ANSYS主要的接触问题.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=0.110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=1100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：MainMenuPreprocessorModelingCreateElementsSurftoContactNodetoSurf,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0Penaltyfunction罚函数法1Penaltyfunction+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:MainMenuSolutionLoadStepOptsTime/FrequencyTimeTimeStep设置一个合适的平衡迭代次数：NEQIT,2575GUI:MainMenuSolutionAnalysisTypeSolnControls或SolutionLoadStepOptsNonlinearEquilibriumIter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UtilityMenuFileResumefrom选Node-to-surface.db【OK】Step2.添加2D点一面接触单元类型MainMenuPreprocessorElementTypeAdd/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）MainMenuPreprocessorRealConstantsAdd/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UtilityMenuSelectEntitiesNodesByNum/Pick选择“FromFull”【OK】拾取节点2【OK】或命令：Nsel,2Step5.建立接触节点组元UtilityMenuSelectComp/AssemblyCreateComponentComponentname=CONTACTComponentismadeof=nodes【OK】命令：CM,CONTACT,node,Step6.选择目标面节点UtilityMenuSelectEntitiesNodesByNum/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UtilityMenuSelectComp/AssemblyCreateComponentComponentname=TARGETComponentismadeof=Nodes【OK】或命令：CM,TARGET,NODEStep8.选择全部实体UtilityMenuSelectEverything或命令：Allsel,all,Step9.设置单元属性MainMenuPreprocessorModelingCreateElementsElemAttributesElementtypenumber=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MainMenuPreprocessorModelingCreateElementsnodetosurf,或命令：GCGEN,CONTACT,TARGET,TOP,Step11.指定基本求解控制选项MainMenuSolutionAnalysisTypeSolnControl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MainMenuGeneralPostprocPlotResultsDeformedShape,动画显示变形形状:UtilityMenuPlotCtrlsAnimateOvertimeNumberofanimationframes=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-A3A4recting,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L3L17、L9L2L8!*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,MainMenuGeneralPostprocListResultsSortedListingSortElems,MainMenuGeneralPostprocListResultsElemTableData,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MainMenuPreprocessorModelingCreateElementsAutoNumberedAtCoincidNd,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MainMenuPreprocessorModelingCreateElementsAutoNumberedoffsetNodes,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！MainMenuPreprocessorMeshingMeshVolumeSweepSweepoptsVOFFST,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！MainMenuPreprocessorModelingOperateExtrudeAlongnormal,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21,单元类型32ALLSEL,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UtilityMenuFileResumefromNode-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MainMenupreprocessorAdd/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MainMenuPreprocessorModelingCreateElementsAutoNumberedAtCoincidNdToleranceofCoincidence=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