Ett steg in i den ickelinjära världen

Inledning

I dagens övning ska vi titta på hur vi kan ta reda på vilken klämkraft som krävs för att pressa ner en gummitätning i ett spår. Geometrin ser vi nedan, och råkar i det här fallet vara modellerad som en multibody-part. För just den här modellen passar en ickelinjär beräkningsmodell bäst vilket vi går in på varför här nedan.

Beräkningsmodell

Resultatet vi är ute efter är vilken klämkraft som genereras när tätningen är i spåret. Resultatet vill vi gärna ha per längdenhet, dvs hur många Newton per meter tätning. Då tätningen och spåret är symmetriska kring YZ-planet utnyttjar vi detta och snittar modellen på mitten.

För att ytterligare förenkla för oss och datorn kan vi utnyttja 2D Simplification för att bara räkna på ett 2D-snitt av modellen. Då vi vet att tätningen kommer deformeras ganska mycket (stor deformation) samt att gummimaterialet inte kan beskrivas som linjärt elastiskt väljer vi beräkningstypen Nonlinear. Då vi inte bryr oss om några dynamiska effekter väljer vi underkategorin Static.

När vi använder 2D Simplification behöver vi förklara på vilket sätt vi vill reducera vår tredimensionella geometri till en tvådimensionell beräkningsmodell. Detta kan göras på tre sätt:

1. Plant spänningstillstånd: Kan användas för tunna geometrier där inga krafter verkar normalt mot snittet.
2. Plant töjningstillstånd: Geometrier som utsträcker sig långt i endera riktningen av snittet och där inga krafter verkar normalt mot snittet.
3. Rotationssymmetri: Geometri, inspänningar och laster är rotationssymmetriska.

För vår geometri lämpar sig alternativet Plane strain.

Randvillkor

När det kommer till randvillkor börjar vi med det mest basala genom att fixera botten på spåret.

För att säkertställa symmetrin ansätter vi symmetrirandvillkor på de snittade kanterna

Med dessa på plats så återstår någon form av extern last för att pressa ner tätningen i spåret. Den naturliga första impulsen är att göra detta med en kraft. Detta medför dock två problem:

1. Hur stor ska kraften vara? Frågan vi ville ha svar på var Vilken kraft krävs för att få ner tätningen i spåret? Detta gör det naturligtvis svårt för att oss i förhand veta vilken magnintud lasten ska ha.
2. Med en last som drivande i beräkningen kan vi råka ut för instabilitetsproblem. Vi kan hamna i ett läge när tätningen pressas samman att den helt plötsligt gör ett hopp ner i spåret. Detta kan medföra att beräkningen får problem att konvergera.

Lösningen på bägge dessa problem är att istället för en kraft använda en styrd förskjutning. Detta medför dels att vi får kontroll på nedtryckningen, dels att vi i efterhand kan fråga programmet Vilken kraft krävdes för att få till stånd denna förskjutning?

Lasterna

Vi delar upp förskjutningarna i två steg.

1. I första steget drar vi tätningen på plats i spåret.
2. Andra steget är att trycka locket på plats och deformera tätningen den sista biten.

Vi väljer en punkt i underkant på tätningen och väljer att den ska förflyttas 23,478mm (!) i negativ Y-riktning.

I ickelinjära körningar har vi möjlighet att styra hur en last/förskjutning ska variera med tiden. För tätningens förskjutning vill vi att den ska åka på plats under beräkningens första hälft och därefter ligga kvar. Med förskjutningar har vi dock ett problem. En vanlig last är enkel att stänga av. Vi sätter bara dess värde till 0N. Med en förskjutning är det inte lika enkelt. Sätter vi dess värde till 0mm betyder det att den åkertillbaka till sitt ursprungsläge. Detta har dock SOLIDWORKS-utvecklarna tänkt på genom att ge oss just möjligheten att stänga av en förskjutning. Tittar vi i kurvan nedan ser vi att tätningen dras på plats under de första 0,5 sekunderna för att därefter ligga på plats från 0,5-0,75 sekunder, för att slutligen stängas av.

För locket behöver vi inte vara lika listiga utan kan använda en enklare kurva som helt sonika påbörjar förflyttningen efter 0,5 sekunder.

Resultat

Så hur blev det då? Med hjälp av funktionen List resultant force kan vi få fram den kraft som krävs för att förflytta locket.

Resultaten ovan visar reaktionskraften momentant för det valda tidssteget. Vill vi istället se hur kraften varierar över tid kan vi plotta reaktionskraften som en kurva.

Vi kan också spara ut en animering av valfri resultatplot. För att göra plotten snyggare och mer begriplig kan vi välja att dels visa plotten symmetriskt genom att bocka i Display symmetric results, dels ge den en tjocklek genom att bocka i Show as 3D plot.

Författare: Björn Wallén