1、垫片材料垫片材料第十二章第十二章垫片材料垫片材料章节预览章节预览该章节包括使用界面单元和垫片材料来模拟垫片该章节包括使用界面单元和垫片材料来模拟垫片:垫片一般都为多材料组件，有着复杂的力学行为。我们对其作适当简垫片一般都为多材料组件，有着复杂的力学行为。我们对其作适当简化以取得垫片截面一般的总体的响应化以取得垫片截面一般的总体的响应.如果需要得到垫片的局部响应，则需要建立详细的模型如果需要得到垫片的局部响应，则需要建立详细的模型该章节主要包括以下几个主题该章节主要包括以下几个主题:A.垫片背景介绍垫片背景介绍B.界面单元界面单元C.垫片材料定义垫片材料定义D.垫片模型的求解和后处理垫片模型的求
2、解和后处理垫片材料垫片材料A.垫片背景介绍垫片背景介绍垫片在结构装配件中主要起两个作用垫片在结构装配件中主要起两个作用:在部件之间提供紧密且持久的密封在部件之间提供紧密且持久的密封 在部件之间传递力在部件之间传递力垫片的特性垫片的特性:多层的金属或合成橡胶多层的金属或合成橡胶 在某个方向很薄，但我们最关注的是厚度方向的力在某个方向很薄，但我们最关注的是厚度方向的力学行为学行为 通常忽略平面内刚度通常忽略平面内刚度 因此，垫片表现出高度的非线性加载和卸载行为（因此，垫片表现出高度的非线性加载和卸载行为（存在永久变形）存在永久变形）Example of Gaskets used in Engine
3、s垫片材料垫片材料 垫片背景介绍垫片背景介绍由于垫片通常是多层材料，因此它们的总体响应由于垫片通常是多层材料，因此它们的总体响应多为非线性多为非线性.垫片的闭合度决定了其压力行为垫片的闭合度决定了其压力行为 卸载路径可以不同，由卸载的时间点决定卸载路径可以不同，由卸载的时间点决定 材料中可以存在永久变形材料中可以存在永久变形ClosurePressure垫片材料垫片材料 垫片材料和单元垫片材料和单元对垫片材料作适当简化有如下性质：对垫片材料作适当简化有如下性质：闭合度和压力直接输入，不需要建立铺设层的详细模型闭合度和压力直接输入，不需要建立铺设层的详细模型 计算上更加有效，不需要接触单元计算上
4、更加有效，不需要接触单元 为垫片交界面建立一个单元并设置其厚度为垫片交界面建立一个单元并设置其厚度 这样建立的有限元模型更加有效这样建立的有限元模型更加有效 这样建立的一个单元允许度量界面单元顶面和底面的相对变形这样建立的一个单元允许度量界面单元顶面和底面的相对变形垫片材料垫片材料 垫片材料和单元垫片材料和单元垫片的闭合度和压力关系定义了垫片材料的响应垫片的闭合度和压力关系定义了垫片材料的响应 该关系可以通过试验测定（试验数据）该关系可以通过试验测定（试验数据）或者通过分析计算一个单独的有限元模型或者通过分析计算一个单独的有限元模型垫片材料垫片材料B.界面单元界面单元界面单元界面单元19X系列
5、系列(INTER19x)用来模拟垫片的力学行为用来模拟垫片的力学行为.INTER192 是是4节点线性平面单元节点线性平面单元 INTER193 是是6节点二次平面单元节点二次平面单元 INTER194 是是16节点二次实体单元节点二次实体单元 允许退化形式允许退化形式 INTER195 是是8节点线性实体单元节点线性实体单元INTER195INTER194INTER193INTER192垫片材料垫片材料 界面单元界面单元界面单元使用闭合度值界面单元使用闭合度值:闭合度是垫片材料顶面和底面的相对位移，用来定义闭合闭合度是垫片材料顶面和底面的相对位移，用来定义闭合度压力曲线度压力曲线.垫片厚度必
6、须为一个单元垫片厚度必须为一个单元.单元的中面为积分点单元的中面为积分点 单元坐标系不受单元坐标系不受ESYS影响，而受节点号影响影响，而受节点号影响:使用顶面和底面的节点计算垫片单元的闭合度使用顶面和底面的节点计算垫片单元的闭合度 可使用可使用/PSYM,ESYS,1命令用来验证单元的命令用来验证单元的X轴方向轴方向是否正确是否正确.闭合度中面界面单元垫片材料垫片材料 界面单元界面单元界面单元说明界面单元说明:界面单元需要顶面节点和底面节点相匹配界面单元需要顶面节点和底面节点相匹配 为计算闭合距离，不允许存在四面体单元和金字塔形单元为计算闭合距离，不允许存在四面体单元和金字塔形单元 为提高计
7、算效率，建议把垫片界面单元和其它单元直接连接起来为提高计算效率，建议把垫片界面单元和其它单元直接连接起来.高阶界面单元高阶界面单元(INTER193,194)无中间平面节点无中间平面节点.因为中间平面只是通过顶面和底面取平均而计算得到的因为中间平面只是通过顶面和底面取平均而计算得到的 高阶单元目前在顺序耦合场分析中和其它单元（例如热传递单元）高阶单元目前在顺序耦合场分析中和其它单元（例如热传递单元）不兼容不兼容垫片材料垫片材料 生成界面单元生成界面单元INTER19x 单元分网时需注意单元分网时需注意:在厚度方向只能有一个单元在厚度方向只能有一个单元 节点号对节点号对INTER19x单元非常重
8、要，用以确定单元法向单元非常重要，用以确定单元法向 使用使用/PSYM,ESYS,1命令检查单元法向，单元的命令检查单元法向，单元的X轴应该指向厚度轴应该指向厚度方向方向 高阶单元高阶单元 INTER193,194 的中间平面无节点的中间平面无节点因此引入因此引入 IMESH 命令命令.用户可使用用户可使用IMESH命令生成命令生成 INTER19x 单元单元 若使用其它方法，例如若使用其它方法，例如VDRAG 或或 EGEN命令命令,用户也必须注意上述几用户也必须注意上述几点点.垫片材料垫片材料 生成界面单元生成界面单元定义好定义好INTER19x单元类型后，使用单元类型后，使用IMESH建
9、立单元建立单元:Main Menu Preprocessor Meshing Mesh Interface Mesh 2D/3D Interface IMESH,laky,nsla,ntla,kcn,dx,dy,dz,tol也可使用其它方式划分单元：也可使用其它方式划分单元：VDRAG,EGEN 可以生成所有的可以生成所有的 INTER19x 单元单元 VMESH,VSWEEP 不能用来生成单元不能用来生成单元垫片材料垫片材料C.垫片材料垫片材料界面单元系列支持如下材料属性界面单元系列支持如下材料属性:垫片材料垫片材料 垫片常用的一些参数垫片常用的一些参数 横向剪切刚度横向剪切刚度 压力载荷加
10、载压力载荷加载 线性或非线性的卸载线性或非线性的卸载 热膨胀系数热膨胀系数 瞬时热膨胀系数或热应变切向系数瞬时热膨胀系数或热应变切向系数 阻尼阻尼 注意注意:不适用于动力学分析不适用于动力学分析下面我们学习垫片材料的定义下面我们学习垫片材料的定义垫片材料垫片材料 垫片材料定义垫片材料定义可使用可使用GUI方式或使用方式或使用TB,GASKET命令定义命令定义垫片材料垫片材料 垫片材料定义垫片材料定义可定义垫片材料的常用参数可定义垫片材料的常用参数 初始间隙初始间隙（可选）（可选）.缺省值为缺省值为0(无初始间隙无初始间隙).“Stable Stiff”是数值稳定性参数是数值稳定性参数.缺省值为
11、缺省值为0.某些情况下需要，例如垫片拉伸时某些情况下需要，例如垫片拉伸时.“Stable stiffness”在垫片拉伸且无在垫片拉伸且无初始间隙的情况下用来防止数值奇异性初始间隙的情况下用来防止数值奇异性.拉伸时可定义应力帽拉伸时可定义应力帽.缺省时拉刚度为缺省时拉刚度为0 对于垫片参数集的定义不受温度个数的限制对于垫片参数集的定义不受温度个数的限制.TB,GASKET,2,1,PARATBTEMP,0.0TBDATA,1,1/11,0,0垫片材料垫片材料 垫片材料定义垫片材料定义压力曲线定义了载荷行为压力曲线定义了载荷行为.压力闭合度（不是应力应变）描述厚度方向的响应压力闭合度（不是应力应
12、变）描述厚度方向的响应.闭合度是垫片顶面和底面的相对位移闭合度是垫片顶面和底面的相对位移.数据点和温度的个数无限制数据点和温度的个数无限制ClosurePressureTB,GASKET,2,1,6,COMPTBTEMP,0TBPT,0.027,2.08垫片材料垫片材料 垫片材料定义垫片材料定义线性卸载选项可定义该材料的卸载行为线性卸载选项可定义该材料的卸载行为.通过指定直线定义卸载行为通过指定直线定义卸载行为 可输入闭合度的值和卸载斜率可输入闭合度的值和卸载斜率 存在非弹性行为存在非弹性行为(永久变形永久变形)数据点和温度集无个数限制数据点和温度集无个数限制.ClosurePressureT
13、B,GASKET,2,1,5,LUNLTBTEMP,0TBPT,0.1524E-03,2.43E+11垫片材料垫片材料 垫片材料定义垫片材料定义另一种定义卸载行为的方法是使用非线性卸载曲线另一种定义卸载行为的方法是使用非线性卸载曲线.使用分段曲线可对更加复杂的卸载行为定义使用分段曲线可对更加复杂的卸载行为定义 使用闭合度和压力值定义各个点使用闭合度和压力值定义各个点 对永久变形，要确保每条曲线都存在对永久变形，要确保每条曲线都存在 压力为压力为0但闭合度不为但闭合度不为0的点的点.使用上面的步骤定义每条曲线使用上面的步骤定义每条曲线.数据点、卸载曲线和温度集的个数无限制数据点、卸载曲线和温度集
14、的个数无限制ClosurePressureTB,GASKET,3,6,NUNLTBTEMP,0.0TBPT,1.78E-04,1.49E+07 垫片材料垫片材料 垫片材料定义垫片材料定义垫片材料允许定义横向剪切刚度垫片材料允许定义横向剪切刚度 KEYOPT(2)=1 可激活可激活 INTER19x 单元的横向剪切刚度选项单元的横向剪切刚度选项 可指定两个方向的线性刚度可指定两个方向的线性刚度(和弹性模量或弹簧相类似和弹性模量或弹簧相类似)不能指定非线性的横向剪切刚度不能指定非线性的横向剪切刚度.单位为单位为 应力应力/长度长度.如果没有定义如果没有定义TSS且且KEYOPT(2)=1，则使用，
15、则使用“Stable Stiff”选项选项TB,GASKET,2,1,2,TSSTBTEMP,0.0TBDATA,1,0,0垫片材料垫片材料 垫片材料定义垫片材料定义可指定热膨胀系数可指定热膨胀系数 热膨胀仅发生在单元的热膨胀仅发生在单元的X方向方向(厚度方向厚度方向)或或注意：上述方程使用的是热闭合度而不是热应变注意：上述方程使用的是热闭合度而不是热应变.CTEX 或或THSX 可类似使用可类似使用hTdxthxINTERHeightREFTTALPXGKTH19垫片材料垫片材料 垫片材料定义垫片材料定义定义数据后可绘图检查其正确性：定义数据后可绘图检查其正确性：绘出压力卸载曲线绘出压力卸载
16、曲线 可使用可使用 Utility Menu Plot Data Tables 或或 TBPLOT,GASKET,matno,tbopt,temp,segn matno 是材料号是材料号 tbopt选项控制输出的垫片数据，选项控制输出的垫片数据，所有数据、压力数据或仅卸载数据所有数据、压力数据或仅卸载数据 temp 为温度为温度 segn 选项可在图中增加段的编号选项可在图中增加段的编号垫片材料垫片材料 垫片材料假设垫片材料假设关于垫片材料的一些假设关于垫片材料的一些假设:如果材料参数超出压力曲线范围，则使用最后曲线段的斜率如果材料参数超出压力曲线范围，则使用最后曲线段的斜率.温度之间的数据点
17、使用插值计算温度之间的数据点使用插值计算 如果温度超出曲线范围，则使用最后曲线段的温度如果温度超出曲线范围，则使用最后曲线段的温度.可定义线性或非线性卸载：可定义线性或非线性卸载：如果在定义的曲线间卸载，使用插值计算如果在定义的曲线间卸载，使用插值计算 如果超出闭合度范围，使用最后的闭合度值如果超出闭合度范围，使用最后的闭合度值 再加载沿着卸载路径再加载沿着卸载路径ClosurePressure垫片材料垫片材料 垫片材料假设垫片材料假设其它的一些假设其它的一些假设:对于拉伸刚度的处理（以及拉应力帽）总结如下对于拉伸刚度的处理（以及拉应力帽）总结如下:假设响应是率无关的假设响应是率无关的 率相关
18、性暂时不考虑率相关性暂时不考虑.不能和其它非线性材料模型联合使用不能和其它非线性材料模型联合使用.SituationTension StiffnessTensile Stress CapGap Defined,Pulled in TensionNoneNot UsedGap Defined,Compression in Gap RangeNoneNot UsedNo Gap,Pulled in TensionStable StiffnessUsedNo Gap,Linear Unloading,TensionSlope of Linear Unloading CurveUsedNo Gap,N
19、onlinear Unloading,TensionNoneNot Used垫片材料垫片材料D.求解垫片问题求解垫片问题用户应该确保时间步足够的小以捕捉与路径相关的响应用户应该确保时间步足够的小以捕捉与路径相关的响应网格不匹配的情况下，可联合使用网格不匹配的情况下，可联合使用17X系列接触单元和垫片单元系列接触单元和垫片单元.垫片材料垫片材料 垫片结果后处理垫片结果后处理垫片的计算结果可在专门的后处理选项中查看垫片的计算结果可在专门的后处理选项中查看 和接触单元的输出相类似，垫片的输出为交界面单元的单元解，因此和接触单元的输出相类似，垫片的输出为交界面单元的单元解，因此可得到独立的垫片输出分组
20、选项可得到独立的垫片输出分组选项.后处理中可得到垫片应力值和闭合度值后处理中可得到垫片应力值和闭合度值.其中闭合度分为力闭合度和热闭合度，其中闭合度分为力闭合度和热闭合度，总闭合度为两者之和总闭合度为两者之和.用户可以在通用后处理器中使用用户可以在通用后处理器中使用 PLESOL PLESOL、PLNSOLPLNSOL、PRESOLPRESOL、PRNSOLPRNSOL命命 令列表或绘出垫片的单元解或节点解令列表或绘出垫片的单元解或节点解.时间历程后处理器中，时间历程后处理器中，ESOLESOL可支持垫片输出可支持垫片输出.可定义一个坐标系，输出此坐标系下垫片的可定义一个坐标系，输出此坐标系下
21、垫片的 压力和闭合度值压力和闭合度值垫片材料垫片材料 垫片结果后处理垫片结果后处理示例：垫片的总闭合度云图（左）和垫片压力（右）示例：垫片的总闭合度云图（左）和垫片压力（右）.垫片材料垫片材料 垫片结果后处理垫片结果后处理用户需牢记以下几点用户需牢记以下几点:垫片的力闭合度垫片的力闭合度(GKDI,X)包括了任何初始间隙（如果指定了的话）包括了任何初始间隙（如果指定了的话）.因因此直接和压力闭合度曲线作比较时，需要平移一个初始间隙值此直接和压力闭合度曲线作比较时，需要平移一个初始间隙值.在通用后处理器中，不支持查询垫片的输出结果在通用后处理器中，不支持查询垫片的输出结果.时间历程后处理器中时间历程后处理器中,不支持不支持ANSOL命令命令.垫片材料垫片材料 垫片结果后处理垫片结果后处理模拟螺栓中的反作用力、压力模拟螺栓中的反作用力、压力/闭合度载荷历史和垫片压力时，可采用闭合度载荷历史和垫片压力时，可采用SOLID185SOLID185、PRETS179PRETS179和和INTER195INTER195单元单元.
