高级接触问题.ppt

第四章点 面接触单元 1概述点 面接触单元是90年代普遍使用的接触单元 由于点 面接触单元理论上的限制 使它们被更新更好的面一面接触单元取代 点一面接触单元可以用来模拟一个表面和一个节点的接触 也可以把表面指定为一组节点 用点 面接触单元来模拟面一面的接触 面一面接触单元处理角点接触有困难 因为它们采用高斯点作为接触检查点 在角点处会呈现过渡穿透 在此情况下 可以混合使用面一面接触单元和点 面接触单元 图1 1 图1 1 点 面接触单元不必知道接触面的位置 允许大变形 大的相对滑动 库仑摩擦滑动 接触面间可用不同的网格划分 点 面接触是通过跟踪一个表面 接触面 上的点相对于另一表面 目标面 上的线或面的位置来表示的 程序使用接触单元来跟踪两个面的相对位置 接触单元形状为三角形 四面体或椎体 其底面由目标面上的节点组成 而顶点为接触面上的节点 图1 2 图1 2 点 面接触单元在节点传递力 面 面接触单元在高斯点传递力 此特性使其只能用于低阶单元 角节点 这是由于中间节点的单元节点上的反力不均匀 图1 3 单元不提供偏移功能 用这些单元尚无法模拟梁和壳的厚度效应 图1 3 2接触刚度 点 面接触单元 conta48 49 要求给出罚刚度 可以通过实验来确定一个合适的接触刚度 使求解收敛而且侵入量可以接受 选择接触刚度 对于块状实体 通常赫芝接触刚度适用于罚刚度 可以这样来估算 K fE式中 f 0 1 10系数E 较软的接触体材料的弹性模量设f 1通常是一个较好的起始值 对于柔性体 梁和壳模型 系统的刚度可以比赫芝接触刚度低很多 此时可以将单位载荷施加到要接触的面上 先运行一个静态分析来确定模型的局部刚度 接触刚度可以这样来估算 上式适用于柔体接触 f 1 100系数 设f 1是一个比较好的起始值 3点 面接触分析步骤 建模与分网识别接触对生成接触单元 生成方法与面一面接触单元完全不同 设置单元关键字 Keyopt 和实常数给定边界条件定义求解选项求解查看结果 Step1 建模并划分网格建立接触基体的几何形状的模型 设置单元模型 只能用低阶单元 实常数和材料特性 分网 Amesh或VmeshStep2 识别接触对通过定义接触单元来定义接触面 一般仅定义局部接触区域 能模拟所有必须的接触 以缩短计算时间 由于几何体和变形的多样化 可能有多个目标面和同一个接触面相互作用 在这种情况下必须定义多个接触对 对每个表面 需要建立一个包含表面节点上的组元 然后通过这些表面节点在接触面之间形成所有可能的接触形状 应该包括比实际需要更多的节点 普通的点 面接触功能通过多个交迭的接触单元来实现 在缺省的情况下 一个单元的每个接触点与每个可能的目标面连接 大表面上生成的单元总数会很快变得非常巨大 图3 1 图3 1 Step3 生成接触单元生成接触单元大致分为3步 1 定义单元类型Et 1 Contac48 2D Et 1 Contac49 3D 2 定义接触单元的实常数不同的接触面须有一个不同的实常数号 即便实常数值相同 便于程序区分不同的接触面 即每个接触对都需要指定一个新的实常数 3 在对应的接触对之间生成接触单元 生成接触单元使用GCGEN命令或对应菜单 MainMenu Preprocessor Modeling Create Elements SurftoContact NodetoSurf 综合Step2和Step3 可将生成接触单元的标准命令流总结如下 NSEL S NODE 在接触面上选择一组节点CM CONTACT NODE 将所有节点定义成组元 CONTACT NSEL S NODE 在目标单元上选择一组节点CM TARGET NODE 将所选节点定义成组元 TARGET NSEL ALL 选中所有节点E 设置单元类型R 选择实常数 生成接触单元 GCGEN CONTACT TARGET 对称接触是一种好方法 因为它不需区分哪个面是接触面 哪个面是目标面GCGEN TARGET CONTACT 关于GCGEN中的选项设置 用NUMC或RADC特性减少生成的单元数量 RADC通过定义以目标面质心为中心的园 并只在其间生成接触单元来限制生成的单元数量 图3 2 图3 2 NUMC设置一个数值极限值 每个目标面上生成的接触单元数量不能大于此值 Step4 设置单元关键字和实常数使用点 面接触单元时 程序使用单元关键字和实常数来控制接触行为 对常用的CONTAC48和49单元 单元关键字含义如下 KEYOPT 1 选择自由度 KEYOPT 2 选择罚函数的方法0 Penaltyfunction罚函数法1 Penaltyfunction Lagrangemultiplier 罚函数 拉格朗日法 缺省情况下单元采用罚函数法保证接触协调性 也可以选择混合罚函数和拉格朗日法 此方法还要指定一个穿透容差 单位为长度 KEYOPT 3 选择摩擦类型0 无摩擦1 弹性库仑摩擦2 刚性库仑摩擦 KEYOPT 7 选择接触时间步长预测控制CONTAC48 49单元对控制接触时间预测提供三种选择 没有预测 当自动时间步长被打开并允许小的时间步长时 大多数静力分析选用此项 然而对加载过程中有不连续接触区域的问题 时间步长预测是必须的 KEYOPT 7 0 合理的时间步长 为保持一个合理的时间 载荷增量 需要在接触预测中选择此项 适用于静态分析和连续接触的瞬态分析 KEYOPT 7 1 建议采用 最小的时间载荷增量预测 这个选项在碰撞和断续接触分析中有用 KEYOPT 7 2CONTAC48和49单元实常数 各实常数含义如下 KN 定义法向刚度 KT 定义粘合接触刚度 TOLN 定义最大穿透容差 FACT 定义静摩擦与动摩擦的比值 CONT 定义接触传导率 Step5 施加载荷 设定边界条件 建模时使接触体处于恰好的接触位置 使用给定的位移将它移到某个位置接触分析中加载 设定边界条件方法与步骤和其它非线性分析相同 Step6 定义求解选项点面接触分析中常用求解设置及注意事项 时间步长必须足够小 如果时间步长太大 接触力的光滑传递将被破坏 为确保结果的准确性 可以打开自动步长 Autots on GUI MainMenu Solution LoadStepOpts Time Frequency Time TimeStep 设置一个合适的平衡迭代次数 NEQIT 25 75GUI MainMenu Solution AnalysisType Sol nControls或Solution LoadStepOpts Nonlinear EquilibriumIter 打开时间步长预测 大转动分析除外 PRED on 设置fullNewton Raphson选项 同时打开自适应下降NROPT full 许多接触分析不收敛是因为设置的接触刚度太大 实常数KN取值太大 造成的 这时需要减小接触刚度重新进行分析 Step7 求解solveStep8 后处理接触分析的结果主要包括位移 应力 应变和接触信息 接触信息包括 接触压力 单元的现在和过去状态 分开 没有接触 接触粘合状态接触滑动状态粘合 1 滑动 2或 2 分开 3或4 两个表面间的距离 如果是正值 两表面是分开的 STAT 3或4 如果是负值代表穿透量 STAT 1或2 法向力Fn 滑动力Fs通过动画显示接触结果随时间的变化规律是接触分析有效的 常用的处理方法 点 接触单元接触结果后处理需要使用ETABLE CONTAC48的序列号见CONTAC48单元库 4点一面接触问题分析实例 例1 梁端部接触目标 验证采用点一面接触单元模拟梁端部接触 建立2D点一面接触单元 求解大变形接触分析并进行后处理 图4 1模型描述 悬臂梁施加端部位移 图4 1 图4 1 文件 node to surface inp PREP7ET 1 BEAM3B 0 5H 0 5R 1 B H B H 3 12 HMP EX 1 30e6K 1 0 0 0 K 2 100 0 0K 3 0 1 0 K 4 75 10 K 5 175 10L 1 2 L 4 5LESIZE ALL 20 LATT 1 1 1 3LMESH ALLFINISH SOLUTIONDK 1 ALL 0 DK 5 ALL 0 DK 2 UY 30 PBC U 1 PBC ROT 1FINISHEPLOTSAVE node to surface db其中node to surface db包括有限元模型几何 材料 边界条件 加载 分网 操作步骤 Step1 恢复数据库文件UtilityMenu File Resumefrom选Node to surface db OK Step2 添加2D点一面接触单元类型MainMenu Preprocessor ElementType Add Edit Delete Add contact选2Dpt to Surf48Elementtypereferencenumber 2 OK close 或命令 prep7et 2 contac48Step3 指定接触刚度 由实常数定义 MainMenu Preprocessor RealConstants Add Edit Delete Add Type2CONTAC48 OK RealconstantsetNo 2NormalContactstiffnessKN 30e5 OK close 或命令 R 2 30e5刚度估计按式K f bend E 10F bend 1则K 1 30e6 10 30e5 Step4 选择接触点UtilityMenu Select Entities NodesByNum Pick选择 FromFull OK 拾取节点2 OK 或命令 Nsel 2Step5 建立接触节点组元UtilityMenu Select Comp Assembly CreateComponentComponentname CONTACTComponentismadeof nodes OK 命令 CM CONTACT node Step6 选择目标面节点UtilityMenu Select Entities NodesByNum Pick选择 FromFull OK 选下面梁上节点 共21个 OK 或命令 Nsel 22 42Step7 建立目标节点组元UtilityMenu Select Comp Assembly CreateComponentComponentname TARGETComponentismadeof Nodes OK 或命令 CM TARGET NODEStep8 选择全部实体UtilityMenu Select Everything或命令 Allsel all Step9 设置单元属性MainMenu Preprocessor Modeling Create Elements ElemAttributesElementtypenumber 2CONTAC48Realconstantsetnumber 2 OK 或命令 Type 2Real 2 MAT 1Step10 用定义的组元建立点 面接触单元MainMenu Preprocessor Modeling Create Elements nodetosurf 或命令 GCGEN CONTACT TARGET TOP Step11 指定基本求解控制选项MainMenu Solution AnalysisType Sol nControl选择BASIC 或命令 SoluNLGEOM onTime 30NSUBST 30 300 30OUTRES All AllStep12 求解SolveStep13 后处理 绘制变形图MainMenu GeneralPostproc PlotResults DeformedShape 动画显示变形形状 UtilityMenu PlotCtrls Animate OvertimeNumberofanimationframes 30UseLastDisplay OK 或命令 ANTIME 30 0 5 1 例2 橡胶圆柱体被两块刚性板挤压的接触分析 图示半径R 0 2m的橡胶圆柱体被两块钢板挤压 最大位移Umax 0 2m 图4 2 材料 E 2 82Mpa 0 49967MOONEY Rivilin常数C1 0 293Mpa C2 0 177Mpa 图4 2圆柱体 刚性板的点 面接触 模型分析 本例为三维实体接触 选用HYPER58 三维超弹性实体单元 CONTAC49 三维点一面接触单元 进行分析 由于模型对称性可以采用简化的模型进行分析 用1 4园 平面 用2D模型进行计算 选用HYPER56 二维超弹性实体单元 CONTAC26 二维点 基础接触单元 目标 介绍一种二维点 基础接触单元进行点 面接触分析 用该单元建立接触点与目标面的方法不使用GCGEN命令 而采用直接法用E命令建立单元 CONTAC262DPoint to GroundContact 图4 3 该单元在面的法向方向具有承受压缩的能力 在切线方向具有承受剪切 库仑摩擦 的能力 有三个节点I J K 2个自由度UX UY 面可以是直线或圆弧 R npt STIFN Mp npt MU Keyopt 1 1时 应用库仑摩擦 图4 3 文件 C N S datR 0 2 半径参数变量 prep7et 1 HYPER56 超弹性实体单元 基体分网使用et 2 contac26 二维点 基础接触单元r 2 2000mp ex 1 2 82mp nuxy 1 0 49967tb mooney 1tbdata 1 0 293tbdata 2 0 177csys 1 设置为柱坐标系k 1 k 2 r 90 k 3 r k 4 0 5 r 90k 5 0 6 r 45 k 6 0 5 r k 7 r 45l 2 7 l 7 3csys 0 重新设置为笛卡尔坐标系a 2 7 5 4 a 7 3 6 5 a 4 5 6 1esize 4amesh all 基体分网 创建接触单元 n 1001 2 r r 定义目标节点Jn 1002 2 r r 定义目标节点Kcsys 1 将坐标系设置为柱坐标type 2 接触单元CONTAC26real 2 do j 1 8nodc node r 90 j 1 8 1 0 生成CONTAC26的I节点证基体的圆弧共8个点e nodc 1001 1002 生成接触单元 enddocsys 0nsel s loc x 选x 0的节点 d all ux 将x 0的节点x轴方向的位移置为0nsel s loc y 选y 0的节点cp 1 uy all 耦合y 0的节点在轴方向的位移 get ncen node num min 提取所选节点中最小的节点编号nsel allfini 求解控制 求解 solusolcontrol 0antype staticcnvtol f 1nlgeom onnsubst 6outres 1 求解结果输出设置d ncen uy 0 1 对耦合节点施加载荷uy 0 1solvefini 后处理器 post1 dscale 1 1pldisp 1 绘变形图 post26 进入历程后处理器 axlab y force 标注y轴 axlab x displacement 标注x轴nsol 2 ncen u yrforce 3 ncen f yprod 2 2 2prod 3 2 2xvar 2plvar 3 绘制力 位移曲线plvar 2 3 列表显示力 位移取值fini 例3卡头与卡座的接触分析 图4 4 目标 计算卡头插进卡座和拉出卡座所需的力 此问题属于带厚度的平面应力问题 图4 4建模要点 卡头和卡座的底板被认为是刚性的 因此建模时不考虑 由于对称 用右半部分来建模和计算 卡头与卡座板厚 5材料 E 2 8e3 0 3MU 0 2 摩擦系数 图4 4 文件 IPROG DATStep1 建模 定义单元模型 实常数 材料特性 分网 prep7et 1 plane42 3 带厚度的平面应力et 2 plane42 3mp ex 1 2 8e3r 1 5et 3 48 1 contac482D点 面接触单元 KEYOPT 3 1弹性库仑摩擦k 1 10 k 2 20 k 3 15 18 5 k 4 10 20k 5 12 5 30 k 6 20 30l 1 3 l 4 3 l 4 5 l 5 6 l 6 2 l 2 1al all A1lgen 2 1 3 1 L7 L8 L9k 11 5 k 12 5 30l 11 7 l 11 12 l 12 10 L10 L11 L12lsla s 选L1 L2 L3 L4 L5 L6lsel invertal alllsel allrecting 0 15 0 10 A3asba 2 3 从A2 A3 A4recting 2 4 0 30 0 0 1asel s 4 选A4aatt 1 1 2 MAT 1 Real 1 Type Plane42asel allesize 4amesh all A1 A4分网fini solunsel s loc y 0d all allnsel s loc y 60d all uxnsel allfinisave IPROG db 以下进行接触分析 Step2 识别接触对L3 L17 L9L2 L8 创建4个节点组元 将L9和L17线上的节点定义为组元 snapins 卡头插入 lsel s 9 选L9lsel a 17 加L17nsll s 1 与L9 L17相连的节点cm snapins node 定义组元snapins 将L3线上的节点定义为 snapprg 插入卡座 组元lsel s 3 选L3nsll s 1cm snapprg node 将L8线上的节点定义为组元 pullins 拉出卡头 lsel s 8 选L8nsll s 1cm pullins node 将L2线上的节点定义为组元 pullprg 拉出卡座 lsel s 2 选L2nsll s 1cm pullprg nodelsel allnsel all Step3 生成接触单元 定义单元类型 实常数 材料特性 单元类型et 3 48 1已在IPROG db中指定了 现指定材料号3 摩擦系数MU 0 2 prep7mp mu 3 0 2 指定单元实常数 r 3 6e3 法向刚度KN 6E3r 4 6e3 法向刚度KN 6E3 生成接触单元 mat 3 MU 0 2real 3 KN 6E3 插入时接触的两个面之间生成对称接触单元gcgen snapins snapprg 生成对称接触单元gcgen snapprg snapins 查看接触单元 接触单元在接触面上是节点 用 显示 在目标面上 单元上的节点 用线2D显示 命令 shrink分离开显示清晰 拉出时接触的两个面之间生成接触单元 将实常数改为4real 4gcgen pullins pullprggcgen pullprg pullinsStep4 设置单元关键字选项和实常数前面已做 et 3 48 1r 3 6e3r 4 6e3 Step5 施加边界条件前面已做Step6 定义求解选项 solupred on 打开预测器autot on 打开自动时间步nsubst 10 100 5 设置子步数 最大 最小值outres all allStep7 加载 求解第1载荷步 给y 60的所有节点施加uy 30的位移nsel s loc y 60d all uy 30nsel allsolve 求解第1载荷步 第2载荷步给y 60的所有节点施加uy 27的位移 即以第1载荷步的计算结果为基础 将卡头上拉3个单位nsel s loc y 60d all uy 27nsel alllnsr on 打开线性搜索solve 求解第2载荷步Step8 后处理查看结果 post1set 0 8 set lstep sbstep fact kimg timeesel s type 3 选contac48etable st nmisc 1etable gap nmisc 3etable length nmisc 4 contac48序列号 STATNMISC1单元现在状态 GAPNMISC3间隙尺寸或穿透深度 LENNMISC4目标线长度Esel s etab st 1 2 输出3个接触单元 MainMenu GeneralPostproc ListResults SortedListing SortElems MainMenu GeneralPostproc ListResults ElemTableData Esel all dscal 1 按1 1绘图 edge 1 不显示单元线 只显示轮廓线esel u type 3 不选接触单元set first time 0 1pldiset 0 8plns s eqv VonMise应力云图 post26nsol 2 39 u y disprfor 3 42 f yrfor 4 43 f yrfor 5 39 f yadd 6 3 4 5 forceadd 2 2 1 axlab x dispxvar 2plva 6fini 第五章点 点接触单元 1概述点一点接触单元是ANSYS早期开发的单元 但改进工作一直在进行 5 7版本中新增加的CONTA178单元更添加了新的特性 点一点接触单元是最简单也是最高效的接触单元 当模型可以使用此类单元时 它们可以高效地模拟广泛的接触问题 1 常用的点一点接触单元 图1 1 图1 1 如果将Contac52和Contac178所有UZ自由度约束住 也可用于2D分析 三种点一点接触单元中CONTA178单元提供最强的功能 更多的接触算法 精确的接触约束协调性 0 穿透 更多的接触行为选项 定义接触法向更灵活2 点一点接触单元可以模拟面一面接触问题 如果 相对滑动变形量可以忽略 两个面的偏移 转动 保持很小3 点一点接触单元在节点处传递力 此特性限制它们只能用低能单元 角节点 因为带中间节点的单元节点上约束反力不均匀 2点一点接触单元的生成方法 有三种方法生成点 点接触单元 1 直接生成2 在重合节点 或接近重合 上生成单元Step1 在表面上选择节点Step2 为点一点接触单元设置单元属性Step3 生成单元MainMenu Preprocessor Modeling Create Elements AutoNumbered AtCoincidNd 注意 此特性要求面间的分离必须小于重合容差 且必须小于每个面上节点间的距离 3 在偏移节点上生成单元 对非重合节点很方便MainMenu Preprocessor Modeling Create Elements AutoNumbered offsetNodes 3点一点接触单元选项 1 接触协调性 CONTA178提供不同的接触算法 K2 纯拉格朗日乘子法几乎0穿透和滑移 不需要接触刚度更多的自由度出现震颤问题用PCG求解器时不要使用 修正的拉格朗日方法 需要FKN和TOLN 纯罚函数方法 法向拉格朗日乘子法和切向罚函数法 CONTAC12和ConTAC52只限于罚函数法 指定接触刚度 单位 力 长度 2 摩擦和接触行为 三种单元都支持摩擦 可为MU指定非0值 Conta178支持与面一面接触单元同样类型的接触行为 标准 粗糙 不分离 滑动 绑定 不分离 永远 绑定接触 永远 绑定接触 初始接触 Contac12和Contac52只限于标准摩擦行为3 初始穿透 Conta178允许渐近化初始穿透 Contac12和Contac52支持初始间隙或初始穿透 但不能是渐进化的 4 后处理这些单元接触结果后处理需要采用ETABLE操作 例 用点一点接触单元模拟面一面接触 图3 1 目标 建立3D点一点接触单元并求解小变形接触问题 验证采用点一点接触单元模拟面一面接触 图3 1 模型 施加压力载荷 1 2对称 node to node inpFINI CLEAR PREP7ET 1 PLANE182 2D4nodestructuralsolidET 2 SOLID185 2D8NODEstructuralsolidET 3 SURF154 表面效应单元MP EX 1 10E6RECTNG 0 1 5 1 0RECTNG 0 1 0 0 0 25ASEL 1 1 Asel s AREA Comp VMIN VMAX VINC KSWP 与所选面相连的关键点 线 节点 单元 LSEL R LOC X 0LESIZE ALL 10 2 0ASEL 1 1LSEL R LOC X 1 5LESIZE ALL 10 0 5 0ASEL 2 1LSEL U LOC X 0 5LESIZE ALL 4 0ALLSEL ALL TYPE 1REAL 2ESIZE 0 1AMESH ALLTYPE 2EXTOPT ESIZE 4 Extopt lab val1 val2 val3从面单元生成体单元有关的控制选项 Lab esizeVal1设置单元分割组 MainMenu Preprocessor Meshing Mesh VolumeSweep SweepoptsVOFFST 1 0 5VOFFST 2 0 5 VOFFST NAREA DIST KING从给定的面移动生成体 NAREA面号 DIST给定面沿法线移动的距离 MainMenu Preprocessor Modeling Operate Extrude Alongnormal TYPE 3 表面效应单元ASEL LOC Y 0 25 选顶面NSLA 1 和顶面相连的节点ESURF 生成表面效应单元ASEL LOC Z 0ACLEAR ALLETDELE 1 删除单元类型1 单元类型2 1 单元类型3 2ALLSEL ALLNUMCMP ALL 压缩编号 SOLUTIONNSEL LOC X 0D ALL UX 0NSEL LOC Y 1 选底面节点D ALL UY 0NSEL LOC Z 0 25 固定中间面上的节点UZ 0D ALL UZ 0ESEL ENAME SURF154 选表面效应单元NSLE 与此单元相连的节点 GET NUMELEM ELEM COUNT 单元数M 5500B 5500 DO I 1 NUMELEM 顶面加载 GET EID ELEM NUM MIN 最小单元号PRESSURE M CENTRX EID BSFE EID 1 PRES PRESSUREESEL U EID ENDDOALLSEL ALLEPLOTFINISHSAVE node to node db 数据库文件包含有限元模型的几何 单元 材料 边界条件与载荷 不包含接触单元 以下接触分析用GUI与命令流做 Step1 恢复数据库文件UtilityMenu File ResumefromNode to node dbStep2 添加3D点 点接触单元 prep7et 3 conta178Step3 为接触单元定义实常数MainMenu preprocessor Add Edit DeleteStep4 设置单元属性Type 3 Conta178Mat 1Real 1Step5 在重合节点建立点 点接触单元MainMenu Preprocessor Modeling Create Elements AutoNumbered AtCoincidNdToleranceofCoincidence 0 0001NodalnumberOrdering Lowtohigh OK pickall 或命令 EINTF 0 0001 Step6 求解接触分析 Solusolve 注意 如果Conta178节点重合 则必须通过实常数NX NY NZ 间隙方向矢量的全局笛卡尔坐标X Y Z的分量 指定间隙方向 对本模型 接触方向平行于Y轴 因此矢量坐标