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冲击作用下简单结构时程分析
星期二，2007-04-10 06:29 -Arief Yudhanto
亲爱的机械师们:万博体育平台
我模拟了一个外径为48毫米，内径为24毫米的圆盘。材料定义为各向同性;在这种情况下，它是玻璃陶瓷(E = 90GPa, v = 0.24)。内径受横向约束，在2ms内承受500G (G = 9.81 m/s^2)的半正弦波脉冲。磁盘在此加载下向上移动，并且我提取了尖端相对于时间的垂直位移(时程分析)。时间步长为1 ~ 6秒，持续时间为4 ms。圆盘由8节点六面体单元构成，厚度为1个单元。测试了三种配方:(1)减少整合[RI]，(2)选择性减少整合[SRI]和(3)完全整合[FI]。
经过收敛性研究(从非常粗的网格模型到非常细的模型)，得出的结论是:有FI的模型收敛速度更快。这意味着当我比较最大位移时，粗网格模型将给出与细网格模型相似的值。而对于SRI和RI，粗网格会给出较低的值，经过网格细化后，它会给出与FI结果相似的值。
我用显式求解器(LSDYNA)进行了模拟。结论是一样的。
RI和SRI趋同缓慢的原因是什么?谁能给我参考一下关于这个动力学问题的文献?
谢谢你！
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简单结构在冲击作用下的时程分析
Yudhanto,
我不明白你的问题怎么会牵扯到电击。另外，我不明白你为什么要用简化积分法。是因为想要减少计算时间吗?你在简化积分计算中使用什么样的稳定?
如果你能上传一个图表，展示你的问题设置和结果，那就更好了。
Biswajit
在圆盘的内边界处施加激波
亲爱的Biswajit,
这是为了模拟硬盘驱动器的突然停止。
亲爱的Yudhanto,
我在希捷硬盘驱动器上做了一些工作。我想一层固体元素可能不足以模拟圆盘的振动行为。结果在壳元处收敛更快。
问候,
罗小君
冲击与薄盘
我想我对这个问题有一个更好的想法，尽管我仍然不明白一些细节的设置。
在最初的问题中，几乎没有遗漏的细节:
1)磁盘的厚度。如果你想确定为什么你会得到你所做的收敛速度，这是至关重要的。
2)材料的密度。如果你想知道应力波传播的速率以及冲击速度是否比材料中的声速快，这是必需的。
3)将施加的500g加速度转化为力所需的圆盘质量。
4)施加力的方向——是法向圆盘还是径向。因为你用重力的单位来表示它似乎是离心式的。
5)实际使用的元素类型。您提到的8节点砖块(选择性地减少了集成)并不是一个实体元素，而是Belytschko语言中的“基于连续体”的shell元素。参见示例
连续体和结构的非线性有限元by T. Belytschko, W. K. Liu和B. Moran, John Wiley and Sons, 2000。
让我们假设圆盘的厚度为1mm，材料的密度为5180 kg/m^3(这对某些玻璃陶瓷是正确的)。则物料中的横波速度为2650 m/s，体波速度为3340 m/s。如果脉冲是一个真正的冲击，那么它应该以大于(比如说)3340米/秒的速度沿着磁盘的厚度和平面传播。
如果要解决冲击，则应适当确定时间增量。收敛结果很大程度上取决于你选择的时间步长。此外，根据脉冲的方向，您可能必须使用标准的十六进制元素。在这种情况下，您将不得不在厚度上使用许多元素来防止锁定。
从我到目前为止在这个线程中读到的，似乎你确实在使用外壳元素(即使它们有八个节点)。这就是为什么您的结果收敛(它们真的收敛到正确的解决方案吗?)与完全集成的元素更快地收敛到解决方案。然而，我想不起来在基于连续体的元素的上下文中，选择性减少集成意味着什么。Belytschko的书以一种简洁的方式解释了你所看到的一些公式的细节。你可能会在那本书里找到你想要的确切答案。
Biswajit
回复关于冲击和薄磁盘
我很欣赏你对问题的“精炼”，比斯瓦吉特;因为这会让我们更好地理解这个问题。
(1)盘厚= 0.5 mm
(2)微晶玻璃密度= 2530kg /m^3
(3)应用加速度在ANSYS中定义为位移函数
(4)施加加速度的方向与圆盘垂直;它作用于圆盘的内径。
(5)为8节点六面体单元。在ANSYS中，称之为“SOLID45”。剪切锁定可以通过选择额外的位移形状来“治愈”(公式基于Wilson, Taylor, Doherty和Ghaboussi, 1973)。时间步长是1e-6秒，我相信，对于这个问题来说，它足够小了。当我减少时间步长，例如1e-7秒时，结果与1e-6秒时的结果相同。
在ANSYS/LSDYNA中，当我们选择8结点六面体单元(称为SOLID164)时，有两种单元公式可供选择;它们是恒定应力(减积分)，即粘滞沙漏控制的一点积分，以及增强应变的选择性减积分。后者是根据Puso的论文“一个高效的增强假设应变物理稳定的六面体单元”，IJ Num. Meth。Engg。, 2000年。
顺便说一句，在这里，我关心的是FE软件用户，他们并没有真正意识到他们在使用低阶十六进制元素时在HDD冲击模拟中可能遇到的收敛问题。
再次感谢您的推荐信。
Re:冲击和thin硬盘
Arief,
谢谢你的进一步澄清评论。
在我之前响应我在你的帖子中写道:“你提到的8节点砖(选择性减少集成)不是一个固体元素，而是一个“基于连续体的”壳元素。”这种说法是不正确的。基于连续体的壳元素是二维元素，而不是“砖块”。
你的问题引发了一些有趣的问题。
既然你没有在模拟中考虑耗散，那么你如何确定模拟何时已经收敛?你等待运动达到稳定状态吗?还是加入一些人工黏度来抑制运动?
绿点表示网格在第一个时间步长看到的应力锋位置，蓝点表示第二个时间步长，红点表示第三个时间步长。显然，波的传播速率取决于网格离散化和选择的时间步长。此外，如果您在厚度上只使用一个元素，则来自磁盘底部的反射将更早地影响磁盘顶部的节点。
因此，这里的问题不是真正的元素是否可以支持弯曲(虽然这是问题的一部分)，而是你想要多好地表示应力波。您的结果的准确性将取决于您在厚度方向上离散磁盘的精细程度。
论文
亲爱的Biswajit,
在材料方面，有一个简化解决硬盘冲击问题。这种材料被定义为仅具有弹性。因此，在模拟过程中可能无法捕获弹性波丹阻尼;振荡发生在冲击终止后。
当滑块飞过旋转磁盘时，空气轴承建在滑块下方。为了表示空气轴承，人们通常使用弹簧-阻尼元件或在滑块的几个点上施加力力矩。
由于我还没有发表我的作品，您可以参考以下论文来获得物理问题:
曾qh和DB Bogy，“磁盘-悬架-滑块空气系统在硬盘驱动器中的冲击响应数值模拟”，科学技术(8)，2002,pp. 289 - 296, Springer Verlag。
加州大学圣地亚哥分校的Eric Jayson和Frank Talke，新加坡南洋理工大学的David Shu Dongwei - Luo Jun等人也做了类似的研究。
谢谢!
更多关于磁盘驱动器的问题
按照你的建议，我又去阅读了一些关于磁盘驱动器的文献。我对这个问题的好奇心是由于我在研究中处理的冲击和流体结构相互作用的组合(在一个完全不同的领域)。如果可以，请把Zeng和Bogy的论文发邮件给我。
我猜您主要对用于便携式机械的小磁盘感兴趣。在这种情况下，你提到的那种量级的加速度应该会导致明显的变形——特别是因为圆盘很薄。你有关于变形的数字吗?
当你说“……振荡是在冲击终止后发生的，你到底是什么意思?很明显，冲击脉冲会继续向外扩散，反射回来，干扰其他脉冲，等等。但如果你用一种完全弹性的材料，它永远不会受潮。然而，如果材料是耗散的，则磁盘的响应将显着不同。你是说就你的特殊问题而言，这些影响并不令人感兴趣吗?
我不太明白你到底想知道什么。是圆盘在冲击下是否会破裂?如果是这样的话，你使用什么失败标准。或者您正在尝试找出磁盘是否会影响驱动器系统的其他组件?
我在网上查了一些关于空气轴承的资料。从我收集，这些轴承是在主轴组件在磁盘的中心。然而，你所说的空气轴承在滑块下面。我很困惑，如果能解释一下情况会很有帮助。
Biswajit
圆盘，圆盘悬架，轴承
论文已经发到你的邮箱了。
请允许我尽我所能回答你。
我想模拟的其实很简单:
在ANSYS中采用8节点六角元对外径为48 mm、内径为12 mm、厚度为0.5 mm的圆盘进行建模。材料性能定义为玻璃环氧树脂，E = 90 GPa， ν = 0.24， ρ = 2.53 × 10-6 kg/mm3。圆盘内径处的节点受到半正弦加速度冲击，峰值为500G (G = 9.81 m/s2)，持续时间为2毫秒。施加冲击的方向是垂直的或向上的。内径被限制在平移方向上移动，但它可以垂直移动。施加的冲击在2ms时终止，而磁盘响应(变形)是感兴趣的。测量圆盘外径(圆盘尖端)的位移随时间的变化(时程分析)。从这里我们得到了圆盘的冲击响应，用位移表示。对于不同的单元形式，ANSYS会给出不同的位移值。作为基准，最大位移为0.1 mm。 Damping ratio is not yet included in this simulation. The objective is simply to find tip displacement of the disk with respect to time. The failure of the disk is not yet a consideration, and it is expected that impulse 500G will result in disk deformation only, not failure (break) of the disk.
第二个问题是带悬架的磁盘。在悬架下面，在圆盘和悬架之间，有一个很小的块，叫做“滑块”。当硬盘处于运行状态时(即硬盘正在进行读写操作)，滑块在硬盘顶部飘动。它之所以会飞是因为滑块下面的空气轴承。当空气(由于旋转圆盘)通过滑块时，滑块的空气承载面形成独特的轮廓。人们可以用弹簧-阻尼器元件来模拟这种空气轴承。刚度(力和力矩)可以通过求解雷诺方程得到。
你提到的“轴承”可能是持有磁盘的主轴轴承。另一个“轴承”是枢轴轴承，其中悬挂连接到。
Zeng和Bogy的论文可能会让你了解人们是如何使用有限元方法来解决这个问题的。
稳定
亲爱的Biswajit,
用半正弦波脉冲代替磁盘驱动器的冲击响应。它通常被定义为半正弦波，否则根据公司的说明书进行不同的描述。
使用LS-DYNA或ANSYS/LSDYNA解决这个问题的人通常会被指向默认元素技术，即减少集成(恒应力)或RI。另一个选择是选择选择性减少的集成或SRI。针对这两种方案，分别介绍了一些减少沙漏效应的策略。对于RI, LSDYNA提供了他们自己的配方加上弗拉纳根-别利奇科的四种变体。对于SRI，在LSDYNA中引入了Puso沙漏控制。我使用了所有的公式，使用Flanagan-Belytschko(刚度形式)的结果比Puso或其他Flanagan-Belytschko的变体收敛得更快。
而在ANSYS中，我们可以有三个选项，包括RI, SRI和FI。对于FI，我们可以自由选择“包含额外位移形状”或“排除额外位移形状”。排除额外的位移形状通常会得到更合理的结果。
亲爱的罗,
是的，我读过你和你的同事(南洋理工大学)发表的几篇关于硬盘冲击的论文。我的问题是当你为圆盘建模时你使用的元素公式是什么?由于使用的是ANSYS-LSDYNA，因此可以有两个选项:RI或SRI。(参考《基于ANSYS-LSDYNA的硬盘冲击响应研究》，J. Magn。&磁垫，2006)。
当我们比较盘尖位移时，壳元确实会给出更快的收敛速度。然而，当两个接触面被定义为上下悬架时，则使用固体单元。
谢谢你们，比斯瓦吉特和罗。
Yudhanto
亲爱的尤丹托，谢谢
亲爱的Yudhanto,
谢谢你对这份报纸的兴趣。在该研究中，我采用了ANSYS-DYNA中的默认元素类型:带有沙漏控制的Belytschko-Tsay(默认)元素配方。这个单元使用一点正交。这一直是个问题，因为我们缺乏可比较的冲击试验数据。完全积分公式也可能引入一些数值问题，如加劲。顺便说一句，当有两个悬架时，您仍然可以使用shell元素来模拟磁盘。这就是我在那篇论文中所做的。DYNA中的接触算法考虑了壳体厚度。
小君
机械系
华中科技大学，中国武汉
LSDYNA中的Contact属性
谢谢君，我可能会在双悬架的情况下尝试使用壳单元。
对于完全集成的8节点六面体，ANSYS提供了额外的位移形状，我已经向Biswajit解释过了。使用这种技术可以避免剪切锁紧。
你在LSDYNA中使用了什么触点属性?我知道你定义了"自动地对地"这是基于惩罚方法，不是吗?由于您模拟的是非操作冲击，头部拍打的动态可能由预定义的接触属性控制。换句话说，不同的接触特性会产生不同的头部拍打动力学。
亲爱的
亲爱的Yudhanto,
正确的!很高兴知道DSI也在做同样的事情。你去上休克课了吗?Bogy教授在这方面做得很好，但我仍然不太确定他们的上激波模型中的一些细节。滑块的跳高在几纳米的量级上，空气轴承动力学与悬架等相对较大的组件相耦合。悬架部分的解怎么能这么精确?你对这一点有什么看法吗?
我于2005年12月离开南洋理工大学。没有行业的支持，我很难继续这项工作。
小君
机械系
华中科技大学，中国武汉
上冲击精度
亲爱的小君
我有一些关于上冲击的初步模拟结果，但我需要进一步“烹饪”它们以获得更合理的数据。
你说得对，小君:Bogy小组(加州大学伯克利分校)在这个问题上是领先的研究人员。其他还有Talke集团(加州大学圣地亚哥分校)，Shu Dongwei(我相信你记得这个名字- NTU)， Yap Fook Fah集团(NTU)， DSI (S'pore)等。他们每个人都有自己的关注点。所以看到这一领域的不断丰富是非常令人兴奋的。
回答你的问题:你可能知道，在冲击期间和之后的飞行高度调制通常由空气轴承刚度(垂直，滚转和俯仰)，酒窝滑块接触，悬架刚度，冲击幅度和持续时间以及其他因素决定。研究认为，空气轴承的非线性对HDD受到高g冲击的影响很大。从数值的角度来看，我想说预处理部分有非常重要的作用;包括为盘状悬挂系统选择合适的元件配方。准确性必须放在第一位;然后，我们需要对求解的计算时间进行调整。
目前，差距在于数值结果的实验验证。有些人可能会认为，数值解和实验结果的比较并没有真正的用处，因为这两种情况都被初始假设和未知因素分开了。尽管如此，我认为用实验验证数值结果仍然是值得的，因为我们希望(至少)看到趋势结果的;不是确切的值。
你觉得呢，小君?
的确，你又说对了。没有任何产业合作，完成的过程多少有些不顺利。研究方向也可能转向其他地方。
Op-shock和实验
亲爱的Yudhanto,
好!我期待着你作品的出现。我们在Shu教授组也做了一些关于上激波建模的工作。但是悬架动力学和空气轴承动力学并没有完全耦合。我想，到目前为止，舒教授的小组在这个问题上应该有更多的进展。舒教授(我的博士后导师)小组也在做一些冲击测试。你知道，这是个很难的话题。要捕捉到磁头-磁盘接口处的冲击行为可不那么容易。我想这就是为什么我们看到这么多的数值模拟，却很少找到相应的实验工作。
你说对了。由于几个原因，实验部分是必不可少的。首先，玩实物可以帮助我们了解它们的作用机理，从而帮助我们建立有意义的数值模型。其次，数值模拟需要实验验证。否则，我们可能会得到很多美丽而无用的结果。反之亦然。
机械系
华中科技大学，中国武汉
爆炸科学与工程:冲击
亲爱的阿里夫和比斯瓦吉特:
你关于休克的讨论对我来说很有趣。
因此，我把这个博客链接到我的主题上爆炸科学与工程（http://万博manbetx平台m.limpotrade.com/node/786）.
欢迎在我的博客上发表文章。那里太安静了。