ANSYS_接触问题实例

ANSYS高级接触问题 接触问题概述在工程中会遇到大量的接触问题 如齿轮的啮合 法兰联接 机电轴承接触 卡头与卡座 密封 板成形 冲击等等 接触是典型的状态非线性问题 它是一种高度非线性行为 接触例子如图1 分析中常常需要确定两个或多个相互接触物体的位移 接触区域的大小和接触面上的应力分布 接触分析存在两大难点 在求解之前 你不知道接触区域 表面之间是接触或分开是未知的 表面之间突然接触或突然不接触会导致系统刚度的突然变化 大多数接触问题需要计算摩擦 摩擦是与路径有关的现象 摩擦响应还可能是杂乱的 使问题求解难以收敛 1接触分类 刚 柔 一个表面是完全刚性的 除刚体运动外无应变 应力和变形 另一表面为软材料构成是可变形的 只在一个表面特别刚硬并且不关心刚硬物体的应力时有效 柔 柔两个接触体都可以变形 2接触单元 ANSYS采用接触单元来模拟接触问题 跟踪接触位置 保证接触协调性 防止接触表面相互穿透 在接触表面之间传递接触应力 正压力和摩擦 接触单元就是覆盖在分析模型接触面上的一层单元 在ANSYS中可以采用三种不同的单元来模拟接触 面一面接触单元 点一面接触单元 点一点接触单元 不同的单元类型具有完全不同的单元特性和分析过程 1 面一面接触单元用于任意形状的两个表面接触 不必事先知道接触的准确位置 两个面可以具有不同的网格 支持大的相对滑动 支持大应变和大转动 例如 面一面接触可以模拟金属成型 如轧制过程 2 点一面接触单元用于某一点和任意形状的面的接触 可使用多个点 面接触单元模拟棱边和面的接触 不必事先知道接触的准确位置 两个面可以具有不同的网格 支持大的相对滑动 支持大应变和大转动 例 点面接触可以模拟棱边和面之间的接触 3 点 点接触单元用于模拟单点和另一个确定点之间的接触 建立模型时必须事先知道确切的接触位置 多个点 点接触单元可以模拟两个具有多个单元表面间的接触 每个表面的网格必须是相同的 相对滑动必须很小 只对小的转动响应有效 例如 点一点接触可以模拟一些面的接触 如地基和土壤的接触 3关于耦合和约束方程的应用 如果接触模型没有摩擦 接触区域始终粘在一起 并且分析是小挠度 小转动问题 那么可以用耦合或约束方程代替接触 使用耦合或约束方程的优点是分析还是线性的 接触问题的一般特性 1接触刚度1 所有的ANSYS接触单元都采用罚刚度 接触刚度 来保证接触界面的协调性 在数学上为保持平衡 需要有穿透值 然而 物理接触实体是没有穿透的分析者将面对困难的选择 小的穿透计算精度高 因此接触刚度应该大 然而 太大的接触刚度会产生收敛困难 模型可能会振荡 接触表面互相跳开 接触刚度是同时影响计算精度和收敛的最重要的参数 你必须选定一个合适的接触刚度 除了在表面间传递法向压力外 接触单元还传递切向运动 摩擦 采用切向罚刚度保证切向的协调性 图1 2 作为初值 可采用 Ktangent 0 01Knormal切向罚刚度与法向罚刚度以同样的方式对收敛性和计算精度产生影响 2 接触刚度的选取 选定一个合适的接触刚度值需要一些经验 对于面一面接触单元 接触刚度通常指定为基体单元刚度的一个比例因子 开始估计时 选用FKN 1 0大面积实体接触FKN 0 01 0 1较柔软 弯曲占主导的 部分 另外 也可以指定一个绝对刚度值 单位 力 长度 面积 点一点 除CONTA178 和点 面接触单元需要为罚刚度KN输入绝对值 初始估计时 对于大变形 0 1 E KN 1 0 E对于弯曲 0 01 E KN 0 1 EE为弹性模量 3 选取接触刚度的指导 Step1 开始采用较小的刚度值Step2 对前几个子步进行计算Step3 检查穿透量和每一个子步中的平衡迭代次数 在粗略的检查中 如以实际比例显示整个模型时就能观察到穿透 则穿透可能太大了 需要提高刚度重新分析 如果收敛的迭代次数过多 或未收敛 降低刚度重新分析 注意 罚刚度可以在载荷步间改变 并且可以在重启动中调整 牢记 接触刚度是同时影响计算精度和收敛性的最重要的参数 如果收敛有问题 减小刚度值 重新分析在敏感的分析中 还应该改变罚刚度来验证计算结果的有效性 在分析中减小刚度范围 直到结果 接触压力 最大SEQV等 不再明显改变 2摩擦 1 两个接触体的剪切或滑动行为可以是无摩擦的或有摩擦的 无摩擦时允许物体没有阻力地相互滑动 有摩擦时 物体之间会产生剪切力 2 摩擦消耗能量 并且是路径相关行为 为获得较高的精度 时间步长必须小 图2 1 图2 13 ANSYS中 摩擦采用库仑模型 并有附加选项可处理复杂的粘着和剪切行为 库仑法则是宏观模型 表述物体间的等效剪力FT不能超过正压力FN的一部分 FT FN 式中 一摩擦系数 一旦所受剪力超过FT 两物体将发生相对滑动 4 弹性库仑摩擦模型 允许粘着和滑动 3自动时间步 控制 接触单元的Keyopt 7 选项控制时间步的预报 0 无控制 不影响时间步尺寸 当自动时间步开关打开时 对于静态问题通常选此项 1 自动缩减 如果接触状态改变较大 时间步二分 对于动态问题 自动缩减通常是充分的 2 合理的 比自动缩减费用更昂贵的算法 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时瞬态分析 3 最小值 该选项为下一子步 预报时间增量的最小值 计算费用十分昂贵 建议不用 这个选项在碰撞和断续接触分析中是有用的 接触分析中自动时间步的其它注意事项 与所有其它非线性分析一样 对接触问题 时间步长是非常有力的提高收敛性的工具 采用足够小的时间步长以获得收敛 对于瞬态分析 冲击时必须使用足够数量的计算步以描述表面间的动量转移 对于路径相关现象 如接触摩擦 相对较小的最大时间步长对计算精度是必须的 面一面接触单元 1概述面 面接触单元 是模拟任意两个表面间接触的方法 表面可以具有任意形状 是ANSYS中最通用的接触单元 精度高 特性丰富还可使用接触向导建模方便 其它接触单元目前尚不能用向导 面 面接触单元在面的高斯点处传递压力 这种先进技术使面 面接触单元具有很多优点 与低阶单元和高阶单元都兼容 提供更好的接触结果 于后处理接触压力和摩擦应力 可考虑壳和梁的厚度 以及壳的厚度变化 半自动接触刚度计算 刚性表面由 控制节点 控制 热接触特性 众多的高级选项来处理复杂问题 具有众多的高级选项 20个可用的实常数 2个材料属性和30个可用的单元选项 提供了丰富的特征库 能够用于模拟特殊的效果和处理困难的收敛情况 然而众多的选项的智能缺省选项可以有效求解许多接触问题而不需要用户介入太多 通常的做法是 开始使用高级选项之前 先试着采用缺省设置 只指定罚刚度 穿透容差和子步数 然后进行分析 只在采用缺省设置遇到困难时才采用高级选项 所有的高级选项也可以通过接触向导来控制 2面 面接触单元 使用面 面接触单元计算刚 柔 柔 柔接触分析 把一个面指定为目标面 Targe 另一个面指定为接触面 conta 合起来叫接触对 接触单元被约束不能侵入目标面 然而目标单元能侵入接触面 2D目标单元TARGE169 2D面 面接触单元CONTA1712D 2节点低阶单元 可用于二维实体 壳 梁单元的表面CONTA1722D 3节点高阶单元 可用于带中间节点的二维实体单元表面 3D目标单元TARGE170 3面一面接触分析步骤 实例 不通过接触向导创建接触对 Step1 建立基体有限元模型设置基体单元类型 实常数 材料特性给基体分网 命令 AMESHVMESHStep2 指定接触面和目标面 对于刚一柔接触 目标面总是刚性面 对于柔 柔接触 目标面和接触面的不同选择会产生不同的穿透 图3 1 并且影响求解精度 图3 1 接触面和目标面确定准则 如凸面和平面或凹面接触 应指定平面或凹面为目标面 如一个面上的网格较粗而另一个面上的网格较细 应指定粗网格面为目标面 如一个面比另一个面的刚度大 应指定刚度大的面为目标面 如一个面为高阶单元而另一面为低阶单元 应指定低阶单元面为目标面 如一个面比另一个面大 应指定大的面为目标面 例如 超弹密封 Step3 设置单元选项和实常数接触对由实常数号来定义 接触单元和目标单元必须具有相同的实常数 Step4 建立目标单元 网格 此步中所采用的方法依赖于目标面是刚性的还是柔性的 刚性目标面采用 直接生成 E命令 自动划分 LMESH AMEAH 可变形目标面采用MainMenu Preprocessor Modeling Create Elements Surf Contact SurftoSurf ESURF 对于直接生成刚性目标面 在建立目标单元之前需要要指定附加的单元属性TSHAP 刚性目标面的自动划分不需要TSHAP ANSYS能根据实体模型确定合适的目标单元形状 划分线 LMESH 2 D刚性目标面 划分面 AMESH 3 D刚性目标面 创建关键点 KMESH 控制节点 Pilot 刚性目标面能与控制点联系起来 Pilot实际上是只有一个节点的单元 通过这个节点的运动可以控制整个目标面的运动 ANSYS只在Pilot节点上检查边界条件而忽略其它节点的约束 对可变形体目标面建立目标单元的步骤是 1 先选择可变形体表面上的节点2 然后在可变形体上建立目标单元MainMenu Preprocessor Modeling Create Elements Surf Contact SurftoSurf ANSYS将根据基体的网格确定目标单元形状和外法线方向 检查外法线方向 这在自动划分刚性目标面时非常重要 图3 3 打开单元坐标系标志并重绘单元 PSYMS ESYS 1 目标单元外法线方向应该指向接触面 如果单元法向不指向接触面 用命令使之反转 ESURF REVE 例 Seal dat 图3 3 Step5 建立接触面单元 设置接触单元属性 选择可变形体表面节点 并在可变形体上建立接触单元 过程与在可变形体上建立目标单元相同 MainMenu Preprocessor Modeling Create Elements Surf Contact SurftoSurf 这些接触单元与基体有同样的阶数 低阶或高阶 注意 在壳或梁单元上建立目标单元或接触单元时 可以选择要在梁或壳单元的顶层还是底层建立单元 图3 3 在选择柔体表面上的节点时 如果你确定某一部分节点永远不会接触到目标面时 可以忽略它 以减少计算时间 接触面的外法向应指向目标面 如果发现外法线方向不正确 用下列命令修改之ESURF REVEStep6 在有限元模型上施加边界条件 如果目标面是刚性面 目标面将会自动固定 定义了Pilot点ANSYS只检查该点的边界条件 忽略目标面上其它节点约束 控制点能控制目标面的运动 对Seal dat施加的边界条见图3 3 Step7 定义求解选项和载荷步 以下是默认设置 推荐使用N L求解自动控制 使用不带自适应下降的fullNewton Raphson法求解 时间步必须足够小 使用自动时间步 子步数的最大值 NSBMX 应较大 最小值 NSBMIN 应较小Step8 求解Step9 后处理 结果包括位移 应力 应变和接触等信息 接触压力 摩擦应力 总应力 接触侵入 接触间隙距离 滑动距离和接触状态都可以从 POST1或 POST26中得到 面一面接触分析实例 建立接触对不通过接触向导 实例1 弹性环装配 轴对称施加位移载荷 在L45线上施加0 4 的 Y向位移打开几何N L开关 NLGEOM on 设Time 0 4并为自动时间步给出子步数 20 500 10 给出输出控制 要求输出每一子步结果 求解并查看输出和监视文件重启动分析亦将 Y向偏移量增加到0 55 使咬接装配的第2个齿咬合 问题以弯曲为主 设FKN 0 1 GUI方式 Step1 恢复数据库文件Snap db Snap db数据库包含此有限元模型的完整几何模型 材料 边界条件 但未定义目标单元与接触单元 UtilityMenu File Resumefrom选Snap db OK 基体单元 Plane42 1轴对称材料 MAT 1EX 0 175e6 UXY 0 35 MU 0 0MAT 2EX 90000 NUXY 0 35约束节点163UY 0182UY 0 Step2 创建目标面单元类型MainMenu Preprocessor ElementTyper Add Edit Delete Add contact2Dtarget169 Elementtyperreferencenumber 2 OK 或命令 PREP7ET 2 Target169Step3 建立接触面单元类型MainMenu Preprocessor ElementTyper Add Edit Delete Add contact2ndSurf171 Elementtyperreferencenumber 3 OK close 或命令 ET 3 conta171 Step4 指定接触法向刚度MainMenu Preprocessor RealConstants Add Edit Delete Add Type3CONTA171 OK RealConstantSetNo 1 NormalPenaltyStiffnessFKN 0 1 对弯曲问题采用初值0 1 PenetrationtoleranceFTOLN 0 1 不用此 不收敛 或命令 R 1 0 1 0 1 确定罚刚度FKN值通常在0 01 10之间 对于体积变形问题用1 0 默认 对弯曲问题用0 1确定侵入容差 侵入容差 FTOLN 是与接触单元下面的实体单元深度 h 相乘的比例因子 若此值太小会引起收敛困难 绝对不要用太小的容差 增大罚刚度 FKN 将减少侵入 将FKN增大100倍会相应地减少侵入 但是接触压力只改变5 如不收敛可调整FKN或FTOLN值重新运行 检查侵入和每个子步的平衡迭代数 如果收敛受入侵容差的驱使可能是FKN值估计不足或FTOLN值太小 如果需要多次迭代才能使残值收敛而不是侵入 FKN值可能估计得太高 Step5 创建目标单元 1 为目标面选择线UtilityMenu Select Entities拾取线 图3 5 OK 或命令 LSEL S 2 4LSEL A 15 18 图3 6LSEL A 63 2 选择附于线上的全部节点 图3 6 UtilityMenu Select EntitiesNodesAttachedto lines all OK 或命令 NSLL S 1NPlot 图3 5 图3 6 3 设置单元属性MainMenu Preprocessor Create Element ElemAttributes或命令 Type 2Mat 1Real 1 4 创建目标单元MainMenu Preprocessor Modeling Create Elements Surf Contact SurftoSurf注意 如果基体单元是2D平面或3D实体单元 Tlab 无效 如果基体单元是2D单元 Shape 无效 选 pickall 或命令 ESURF 图3 7 图3 7 Step6 创建接触单元 1 为接触面选线UtilityMenu Select EntitiesLines图3 8ByNum pick FromFull OK 选线 图3 8 OK 或命令 LSEL s 33 34LSEL a 43 44 2 选择附于选定线上的全部节点图3 9UtilityMenu Select EntitiesNodesAttachedtoLines all FromFull OK 或命令 NSLL S 1Nplot 图3 9 图3 8 图3 9 3 设置单元属性MainMenu Preprocessor Create Element ElemAttributesElementtypenumber 3ConTA171Materialnumber 1Realconstantsetnumber 1 OK 或命令 Type 3Mat 1Real 1 4 创建接触面单元图3 11MainMenu Preprocessor Modeling Create Elements Surf Contact SurftoSurf图3 10 OK PICKALL 图3 10 或命令 ESURF 图3 10 图3 11 Step7 选择所有选项并画单元UtilityMenu Select EverythingUtilityMenu Plot Elements或命令 Allsel allEplot 图3 11 Step8 求解 soluantype staticnlgeom onsolc ontime 0 4nsubst 20 500 10outres all alldl 45 uy 0 4solvedl 45 uy 0 55solvefiniStep9 后处理 4应用接触向导创建接触对 所有面 面接触的单元选项和参数都可以通过接触向导来控制 使用接触向导进行接触分析方便快捷 自动定义单元类型和实常数 快速得到接触选项和参数 快速显示和反转接触法向使用接触向导必须首先对基体进行网格划分 否则不能激活接触向导 下面仍以弹性环装配接触问题为例 采用接触向导完成接触对的创建来说明接触向导的使用方法 Step1 恢复数据文件UtilityMenu File Resumefrom 选Snap db OK 图4 1 此数据库Snap db包括此有限元模型的几何 基体单元 分网 材料和边界条件 但不包括接触单元与目标单元及接触有关的参数 图4 1 Step2 启动接触向导MainMenu Preprocessor Modeling Create ContactPair Step3 创建接触对 图4 3图4 4 PickTarget 图4 3 拾取线 见图3 5 OK 再定义接触面返回图4 4 Next 图4 5 图4 5 openingsetting 图4 6 图4 6 Step4 设置接触参数 OK 返回图4 5 create Finish 返回图4 2 退出Step5 求解求解过程同前 图4 2 5实例2平面密封圈计算 验证为接触刚度估计一个合适的初始值的重要性 验证接触分析中摩擦的应用 弹性库仑摩擦 验证基于接触单元临界状态变化的时间步预测如何会对计算效率有害模型描述 2D超弹平面密封圈1 2对称 密封圈压缩模拟 分析此模采用两种方法 1 不使用接触向导 建立命流文件Seal inp2 使用接触向导创建接触对 并用GUI方式创建Pilot节点 本例具有 几何N L 大应变与大变形 材料N L 超弹 接触N L数据文件 Seal inp Step1 建模 单元类型 实常数 材料特性 基体分网 prep7et 1 56 HYPER562D4nodeU PHyperelasticSolidmp nuxy 0 49tb mooney 1tbdata 1 80 C10 80tbdata 2 20 C01 20k 1 k 2 0 333 0 k 3 0 867 0 867k 4 1 1 0 867k 5 1 1 1 k 6 0 8 1 k 7 0 267 0 133k 8 0 0 133l 1 2 repeat 7 1 1 将l 1 2命令重复7次l 8 1lfil 1 2 0 20 lfil 2 3 0 15 lfil 5 6 0 20lfil 6 7 0 15 lfil 7 8 0 05 lfil 8 1 0 05al all 应用所有选择的线生成面k 25 0 6 0 k 26 1 1 0 k 27 0 6 1 0 k 28 1 1 1 0lstr 26 25 L9lstr 27 28 L10 图5 2 基体分网 lesize 8 2 lesize 13 4 lesize 14 4esize 0 035type 1mat 1amesh allsave seal dbStep2 创建接触对 先定义单元和接触参数et 2 169 Target1692DTargetSegmentet 3 171 Conta1712DSurfacetoSurfaceContactmp mu 1 0 用材料特性定义摩擦 本例先无摩擦计算然后再有摩擦计算 比较结果r 1 0 1 0 1 用实常数定义接触高级选项对于弯曲为主的问题 采用接触刚度FKN 0 1作为初始估计值 FTOLN 0 1lagrange穿透比例系数 缺省值 r 2 0 1 0 1 如果FKN 1 0则不收敛 创建接触对1 定义实常数和分网 type 2 目标面1Target169real 1 Target169的实常数mat 1 接触面1定义材料与超弹单元同lesize 15 1 目标面1 L15 分网尺寸 图5 3 lmesh 15 目标面1 L15 分网 采用自动分网 此刚性面自动约束 检查外法线方向 OK 接触面1 实常数 与目标面1一致 分网lsel s line 1 3 1 选L1 L2 L3lsel a line 9 10 1 再加L9 L10lsel a line 14 再加L14nsll s 1 选择和所选线相连系的节点type 3 Conta171这里未发布Real 1 实常数未重新定义就是前面的Real 1 MAT也是前面的MAT 1esurf 生成接触单元lsel all 检查外法线方向 OK 图5 3 创建接触对2 type 2 目标面2Target169real 2 MAT未重新定义 就是前面的MAT 1lesize 16 1 目标面2lmesh 16 L16分网 目标2分网 kmesh 27 指定Pilot点 检查外法线方向 OK type 3 接触面2Conta171Real 2 Mat 1lsel s line 5 7 1 选L5 L6 L7lsel a line 11 13 1 再加L11 L12 L13nsll s 1esurf 生成接触单元 其Real 2 Mat 1lsel allnsel all 检查外法线方向 OK Step3 施加边界条件 刚性面1被约束 刚性面2随Pilot点移动 L4对称约束dl 4 ux 0n load node kx 27 ky 27 0 为定义刚性面2的位移做准备finishStep4 定义求解选项和载荷步 solunlgeom onsolc on N L求解自动控制打开 缺省 time 0 85 载荷步 结束时间d n load uy 0 85nsubst 25 500 10outres all allmonitor var3 n load fy Step5 求解solveStep6 查看结果 post1pldsp 2 变形图plnsol s eqv 0 1 VonMises应力云图plnsol cont pres 0 接触压力图plnsol epto eqv 绘等效总应变图5 4save seal db 定义反力变量 绘载荷变形图 UtilityMenu Plot ElementsMainMenu TimeHistPostpro DefineVariables Add Reactionforce OK 拾取节点263 控制点 OK User SpecifiedLoad FORCE FY OK close 或命令 POST26RFORCE 2 263 F Y FORCEMainMenu TimeHistPostpro GraphVariables 1stVariabletogragh 2 OK 或命令 PLVAR 2 图5 4 图5 4 2 用接触向导创建接触对 用GUI方式创建Pilot节点 刚性面控制点 然后求解 Step1 恢复数据库文件Seal db 包括基体的几何 单元 分网 没有选接接触单元与目标单元 未定义接触对 UtilityMenu File Resumefrom 选Seal db OK Step2 启动接触向导MainMenu Preprocessor Modeling Create ContactPair图4 2 contactWizard 创建接触对1 图5 5 选线 1 接触对1的目标面 OK 返回图5 5 next 图5 6选线 2 接触对1的接触面 OK 返回图5 6 next Step3 设置接触参数 图5 7 图5 8图5 9 定义摩擦 图5 9 OK 返回图5 7Coefficientfriction0 2 Create 5 11图5 12接触对1 图5 11 图5 10图 Step5 创建目标单元控制点 1 设置单元属性用命令流 Type 4MAT 1REAL 4TSHAP PIL10GUI MainMenu Preprocessor Modeling Create Element ElemAttributes 图5 14 2 绘关键点UtilityMenu Plot Keypoints Keypoints 3 建立目标单元控制点MainMenu Preprocessor Meshing Mesh Keypoints选K27 OK 或命令流 KMESH 27Step6 施加位移约束控制点27上施加UY 0 85MainMenu Solution DefineLoads Apply Structural Displacement OnKeypoints选K27 OK Lab2DOFstobeconstrained UYValue 0 5 OK 施加对称边界条件 MainMenu Solution DefineLoads Apply Structural Displacement SymmetryB C OnLines选线L4 OK Step7 求解控制 求解MainMenu Solution AnalysisType Sol nControls MainMenu Solution Solve LS CurrentStep8 后处理同1无摩擦 MU 0 VonMises 145 096有摩擦 MU 0 2 VonMises 142 038接触刚度取1 0不收敛0 1收敛 POST26MainMenu TimeHistPostpro选控制点27 绘图 见图5 4 面一面接触具有20个可用实常数 2个材料属性和30个可用单元选项设置 能够模拟特殊的效果和处理困难的收敛情况 通常分析开始先用缺省值 只指定罚刚度和穿透容差及子步数 只能在缺省设置遇到困难时才用高级选项 所有的单元选项和参数都可以通过接触向导来控制 也可以通过实常数和单元选项来指定 Conta178接触单元 实常数选项见图6 1及6 2 图6 1图6 2 6面一面接触单元高级接触选项 进入接触选项菜单用下列过程 MainMenu Preprocessor Modeling Create ContactPair选 property 1 第1个重要选项 如何保证接触协调性 使用修正的拉朗日法 缺省 纯罚函数方法在接触向导中BasicContactalgorithm AugmentedLagrangeMethodPenaltyMethod 对大多数模型 修正的拉格朗日方法能很好地工作 罚函数法推荐用于具有变形很大的单元 很大的摩擦系数和 或用修正的拉格朗日方法时收敛性很差的情况 最重要的选项是法向罚刚度或接触刚度 对于大面积接触采用起始值 因子 1 0 对于柔性接触采用0 1 大值对应较高精度 小值对应较好的收敛性 有时最好先以较小的接触刚度进行分析 然后在一系列载荷步中逐渐增大刚度 渐变 的接触刚度 提高收敛性图6 2在最后的载荷步逐渐提高到一个刚硬的值将提高计算精度 可通过向导的基本表或单元特性菜单设置以允许程序更新接触刚度接触向导BasicNormalPenaltyStiffness1 0 factor constant向导Basiccontactstiffnessupdate Eachloadstep PAIRIDbased noneEachloadstep 允许用户指定刚度变化 Eachsubstep 允许自动和用户指定变化 2 第2个重要选项 穿透容差 缺省情况下 穿透容差是一个因子乘以基体单元厚度 对于变化很大的网格密度 采用因子会在接触表面的某些部分产生太小的容差 这时采用绝对值可能更好 不要使用太小的容差 因为它总是对收敛性有害 3 对于临界接触状态变化的自动时间步控制 不控制 不影响自动时间步 对静力问题自动时间步打开时此选项一般是足够的 自动二分 如果接触状态变化明显 时间步长将二分 对于动力问题自动二分通常是足够的 合理值 比自动细分更耗时的算法 最小值 此选项为下一步预测最小时间增量 很耗计算时间 不推荐 或在单元选项中控制 Contacttime loadpredictionK7 Noprediction 4 Pinball区域影响接触状态的确定和其它许多接触特性 Pinball区域是环绕接触单元的园 2D 或球 3D 描述接触单元周围 远 和 近 区域的边界 图6 3 在缺省情况下 Pinball区域半径是4 基体单元厚度 刚 柔 或2 基体单元厚度 柔一柔 可以为Pinball半径指定一个不同的值 图6 3 也可用实常数PINB调整球形区 对于初始值侵入大的问题是必要的 5 几种不同的接触模式这些选项使你能够模拟特殊的物理现象 或单元选项 BehaviorcontactsurfaceK12 standard这些选项包括 标准 正常的接触闭合和打开行为 具有正常的粘着 滑动摩擦行为 粗糙 正常接触闭合和打开行为 但不发生滑动 类似于具有无限摩擦系数 不分离 滑动 目标面和接触面一旦建立接触就不再分离 允许滑动 绑定 目标面和接触面一旦接触就粘在一起 不分离 永远 初始位于Pinball区域内或已经接触的接触检查点在法向不分离 允许滑动 绑定接触 永远 初始位于Pinball区域内或已经接触的接触检查点在剩余的分析过程中绑定在一起 DesignSpace缺省值 绑定接触 初始接触 只在初始接触的地方采用绑定 初始分开的地方保持分开 计算实例 悬臂梁端部旋转 不分离行为 6 影响某些表面行为的选项 ContactOpeningstiffness 分开时的间隙刚度 保证不分离和绑定行为 它通过使用当存在间隙也具有非零刚度的弹簧来连接表面 缺省情况下 此弹簧刚度等于法向罚刚度 其效果类似于法向罚刚度 刚度太小精度低 刚度太大会引起收敛问题 摩擦系数影响基本摩擦行为 Contactcohesion表示当没有法向压力时开始滑动的摩擦应力值 摩擦导致非对称刚度阵 因为非对称矩阵很难计算 因此导致求解变慢 程序自动控制执行对称求解 利用此算法可以解决多数含摩擦接触问题 有时 采用非对称矩阵能获用更好的收敛性 如果遇到收敛缓慢问题可以用不对称求解选项 记住 这种情况必须使用稀疏或波前求解器 对于每个支持非对称矩阵的单元 此选项也可以由下列菜单激活 MainMenu Solution UnabridgedMenu AnalysisOptions设置Newton Raphson选项为FullN Runsymm 7 初始穿透 有几种技术可以模拟初始穿透接触问题 如过盈装置配 可以使用初始几何穿透 或指定偏移量 或二者皆有 图6 5 指定偏移量 CNOF 或在实常数中指定偏移量 CNOF contactsurfaceoffsetCNOF 0 025 正的CNOF加大初始穿透 负的CNOF减小初始穿透或导致间隙 CNOF可与几何穿透组合 自动CNOF调整允许ANSYS基于初始穿透自动给定CNOF值 导致 刚好接触 配置 ICONT缺省为0 或单元选项 AutoCNOF ICONTadjustmentK5 No Auto Adjust 初始穿透选项包括 Includeeverything 包括由几何模型和指定偏移量 如果有的话 引起的初始穿透 Excludeeverything 忽略所有初始穿透效应 Includewithrampedeffects 渐变初始穿透 以提高收敛性 Includeoffsetonly 只包括由偏移量指定的基本初始穿透 Includeoffsetonlyw ramp 只包括由偏移量指定的基本初始穿透 且渐变初始穿透以提高收敛性 如果模型包含初始几何穿透 接触力将立即 阶跃 到一个大值 载荷突变经常导致收敛困难 期望有一种机制能够将初始穿透效应渐变到零 Includewithrampedeffects和Includeoffsetonlyw ramp选项通过在第一载荷步 将初始穿透渐变为零克服收敛困难 为求得好的结果 在第一载荷步不应施加其它载荷 图6 6 计算实例 初始穿透 图6 6 8 刚体模式初始不接触的两个 或多个 物体的静力分析中 在接触建立前可能产生刚体运动 图6 7 此例中圆柱体没有施加位移约束 面由力控制 圆柱体的约束由圆柱体和平板之间的接触建立 求解过程中两个物体分离 刚度矩阵奇异 ANSYS将产生一个负主元警告 有几个选项可以解决由于初始不相连物体引起的刚体模式 图6 7 三个高级接触特性允许调整初始接触条件以防止刚体模式 1 自动CONF调整程序计算CNOF以清除间隙 2 初始接触环 ICONT 将调整带内接触表面上的节点移到目标面上 3 初始允许穿透范围 PMIN PMAX 将刚体表面移动到接触面上调整初始接触条件 ICONT 图6 11 实常数ICONT可用于指定目标面上的 调整环 位于调整环内的任何接触点都要移动到目标面上 推荐只进行很小的修正 如果ICONT值太大会产生不连续 如果未指定常数ICONT ANSYS根据模型尺寸为ICONT提供一个小的缺省值 关闭ICONT 必须将其设置成非常小的值 如1e 20 0值代表非0的缺省值计算实例 刚体 ICONT 图6 11 如果目标面有0约束 采用PMIN和PMAX的初始调整将不被执行 初始调整是一个迭代过程 ANSYS最多使用20个迭代步把目标面调整到PMIN和PMAX范围内 当目标面被移动 接触体之间不再存在间隙 而成为闭合接触的初始状态 计算实例 刚体PMIN PMAX 图6 12 7几种典型接触问题分析实例 例2 悬臂梁端部旋转目标 采用 不分离 行为选项施加大转动模拟特定物理效果 不分离 目标面和接触面一旦建立接触就不再分离 允许滑动 模型描述 悬臂梁 端部施加旋转 图7 4 文件 no separation inp 图7 4 采用Solid185单元 3D8nodestructuralSolid单元 具有大变形能力 view 1 1 1 prep7k 1 10 0 0BLOCK 0 10 0 5 0 5 0 5 0 5RECTNG 9 5 10 1 1AGEN 7 0 5 1AGEN ITIEM NA1 NA2 NINC DX DY DZ KING MOELEM IMOVEIMOVE 1moveoriginalareastonewpositionARSYM Z 7ARSYM Ncomp NA1复制一组面积 对称于某轴et 1 185mp ex 1 10000esize 0 5vmesh 1ESIZE 2 为目标面分网用 solutionnsel loc x 0d all all 0 pbc u 1finisheplotSAVE no separation db1以下用接触向导建立接触对 Step1 恢复no separation dbUtilityMenu File Resumefrom选no separation db OK Step2 采用接触向导创建接触对MainMenu Preprocessor Modeling Create ContactPair contactwizard 指定目标面 Targetsurface AreasTargetType Rigid Picktarget 选A7 A8 OK 指定接触面 next contactsurface Areas Picktarget 选A1 A2 OK 指定选项设置 next OptionalSettings 选择表BASICcontactsurfaceBehavior NoSeparation OK 建立接触对 CoefficientofFriction 0 Create Finish Step3 创建目标单元控制点设置单元属性 MainMenu Preprocessor Modeling Create Element ElemAttributesElementtypenumber 2Targe170Materialnumber 1Realconstantsetnumber 3TargetElementShape Pilotnode或用命令 Type 2MAT 1REAL 3TSHAP PILO绘关键点 Kplot选K1 节点198 建立目标单元控制点MainMenu Preprocessor Meshing Mesh Keypoints拾取关键点1 OK 或命令 KMESH 1Step4 施加45 转动 0 7854弧度 MainMenu Preprocessor Loads DefineLoads Apply Structural Displacement OnKeypointsROTXDisplacementValue 0 7854 OK 或命令 SoluDK 1 ROTX 0 7854Step5 指定 基本 求解选项MainMenu Solution AnalysisType Sol nControls选BASICAnalysisOption LargeDisplacementStaticTimeatendofloadstep 45NumberofSubsteps 45MaxNo ofSubsteps 180MinNo ofSubsteps 5AllSolutionItemsWriteeverySubstep OK 或命令 NLGOM onTime 45NSUBST 45 180 5Outres all all Step6 求解SolveStep7 读入最后子步结果 后处理 POST1set last选实体单元进行后处理 UtilityMenu Select Entities ElementsByElemNameElementname solid185Choose FromFull OK 或命令 ESEL S Ename Solid185绘位移总矢量 MainMenu GeneralPostproc PlotResults NodalSolu DOFSolution USUM OK 或命令 PLNSOL U SUMUSUMDMX 0 855708SMX 0 855708 例3 紧配合环 初试穿透 目标 验证接触初始穿透选项 采用缺省值和渐进化穿透选项求解一个大的初始穿透接触分析 比较结果 模型模述 紧配合环 轴对称 图7 5 文件 Interference inp 图7 5 PREP7ET 1 183 1 轴对称大应变ET 2 169 Target1692D目标单元ET 3 172 Target1722D3节点高阶抛物线接触单元MP EX 1 10E3MP NUXY 1 0MP MU 2 0 无摩擦RECTNG 1 5 2 0 1RECTNG 1 9 2 4 0 1ESIZE 0 05AMESH ALL Type 1 Mat 1TYPE 2MAT 2REAL 2LSEL LOC X 1 9NSLL 1 1 9线上的节点ESURF 创建目标单元Target169 TYPE 3 Mat 2 Real 2LSEL LOC X 2NSLL S 1ESURF 创建接触面conta172ALLSEL ALL SOLUTIOND NODE 1 5 0 0 UY 0D NODE 2 4 0 0 UY 0NLGEOM ONNSUBST 10 50 5FINISH PBC U 1 NUMBER 1 PNUM MAT 1EPLOTSAVE interference db 包含有限元模型 接触对 材料 边界条件 求解控制 分析步骤 Step1 恢复数据库文件UtilityMenu File Resumefrom选interference db OK Step2 重定位输出文件UtilityMenu File SwitchOutputto FileInterference output OK 或命令 Output interference OutputStep3 求解接触分析 SolusolveStep4 重定位输出到输出窗口UtilityMenu File SwitchOutputto OutputWindow或命令 OUTPUT TERMStep5 绘制径向应力MainMenu GeneralPostproc PlotResults ContourPlot NodalSoluStressX directionSX OK 或命令 POST1PLNSOL S X 结果 径向应力 0Step6 列表显示接触结果MainMenu GeneralPostproc ListResults NodalSolution选NonlinearitemscontactCONT OK 或命令 PRNSOL CONTSTAT 0 张开 几乎不接触STAT 1 张开 但几乎接触STAT 2 闭合 并滑动STAT 3 闭合 并粘着 Step7 检查输出文件内容 interference output NOTE Nocontactwasdetectedforacontactpairspecifiedbyrealconstantset2大初始穿透问题可能导致无法检测到接触或检测到接触面求解存在收敛困难 在此情况下推荐在第一个载荷步中包含渐进化效应 Step8 为初始穿透选项指定渐进化效应 可通过conta172单元选项设置 可通过接触向导中InitialAdjustment的设置 1 MainMenu Preprocessor ElementType Add Edit Delete选Type3conta172 Option initialpenetration gapK9 include ramp OK close 或命令 prep7KEYOPT 3 9 2 2 或向导InitialAdjustmentInitialpenetration Includeeverythingwithrampedeffect OK Step9 重定位输出到文件UtilityMenu File SwitchOutputto FileRamped output OK Step10 分析 SoluSolveStep11 重定位输出到输出窗口UtilityMenu File SwitchOutputto OutputWindow命令 output TERMStep12 绘径向应力MainMenu GeneralPostproc PlotResults ContourPlot NodalSoluStressX directionSX OK 或命令 POST1P