ANSYS-Workbench接触实例培训课件

第三章接触简介Workbench–

Mechanical结构非线性3-1WorkbenchMechanical-Introductionto

ContactTraining

Manual章节概述本章介绍实体接触:– 假定用户在这章前已掌握第2章非线性结构.介绍的具体课题是:接触基本概念接触公式刚度和渗透作业3APinball区域对称与反对称接触结果后处理作业

3B本章描述的性能通常适用于ANSYS

Structural

或以上的license3-2WorkbenchMechanical-Introductionto

ContactTraining

ManualA. 基本概念接触:两独立表面相互接触并相切，则称之为接触.一般物理意义上,

接触的表面包含如下特性:不会渗透.可传递法向压缩力和切向摩擦力.通常不传递法向拉伸力.可自由分离和互相移动.接触是状态改变非线性. 也就是说,

系统刚度取决于接触状态,

即part之间是接触或分离.3-3WorkbenchMechanical-Introductionto

ContactTraining

Manual... 基本概念接触区域如何计算:物理上，接触体间不相互渗透. 因此,

程序必须建立两表面间的相互关系以阻止分析中的相互穿透.程序阻止渗透,

称为强制接触协调性.WorkbenchMechanical提供几种不同接触公式来在接触界面强制协调性.F当接触协调性不被强制时会发生渗透.TargetContactF3-4WorkbenchMechanical-Introductionto

ContactTraining

ManualB. 接触公式对非线性实体表接触,

可使用罚函数或增强拉格朗日公式:两种方法都是基于罚函数方程:Fnormal

knormal

xpenetration这里对于一个有限的接触力

Fnormal,存在一个接触刚度的knormal的概念，接触刚度越高，穿透

量

xpenetration越小，如下图所示对于理想无限大的knormal

,

零穿透. 但对于罚函数法，这在数值计算中是不可能，但是只要xpenetration

足够小或可忽略，求解的结果就是精确的。Fnxp3-5WorkbenchMechanical-Introductionto

ContactTraining

Manual... 接触公式Pure

Penalty

和Augmented

Lagrange

方法的区别就是后者加大了接触力（压力）的计算

:Fnormal

knormal

xpenetration罚函数法

:

Fnormal

knormal

xpenetration增强拉格朗日法:因为额外因子

,

增强的

Lagrange

方法对于罚刚度knormal

的值变得不敏感3-6WorkbenchMechanical-Introductionto

ContactTraining

Manual... 接触公式另外可利用方法是拉格朗日乘子公式:–

增强拉格朗日方法增加了额外的自由度(接触压力)来满足接触协调性. 因此,

接触力

(接触压力)

作为一额外自由度直接求解，而不通过接触刚度和穿透计算得到。Fnormal

DOF此方法可以得到0或接近0的穿透量不需要压力自由度法向接触刚度（零弹性滑动）需要直接求解器，这要消耗更多的计算代价F3-7WorkbenchMechanical-Introductionto

ContactTraining

Manual... 接触公式使用NormalLagrange方法会出现接触扰动如果不允许渗透

(左图),

在Gap为0处，无法判断接触状态是开放或闭合

(如阶跃函数). 有时这导致收敛变得更加困难，因为接触点总是在open/closed中间来回振荡，这就称为接触扰动（chattering）如果允许一个微小的渗透

(右图),

收敛变得更加容易，因为接触状态不再是一个阶跃变化.OpenContact

StatusOpenContact

StatusGapPenetrationGapPenetrationClosedClosedPenetration法向拉格朗日法罚函数法3-8WorkbenchMechanical-Introductionto

ContactTraining

Manual... 接触公式另外值得一提的是算法不同，接触探测不同:Pure

Penalty和

AugmentedLagrange

公式使用积分点探测.

这导致更多的探测点。(在左侧的例子中有10个)Normal

Lagrange

和

MPC

公式使用节点探测

(目标法向).

这导致更少的探测点。(在右侧的例子中有6个)节点探测在处理边接触时会稍微好一些，但是，通过局部网格细化，积分点探测也会达到同样的效果积分点探测节点探测3-9WorkbenchMechanical-Introductionto

ContactTraining

Manual... 接触公式对于特定的“绑定”和“不分离”两个面间的接触类型,可用多点约束(MPC)

算法.MPC

内部添加约束方程来“联结”接触面间的位移这种方法不基于罚函数法或Lagrange乘子法

.它是直接处理绑定接触接触区域相关接触面的方式。MPC算法支持大变形效应3-10WorkbenchMechanical-Introductionto

ContactTraining

Manual…

切向行为前面所提到的选项是针对法向接触的.

如果定义了“friction”

或

“rough/bonded”接触,类似的情况会出现在切向方向.同不穿透条件类似，如果在切向上，两个实体是“粘结在一起的”

，这两个实体不应该相互滑动切向总是用

“罚函数”

算法切向接触刚度和滑动距离是类似的参数:Ftangential

ktangential

xsliding如果

“粘着”:这里，

xsliding

在粘着时理想值为零,

尽管

penalty方法中允许少量滑动.–

不同于法向接触刚度,

切向接触刚度不能由用户直接改变.3-11WorkbenchMechanical-Introductionto

ContactTraining

Manual…

接触公式总结Workbench

Mechanical接触公式总结见下表:FormulationNormalTangentialNormalStiffnessTangentialStiffnessTypeAugmented

LagrangeAugmented

LagrangePenaltyYesYes1AnyPure

PenaltyPenaltyPenaltyYesYes1AnyMPCMPCMPC--Bonded,No

SeparationNormal

LagrangeLagrange

MultiplierPenalty-Yes1Any1

切向接触刚度不能由用户直接输入–

“Normal

Lagrange”

法是因为拉格朗日乘子公式用于法线方向而罚函数

方法用于切线方向而得名的.3-12WorkbenchMechanical-Introductionto

ContactTraining

Manual…

公式对比下表列出不同接触算法的比较，用“+”表优势，“-”表劣势:Pure

PenaltyAugmentedLagrangeNormal

LagrangeMPC+Good

convergencebehavior(fewequilibrium

iterations)-Mayrequire

additionalequilibriumiterationsifpenetrationistoo

large-Mayrequire

additionalequilibriumiterationsifchatteringis

present+Good

convergencebehavior(fewequilibrium

iterations)-Sensitivetoselection

ofnormalcontact

stiffnessLesssensitive

toselectionof

normalcontact

stiffness+Nonormal

contactstiffnessisrequired+Nonormal

contactstiffnessisrequired-Contactpenetration

ispresentanduncontrolledContactpenetration

ispresentbutcontrolled

tosome

degree+Usually,penetration

isnear-zero+No

penetration+Usefulforanytype

ofcontact

behavior+Usefulforanytype

ofcontact

behavior+Usefulforanytype

ofcontact

behavior-OnlyBonded&

NoSeparation

behaviors+EitherIterativeor

DirectSolverscanbe

used+EitherIterativeor

DirectSolverscanbe

used-OnlyDirectSolver

canbe

used+EitherIterativeor

DirectSolverscanbe

used+Symmetric

orasymmetric

contactavailable+Symmetric

orasymmetric

contactavailableAsymmetric

contactonlyAsymmetric

contactonly+Contactdetection

atintegration

points+Contactdetection

atintegration

pointsContactdetection

atnodesContactdetection

atnodes–

一些例如对称接触或接触探测的主题稍后介绍3-13WorkbenchMechanical-Introductionto

ContactTraining

ManualC. 接触刚度和渗透尽管Workbench-Mechanical

默认为“Pure

Penalty”,

但在大变形问题的无摩擦或摩擦接触中建议使用“Augmented

Lagrange”.增强拉格朗日公式增加了额外的控制自动减少渗透“法向刚度”

是之前解释的接触罚刚度knormal,

只用于

“PurePenalty”或

“AugmentedLagrange”这是一个相对因子. 一般变形问题建议使用1.0. 对弯曲支配情况，如果收敛困难的话，小于

0.1的值可能是有用的.接触刚度在求解中可自动调整. 如果收敛困难,刚度自动减小.3-14WorkbenchMechanical-Introductionto

ContactTraining

Manual...接触刚度和渗透法向接触刚度

knormal

是影响精度和收敛行为最重要的参数.刚度越大，结果越精确，收敛变得越困难.如果接触刚度太大，模型会振动，接触面会相互弹开。FFFcontactFN次迭代n+1次迭代n+2次迭代3-15WorkbenchMechanical-Introductionto

ContactTraining

Manual... 接触刚度和渗透法向刚度WB-Mechanical系统默认自动设定。用户可以输入

“法向刚度因子Normal

Stiffness

Factor”

(FKN)

它是计算刚度代码的乘子.因子越小，接触刚度就越小。默认

FKN

=10

(对于绑定和不分离的接触)默认

FKN=1.0

(其他形式接触)接触问题法向刚度选择一般准则:体积为主的问题:

用

“ProgramControlled”

或手动输入

“Normal

StiffnessFactor”为

“1”弯曲为主的问题:

手动输入

“Normal

Stiffness

Factor”

为

“0.01”到

“0.1”之间的数值。用户也可在每次平衡迭代或子步间更新接触刚度.3-16WorkbenchMechanical-Introductionto

ContactTraining

Manual... 接触刚度和渗透如下例子显示接触刚度的影响:FormulationNormal

StiffnessMax

DeformMaxEqv

StressMaxContact

PressureMax

PenetrationIterationsAugmented

Lagrage0.012.84E-031%26.1021%0.97936%2.70E-042Augmented

Lagrage0.12.80E-030%25.8020%1.22820%3.38E-052Augmented

Lagrage12.80E-030%25.6790%1.5682%4.32E-063Augmented

Lagrage102.80E-030%25.7650%1.5994%4.41E-074Normal

Lagrange-2.80E-030%25.7680%1.5350%3.17E-102从上表容易看出,接触刚度因子越小，穿透量越大. 然而，它也使求解更快速/容易收敛（更少的迭代）。3-17WorkbenchMechanical-Introductionto

ContactTraining

Manual... 接触刚度和渗透对绑定接触，

Workbench-Mechanical

默认使用

Pure

Penalty

公式和大法向刚度.因为接触刚度高导致很小或可忽略的穿透，可得到精确的结果.对绑定接触，MPC

算法是另一个好的选择，因为它有许多好的特征.对无摩擦或摩擦接触,

考虑使用Augmented

Lagrange

或

NormalLagrange

方法.由于其良好的特性和灵活性，推荐使用

AugmentedLagrange方法如果用户不想考虑法向刚度同时要求零穿透，可以使用

Normal

Lagrange

方法.但必须使用直接求解器(Direct

Solver)

，这也许会限制求解模型大小.3-18WorkbenchMechanical-Introductionto

ContactTraining

ManualC. 作业

–

接触刚度与渗透请参考作业的补充说明:作业3A-接触刚度研究3-19WorkbenchMechanical-Introductionto

ContactTraining

ManualE. Pinball

区域Pinball

区域是一接触单元参数，用于区分远场开放和近场开放状态.可以认为是包围每个接触探测点周围的球形边界如果一个在目标面上的节点处于这个球体内，

WB-Mechanical就会认为它“接近”

接触，而且会更加密切地监测它与接触探测点的关系(也就是说什么时候及是否接触已经建立).

在球体以外的目标面上的节点相对于特定的接触探测点不会受到密切监测.如果绑定接触的缝隙小于Pinball

半径,WB-Mechanical仍将会按绑定来处理那个区域Pinball

radius3-20WorkbenchMechanical-Introductionto

ContactTraining

Manual... Pinball

区域Pinball

区域有以下几个用处:为接触计算提供高效率的运算.

在搜寻给定接触区域可能发生接触的单元时，Pinball区域区分“近”

和“远”

开接触.决定绑定接触确定允许缝隙的大小.

如果使用MPC

公式,

Pinball区域也决定多少个节点包含在MPC

方程中.确定可以包含的初始穿透深度3-21WorkbenchMechanical-Introductionto

ContactTraining

Manual…

Pinball

区域对于每个接触探测点有三个选项来控制Pinball区域的大小.程序选择

(默认)-

pinball区域通过其下的单元类型和单元大小由程序计算给出自动探测数值

- pinball区域等于全局接触设置的容差值。确保通过自动接触探测创建的接触对有一个pinball半径包含了接触面和目标面。接触自动探测区比程序控制的pinball值要大时推荐该选项。这种情况下，自动探测的接触在求解开始时可能不是初始闭合。半径

–用户手动为pinball区设置数值.3-22WorkbenchMechanical-Introductionto

ContactTraining

Manual…

Pinball

区域为便于确认，“Auto

Detection

Value”

自动探测值或者用户定义的Pinball

“半径”

在接触区域以一个球的形式出现。通过定义Pinball半径，用户可直观确认一个缝隙在绑定接触行为是否被忽略，Pinball区域对于大变形问题和初始穿透问题同样非常重要。3-23WorkbenchMechanical-Introductionto

ContactTraining

ManualF. 对称/非对称行为接触面和目标面的内部指定非常重要在WB-Mechanical中，接触面和目标表面都会显示在每一个

“ContactRegion,”

中。接触面以红色表示而目标面以蓝色表示.接触和目标面指定了两对相互接触的表面3-24WorkbenchMechanical-Introductionto

ContactTraining

Manual…对称/非对称行为WB-Mechanical

默认用对称接触行为.这意味着接触面和目标面不能相互穿透.如果用户愿意,

非对称行为也可用:对于非对称或自动非对称行为，仅仅限制接触面不能穿透目标面.自动非对称行为中，接触面和目标面的指定可以在内部互换虽然一再强调表面不能相互穿透，但对于罚函数方法，小的穿透仍可能出现3-25WorkbenchMechanical-Introductionto

ContactTraining

Manual…对称/非对称行为对于非对称行为,

接触面的节点不能穿透目标面.

这是需要记住的十分重要的规则。请考虑以下问题

:如左图所示，顶部红色网格是接触面的网格划分。节点不能穿透目标面，所以接触建立正确如右图所示，底部红色网格是接触面而顶部是目标面。因为接触面节点不能穿透目标面，发生了太多的实际渗透目标面接触面目标面接触面3-26WorkbenchMechanical-Introductionto

ContactTraining

Manual…对称/非对称行为对非对称行为，由于接触探测点的位置，积分点探测可允许边缘少许渗透.–

下图说明了这种情况:接触面目标面可渗透到接触面.目标面另一方面,

如果使用积分点探测会有更多接触探测点,

所以每种接触探测方法都有优点和缺点.3-27WorkbenchMechanical-Introductionto

ContactTraining

Manual…对称/非对称行为下面对非对称行为接触表面的正确选择给出选择指导:如果一凸的表面要和一平面或凹面接触，应该选取平面或凹面为目标面.如果一个表面有粗糙的网格而另一个表面网格细密，则应选择粗糙网格表面为目标面.如果一个表面比另一个表面硬，则硬表面应为目标面.如果一个表面为高阶而另一个为低阶，则低阶表面应为目标面.如果一个表面大于另一个表面，则大的表面应为目标面.3-28WorkbenchMechanical-Introductionto

ContactTraining

Manual…

对称/非对称只有Pure

Penalty

和Augmented

Lagrange

公式实际支持对称行为.NormalLagrange

和

MPC

要求非对称行为.方程的本质决定了对称行为造成了对模型在数学上的过度约束,

因此，当选择对称行为时使用自动对称行为–

上一张PPT在任何情况下选择了非对称接触时，接触面和目标面的选择的通用规则，用户遵循这些规则总是正确的Specified

OptionPure

PenaltyAugmented

LagrangeNormal

LagrangeMPCBehaviorInternallyUsedSymmetric

BehaviorSymmetricSymmetricAuto-AsymmetricAuto-AsymmetricAsymmetric

BehaviorAsymmetricAsymmetricAsymmetricAsymmetricAuto-Asymmetric

BehaviorAuto-AsymmetricAuto-AsymmetricAuto-AsymmetricAuto-AsymmetricReview

ingResultsSymmetric

BehaviorResultson

BothResultson

BothResultson

EitherResultson

EitherAsymmetric

BehaviorResultson

ContactResultson

ContactResultson

ContactResultson

ContactAuto-Asymmetric

BehaviorResultson

EitherResultson

EitherResultson

EitherResultson

EitherNotesSymmetric

BehaviorEasiertoset

upEasiertoset

upLetprogram

designateLetprogram

designateAsymmetric

BehaviorEfficiencyand

controlEfficiencyand

controlUserhascontrolUserhascontrolAuto-Asymmetric

BehaviorLetprogram

designateLetprogram

designateLetprogram

designateLetprogram

designate3-29WorkbenchMechanical-Introductionto

ContactTraining

Manual…

对称/非对称对称行为:更容易建立

(Workbench-Mechanical默认的)更大计算代价.解释实际接触压力这类数据将更加困难可以报告两对面上结果非对称行为:Workbench-Mechanical可以自动的设置(Auto-Asymmetric)

或…用户手动指定合适的接触和目标面..选择不正确定接触和目标面会影响结果.观察结果容易而且直观.所有数据都在接触面上.3-30WorkbenchMechanical-Introductionto

ContactTraining

ManualG. 接触结果对称行为,将报告接触和目标面上的结果.对任何非对称行为，只有接触面上的结果.当检查Contact

Tool工作表时，用户可以选择接触或目标面来观察结果.对自动非对称行为，报告接触面或目标面上结果对非对称行为，目标面上的结果为零3-31WorkbenchMechanical-Introductionto

ContactTraining

Manual...

接触结果例如，在下例中使用了对称行为和Normal

Lagrange

算法.这导致了自动非对称行为.

因为是自动的，Simulation

也许会互换接触和目标面.在观察Contact

Tool

结果时，接触面上的结果为零而目标面上显示真实的接触压力

.目标面3-32接触面WorkbenchMechanical-Introductionto

ContactTraining

Manual...

接触结果在另一种情况下，使用“Augmented

Lagrange”

公式和对称行为这导致对称行为，因此两个表面不能相互穿透这样，结果将会同时在接触和目标面上显示出来。这意味着真实的接触压力是两个结果的平均值.目标面接触面3-33WorkbenchMechanical-Introductionto

ContactTraining

ManualH. 作业

–

对称与非对称请参考作业的补充说明:作业3B对称与非对称3-34作业

3A接触刚度研究Workbench-

Mechanical结构非线性WS3A-1WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement作业

3A

–

接触刚度研究目标:–

研究接触刚度对结果收敛性的影响WS3A-2WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作业

3A

–

接触刚度研究步骤:如果已经在先前的作业中打开了

Workbench,

用Utility

Menu>File>New…启动一新分析浏览并打开

“W3a-stiffness.wbpj”

项目文件.WS3A-3WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作业

3A

–

接触刚度研究项目示图区应如右图所示.从示图区,

可看到已定义了Engineering

(材料)Data

和Geometry

(绿色对号标记).接下是在Mechanical中建立和运行有限元模型Mechanical打开

Engineering

Data

Cell

(高亮并双击

或点击鼠标右键并选择Edit)

来校正材料属性.从

Utility

Menu

>

View

>…激活重要的对话框PropertiesOutline检验单位是公制

(Tonne,mm,…)系统. 如果不是,

点击…UtilityMenu>Units>Metric(Tonne,mm,…)WS3A-4WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作业

3A

–

接触刚度研究回到项目示图区–UtilityMenu>Returnto

Project双击

Model打开

FE模型(Mechanical

Session)(或

RMB=>Edit…)WS3A-5WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作业

3A

–

接触刚度研究几何是

2D

反对称的. 下面的板为刚性约束的.

上板底面为圆弧的柔性体.上板承受一向下

5MPa

压力载荷.材料:两板都为默认的线弹性结构钢.WS3A-6WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作业

3A

–

接触刚度研究根据下面的提示建立一个接触对:作业集中研究接触刚度和其对结果的影响

(表面压力和渗透).WS3A-7WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作业

3A

–

接触刚度研究检验工作单位制– “Unit>Metric

(mm,kg,N,s,mV,mA)”展开

model

分支，使其相似于

model

set-up.高亮显示

“Geometry”

并参考细节窗口来确认模型为

2D反对称的.检查预先确定的两板间无摩擦接触区域.检查分析设置.Autotimestepping=

ONInitialsubsteps=10Maxsubsteps=100Largedeflection=

ONWS3A-8WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作业

3A

–

接触刚度研究高亮显示接触区域并设置

NormalStiffness

为“Manual”

，定义

NormalStiffness

Factor

为1e-002.求解WS3A-9WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作业

3A

–

接触刚度研究总变形的后处理:WS3A-10WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作业

3A

–

接触刚度研究接触结果的后处理:– 接触压力接触渗透WS3A-11WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作业

3A

–

接触刚度研究下表记录了结果.对Normal

Stiffness

factors

为0.10,

1.0,

和10.0重复以上分析.将接触算法

改为

NormalLagrange进行进一步对比.接触算法法向刚度因子总变形接触压力渗透#

迭代Aug

Lagrange0.01Aug

Lagrange0.10Aug

Lagrange1.0Aug

Lagrange10.0Norm

LagrangeN/A在迭代和子步间使用更新刚度，进行对比.哪一个提供最好的结果

(根据精度和迭代)?WS3A-12WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作业

3A

–

接触刚度研究结论刚度增加,

渗透减少，而最大压力增加.

并且通常会有更多的迭代和更长运行时间.

值得注意使用自动刚度更新工具的的益处.值得注意不管刚度值是多少,

装配的总位移改变很小. 值得强调的是工程目标的需要.指定正确的法向刚度不是一个独立问题，它总是需在结果质量

(精度)

和耗费(运行时间)间寻找平衡. 基于这个研究,

法向刚度因子为

1.0

是满意的.WS3A-13作业3B对称与反对称Workbench-Mechanical结构非线性WS3B-1WorkbenchMechanical-Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement作业3B:

对称与反对称目标使用接触预测球和窝间球形界面的压力形貌.对比对称与反对称行为.Socket模型描述球窝连接2D

轴对称模型材料:–

钢对钢接触:Ball球形界面一个摩擦区域0.40

的摩擦系数载荷和边界条件:窝固定在顶部球顶点在-Y方向施加1000N力WS3B-2WorkbenchMechanical-Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作业3B:

对称与反对称步骤:如在前面运行中已经打开了Workbench,

用Utility

Menu>File>New…打开一新分析浏览并打开

“W3b-Socket.wbpj”

项目文件.WS3B-3WorkbenchMechanical-Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作业3B:

对称与反对称项目示图区应如下图所示.注意:

工程数据，几何,

载荷和边界条件以及预定接触区域已经建立.

剩下的是要重新定义接触行为并对比接触结果.WS3B-4WorkbenchMechanical-Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作业3B:

对称与反对称高亮显示

Engineering

Data

双击

open

并校正预定义材料属性检验单位是公制

(Tonne,mm,…)系统.

如果不是,点击…UtilityMenu>Units>Metric(Tonne,

mm,..)WS3B-5WorkbenchMechanical-Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作业3B:

对称与反对称回到项目示图区双击(或

RMB=>Edit…)

Model

打开

FE模型(Mechanical

Session)WS3B-6WorkbenchMechanical-Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作业3B:

对称与反对称一旦已进入

Mechanical

程序,

检查工作单位制– “Unit>Metric

(mm,kg,N,s,mV,mA)”展开

model分支，使其相似于

modelset-up.

确认幻灯片2中描述的材料分配,

边界条件,

和载荷.高亮显示接触区域并修改如下定义

:Type=

FrictionalCoefficient=

0.4WS3B-7WorkbenchMechanical-Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作业3B:

对称与反对称检查分析设置:Large

Deflection为

ON其余各项设置保持默认WS3B-8WorkbenchMechanical-Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作业3B:

对称与反对称求解:高亮显示求解信息并注意以下形式的求解输出

:由于摩擦系数为0.4,

自动时间步以5个子步开始.打开大变形确保包含应力硬化效应从力收敛图中看出,

求解很容易达到收敛WS3B-9WorkbenchMechanical-Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作业3B:

对称与反对称后处理中的总变形和等效应力WS3B-10WorkbenchMechanical-Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作业3B:

对称与反对称选择

Solution

Branch–

右击

>

Insert

>

Contact

Tool…选择最新插入的

ContactTool右击

>

Insert

>PressurePenetration右击

>

Evaluate

ResultsWS3B-11WorkbenchMechanical-Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作业3B:

对称与反对称这是对称接触区域. 因此，接触结果可同在接触和目标侧得到.使用

Contact

Tool,

对比‘Contact’

和‘Target’的接触结果

(状态,压力和渗透)WS3B-12WorkbenchMechanical-Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作业3B:

对称与反对称注意

‘contact’

和

‘target’

间压力图的区别.–

哪个是正确的?ContactSide

Only– 答案:

都不正确.

正确答案是两个的平均.TargetSide

OnlyWS3B-13WorkbenchMechanical-Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作业3B:

对称与反对称回到

Connection.选择摩擦接触区域– Behavior

改为

Asymmetric重新求解WS3B-14WorkbenchMechanical-Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作业3B:

对称与反对称接触结果的后处理同前面一样. 注意这里只有一个答案

(在接触侧)

并且其值近似等于对称接触中两个结果的平均值.(13.045+4.6036)/2=

8.8MpaContactSide

OnlyWS3B-15TargetSide

OnlyWorkbenchMechanical-Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作业3B:

对称与反对称注意这个例子中不管使用了何种接触行为

(对称或反对称),

模型的变形和等效应力本质是相同的.

对称行为可以提高收敛.

但对称接触结果不容易解释.WS3B-16作业

4A接触界面处理Workbench-Mechanical结构非线性WS4A-1WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement作业

4A:

接触界面处理目标使用界面处理工具分析表面间的抵触配合.模型描述注射成型机械喷嘴尖端装配2D

轴对称模型TipInsulator材料:机架为钢尖端铜合金绝热钛HousingWS4A-2WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作业

4A:

接触界面处理模型描述

(绪)接触对:机架对喷嘴尖端的无摩擦接触喷嘴尖端对绝热器的绑定接触机架和喷嘴尖端间螺纹连接处(螺纹细节没有建模)

的绑定接触WS4A-3WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作业

4A:

接触界面处理模型描述

(绪)热边界:热歧管

@

220C冷歧管板

@50C喷嘴尖端带状加热器

@

80

WattsWS4A-4WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作业

4A:

接触界面处理模型描述

(绪)结构边界无摩擦支撑

@

喷嘴机架边缘无摩擦支撑

@

绝热器结构载荷– 第1

载荷步调和机架和尖端面的抵触配合meltchannelwall第2载荷步从稳态热流道中读入温度第3载荷步施加压力软化水道壁.WS4A-5WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作业

4A:

接触界面处理步骤:如已在前面的运行中打开了Workbench,通过

Utility

Menu>File>New…启动新的分析浏览并打开

“W4a-Offset.wbpj”

项目文件.WS4A-6WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作业

4A:

接触界面处理项目示图区应如下图所示.注意:工程数据，几何,

载荷和边界条件以及预定接触区域已经建立.

接下的是要定义尖端-机架接触表面偏移并求解和对接触结果进行后处理.WS4A-7WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作业

4A:

接触界面处理高亮显示

Engineering

Data

双击

open校正预定义的材料属性检验单位是公制

(Tonne,mm,…)系统.如果不是,

点击…UtilityMenu>Units>Metric(Tonne,

mm,..)WS4A-8WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作业

4A:

接触界面处理回到项目示图区双击(或

RMB=>Edit…)

Model

打开

FE模型(MechanicalSession)WS4A-9WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作业

4A:

接触界面处理一旦已进入

Mechanical

程序,

检查工作单位制“Unit>Metric

(mm,kg,N,s,mV,mA)”展开

model

分支，使其相似于

modelset-up.确认幻灯片2到5中描述的材料分配,

边界条件,和载荷.校正三个预定义接触区域的初始条件高亮显示

Connections右击>

Insert

>Contact

ToolWS4A-10WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作业

4A:

接触界面处理

高亮显示最新插入的Contact

Tool

中的初始信息– 右击>Generate

InitialContact

Results应产生如下表定义的接触区域的初始条件:WS4A-11WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作业

4A:

接触界面处理注意:两个绑定接触区域指定为两个作用相等并相互对立的接触对.

这反映了“对称”行为.无摩擦接触区域只有一对激活的,反映

“反对称”

行为. 伴随的无摩擦接触对(灰色显示)

是非激活的. 初始是具有小间隙的

“接近开放”

状态.绑定区域的初始渗透实质为零，默认可忽略.– 接触定义没有任何改变,

进行求解WS4A-12WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作业

4A:

接触界面处理选择

Solution

Information

并切换

Solution

Output

为‘ForceConvergence’–

几次迭代后求解快速收敛WS4A-13WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作业

4A:

接触界面处理高亮显示Solution

Branch–

右击

>

Insert

>

Contact

Tool…高亮显示最新插入的

ContactTool右击

>

Insert

>PressurePenetrationGapWS4A-14WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作业

4A:

接触界面处理高亮显示

ContactTool

并通过点击去掉每个区域旁边方框的对号标记来过滤掉绑定接触对右击

>

EvaluateResultsWS4A-15WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作业

4A:

接触界面处理使用

‘Graph’窗口的Time

line,

对每个载荷步的接触压力进行后处理载荷步1载荷步2载荷步3–

如预料,

LS1上的无摩擦界面的压力为零.

由于热微分膨胀LS2的压力斜坡增长到

50Mpa.

LS3的软化管压力降回到零.WS4A-16WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作业

4A:

接触界面处理每个载荷步的接触渗透和间隙的后处理–

特别注意,

LS3末端的最大间隙

(gap=0.049176).

为阻止渗漏这个界面必须保持闭合.WS4A-17WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作业

4A:

接触界面处理回到

Connections

,

高亮显示

‘Frictionless-Housing

To

Nozzle

tip’

接触区域–

在

Details窗口,

设置

Offset为0.050mm这将使所有接触探测点经数学调整到目标表面,

建立接触配合WS4A-18WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作业

4A:

接触界面处理使用

Contact

Tool校正

Contact

Tool

中初始信息中已经设定的偏移右击

>

Generate

Initial

Contact

Results注意:

现在报告闭合的无摩擦接触初始渗透为4.8943e-2.

这是正确的吗?在定义偏移

0.050

以前,

初始间隙为

1.0567e-3

(幻灯片12).0.05-1.0567e-3=

4.8943e-2因此,已经引入了正确的偏移量再次求解WS4A-19WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作业

4A:

接触界面处理高亮显示

Solution

Information

并切换

Solution

Output

为

‘ForceConvergence’–

接触偏移导致了更多的迭代,

但仍比较容易得收敛WS4A-20WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作业

4A:

接触界面处理接触压力后处理–

由于初始抵触,

集中在软化水道壁最大压力大约为

500Mpa，并在整个加载历史中保持.WS4A-21WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作业

4A:

接触界面处理注意放大接触区域,

在预期中抵触区域会出现小的间隙.这是预料中的，因为偏移是对接触探测点位置的刚性数学调整.这强调了对非常小的调整使用界面处理工具的重要性.Rigid

regionWS4A-22WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作业

4A:

接触界面处理高亮显示Solution右击>Insert>Probe>Force

Reaction在

Details

of

“Force

Reaction”

中设置..LocationMethod=Contact

RegionContactRegion=Frictionless-HousingToNozzle

tip右击>EvaluateResultsWS4A-23WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作业

4A:

接触界面处理如预料,

三个载荷步的预加载接近常数WS4A-24WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作业

4A:

接触界面处理LS2等效应力的后处理.应力最高点高于尖端材料的实际屈服强度.产生了局部屈服，可能要减小预载荷.WS4A-25作业

4B摩擦接触Workbench-

Mechanical结构非线性WS4B-1WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement作业

4B:

摩擦接触目标三个部件间创建接触对

(活塞,

圆柱和封条).运行2个载荷步来分析三个部件的装配.装配部件轴向力后处理.PistonO-ring模型描述2D

轴对称活塞是约束的.圆柱在模拟装配上移动材料:Cylinder活塞和圆柱为钢O-Ring为橡胶–

第1载荷步使活塞和O-ring内径的交界面协调–

第2载荷步使圆柱在活塞-O-ring组件上滑动.WS4B-2WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作业

4B:

摩擦接触步骤:如已在前面的运行中打开了Workbench,通过

Utility

Menu>File>New…启动新的分析浏览并打开

“W4b-Oring.wbpj”

项目文件.WS4B-3WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作业

4B:

摩擦接触项目示图区应如右图所示.高亮显示

Engineering

Data

点击鼠标右键并选择Edit打开并校正预定义材料属性橡胶和结构钢检验单位是公制

(Tonne,mm,…)系统. 如果不是,点击…UtilityMenu=>Units=>Metric(Tonne,

mm,…)WS4B-4WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作业

4B:

摩擦接触回到项目示图区双击(或

RMB=>Edit…)

Model

打开

FE模型(Mechanical

Session)WS4B-5WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作业

4B:

摩擦接触一旦已进入

Mechanical程序,

检查工作单位制– “Unit>Metric

(mm,kg,N,s,mV,mA)”活塞-圆柱装配体为一个

2D

轴对称模型，并施加了必要的边界条件和载荷. 接下的是定义接触对，设定求解分析设置，求解并对结果进行后处理.展开

model分支，确认每个部件的材料分配,

边界条件,

载荷和分析设置.WS4B-6WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作业

4B:

摩擦接触注意:

自动接触探测没有对模型建立合适的接触关系. 默认只创建一对绑定接触，这不足以描绘装配.WS4B-7WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作业

4B:

摩擦接触如下重新定义O-ring与活塞接触区域

:修正如图所示的O-ring凹槽三个表面的目标面定义.Type

改为

FrictionalContactFrictionCoefficient=

0.05target转换为

Asymmetric

behaviorFormulation=AugmentedLagrangePinballRadius=

2mmWS4B-8WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作业

4B:

摩擦接触通过高亮显示

Connections并右击>Insert>Manual

Contact

在O-ring

和圆柱壁间手动插入一额外的接触区域. 如下图定义这个新接触区域.ContactTargetWS4B-9WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作业

4B:

摩擦接触确认分析设置Largedeflection为

On两个载荷步具有不同的自动时间步定义WS4B-10WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作业

4B:

摩擦接触确认在第二载荷步10mm

的位移施加到圆柱上.WS4B-11WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作业

4B:

摩擦接触求解. 多次迭代和几个二分后，求解收敛.WS4B-12WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作业

4B:

摩擦接触查看总变形结果.观察O-ring几