ansys接触分析ppt讲解.ppt

1、第八章,接触非线性,October 20, 2000,8-2,接触非线性 5.7版本,本章目标,本章学完后, 应能对如下功能进行描述和论证:,Session Objective,1.接触协调条件 2.刚体对柔体和柔体对柔体接触 3.节点对节点、节点对面和面对面接触单元 4.接触刚度 5.接触单元处理 6.接触向导,October 20, 2000,8-3,接触非线性 5.7版本,接触问题,接触问题是高度非线性的, 并且对于非线性问题的求解具有典型的挑战意义. 接触问题提出两个重要的挑战: 在多数接触问题中接触区域是未知的. 表面与表面会突然接触或突然不接触, 这会导致系统刚度的突然变化. 多数

2、接触问题包括摩擦. 摩擦是与路径有关的现象, 这要求精确的加载历史. 摩擦的响应还可能是杂乱的, 使求解难以收敛.,October 20, 2000,8-4,接触非线性 5.7版本,关于耦合和约束方程的注释,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. 详细信息请参看ANSYS建模和网格划分指南. 使用耦合或约束方程的优点是分析还是线性的.,October 20, 2000,8-5,接触非线性 5.7版本,接触分类,接触问题一般分为两类: 刚体对柔体和柔体对柔体. 刚体对柔体: 一个或多个接触表面作为刚体(一个表面的刚度比另

3、一个表面的刚度要高很多). 许多金属成形问题归入此类. 柔体对柔体: 两个或所有的接触体都可变形(所有表面刚度相差不多). 螺栓法兰连接是一个柔体对柔体接触的例子.,October 20, 2000,8-6,接触非线性 5.7版本,刚体对柔体接触,刚体表面,变形体,October 20, 2000,8-7,接触非线性 5.7版本,柔体对柔体接触,花键轴过盈配合, 两个零件都是柔体.,October 20, 2000,8-8,接触非线性 5.7版本,接触协调条件,F,为了阻止接触表面相互穿过, 这两个表面间必须建立一个关系. 否则这两个表面将相互穿过.,不施加接触协调条件时发生侵入,目标,接触,

4、F,October 20, 2000,8-9,接触非线性 5.7版本,接触协调条件,用一个弹簧施加接触协调条件称为罚函数法. 弹簧刚度或接触刚度称为罚参数.,该弹簧的变形量 满足方程: F = k 接触刚度(k)越大, 接触表面的侵入越少. 然而, 若该值太大, 会导致收敛困难.,F,October 20, 2000,8-10,接触非线性 5.7版本,接触协调条件,还可用另外一种方法, 即拉格朗日乘子法, 增加一个附加自由度(接触压力), 以满足不侵入条件.,F,October 20, 2000,8-11,接触非线性 5.7版本,接触协调条件,将罚函数法和拉格朗日乘子法结合起来施加接触协调条件

5、合称为增强的拉格朗日法. 在迭代的开始, 接触协调条件基于惩罚刚度决定. 一旦达到平衡, 就检查许可侵入量. 这时, 如果有必要, 接触压力增大, 继续进行迭代.,F,许可侵入量,October 20, 2000,8-12,接触非线性 5.7版本,增大接触应力 减少侵入量,由于平衡 改正侵入量,在改正阶段 发生振荡,增大的拉格朗日,October 20, 2000,8-13,接触非线性 5.7版本,接触单元,ANSYS有三种类型的接触单元: 节点对节点 - 这是指接触的最终位置事先是知道的. 节点对面 - 接触区域未知, 并且允许大滑动. 面对面 -接触区域未知, 并且允许大滑动 (相对节点对

6、面接触形式有几个优点).,October 20, 2000,8-14,接触非线性 5.7版本,节点对节点接触单元,I,J,I,J,两个最常用的节点对节点接触单元:,接触12单元和接触52单元都用罚函数法施加接触协调条件. 这要求输入一个罚刚度(在后面我们将详细讨论罚刚度的计算).,接触12单元 - 二维间隙,接触52单元 - 三维间隙,October 20, 2000,8-15,接触非线性 5.7版本,节点对节点接触单元,节点对节点接触单元能够用于建立点对点接触模型. 接触点始终已知的管抖动模型是点对点接触的一个例子. 如果两个表面的节点一一对应, 相对滑动变形量可以忽略, 并且两表面的挠度(

7、转动量)较小, 那么这些单元还能用于模拟面对面接触问题. 过盈配合问题是面对面接触问题的一个例子. 如果满足上述条件, 则此问题用间隙单元是足够的. 注意点对点接触只能用于低次单元.,October 20, 2000,8-16,接触非线性 5.7版本,节点对节点接触过程,接触12单元和接触52单元既能用直接生成法创建, 也能在重合节点处创建单元. 前处理器 - 创建 - 单元 - 在重合节点 ( Preprocessor - Create - Elements - At Coincid Nd),接触12单元 应该在重合节点间创建. 然而接触52单元要求1E-6的距离来定向单元.,October

8、 20, 2000,8-17,接触非线性 5.7版本,节点对节点接触过程,补充信息: 接触12单元由实常数THETA定向. 接触12单元能用作钩子或间 隙, 而接触52单元只能用作间隙 (注意通过约束UZ自由度,接触 52单元能够用于二维问题). 通过设置关键选项(4)和实常数INTF及GAP, 接触12单元和接触 52单元都允许给出初始过盈或初始间隙. 关于接触12单元和接触52单元选项和实常数的详细叙述, 请参看ANSYS单元手册(ANSYS Elements Reference )第四章.,October 20, 2000,8-18,接触非线性 5.7版本,节点对表面接触单元,节点对表面

9、接触单元:,接触48单元 - 二维节点对表面,接触49单元三维节点对表面,J,I,K,I,J,K,M,L,这些单元用缺省的罚函数法作为接触协调条件. 作为一个选项,可以使用综合的罚函数和拉格朗日乘子.,October 20, 2000,8-19,接触非线性 5.7版本,节点对表面接触单元,节点对表面接触单元典型用于建立点对面接触应用模型, 如两个梁接触 (在梁的末端)和锁扣配合的角部. 通过定义多个单元, 这些单元还能用于建立面对面接触模型. 这些表面可以是刚性的或可变形的. 不用知道接触面的位置. 允许大变形、大相对滑动和接触表面间的不同网格划分. 注意节点对表面接触只可以用于低次单元.,O

10、ctober 20, 2000,8-20,接触非线性 5.7版本,节点对表面接触处理,接触48单元和接触49单元通过指定节点组元来生成, 这些节点组定义了目标和接触表面. 为接触和目标表面选择需要的节点, 并创建节点组元. 给出单元类型和实常数, 并生成接触单元. 每一个不相连的接触面应该参照一个不同的实常数设置.,J,K,接触节点,目标节点,I,October 20, 2000,8-21,接触非线性 5.7版本,节点对表面接触处理,主菜单 前处理器 创建 单元 节点对表面 (Main Menu Preprocessor Create Elements Node to Surf),节点组名称,

11、关于使用节点对表面接触单元的详细信息请参看 ANSYS结构分析指南 (ANSYS Structural Analysis Guide) .,October 20, 2000,8-22,接触非线性 5.7版本,接触刚度,点对点(接触12单元和接触52单元)和节点对表面(接触48单元和接触49单元)接触单元都要求给出罚刚度. 罚刚度越大, 接触表面的侵入量越小. 然而, 若此值太大,则会由于病态条件而引起收敛困难. 可以通过一些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.,October 20, 2000,8-23,接触非线性 5.7版本,选择接触刚度,接触刚度是接触面的相对刚

12、度的函数. 对于块状实体, 通常赫兹接触刚度 (Hertz contact stiffness)适用于罚刚度, 可以这样估算: k = fE 式中f 是介于0.110之间的系数, E是较软的接触材料的弹性模量. 设 f=1 通常是一个较好的起始值.,October 20, 2000,8-24,接触非线性 5.7版本,选择接触刚度,对于柔性组分(梁和壳模型), 系统的刚度可以比赫兹接触刚度要低很多. 在这种情况下, 你可以将单位载荷施加到预计要接触的面上, 先运 行一个静态分析来确定模型的局部刚度. 接触刚度可以这样估算: k = f(P/D) 上式适用于柔性体接触, f 是介于1100之间的系

13、数. 同样,设 f=1 通常是一个较好的起始值.,October 20, 2000,8-25,接触非线性 5.7版本,面对面接触单元,ANSYS 支持刚体对柔体和柔体对柔体的面对面接触单元. 这些接触单元使用“ 目标面”和“ 接触面” 的概念来形成接触对.,面对面接触单元使用增强的拉格朗日法施加接触协调条件(默认). 作为一个可选项, 还可以用罚函数法.,接触面,目标面,October 20, 2000,8-26,接触非线性 5.7版本,面对面接触的优点,与低次和高次单元都兼容. 支持具有大滑动和摩擦的大变形. 提供更好的接触结果 (易于进行接触压力和摩擦应力的后处理). 能计算壳和梁的厚度及

14、壳厚度的改变. 半自动接触刚度计算. “ 控制节点” 对刚性面的控制(关于主控节点后面有更多的叙述). 智能缺省设置、接触向导 (易于使用).,October 20, 2000,8-27,接触非线性 5.7版本,面对面接触的优点,需要的接触单元比用节点对面接触单元(接触48单元和接触49单元)要少得多.,12个接触48单元,2个接触171单元和 4个目标169单元,October 20, 2000,8-28,接触非线性 5.7版本,面对面接触单元由分别定义目标和接触表面的独立的单元类型 组成. 接触对通过共用一个实常数指定. 目标169和170单元 - 刚性或可变形的目标表面 接触171到 1

15、74单元 - 二维和三维接触单元 面对面接触单元象皮肤一样覆盖在下面的有限元模型上. 这些单元非常适合面对面接触应用, 如过盈装配接触、进料接触、锻造和深拉深.,面对面接触单元,October 20, 2000,8-29,接触非线性 5.7版本,面对面接触单元,接触副,刚性目标,接触单元,该接触副由实常数1指定.,October 20, 2000,8-30,接触非线性 5.7版本,二维目标单元,J,I,I,J,K,I,J,K,I,I,目标169单元 目标部分有如下类型: 直线、抛物线、圆弧 (顺时针或逆时针)、圆、或控制节点.,October 20, 2000,8-31,接触非线性 5.7版本

16、,三维目标单元,目标170单元 目标部分有如下类型: 三节点三角形、四节点四边形、六节点三角形、八节点四边形、圆柱、圆锥、球和控制节点.,October 20, 2000,8-32,接触非线性 5.7版本,二维面对面接触单元,接触171单元 是二维、二节点低次直线单元, 能够位于二维实体、壳或梁单元的表面. 接触172单元 是二维、三节点高次抛物线单元, 能够位于有中间节点的二维实体单元的表面.,接触171单元,接触172单元,October 20, 2000,8-33,接触非线性 5.7版本,三维面对面接触单元,接触174单元 是三维、八节点高次四边形单元, 能够位于有中间节点的三维实体单元

17、的表面. 该单元还能退化成六节点三角形.,接触173单元 是三维、四节点低次四边形单元, 能够位于三维实体或壳单元的表面. 该单元还能退化成三节点三角形.,October 20, 2000,8-34,接触非线性 5.7版本,面对面接触处理,对于面对面接触单元, 一个面指定为“ 目标”面, 另一个面为“ 接触 ”面. 对于刚体对柔体接触, 刚体表面总是指定为目标面. 对于柔体对柔体接触, 接触面与目标面都与变形体相关联. 接触单元被约束, 不能侵入目标面. 然而, 目标单元能够侵入接触面.,October 20, 2000,8-35,接触非线性 5.7版本,面对面接触处理,接触单元的一般步骤:

18、1.创建有限元模型. 2.指定接触和目标表面. 3.设置单元选项和实常数. 4.创建目标表面单元. 5.创建接触表面单元. 6.施加边界条件. 7.定义求解选项和载荷步. 8.求解. 9.观察结果.,October 20, 2000,8-36,接触非线性 5.7版本,指定接触和目标表面,目的是将接触检查点增加到最大数. 对于刚体对柔体接触, 目标面总是刚体表面. 对于柔体对柔体接触, 目标面和接触面的选择会引起不同量的侵入, 从而影响求解精度.,目标面,接触面,目标面会侵入接触面,October 20, 2000,8-37,接触非线性 5.7版本,目标/接触面的指导方针,如果凸面与平面或凹面接

19、触, 那么平面或凹面应该是目标面. 如果一个表面网格粗糙, 而另一个表面网格较细, 那么网格粗糙的表面应该是目标面. 如果一个表面比另一个表面的刚度大, 那么刚度大的表面应该是目标面. 如果一个表面划分为高次单元, 而另一个表面划分为低次单元, 那么划分为低次单元的表面应该是目标面. 如果一个表面比另一个表面大, 那么更大的表面应该是目标面.,October 20, 2000,8-38,接触非线性 5.7版本,面对面接触处理,步骤 1. 创建实体模型并划分网格. 步骤 2. 指定接触面和目标面. 在这 个例子中, 一个表面被认为 是刚性的, 这样, 目标面和接 触面的指定就很清楚.,接触面,超

20、弹性密封嵌入,刚性 目标面,October 20, 2000,8-39,接触非线性 5.7版本,面对面接触处理,步骤 3. 设置单元选项和实常数. 重要! 接触对由实常数号来确定. 目标单元和接触单元必须共用相同的实常数号 (在后面, 我们将详细讨论所有的单元选项和实常数. 缺省的单元选项和实常数设置可以应用于许多问题).,October 20, 2000,8-40,接触非线性 5.7版本,面对面接触处理,步骤 3.设置单元选项和实常数. 应该设置罚刚度比例系数(FKN)和拉格朗日乘子侵入比例系数(FTOLN). FKN 通常介于0.0110之间. 对于体积变形问题, 用值1.0(默认), 对

21、于以弯曲变形为主的问题, 用值 0.1. FTOLN 默认为0.1. 可以改变此值, 但若容差太小, 会使迭代数过多或不收敛.,October 20, 2000,8-41,接触非线性 5.7版本,面对面接触处理,步骤 4. 创建接触面单元. 在此步中, 所用的方法将依赖于目标面是刚性的还是可以变形的. 对于刚性目标面,用: 直接生成(用创建单元命令E) 或 自动划分网格(用划分线命令(LMESH)及划分面命令(AMESH) 对于可变形目标面,用: 创建 单元 面对面(ESURF) (Create Elements Surface-to-Surface (ESURF),October 20, 2

22、000,8-42,接触非线性 5.7版本,面对面接触处理,步骤 4. 创建目标面单元. 对于刚性目标面的直接生成, 在创建目标单元之前, 需要设置附加的单元属性(TSHAP).,TSHAP 定义 目标单元的形状,October 20, 2000,8-43,接触非线性 5.7版本,面对面接触处理,步骤 4. 创建目标面单元. 刚性目标面 的自动网格划分不要求 TSHAP. ANSYS 将从实体模型确定目标单元的合适形状. 划分关键点 (KMESH) - 主控节点 划分线 (LMESH) - 二维刚性目标面 划分面 (AMESH) - 三维刚性目标面,October 20, 2000,8-44,接

23、触非线性 5.7版本,面对面接触处理,步骤 4. 创建目标面单元. 要在可变形 的网格上自动创建目标单元, 需先选择可变形表面的节点, 然后在变形体上创建目标单元: 前处理器 创建 单元 面对面 (Preprocessor Create Elements Surf to Surf ),ANSYS 将根据它下面的实体网格确定目标单元的形状和外法向.,创建表面单元 (ESURF),October 20, 2000,8-45,接触非线性 5.7版本,面对面接触处理,步骤 4. 创建目标面单元. 检查外法向 (如果用自动网格划分,则非常重要): 打开单元坐标系符号(element coordinate

24、 system symbol)开关, 画单元. 用命令ESURF修改 (节点号逆转). 必须在此ESURF操作之前激活目标单元属性.,October 20, 2000,8-46,接触非线性 5.7版本,面对面接触处理,步骤 5. 创建接触面单元. 设置接触单元属性, 选择可变形表面的节点, 并在变形体上创建接触单元 (与在变形网格上对目标单元的处理相同): 前处理器 创建 单元 面对面 (Preprocessor Create Elements Surf to Surf),这些接触单元与其下面的实体单元同阶(低阶或高阶).,创建表面单元(ESURF),October 20, 2000,8-47

25、,接触非线性 5.7版本,面对面接触处理,步骤 5. 创建接触面单元. 注意对于在壳或梁单元上创建目标或接触单元, 有一个在梁或壳单元的顶面或底面创建单元的选项.,能够控制单元位置,October 20, 2000,8-48,接触非线性 5.7版本,面对面接触处理,步骤 6. 在有限元模型上施加边界条件. 注意: 如果目标面是刚性面, 目标面将会自动固定(在后面, 我们将讨论刚性面选项以及如何控制刚性面的运动).,刚性面 自动约束,October 20, 2000,8-49,接触非线性 5.7版本,面对面接触处理,步骤 7. 定义求解选项和载荷步. 对于求解接触问题, 极力推荐使用求解控制.

26、下面给出的指导方针十分典型, 是有求解控制的默认设置. 在迭代过程中, 如果接触状态改变, 会发生间断. 为了避免收敛缓慢, 使用不带自适应下降的完全牛顿-拉斐逊(full Newton-Raphson)求解. 为了使接触力平滑传递, 时间步尺寸必须足够小. 确保一个精确的时间步的可靠方法是使用自动时间步.,October 20, 2000,8-50,接触非线性 5.7版本,面对面接触处理,步骤 7. 定义求解选项和载荷步. 设置适当的子步数目: 开始的子步尺寸(NSBSTP)对于装配接触可以较大, 对于大滑动接触应较小. 对于剧烈的间断, 子步的最大数(NSBMX)应该较大. 子部的最小数(

27、NSBMIN)应该较小. 注意: 为了建立初始接触条件, 在第一个子步的二分之前, 要完成所有的平衡迭代.,October 20, 2000,8-51,接触非线性 5.7版本,面对面接触处理,步骤 7. 定义求解选项和载荷步. 方程求解器选择: 稀疏矩阵求解器(Sparse Solver)是缺省的, 并且对于中等大小的接触模型, 这是最好的选择(在100,000 个自由度以下). 对于困难的滑动问题, 此求解器还有不对称选项. PCG求解器 用于大型接触模型 (超过100,000 个自由度). 此选项只能用于对称系统.,October 20, 2000,8-52,接触非线性 5.7版本,面对面

28、接触处理,步骤 7. 定义求解选项和载荷步. 不用自适应下降 . 对于面对面接触问题, 自适应下降对于收敛不能提供任何帮助. 使用一个合理的平衡迭代数目, 通常是25. 因为对于大时间增量, 迭代计算会变得不稳定, 用线性搜索(line search)来稳定计算. 将预测器打开, 大转动或动态分析除外.,October 20, 2000,8-53,接触非线性 5.7版本,面对面接触处理,步骤 7. 定义求解选项和载荷步. 由于罚刚度太大或侵入容差太小, 在一个接触分析里会多次发生收敛失败. 对于惩罚刚度一定要按如下建议选取. 注意: 对于小应变、小位移和小滑动问题，要关上大变形效应开关 (NL

29、GEOM,OFF). 这样设置将加快接触搜索速度. 步骤 8.问题求解.,October 20, 2000,8-54,接触非线性 5.7版本,面对面接触处理,步骤 9. 观察结果. 一个接触分析的结果主要包括位移、应力、应变和接触信息. 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直接从通用后处理器或时间历程后处理器中得到.,October 20, 2000,8-55,接触非线性 5.7版本,面对面接触处理,步骤 9. 观察结果. 画接触压力:,October 20, 2000,8-56,接触非线性 5.7版本,接触向导,对于多数接触问题, 接触向导提供了一个构

30、造接触对的简单方法. 接触向导将引导你去创建接触副.,前处理器 创建 接触对 接触向导 (Preprocessor Create Contact Pair Contact Wizard),October 20, 2000,8-57,接触非线性 5.7版本,接触向导,使用接触向导的好处: 自动定义单元类型和实常数设置 快速得到接触选项和参数 接触对观察工具 快速显示和反转接触法向 如果还没有对模型的任何部分进行网格划分, 就不能激活接触向导. 在启用接触向导创建柔体对柔体接触模型之前, 要先对所有的将用作接触面的模型部件划分网格. 要创建刚体对柔体接触模型, 只要对将用作柔体接触面的模型部件划分

31、网格.,October 20, 2000,8-58,接触非线性 5.7版本,接触向导,只要简单地跟随接触向导走过接触对创建步骤即可. 首先, 你将指定目标面, 然后再指定接触面.,October 20, 2000,8-59,接触非线性 5.7版本,接触向导,所有的接触单元选项和实常数都能通过接触向导得到.,October 20, 2000,8-60,接触非线性 5.7版本,接触向导,在最后一步, 接触向导将创建接触单元和相应的实常数.,创建的实常数设置是一致的.,如果目标法向不正确, 能够逆转.,October 20, 2000,8-61,接触非线性 5.7版本,接触向导,接触向导还允许你观看

32、、列表和删除接触副, 并且可以快速显示和逆转法线方向.,October 20, 2000,8-62,接触非线性 5.7版本,注意,October 20, 2000,8-63,接触非线性 5.7版本,练习,目的: 对一个位移控制加载的轴对称咬接装配问题进行分析.,偏移量 = 0.4”,咬接装配,轴对称模型,垂直约束,October 20, 2000,8-64,接触非线性 5.7版本,练习,练习步骤: 1.恢复数据库snap.db. 该数据库包括网格和固定的边界条件. 2.利用接触向导创建目标和接触单元(如图所示,数据库中设置了线组).哪一边应该是目标,清楚吗?正确地设置罚刚度比例系数 (FKN)

33、. 提示: 该问题是以弯曲为主还是以体积变形为主?,接触,目标,October 20, 2000,8-65,接触非线性 5.7版本,练习,练习步骤: 3.在直线45上施加 0.4”的 Y向位移. 4.打开几何非线性开关 (NLGEOM,ON). 5.设“ 时间(time)” 等于 0.4, 并为自动时间步给出子步数(20,500,10). 6.给出输出控制 (要求输出每一子步结果). 7.求解, 并查看输出和监控文件.,October 20, 2000,8-66,接触非线性 5.7版本,练习,练习步骤: 8.对接触结果进行后处理, 查看接触压力和应力结果. 作应力结果动画. 9.在时间历程后处

34、理器里画载荷变形曲线. 在此问题中为什么得到了负的反作用力?,October 20, 2000,8-67,接触非线性 5.7版本,练习,补充作业: 如果有时间, 重新启动分析, 并将 Y向偏移量增加到 0.55”, 使咬接装配的第二个齿咬合. 查看结果以及此问题的收敛过程. 如果有时间, 颠倒目标面和接触面的指定,重新运行此分析. 答案变化明显吗?,October 20, 2000,8-68,接触非线性 5.7版本,练习,回答问题: 在此问题中, 哪一边应该是目标面, 哪一边应该是接触面是不明显的. 在这种情况下, 要求用对称接触(两边都指定为目标面和接触面). 对于这个问题, 网格粗糙些的一

35、边选为目标面 (尽管有人会争论, 指定为接触面的表面更简单些, 应该定为目标面). 该问题以弯曲变形为主, 设 FKN = 0.1. 出现负的反作用力, 是因为此求解是由位移控制的. 在加载历史的不同点, 施加的位移引起了负的反作用力.,October 20, 2000,8-69,接触非线性 5.7版本,练习,回答问题: 对于第一个载荷步 (0 到 0.4), 交换目标面和接触面的指定, 结果变化不明显.对于第二个载荷步 (0.4 到 0.55), 这两种情况的力位移曲线有变化. 这表示, 对该问题要求用对称接触.,October 20, 2000,8-70,接触非线性 5.7版本,练习答案,

36、/BATCH RESUME,snap,db /PREP7 ET,2,169 ET,3,171 R,1,0.1,0.1 CMSEL,S,TARGET NSLL,S,1 TYPE,2 MAT,1 REAL,1 ESURF CMSEL,S,CONTACT NSLL,S,1 TYPE,3 ESURF ALLS FINISH,/SOLUTION ANTYPE,STATIC NLGEOM,ON SOLC,ON TIME,0.4 NSUBST,20,500,10 OUTRES,ALL,ALL DL,45,UY,-0.4 SOLVE DL,45,UY,-0.55 SOLVE FINI /EXIT,Octobe

37、r 20, 2000,8-71,接触非线性 5.7版本,接触非线性建模和求解策略,October 20, 2000,8-72,接触非线性 5.7版本,本节目标,本节学完后, 将能对如下功能进行描述和论证:,Session Objective,1.面对面单元选项 2.刚性面 3.确定接触刚度 4.摩擦 5.刚体位移 6.对称接触对不对称接触(自接触 ) 7.初始干涉 8.排错,October 20, 2000,8-73,接触非线性 5.7版本,面对面选项,本章的剩余部分将讨论各种各样的面对面接触单元选项(关键选项)和实常数, 它们将控制面对面接触单元的行为.,October 20, 2000,8

38、-74,接触非线性 5.7版本,面对面选项,我们还将讨论一般会遇到的接触问题的建模技术和对策. 包括刚性面、摩擦、刚体位移、 初始干涉、表面相互作用模型和排错.,October 20, 2000,8-75,接触非线性 5.7版本,刚性面,在一个接触问题中, 对于使用刚性面, 还有其它的建模考虑. 包括: 控制节点 刚性面的网格划分 改变目标面的形状 将其它单元与刚性面相连接,October 20, 2000,8-76,接触非线性 5.7版本,刚性面,控制节点 刚性面能够与“ 控制节点”联系起来, 该节点的运动能够控制目标面的运动. 加在整个面上的力、位移和/或转动能够用控制节点给出. 可以将控

39、制节点看作整个刚性面的手柄. 如果定义了一个控制节点, ANSYS将只检查控制节点的边界条件, 忽略目标面上其它节点的约束. 控制节点既可对关键点进行网格划分生成, 也能作为目标单元, 使用相同的单元属性直接生成.,October 20, 2000,8-77,接触非线性 5.7版本,刚性面,旋转的刚性面,控制节点 控制节点能够在任何位置定义. 这允许刚性面的一般转动. 只有控制节点能够与其它单元联系起来. 要计算刚体的质量, 可以在控制节点上定义一个质量单元(质量21单元). 每一个目标面只能有一个控制节点.,October 20, 2000,8-78,接触非线性 5.7版本,刚性面,约束刚性

40、面 如果满足以下条件, 刚性面则缺省为自动约束(auto constrained, KEYOPT(2)=0) : 没有明确定义边界条件. 目标面与其它单元没有联系. 没有定义耦合或约束方程.,在这种情况下, 刚性目标面的所有自由度都被约束.,October 20, 2000,8-79,接触非线性 5.7版本,刚性面,约束刚体目标 如果选择了自动约束(KEYOPT(2)=0)选项, 在每一个载荷步的末尾, 程序内部将对刚性面重新设置约束. 当重起动求解时, 请仔细检查模型. 如果选择用户定义 (KEYOPT(2)=1)选项, ANSYS认为刚性面上所有合理的边界条件应由用户定义.,October

41、 20, 2000,8-80,接触非线性 5.7版本,刚性面,划分复杂目标面 一个刚性目标可以是基本目标元素(圆柱、圆锥、球等)的组合. 对于任意表面, 网格形状的质量并不重要. 重要的是目标单元是否很好地代表了几何体. 目标表面过分粗糙的离散化会导致收敛方面的问题.,October 20, 2000,8-81,接触非线性 5.7版本,刚性面,划分复杂目标面的建议 如果刚性目标能由基本元素代替, 就用基本元素(需要更少的单元, 更有效). 对于复杂表面, 尽可能对网格进行映射划分. 如果表面的一边没有曲率, 则在该边只划分一个单元. 对于平面或接近平面的, 用低次目标单元. 如果目标表面是弯曲

42、的, 用高次单元.,October 20, 2000,8-82,接触非线性 5.7版本,刚性面,下面是对于一个刚性面, 低次单元和高次单元两种划分方式都用了的例子. 低次单元的计算量少, 但是需要更多的单元. 高次单元的计算量大, 但是, 需要的单元少.,低次,高次,October 20, 2000,8-83,接触非线性 5.7版本,改变刚性面的形状 对于具有低次或高次目标元素(不是基本元素)的已划分网格的目标面, 目标节点能够旋转到局部坐标系. 这允许目标面在一个分析中改变形状. 例如, 希望用刚性圆柱面进行扩径. 此圆柱面可以划分为高次四边形, 将目标节点从直角坐标系旋转到圆柱坐标系, 并

43、在刚性目标面上施加径向位移, 就可以对圆柱扩径.,刚性面,October 20, 2000,8-84,接触非线性 5.7版本,接触算法,选择一个接触算法 关键字选项(2) 增强的拉格朗日法(关键字选项(2)=0)是缺省选项, 推荐于一般应用. 它对罚刚度不太敏感, 但是也要求给出一个侵入容差. 能够用罚函数法(关键字选项 (2)=1)这个选项. 它推荐应用于单元非常扭曲、大摩擦系数和/或用增大的拉格朗日法收敛行为不好的问题.,October 20, 2000,8-85,接触非线性 5.7版本,确定罚刚度,对于面对面接触单元, ANSYS基于单元类型、材料性质和它下面的单元尺寸确定接触刚度. 可

44、以用实常数FKN给出接触刚度的一个比例系数或绝对值. 惩罚刚度(FKN)应该足够大, 使接触侵入量小. 同时也应足够小, 使问题没有病态矩阵. FKN值通常在 0.0110之间. 对于体积变形问题, 用值1.0 (默认), 对于弯曲问题, 用值 0.1.,October 20, 2000,8-86,接触非线性 5.7版本,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)相乘的比例系数. 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值增大100倍会相应地减少侵入, 但是接 触压力只改变5%.,October 20, 2

45、000,8-87,接触非线性 5.7版本,确定罚刚度,确定一个好的刚度值需要做些实验. 下面的处理可以作为指南: 1.开始用一个较小的 FKN值. 2.运行最终载荷的一部分的分析. 3.检查侵入和每一子步的平衡迭代数. 如果收敛受侵入容差的驱使, 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余力收敛, 而不是侵入, FKN值可能估计得太高. 4.调整 FKN 或 FTOLN值, 运行整个分析. 注意:从一个载荷步到另一个载荷步, FKN 和 FTOLN 值都能修改, 并且能在重起动分析中调整.,October 20, 2000,8-88,接触非线性 5.7版本,摩

46、擦,在接触模型中包括摩擦, 就允许在两个接触体间产生剪力. 在库仑摩擦模型中, 在两个表面开始相对滑动之前, 这两个表面承受的剪应力要上升到一个定值. 此阶段称为粘着. 当滑动发生时, 库仑摩擦模型定义平衡的摩擦应力 : 式中, p是单位接触压力, 是摩擦系数(用材料性质MU定义). 一旦剪应力超过此定值, 这两个表面将相对滑动. 此阶段就是滑动. 摩擦系数 可以是任意非负值.,October 20, 2000,8-89,接触非线性 5.7版本,摩擦,|,max,p,滑动,粘着,ANSYS 提供一个实常数TAUMAX, 用于定义等效剪应力的最大值. 这样, 不管接触压力值是多大, 只要等效剪应

47、力达到最大值TAUMAX, 就会发生滑动.,该剪应力极限值通常用于接触压力会变得非常大的情况. TAUMAX的一个合理的上限估计值是:,式中 y 是表面附近材料的范米赛斯屈服应力. TAUMAX的最好值通常来源于经验数据.,October 20, 2000,8-90,接触非线性 5.7版本,摩擦,包含摩擦的接触问题会产生不对称的刚度矩阵. 然而, 使用不对称的方程求解器比对称求解器的计算费用更高. 由于这个原因, ANSYS用一种对称算法进行计算. 利用此算法, 可以解决多数包含摩擦的接触问题. 如果遇到了一个收敛缓慢的问题, 可以用不对称求解选项 (关键选项(6)=1). 在这种情况下, 应

48、该用稀疏矩阵求解器 (优选的)或波前法求解器.,October 20, 2000,8-91,接触非线性 5.7版本,接触检查点,ANSYS面对面单元默认用高斯积分点作为接触检查点.,高斯点,接触面,接触面,ANSYS 允许通过设置关键字选项(4)=1将接触检查点移到节点. 为了保证收敛和精度, 建议保持默认设置.,October 20, 2000,8-92,接触非线性 5.7版本,高斯点的优点,对于高次单元, 节点力连续.,高斯点不能“ 滑离”目标面的边缘.,垂直于高斯点只定义了唯一的侵入, 不要求目标面的平滑程度.,接触检查点更多.,October 20, 2000,8-93,接触非线性 5

49、.7版本,接触检查点,如果有一个包括角部接触的问题, 使用高斯点作为接触检查点会导致角部的过分侵入. 这时也不用将接触检查点移到节点, 可以将面对面接触单元与节点对面接触单元混合起来用.,面对面单元,节点对面单元用于在角部建立接触模型,October 20, 2000,8-94,接触非线性 5.7版本,对称接触与不对称接触,在前面, 我们讨论了将一个表面指定为目标面, 另一个表面指定为接触面. 让所有的接触单元在一个表面上, 所有的目标单元在另一个表面上, 这称为不对称接触. 不对称接触通常是建立面对面接触模型的最有效的方法. 然而, 在有些情况下, 不对称接触的执行不能令人满意.,Octob

50、er 20, 2000,8-95,接触非线性 5.7版本,不对称接触,凸表面 网格细致表面 柔软表面 高次表面 小表面,凹/平 表面 网格粗糙表面 刚硬表面 低次表面 大表面,接触 面:,目标 面:,记住, 接触单元不能侵入目标单元, 而目标单元能够侵入接触单元. 下面是不对称接触处理的准则:,上面准则确定的目的是使接触检查点的数目最大.,October 20, 2000,8-96,接触非线性 5.7版本,对称接触,对称接触不如不对称接触有效. 然而, 许多分析需要用它 (典型用于减少侵入). 对称接触增加了接触检查点的数目. 对称接触的准则: 目标面和接触面没有明显的区别. 目标面和接触面的

51、网格都粗糙. 注意用对称接触时, 后处理更困难. 接触压力是两个接触单元对的平均值.,October 20, 2000,8-97,接触非线性 5.7版本,自接触,对于自接触, 使用不对称接触更有效, 但是难于预测接触面和目标面. 对于自接触, 用对称接触时, 只要简单地将目标单元和接触单元放在相同的表面上即可.,中间的超弹性环 与自身接触,October 20, 2000,8-98,接触非线性 5.7版本,刚体位移,在静态分析中, 开始不连接在一起的两个(或多个)物体, 在建立接触前, 会产生刚体运动.,F,在这个力控制的例子中, 圆柱上没有施加位移约束. 此圆柱的约束由圆柱和平板之间的接触建

52、立.,October 20, 2000,8-99,接触非线性 5.7版本,刚体位移,如果在求解中的任一时刻, 两个物体没有联系, 刚度矩阵就会奇异. ANSYS将会发出一个负主元警告信息. 由于物体初始时没有联系, 要克服刚体位移有几个选项: 在“ 恰好碰上” 的位置建立几何模型 动力学 位移控制 软弹簧 用不分离接触 (关键选项 (12), 在后面讨论) 调整初始接触条件,October 20, 2000,8-100,接触非线性 5.7版本,刚体位移,“ 恰好碰上” 这要求知道“ 恰好碰上” 的位置在哪里. 如果表面是曲面或者不规则, 则难以确定.,F,由于有限元网格的数值修整, 物体之间会

53、存在小间隙或侵入. 这可能引起不收敛或接触物体的分离.,October 20, 2000,8-101,接触非线性 5.7版本,刚体位移,动力学 在动力分析中, 惯性作用可以阻止刚体运动. 克服刚体运动的一种选择是动态地求解问题. 将需要加上质量和阻尼, 使求解从静态转换到动态.,October 20, 2000,8-102,接触非线性 5.7版本,刚体位移,位移控制 该技术用强加的位移使两物体进入接触状态. 然后, 可以通过一个空载荷步, 使该问题从位移控制求解转换到力控制求解.,强加的小位移,October 20, 2000,8-103,接触非线性 5.7版本,刚体位移,位移控制 载荷步 1

54、 用一个强加的小位移使物体进入初始接触状态. 载荷步 2 从位移控制转换到力控制. 删除强加的位移, 加上反作用力, 并用一个子步求解(由于此系统没有变化, 该载荷步应该经过一次或两次迭代就收敛). 载荷步 3 继续进行载荷历史加载.,October 20, 2000,8-104,接触非线性 5.7版本,刚体位移,软弹簧 该技术使用接地软弹簧来阻止刚体运动.,F,与系统刚度相比, 弹簧刚度应该可以忽略. 弹簧与地相连, 可以将地上节点的反作用力与总的反作用力相比, 以确保弹簧对求解没有影响.,October 20, 2000,8-105,接触非线性 5.7版本,刚体位移,尽管“ 恰好碰上”、动

55、力学、位移控制和软弹簧都是有效的分析技术, 实施起来可能都有困难. “ 恰好碰上” - 由于有限元网格的数值修整, 能够存在小间隙或小侵入. 动力学 - 在一个“ 静态”模型中, 要缓冲掉不想要的动态影响并不总是那么容易. 位移控制 - 对于复杂加载, 施加哪个位移并不总是那么明显.,October 20, 2000,8-106,接触非线性 5.7版本,刚体位移,软弹簧 - 初始载荷必须足够小, 从而引起弹簧的小变形, 这样接触单元才能认识侵入. 需要做些实验, 使目标单元不“ 穿过” 接触表面. 因此, 还可以用实常数ICONT或PMIN和PMAX去调整初始接触条件, 以阻止刚体位移. IC

56、ONT 将接触面上在调整带内的节点移到目标面上. PMIN和PMAX 实际地将刚性面移进目标.,October 20, 2000,8-107,接触非线性 5.7版本,刚体位移,调整初始接触条件 (ICONT) 实常数 ICONT 能用于围绕目标面给出一个“ 调整带”. 调整带内任何接触点都被移到目标面上. 只建议进行较小的修正, 若ICONT值太大, 则会发生间断. 如果不给出实常数 ICONT, ANSYS 根据模型的大小提供一个 较小的 ICONT默认值.,October 20, 2000,8-108,接触非线性 5.7版本,刚体位移,调整初始接触条件 (ICONT) 接触面调整, 调整前

57、与调整后如下图所示:,October 20, 2000,8-109,接触非线性 5.7版本,刚体位移,调整初始接触条件 (PMIN 和 PMAX) 实常数 PMIN 和 PMAX 给出初始侵入范围. ANSYS 实际地将整个目标面 (以及附着的变形体) 移到由PMIN和PMAX给出的侵入范围内. 如果目标面有预加的零约束, 则不执行使用 PMIN 和 PMAX 的初始调整. 初始调整是一个迭代过程. ANSYS 最多进行20次迭代, 将目标面移到 PMIN 和 PMAX 范围内.,October 20, 2000,8-110,接触非线性 5.7版本,刚体位移,调整初始接触条件 (PMIN 和

58、PMAX),接触面,调整前和调整后的接触面,October 20, 2000,8-111,接触非线性 5.7版本,球形(pinball)区,接触单元相对于目标单元的的位置和运动决定接触状态. ANSYS跟踪每一个单元, 并对它赋予一个可以进行后处理的状态. 接触状态相应的CPU费用 0 - 远区域开接触 便宜 1 - 近区域开接触 中等 2 - 滑动闭接触 昂贵 3 - 粘着闭接触 昂贵,October 20, 2000,8-112,接触非线性 5.7版本,pinball区,当接触单元进入pinball区时, 认为它处于近区域接触. pinball区是围绕接触单元的圆(二维)或球(三维).,可

59、以用实常数PINB调整球形区(此方法对于初始侵入大的问题是必要的). ANSYS默认定义弹球区为下面单元的4深度(刚体对柔体)或 2深度 (柔体对柔体).,弹球,October 20, 2000,8-113,接触非线性 5.7版本,防止伪接触,关键字选项(8)=1 仅用于当实常数PINB不能处理此问题时, 因为此选项会导致丢失真实的侵入. 关键字选项 (8)防止初始时或变形时过分侵入的伪接触. 用于包括自接触问题的对称接触.,Contact is erroneously detected,No contact is detected,October 20, 2000,8-114,接触非线性 5.7版本,初始过盈,对于建立初始过盈接触问题(如冷缩装配): 几何模型包括初始过盈. 通过实常数CNOF给出接触面偏移包括初始过盈. 包括初始过盈的几