ANSYS - 接触非线性分析的一个实例.doc

ANSYS - 接触非线性分析的一个实例这是在三维网上的一次试讲所使用的资料，现提供给大家分享，可以作为初学接触非线性时的参考。下面通过一个 2D 例子来演示 ANSYS 接触分析中主要参数的设置和作用。 该例子为：一个 (无限长) 圆柱置于一个 (无限长) 长方体上，当圆柱承受压力载荷时，计算圆柱和长方体之间的接触应力。该问题可以简化为 2D 问题进行分析。 选择单元类型 二维 4 节点四边形 solid182 单元： 单元行为：选择平面应变： 设置材料属性： E = 201000 MPa；m = 0.3： 定义一个矩形：长度 20 mm，高度 5 mm： 再定义一个实心圆，半径 5 mm，刚好与矩形接触： 为了能使用 MAP 方式划分网格，先在圆内创建两条直线，以便将圆切分为 4 块： 为了切分矩形，将圆中的竖线延长 6 mm。 执行 Area by Line，分割圆和矩形：首先选择两个 Areas： 点击 Apply 后，选择水平和竖线，再点击 OK，对面进行切割： 面切割后，可以进行 MAP 划分网格： 下面划分网格：进入前处理 - Meshing 首先设置几何体的网格默认属性： 设置单元边长，这里取为 0.4 采用 MAP 方式划分网格： 网格划分结果： 设置约束条件：1 选择两条下边界线 设置 Uy = 0: 为防止 x 方向的刚体运动，选择矩形中间线 设置为 Ux = 0 然后在圆柱顶部中间节点处施加压力 选择 Fy，输入力值 -100，力沿着 y 方向，对圆柱构成压力 下面准备采用接触向导来定义接触对。 需要做一些准备工作：根据结构情况，选择圆柱面 (这里是圆周线) 作为接触面，矩形上边界作为目标面，使用面 面接触。 为了方便，需要预先定义好相关的节点组。分别选择圆周下边界中间部位的若干节点和矩形上边界中间部位的若干节点，定义两个节点组 (N-contact 和 N-target)，便于创建接触对时使用。 先选择下面两个圆柱面，再 select - everything below - area 和 plot - element 汇出对应的单元和节点。 然后： select - nodes - apply - 选择如图 11 个节点： 使用这 11 个节点创建 component: N-contact 再用同样方法，在下面的矩形中，选择上边界处，中间部位的 13 个节点，创建 component N-target 使用 select - components manager 检查所创建的两个 components 是否正确 检查无误，执行： select - everything 和 eplot 以下下使用接触向导设置接触： 接触向导的界面如下： 下面使用接触向导来设置面 面接触 (对于本例，看起来是 线 线接触)： 选择 N-target component 作为目标面，目标类型选择柔性，然后点击 Next： 选择 N-contact component 作为接触面，采用 面 面 接触，然后点击 next ： 取摩擦系数为 0.1，然后点击 optional shettings 设置其它参数： 点击 create 创建接触对： 注意：创建接触对之后，一定要检查一下接触面和目标面的法向是否正确，如有问题需及时修改： 到此，建模可以结束，下面开始求解： 设置求解类型为 static，然后到 Solution Controls 中设置时间步等，如右图，其它参数均使用默认值： 点击 Current LS 开始求解，很快即出现一个错误提示： 点击 Proceed，能继续求解，并出现另一个错误提示，同样点击 Proceed 继续求解，又出现另一个错误提示，不能再继续求解。 分析认为是接触设置不当 初始状态圆柱与矩形之间有间隙。开始计算后，程序找不到初始接触状态，造成圆柱的刚体运动。需要回到前处理修改接触设置： 在前处理中，调出接触向导。在其中，点击接触对使其高亮度，然后修改属性 (这种设置作为：第一种设置)： 在接触属性对话框中，点击 Initial Adjustment 标签，可以看到 Automatic Contact Adjustment 设置的不太合适： 在 Initial Adjustment 中，将 Automatic Contact Adjustment 改为 Close Gap/Reduce Penetration，并设置 Initial contact Closure 为 0.1： 再次求解，虽然还有错误，但点击 Proceed 后能够求解结束： 然后到后处理中查看结果。首先看一下 Results Summary 可以看到，经过 6 个载荷子步就收敛了： 读取最后一步的结果。首先显示接触状态： 接触状态显示如下： 还可以显示其它结果，以下为穿透情况： 接触压力的结果： 摩擦应力的结果： 接触总应力 与接触压力基本相同： 下面将探讨不同的接触参数设置对计算结果的影响： 一、 第二种设置： 在原始设置 (计算不收敛) 的基础上，在 Initial Adjustment 中，将 Automatic Contact Adjustment 改为 Close Gap/Reduce Penetration： 再次求解，不再出现和前面一样的错误，直接计算到结束： 然后到后处理中查看结果。首先看一下 Results Summary 可以看到，同样经过 6 个载荷子步就收敛了： 下面显示最后一组结果的部分内容： 接触状态显示如下： 以下为穿透情况： 最大穿透值远大于第一种情况，说明误差较大，可以增加接触刚度以减小穿透。 接触压力： 接触压力远大于第一种结果！说明误差较大！ 摩擦应力的结果： 注意：摩擦应力的分布与第一种结果完全不同 接触总应力 与接触压力基本相同： 二、 第三种设置： 在原始设置 (计算不收敛) 的基础上，在 Initial Adjustment 中，设置 Initial contact Closure 为 0.1： 再次求解，中间不再出现问题，可以直接计算到结束： 然后到后处理中查看结果。首先看一下 Results Summary 可以看到，仍然是经过 6 个子步就收敛了： 下面显示最后一组结果的部分内容：接触状态显示如下： 还可以显示其它结果，以下为穿透情况： 最大穿透略大于第一种结果，穿透大说明误差较大，可以增加接触刚度以减小穿透。接触压力： 接触压力大于第一种结果，但相差不多。摩擦应力的结果： 接触总应力 与接触压力基本相同 三、 第四种设置：在 第一种设置的基础上，将法向惩罚刚度因子改为 0.1： 再次求解，直接计算到结束： 然后到后处理中查看结果。首先看一下 Results Summary 可以看到，同样经过 6 个载荷子步就收敛了： 下面显示最后一组结果的部分内容： 接触状态显示如下： 以下为穿透情况： 穿透远大于第一种结果！误差较大！ 接触压力： 接触压力小于第一种结果！ 摩擦应力的结果：摩擦应力比第一种结果小 接触总应力 与接触压力基本相同：四、第五种设置：在 第一种设置的基础上，将法向惩罚刚度因子改为 10： 再次求解，直接计算到结束： 然后到后处理中查看结果。首先看一下 Results Summary 可以看到，同样经过 6 个载荷子步就收敛了： 下面显示最后一组结果的部分内容： 接触状态显示如下： 以下为穿透情况： 穿透远小于第一种结果！误差减小！ 接触压力： 接触压力与第一种结果很接近。 摩擦应力的结果： 摩擦应力小于第一种结果。接触总应力 与接触压力基本相同：以下修改其它参数，分别摸索其效果：五、第六种设置：在原始设置 (计算不收敛) 的基础上，将接触算法改为 内部 MPC 算法： 再次求解，直接计算到结束： 然后到后处理中查看结果。首先看一下 Results Summary 可以看到，同样经过 6 个载荷子步就收敛了： 下面显示最后一组结果的部分内容： 接触状态显示如下： 最大位移远大于第一种情况。以下为穿透情况： 由于 MPC 算法的特点，不存在穿透！接触压力： 由于 MPC 算法的特点，不存在接触压力。摩擦应力的结果： 由于 MPC 算法的特点，不存在摩擦应力。接触总应力 ： 由于 MPC 算法的特点，不存在接触应力. 结论： 由上述结果可见，由于不能提供如接触压力、穿透情况、摩擦应力等与接触有关的结果数据，内部 MPC 算法对本例可能不适用。第七种设置：在 原始设置 (计算不收敛) 的基础上，将算法改为 拉格朗日与惩罚方法： 再次求解，直接计算到结束： 然后到后处理中查看结果。首先看一下 Results Summary 可以看到，同样经过 6 个载荷子步就收敛了： 下面显示最后一组结果的部分内容：接触状态显示如下： 最大位移比第一种情况增加不少。以下为穿透情况： 不存在穿透。接触压力： 最大接触压力远大于第一种结果。摩擦应力的结果： 摩擦应力很小。接触总应力 与接触压力基本相同：七、第八种设置：在第七种设置的基础上，将法向接触刚度因子改为 0.1： 再次求解，直接计算到结束： 然后到后处理中查看结果。首先看一下 Results Summary 可以看到，同样经过 6 个载荷子步就收敛了： 查看最后一组结果，与前面 FKN = 1 的结果相同，不再一一显示。第九种设置：在第七种设置的基础上，将法向接触刚度因子改为 10，接触算法选择 Lagrange & Penalty method： 再次求解，直接计算到结束： 然后到后处理中查看结果。首先看一下 Results Summary 可以看到，同样经过 6 个载荷子步就收敛了： 查看最后一组结果，与前面 FKN = 1 的结果相同，不再一一显示。 继续修改法向接触刚度因子为 0.001 和 100，计算结果都不变。 看来这一算法 (Lagrange&penalty Method) 的结果似乎与法向接触刚度因子的设置关系不大 (至少对于本例)，值得推敲，需要慎用。第十种设置：在 原始设置 (计算不收敛) 的基础上，将算法改为 惩罚方法： 再次求解，直接计算到结束： 然后到后处理中查看结果。首先看一下 Results Summary 可以看到，同样经过 6 个载荷子步就收敛了： 下面显示最后一组结果的部分内容：接触状态显示如下：以下为穿透情况：接触压力的结果：摩擦应力的结果： 接触总应力 与接触压力基本相同： 然后对法向接触刚度因子进行修改，结果发现，当该因子在一定范围中变化 (0.011000 或更大) 时，随着该因子的增大，穿透值不断减小，摩擦应力不断减小并趋于稳定值、接触压力和总应力则逐渐增加并趋于稳定值。但是和增广拉格朗日方法的结果有很大差别。第十一种设置：在 原始设置 (计算不收敛) 的基础上，将算法改为 Lagrange 方法： 再次求解，直接计算到结束： 然后到后处理中查看结果。首先看一下 Results Summary 可以看到，同样经过 6 个载荷子步就收敛了： 下面显示最后一组结果的部分内容：接触状态显示如下： 以下为穿透情况： 接触压力的结果： 摩擦应