

图15

三、后处理与结果分析

1. 结果输出

单击job manager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History output输出。选择菜单栏中的result—History output，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。