ANSYS - 接觸非線性分析的一個(gè)實(shí)例.doc

ANSYS - 接觸非線性分析的一個(gè)實(shí)例這是在三維網(wǎng)上的一次試講所使用的資料，現(xiàn)提供給大家分享，可以作為初學(xué)接觸非線性時(shí)的參考。下面通過一個(gè) 2D 例子來演示 ANSYS 接觸分析中主要參數(shù)的設(shè)置和作用。 該例子為：一個(gè) (無限長) 圓柱置于一個(gè) (無限長) 長方體上，當(dāng)圓柱承受壓力載荷時(shí)，計(jì)算圓柱和長方體之間的接觸應(yīng)力。該問題可以簡化為 2D 問題進(jìn)行分析。 選擇單元類型 二維 4 節(jié)點(diǎn)四邊形 solid182 單元： 單元行為：選擇平面應(yīng)變： 設(shè)置材料屬性： E = 201000 MPa；m = 0.3： 定義一個(gè)矩形：長度 20 mm，高度 5 mm： 再定義一個(gè)實(shí)心圓，半徑 5 mm，剛好與矩形接觸： 為了能使用 MAP 方式劃分網(wǎng)格，先在圓內(nèi)創(chuàng)建兩條直線，以便將圓切分為 4 塊： 為了切分矩形，將圓中的豎線延長 6 mm。 執(zhí)行 Area by Line，分割圓和矩形：首先選擇兩個(gè) Areas： 點(diǎn)擊 Apply 后，選擇水平和豎線，再點(diǎn)擊 OK，對面進(jìn)行切割： 面切割后，可以進(jìn)行 MAP 劃分網(wǎng)格： 下面劃分網(wǎng)格：進(jìn)入前處理 - Meshing 首先設(shè)置幾何體的網(wǎng)格默認(rèn)屬性： 設(shè)置單元邊長，這里取為 0.4 采用 MAP 方式劃分網(wǎng)格： 網(wǎng)格劃分結(jié)果： 設(shè)置約束條件：1 選擇兩條下邊界線 設(shè)置 Uy = 0: 為防止 x 方向的剛體運(yùn)動，選擇矩形中間線 設(shè)置為 Ux = 0 然后在圓柱頂部中間節(jié)點(diǎn)處施加壓力 選擇 Fy，輸入力值 -100，力沿著 y 方向，對圓柱構(gòu)成壓力 下面準(zhǔn)備采用接觸向?qū)矶x接觸對。 需要做一些準(zhǔn)備工作：根據(jù)結(jié)構(gòu)情況，選擇圓柱面 (這里是圓周線) 作為接觸面，矩形上邊界作為目標(biāo)面，使用面 面接觸。 為了方便，需要預(yù)先定義好相關(guān)的節(jié)點(diǎn)組。分別選擇圓周下邊界中間部位的若干節(jié)點(diǎn)和矩形上邊界中間部位的若干節(jié)點(diǎn)，定義兩個(gè)節(jié)點(diǎn)組 (N-contact 和 N-target)，便于創(chuàng)建接觸對時(shí)使用。 先選擇下面兩個(gè)圓柱面，再 select - everything below - area 和 plot - element 匯出對應(yīng)的單元和節(jié)點(diǎn)。 然后： select - nodes - apply - 選擇如圖 11 個(gè)節(jié)點(diǎn)： 使用這 11 個(gè)節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建 component: N-contact 再用同樣方法，在下面的矩形中，選擇上邊界處，中間部位的 13 個(gè)節(jié)點(diǎn)，創(chuàng)建 component N-target 使用 select - components manager 檢查所創(chuàng)建的兩個(gè) components 是否正確 檢查無誤，執(zhí)行： select - everything 和 eplot 以下下使用接觸向?qū)гO(shè)置接觸： 接觸向?qū)У慕缑嫒缦拢?下面使用接觸向?qū)碓O(shè)置面 面接觸 (對于本例，看起來是 線 線接觸)： 選擇 N-target component 作為目標(biāo)面，目標(biāo)類型選擇柔性，然后點(diǎn)擊 Next： 選擇 N-contact component 作為接觸面，采用 面 面 接觸，然后點(diǎn)擊 next ： 取摩擦系數(shù)為 0.1，然后點(diǎn)擊 optional shettings 設(shè)置其它參數(shù)： 點(diǎn)擊 create 創(chuàng)建接觸對： 注意：創(chuàng)建接觸對之后，一定要檢查一下接觸面和目標(biāo)面的法向是否正確，如有問題需及時(shí)修改： 到此，建模可以結(jié)束，下面開始求解： 設(shè)置求解類型為 static，然后到 Solution Controls 中設(shè)置時(shí)間步等，如右圖，其它參數(shù)均使用默認(rèn)值： 點(diǎn)擊 Current LS 開始求解，很快即出現(xiàn)一個(gè)錯(cuò)誤提示： 點(diǎn)擊 Proceed，能繼續(xù)求解，并出現(xiàn)另一個(gè)錯(cuò)誤提示，同樣點(diǎn)擊 Proceed 繼續(xù)求解，又出現(xiàn)另一個(gè)錯(cuò)誤提示，不能再繼續(xù)求解。 分析認(rèn)為是接觸設(shè)置不當(dāng) 初始狀態(tài)圓柱與矩形之間有間隙。開始計(jì)算后，程序找不到初始接觸狀態(tài)，造成圓柱的剛體運(yùn)動。需要回到前處理修改接觸設(shè)置： 在前處理中，調(diào)出接觸向?qū)?。在其中，點(diǎn)擊接觸對使其高亮度，然后修改屬性 (這種設(shè)置作為：第一種設(shè)置)： 在接觸屬性對話框中，點(diǎn)擊 Initial Adjustment 標(biāo)簽，可以看到 Automatic Contact Adjustment 設(shè)置的不太合適： 在 Initial Adjustment 中，將 Automatic Contact Adjustment 改為 Close Gap/Reduce Penetration，并設(shè)置 Initial contact Closure 為 0.1： 再次求解，雖然還有錯(cuò)誤，但點(diǎn)擊 Proceed 后能夠求解結(jié)束： 然后到后處理中查看結(jié)果。首先看一下 Results Summary 可以看到，經(jīng)過 6 個(gè)載荷子步就收斂了： 讀取最后一步的結(jié)果。首先顯示接觸狀態(tài)： 接觸狀態(tài)顯示如下： 還可以顯示其它結(jié)果，以下為穿透情況： 接觸壓力的結(jié)果： 摩擦應(yīng)力的結(jié)果： 接觸總應(yīng)力 與接觸壓力基本相同： 下面將探討不同的接觸參數(shù)設(shè)置對計(jì)算結(jié)果的影響： 一、 第二種設(shè)置： 在原始設(shè)置 (計(jì)算不收斂) 的基礎(chǔ)上，在 Initial Adjustment 中，將 Automatic Contact Adjustment 改為 Close Gap/Reduce Penetration： 再次求解，不再出現(xiàn)和前面一樣的錯(cuò)誤，直接計(jì)算到結(jié)束： 然后到后處理中查看結(jié)果。首先看一下 Results Summary 可以看到，同樣經(jīng)過 6 個(gè)載荷子步就收斂了： 下面顯示最后一組結(jié)果的部分內(nèi)容： 接觸狀態(tài)顯示如下： 以下為穿透情況： 最大穿透值遠(yuǎn)大于第一種情況，說明誤差較大，可以增加接觸剛度以減小穿透。 接觸壓力： 接觸壓力遠(yuǎn)大于第一種結(jié)果！說明誤差較大！ 摩擦應(yīng)力的結(jié)果： 注意：摩擦應(yīng)力的分布與第一種結(jié)果完全不同 接觸總應(yīng)力 與接觸壓力基本相同： 二、 第三種設(shè)置： 在原始設(shè)置 (計(jì)算不收斂) 的基礎(chǔ)上，在 Initial Adjustment 中，設(shè)置 Initial contact Closure 為 0.1： 再次求解，中間不再出現(xiàn)問題，可以直接計(jì)算到結(jié)束： 然后到后處理中查看結(jié)果。首先看一下 Results Summary 可以看到，仍然是經(jīng)過 6 個(gè)子步就收斂了： 下面顯示最后一組結(jié)果的部分內(nèi)容：接觸狀態(tài)顯示如下： 還可以顯示其它結(jié)果，以下為穿透情況： 最大穿透略大于第一種結(jié)果，穿透大說明誤差較大，可以增加接觸剛度以減小穿透。接觸壓力： 接觸壓力大于第一種結(jié)果，但相差不多。摩擦應(yīng)力的結(jié)果： 接觸總應(yīng)力 與接觸壓力基本相同 三、 第四種設(shè)置：在 第一種設(shè)置的基礎(chǔ)上，將法向懲罰剛度因子改為 0.1： 再次求解，直接計(jì)算到結(jié)束： 然后到后處理中查看結(jié)果。首先看一下 Results Summary 可以看到，同樣經(jīng)過 6 個(gè)載荷子步就收斂了： 下面顯示最后一組結(jié)果的部分內(nèi)容： 接觸狀態(tài)顯示如下： 以下為穿透情況： 穿透遠(yuǎn)大于第一種結(jié)果！誤差較大！ 接觸壓力： 接觸壓力小于第一種結(jié)果！ 摩擦應(yīng)力的結(jié)果：摩擦應(yīng)力比第一種結(jié)果小 接觸總應(yīng)力 與接觸壓力基本相同：四、第五種設(shè)置：在 第一種設(shè)置的基礎(chǔ)上，將法向懲罰剛度因子改為 10： 再次求解，直接計(jì)算到結(jié)束： 然后到后處理中查看結(jié)果。首先看一下 Results Summary 可以看到，同樣經(jīng)過 6 個(gè)載荷子步就收斂了： 下面顯示最后一組結(jié)果的部分內(nèi)容： 接觸狀態(tài)顯示如下： 以下為穿透情況： 穿透遠(yuǎn)小于第一種結(jié)果！誤差減?。?接觸壓力： 接觸壓力與第一種結(jié)果很接近。 摩擦應(yīng)力的結(jié)果： 摩擦應(yīng)力小于第一種結(jié)果。接觸總應(yīng)力 與接觸壓力基本相同：以下修改其它參數(shù)，分別摸索其效果：五、第六種設(shè)置：在原始設(shè)置 (計(jì)算不收斂) 的基礎(chǔ)上，將接觸算法改為 內(nèi)部 MPC 算法： 再次求解，直接計(jì)算到結(jié)束： 然后到后處理中查看結(jié)果。首先看一下 Results Summary 可以看到，同樣經(jīng)過 6 個(gè)載荷子步就收斂了： 下面顯示最后一組結(jié)果的部分內(nèi)容： 接觸狀態(tài)顯示如下： 最大位移遠(yuǎn)大于第一種情況。以下為穿透情況： 由于 MPC 算法的特點(diǎn)，不存在穿透！接觸壓力： 由于 MPC 算法的特點(diǎn)，不存在接觸壓力。摩擦應(yīng)力的結(jié)果： 由于 MPC 算法的特點(diǎn)，不存在摩擦應(yīng)力。接觸總應(yīng)力 ： 由于 MPC 算法的特點(diǎn)，不存在接觸應(yīng)力. 結(jié)論： 由上述結(jié)果可見，由于不能提供如接觸壓力、穿透情況、摩擦應(yīng)力等與接觸有關(guān)的結(jié)果數(shù)據(jù)，內(nèi)部 MPC 算法對本例可能不適用。第七種設(shè)置：在 原始設(shè)置 (計(jì)算不收斂) 的基礎(chǔ)上，將算法改為 拉格朗日與懲罰方法： 再次求解，直接計(jì)算到結(jié)束： 然后到后處理中查看結(jié)果。首先看一下 Results Summary 可以看到，同樣經(jīng)過 6 個(gè)載荷子步就收斂了： 下面顯示最后一組結(jié)果的部分內(nèi)容：接觸狀態(tài)顯示如下： 最大位移比第一種情況增加不少。以下為穿透情況： 不存在穿透。接觸壓力： 最大接觸壓力遠(yuǎn)大于第一種結(jié)果。摩擦應(yīng)力的結(jié)果： 摩擦應(yīng)力很小。接觸總應(yīng)力 與接觸壓力基本相同：七、第八種設(shè)置：在第七種設(shè)置的基礎(chǔ)上，將法向接觸剛度因子改為 0.1： 再次求解，直接計(jì)算到結(jié)束： 然后到后處理中查看結(jié)果。首先看一下 Results Summary 可以看到，同樣經(jīng)過 6 個(gè)載荷子步就收斂了： 查看最后一組結(jié)果，與前面 FKN = 1 的結(jié)果相同，不再一一顯示。第九種設(shè)置：在第七種設(shè)置的基礎(chǔ)上，將法向接觸剛度因子改為 10，接觸算法選擇 Lagrange & Penalty method： 再次求解，直接計(jì)算到結(jié)束： 然后到后處理中查看結(jié)果。首先看一下 Results Summary 可以看到，同樣經(jīng)過 6 個(gè)載荷子步就收斂了： 查看最后一組結(jié)果，與前面 FKN = 1 的結(jié)果相同，不再一一顯示。 繼續(xù)修改法向接觸剛度因子為 0.001 和 100，計(jì)算結(jié)果都不變。 看來這一算法 (Lagrange&penalty Method) 的結(jié)果似乎與法向接觸剛度因子的設(shè)置關(guān)系不大 (至少對于本例)，值得推敲，需要慎用。第十種設(shè)置：在 原始設(shè)置 (計(jì)算不收斂) 的基礎(chǔ)上，將算法改為 懲罰方法： 再次求解，直接計(jì)算到結(jié)束： 然后到后處理中查看結(jié)果。首先看一下 Results Summary 可以看到，同樣經(jīng)過 6 個(gè)載荷子步就收斂了： 下面顯示最后一組結(jié)果的部分內(nèi)容：接觸狀態(tài)顯示如下：以下為穿透情況：接觸壓力的結(jié)果：摩擦應(yīng)力的結(jié)果： 接觸總應(yīng)力 與接觸壓力基本相同： 然后對法向接觸剛度因子進(jìn)行修改，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)該因子在一定范圍中變化 (0.011000 或更大) 時(shí)，隨著該因子的增大，穿透值不斷減小，摩擦應(yīng)力不斷減小并趨于穩(wěn)定值、接觸壓力和總應(yīng)力則逐漸增加并趨于穩(wěn)定值。但是和增廣拉格朗日方法的結(jié)果有很大差別。第十一種設(shè)置：在 原始設(shè)置 (計(jì)算不收斂) 的基礎(chǔ)上，將算法改為 Lagrange 方法： 再次求解，直接計(jì)算到結(jié)束： 然后到后處理中查看結(jié)果。首先看一下 Results Summary 可以看到，同樣經(jīng)過 6 個(gè)載荷子步就收斂了： 下面顯示最后一組結(jié)果的部分內(nèi)容：接觸狀態(tài)顯示如下： 以下為穿透情況： 接觸壓力的結(jié)果： 摩擦應(yīng)