ANSYS高級(jí)接觸和螺栓預(yù)緊培訓(xùn)手冊(cè)PPT教學(xué)課件

1、高級(jí)接觸和螺栓預(yù)緊高級(jí)接觸和螺栓預(yù)緊目錄目錄1. 介紹1-12. 接觸概述 2-1A. 典型應(yīng)用 2-2B. 接觸分類2-73. 接觸剛度3-1A. 基本內(nèi)容3-2B. 指定一個(gè)值3-6練習(xí) 1 平面密封圈3-10C. 附錄 計(jì)算剛度值3-114. 摩擦4-1練 習(xí) 2 平面密封圈 (第二部分)4-18練習(xí) 3 線性制動(dòng)器4-185. 自動(dòng)時(shí)間步5-1練習(xí) 4 平面密封圈 (第三部分)5-116. 面面接觸單元6-1A.概述6-4B.高級(jí)選項(xiàng)6-6練習(xí) 5 “不分離” 行為6-30練習(xí) 6 初始穿透 6-38練習(xí) 7 初始接觸環(huán)6-50練習(xí) 8 初始穿透范圍6-53練習(xí) 9 單純熱接觸6-72

2、C.剛性表面注意事項(xiàng)6-73D.不通過向?qū)?chuàng)建單元6-82練習(xí) 10 建立接觸對(duì)6-101E.疑難解答6-1027. 點(diǎn)點(diǎn)接觸單元 7-1練習(xí) 11 面面接觸模擬7-128. 點(diǎn)面接觸單元8-1 練習(xí) 12 梁端部接觸8-169. 螺栓預(yù)緊單元 9-1A.PRETS179 單元9-4B.典型過程9-7練習(xí) 13 螺栓固定板9-19第1頁/共221頁介紹介紹第一章第2頁/共221頁介紹介紹歡迎歡迎! 歡迎參加高級(jí)接觸和螺栓預(yù)緊培訓(xùn)課程! 本課程包括現(xiàn)在還無法用接觸向?qū)?、缺省接觸設(shè)置和自動(dòng)求解控制設(shè)置進(jìn)行求解的接觸模型，另外還包括螺栓預(yù)緊分析。 本課程面向已經(jīng)熟悉非線性迭代分析的內(nèi)容和過程，并已經(jīng)

3、學(xué)習(xí)了如何進(jìn)行簡單接觸分析（基本結(jié)構(gòu)非線性中的主題）的 ANSYS 用戶。第3頁/共221頁介紹介紹 歡迎歡迎 本課程是三個(gè)ANSYS非線性培訓(xùn)課程中的第二課:基本結(jié)構(gòu)非線性 (2 天)高級(jí)接觸和螺栓預(yù)緊 (1 天)高級(jí)結(jié)構(gòu)非線性 (2 天)第4頁/共221頁介紹介紹課程目標(biāo)課程目標(biāo) 為講述高級(jí)非線性接觸分析過程，包括以下主題: 接觸分類 接觸剛度 摩擦 面面、點(diǎn)點(diǎn)、點(diǎn)面接觸單元 螺栓預(yù)緊第5頁/共221頁介紹介紹課程內(nèi)容課程內(nèi)容 用戶手中的培訓(xùn)手冊(cè)是本幻燈片的完成拷貝。 練習(xí)的詳細(xì)內(nèi)容和指導(dǎo)在練習(xí)題附錄中。 練習(xí)題所需文件可向指導(dǎo)教師索取。第6頁/共221頁介紹介紹 所含主題所含主題2. 接

4、觸概述3. 接觸剛度4. 摩擦5. 自動(dòng)時(shí)間步6. 面面接觸單元7. 點(diǎn)點(diǎn)接觸單元8. 點(diǎn)面接觸單元9. 螺栓預(yù)緊第7頁/共221頁接觸概述接觸概述第二章第8頁/共221頁接觸概述接觸概述A. 典型應(yīng)用典型應(yīng)用 接觸是一種常見的物理現(xiàn)象，也是 ANSYS 用戶最常使用的非線性特性。 接觸用于分析各種類型的模型，典型應(yīng)用包括: 動(dòng)力沖擊 板成形 螺栓連接 零件裝配 緊配合 純壓縮邊界條件 所有這些應(yīng)用及其它許多應(yīng)用都可用 ANSYS 接觸功能來模擬。第9頁/共221頁接觸概述接觸概述. 典型應(yīng)用典型應(yīng)用 韌性棒沖擊剛性表面沖擊瞬間沖擊瞬間最大變形最大變形 (無摩擦無摩擦)最大變形最大變形 (有摩

5、擦有摩擦)第10頁/共221頁接觸概述接觸概述. 典型應(yīng)用典型應(yīng)用 超彈性振動(dòng)緩沖器的表面接觸、起皺和自接觸。第11頁/共221頁接觸概述接觸概述. 典型應(yīng)用典型應(yīng)用 板成形 (深沖)模具配置模具配置深沖后深沖后最終板材最終板材第12頁/共221頁接觸概述接觸概述. 典型應(yīng)用典型應(yīng)用 輪齒接觸第13頁/共221頁接觸概述接觸概述B. 接觸分類接觸分類 ANSYS 軟件采用 接觸單元 來: 跟蹤接觸位置 保證接觸協(xié)調(diào)性 (防止接觸表面互相穿透) 在接觸表面之間傳遞接觸應(yīng)力 (正壓力和摩擦) 在 ANSYS 中用戶可以采用三種不同的單元來模擬接觸: 面面接觸單元 點(diǎn)面接觸單元 點(diǎn)點(diǎn)接觸單元 不同的

6、單元類型具有完全不同的單元特性和分析過程。第14頁/共221頁接觸概述接觸概述. 接觸分類接觸分類 另外，接觸體可以是剛性的或柔性的，于是形成兩類基本模型: 剛?cè)?一個(gè)表面是完全剛性的 除剛體運(yùn)動(dòng)外無應(yīng)變、應(yīng)力和變形 只在一個(gè)表面特別剛硬并且不關(guān)心剛硬物體的應(yīng)力時(shí)有效 柔柔 接觸體都由可變形單元組成 三種類型的單元都支持剛?cè)岷腿崛峤佑|模型。第15頁/共221頁接觸概述接觸概述. 接觸分類接觸分類面面 接觸單元用于任意形狀的兩個(gè)表面接觸時(shí) 不必事先知道接觸的準(zhǔn)確位置 兩個(gè)面可以具有不同的網(wǎng)格 支持大的相對(duì)滑動(dòng) 支持大應(yīng)變和大轉(zhuǎn)動(dòng)面面接觸可以模擬金屬成形，如軋制過程面面接觸可以模擬金屬成形，如軋制

7、過程第16頁/共221頁接觸概述接觸概述. 接觸分類接觸分類點(diǎn)面 接觸單元用于某一點(diǎn)和任意形狀的面接觸 可使用多個(gè)點(diǎn)面接觸單元模擬棱邊和面的接觸 不必事先知道接觸的準(zhǔn)確位置 兩個(gè)面可以具有不同的網(wǎng)格 支持大的相對(duì)滑動(dòng) 支持大應(yīng)變和大轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)面接觸可以模擬棱邊點(diǎn)面接觸可以模擬棱邊 (如如線線) 和面之間的接觸和面之間的接觸第17頁/共221頁接觸概述接觸概述. 接觸分類接觸分類點(diǎn)點(diǎn) 接觸單元用于模擬單點(diǎn)和另一個(gè)確定點(diǎn)之間的接觸. 建立模型時(shí)必須事先知道確切的接觸位置. 多個(gè)點(diǎn)點(diǎn)接觸單元可模擬兩個(gè)具有多個(gè)單元表面間的接觸 每個(gè)表面的網(wǎng)格必須是相同的. 相對(duì)滑動(dòng)變形必須很小. 只對(duì)小的轉(zhuǎn)動(dòng)響應(yīng)有效.點(diǎn)

8、點(diǎn)接觸可模擬一些面的接觸，點(diǎn)點(diǎn)接觸可模擬一些面的接觸，如地基和土壤的接觸如地基和土壤的接觸.第18頁/共221頁接觸概述接觸概述. 接觸分類接觸分類 雖然模擬同樣的基本現(xiàn)象，并且有許多共同點(diǎn)，但這三種接觸單元也在許多方面不同. 在以后章節(jié)中，將首先討論一般條件下的通用內(nèi)容 (如接觸剛度)，然后討論不同的單元如何實(shí)現(xiàn)這些特性.第19頁/共221頁接觸剛度接觸剛度第三章第20頁/共221頁接觸剛度接觸剛度A. 基本內(nèi)容基本內(nèi)容回顧: 所有的 ANSYS 接觸單元都采用罰剛度（接觸剛度）來保證接觸界面的協(xié)調(diào)性. 在數(shù)學(xué)上為保持平衡，需要有穿透值 ( D 0). 然而, 物理接觸實(shí)體是沒有穿透的 (D

9、 = 0). 接觸彈簧產(chǎn)生變形 D ,滿足平衡方程:F = k D式中 k 為接觸剛度.FD第21頁/共221頁接觸剛度接觸剛度. 基本內(nèi)容基本內(nèi)容 作為分析人員, 將面對(duì)困難的選擇: 小的穿透計(jì)算精度高. 因此, 接觸剛度應(yīng)該很大. 然而, 太大的接觸剛度會(huì)產(chǎn)生收斂困難. 模型可能會(huì)振蕩, 接觸表面互相跳開.迭代步 n迭代步 n+1FFF接觸F迭代步 n+2第22頁/共221頁接觸剛度接觸剛度 . 基本內(nèi)容基本內(nèi)容接觸剛度 是同時(shí)影響計(jì)算精度和收斂性的最重要的參數(shù). 你必須仔細(xì)選定一個(gè)合適的接觸剛度. 平衡收斂效率和計(jì)算精度之間的關(guān)系. “最好” 的值是與問題相關(guān)的, 必須不斷通過驗(yàn)證計(jì)算來

10、確定. 使用一個(gè)試驗(yàn)值, 然后考察收斂性和計(jì)算精度.第23頁/共221頁接觸剛度接觸剛度. 基本內(nèi)容基本內(nèi)容 除了在表面間傳遞法向運(yùn)動(dòng)(壓力), 接觸單元還傳遞切向運(yùn)動(dòng)(摩擦). 接觸單元采用切向罰剛度 保證切向方向的協(xié)調(diào)性. 切向罰剛度與法向罰剛度以同樣的方式對(duì)收斂性和計(jì)算精度產(chǎn)生影響.FtangentDFtangent = ktangent D第24頁/共221頁接觸剛度接觸剛度B. 指定一個(gè)值指定一個(gè)值 選定一個(gè)合適的接觸剛度值需要一些經(jīng)驗(yàn). 對(duì)于面面接觸單元, 接觸剛度通常指定為基體單元?jiǎng)偠鹊囊粋€(gè)比例因子. 開始估計(jì)時(shí), 選用: FKN = 1.0 大面積實(shí)體接觸. FKN = 0.0

11、1 0.1 較柔軟 (彎曲占主導(dǎo)的)部分. 另外, 也可以指定一個(gè)絕對(duì)剛度值, 單位是 (力/長度)/面積.第25頁/共221頁接觸剛度接觸剛度. 指定一個(gè)值指定一個(gè)值 點(diǎn)點(diǎn) (除 CONTA178) 和點(diǎn)面接觸單元需要為罰剛度 KN 輸入絕對(duì)值. 初始估計(jì)時(shí): 對(duì)于大變形: 0.1*E KN 1.0*E 對(duì)于彎曲: 0.01*E KN 0.1*E E 為彈性模量. 如何計(jì)算合適的絕對(duì)剛度值的詳細(xì)討論請(qǐng)參考 附錄.第26頁/共221頁接觸剛度接觸剛度. 指定一個(gè)值指定一個(gè)值 下面的過程可以作為指導(dǎo):1. 開始采用較小的剛度值.2. 對(duì)前幾個(gè)子步進(jìn)行計(jì)算.3. 檢查穿透量和每一個(gè)子步中的平衡迭代

12、次數(shù). 在粗略的檢查中,如以實(shí)際比例顯示整個(gè)模型時(shí)就能夠觀察到穿透, 則穿透可能太大了,需要提高剛度重新分析. 如果收斂的迭代次數(shù)過多 (或未收斂), 降低剛度重新分析. 注意: 罰剛度可以在載荷步間改變 , 并且可以在重啟動(dòng)中調(diào)整.第27頁/共221頁接觸剛度接觸剛度. 指定一個(gè)值指定一個(gè)值 牢記: 接觸剛度是同時(shí)影響計(jì)算精度和收斂性的最重要的參數(shù). 如果你能夠完全掌握這個(gè)要點(diǎn), 就可以處理絕大部分接觸困難! 如果有收斂問題, 減小剛度值, 重新分析. 在敏感的分析中, 還應(yīng)該改變罰剛度來驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的有效性. 在連續(xù)分析中減小剛度的范圍, 直到重要的結(jié)果項(xiàng) (接觸壓力, 最大 SEQV 等

13、) 不再明顯改變. 第28頁/共221頁接觸剛度接觸剛度 .練習(xí)練習(xí) 1-平面密封圈平面密封圈 練習(xí)指導(dǎo)請(qǐng)參考練習(xí)附錄: W1. 接觸剛度.第29頁/共221頁接觸剛度接觸剛度C. 附錄附錄 計(jì)算剛度值計(jì)算剛度值接觸剛度附錄第30頁/共221頁接觸剛度接觸剛度 附錄附錄 計(jì)算剛度值計(jì)算剛度值 通常, 可以由接觸表面的相對(duì)剛度估計(jì)一個(gè)比較好的接觸剛度. 大面積實(shí)體的剛度一般大于彈性的易彎曲結(jié)構(gòu)的剛度. 接觸剛度主要是相對(duì)于大面積實(shí)體結(jié)構(gòu)而言. 大面積接觸的實(shí)例有金屬加工，車輪和鐵軌，銷釘和軸承座等. 易彎曲的接觸實(shí)例有葉片彈簧，板成形等.第31頁/共221頁接觸剛度接觸剛度. 附錄附錄 計(jì)算剛度

14、值計(jì)算剛度值 對(duì)于大面積實(shí)體, 赫茲接觸剛度 通?？梢詾榻佑|剛度提供合適的基本值. 這個(gè)剛度可以由單元尺寸和楊氏模量來估計(jì). 對(duì)于具有一致形狀的 3D 單元, 赫茲剛度可以近似為 kHertz a x E, 式中 a 是特征單元尺寸, E 是楊氏模量. 對(duì)于具有厚度 (t) 的 2D 單元, 赫茲剛度可以近似為 kHertz t x E. 對(duì)于 2D 軸對(duì)稱單元, “厚度” 是 1 弧度 x r, 赫茲剛度近似為 kHertz r x E.aaaaatraa第32頁/共221頁接觸剛度接觸剛度. 附錄附錄 計(jì)算剛度值計(jì)算剛度值 實(shí)踐中, 大面積接觸剛度的合適初值應(yīng)為 kcontact = fb

15、ulk x kHertz, 式中因子 fbulk 對(duì)于大面積實(shí)體介于 0.1 和 10 之間. 由于 fbulk 的初始估計(jì)值在至少兩個(gè)量級(jí)的范圍內(nèi), 并且由于 kcontact 總要通過試驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整, 因此當(dāng)估計(jì)罰剛度時(shí)沒有必要擔(dān)心單元尺寸.對(duì)于大面積實(shí)體, 可只通過下式簡單地估計(jì)罰剛度k = fbulk x E 式中因子 fbulk 通常介于 0.1 和 10 之間, fbulk 的合適的初值通?？扇?fbulk = 1.0. 此估計(jì)值假定一個(gè)近似的“單位”單元長度; 對(duì)于非常大或非常小的單元 , 可能需要相應(yīng)地調(diào)整 fbulk 值.第33頁/共221頁接觸剛度接觸剛度. 附錄附錄 計(jì)算剛

16、度值計(jì)算剛度值 如果接觸包含兩種不同的材料, 采用較軟的接觸材料的 E . 如果存在塑性，說明剪切模量降低. 對(duì)于 Mooney-Rivlin 超彈材料，材料模型不使用值 E，必須為此模型估計(jì)值 E. 可以簡單地從應(yīng)力應(yīng)變曲線中的相應(yīng)部分提取彈性模量值. 或者通過 E = 6(a + b) 估計(jì)一個(gè)初始模量，式中 a 和 b 是頭兩個(gè) Mooney-Rivlin 常數(shù).第34頁/共221頁接觸剛度接觸剛度. 附錄附錄 計(jì)算剛度值計(jì)算剛度值 對(duì)于柔性部分 (梁和殼模型) 系統(tǒng)剛度可能遠(yuǎn)小于赫茲接觸剛度. 這種情況下可以先進(jìn)行靜力分析，把單位載荷施加到預(yù)期的接觸面上以確定模型的局部剛度. 接觸剛度

17、可以由下式進(jìn)行估計(jì):k = fbend(P/d) 式中 P 是施加的單位載荷，d 是相應(yīng)的變形，對(duì)于柔體接觸 , fbend 是介于 1 和 100 之間的因子. fbend = 1 通常是一個(gè)很好的初值. 實(shí)踐中為簡便, 可以只由下式估計(jì)接觸剛度:k = fbulk x E/10第35頁/共221頁接觸剛度接觸剛度. 附錄附錄 計(jì)算剛度值計(jì)算剛度值 同樣關(guān)于收斂性和計(jì)算精度的問題也存在于切向罰剛度. 太小的值導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不精確. 太大的值引起收斂困難. “最好的”值應(yīng)由試驗(yàn)得出. 作為初值, 可采用ktangent = 0.01 knormal 這是大多數(shù) ANSYS 接觸單元的缺省值. 當(dāng)

18、然, 剪切應(yīng)力受滑動(dòng)發(fā)生的值所限制: t m x p 摩擦在下一章中討論.第36頁/共221頁接觸剛度接觸剛度. 附錄附錄 計(jì)算剛度值計(jì)算剛度值 對(duì)于點(diǎn)點(diǎn)和點(diǎn)面接觸單元, 直接指定罰剛度值, 單位為力/長度. 對(duì)不同的網(wǎng)格密度, 總體的表面剛度在網(wǎng)格密的地方大，而在網(wǎng)格疏的地方小. 這將導(dǎo)致不均勻的接觸壓力. 由于面面接觸單元的罰剛度是按單位面積指定的，總體表面剛度隨網(wǎng)格密度變化很小.(為清晰，表面單獨(dú)繪出)F網(wǎng)格密的地方大網(wǎng)格疏的地方小第37頁/共221頁摩擦摩擦第四章第38頁/共221頁摩擦摩擦什么是摩擦? 兩個(gè)接觸體的剪切或滑動(dòng)行為可以是無摩擦的或有摩擦的. 無摩擦行為允許物體沒有阻力地

19、相互滑動(dòng). 當(dāng)存在摩擦?xí)r，物體之間會(huì)產(chǎn)生剪切力.第39頁/共221頁. 摩擦摩擦 摩擦消耗能量，并且是路徑相關(guān)的行為. 載荷必須以與實(shí)際情況相同的方式施加. 為獲得較高的精度，時(shí)間步長必須小. 注意, 與塑性不一樣，自動(dòng)時(shí)間步長不考慮摩擦響應(yīng)增量的步長.小時(shí)間步小時(shí)間步真實(shí)位移路徑真實(shí)位移路徑大時(shí)間步大時(shí)間步AB第40頁/共221頁. 摩擦摩擦 實(shí)際摩擦是一個(gè)復(fù)雜的現(xiàn)象，它是下面因素的函數(shù): 接觸材料 (包括潤滑劑). 表面粗糙度. 溫度. 物體的相對(duì)速度. 摩擦的機(jī)制至今尚未完全弄清. 實(shí)際上, 低速度和常壓力下進(jìn)行的一個(gè)簡單的摩擦實(shí)驗(yàn), 也經(jīng)常表現(xiàn)出相當(dāng)不穩(wěn)定的力變形行為:Fu第41頁/共

20、221頁. 摩擦摩擦 ANSYS中, 摩擦采用庫侖模型，并有附加選項(xiàng)可處理復(fù)雜的粘著和剪切行為. 庫侖法則是宏觀模型，表述物體間的等效剪切力 FT 不能超過正壓力 FN 的一部分:FT m x FN 式中 m 摩擦系數(shù). 一旦超過 FT ，兩個(gè)物體將發(fā)生相對(duì)滑動(dòng).第42頁/共221頁. 摩擦摩擦彈性庫侖摩擦模型: 允許粘著和滑動(dòng) 試圖使兩個(gè)物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)的剪切載荷 Ft 小于 m Fn 時(shí)， 兩個(gè)物體粘著在一起. 如果此剪切載荷 Ft 大于 m Fn , 兩物體發(fā)生相對(duì)滑動(dòng). 在兩物體間將產(chǎn)生反向的剪切應(yīng)力 TAU. 粘著: Ft m Fn 或當(dāng): TAU TAUMAX則: TAU = Shea

21、r Stress缺省值: TAUMAX = 1e20FnFtm Fn第43頁/共221頁. 摩擦摩擦彈性庫侖摩擦模型（續(xù)）: 允許粘著和滑動(dòng) 一些單元采用實(shí)常數(shù) TAUMAX 模擬這種限制 .|t t|m mpTAUMAXTAUMAX 的一個(gè)估計(jì)上限為的一個(gè)估計(jì)上限為:3y式中式中 y 是接近表面的材料的等是接近表面的材料的等效效 Mises 屈服應(yīng)力屈服應(yīng)力 . 經(jīng)典數(shù)據(jù)經(jīng)典數(shù)據(jù)通常是通常是TAUMAX 比較好的初始比較好的初始值值.第44頁/共221頁. 摩擦摩擦彈性庫侖摩擦模型（續(xù)）: 允許粘著和滑動(dòng) 粘著區(qū)被處理為彈性的，并具有剪切剛度 KT. 剪切剛度具有與正剛度相同的效果: 剛度大

22、時(shí)精度高，剛度小時(shí)收斂性好. 可以指定 KT, 或由程序指定 KT 為 KN的分?jǐn)?shù) (通常為 KN的 1% ).FTuKTm mFN第45頁/共221頁. 摩擦摩擦剛性庫侖摩擦: 接觸響應(yīng)不能是“粘著” 此模型只適用于分析同一方向上的連續(xù)滑動(dòng). 例如砂輪打磨物體時(shí). 在u = 0 時(shí)的不連續(xù)等效于無限剛度. 如果滑動(dòng)停止或反向會(huì)出現(xiàn)收斂困難.FTum mFN只允許滑動(dòng)摩擦只允許滑動(dòng)摩擦.第46頁/共221頁 摩擦摩擦 庫侖模型表示當(dāng)正壓力增加時(shí)，傳遞的最大剪切壓力也增加.FTup1p2正壓力增加，滑動(dòng)力增加正壓力增加，滑動(dòng)力增加第47頁/共221頁 摩擦摩擦 當(dāng)然，接觸表面的剪切屈服應(yīng)力限制住

23、傳遞的剪切應(yīng)力最大值.像膠表面上的剪切屈服應(yīng)力像膠表面上的剪切屈服應(yīng)力產(chǎn)生剎車滑痕產(chǎn)生剎車滑痕 限制了在輪限制了在輪胎和公路之間傳遞的摩擦力胎和公路之間傳遞的摩擦力.第48頁/共221頁 摩擦摩擦 有時(shí), 表面會(huì)粘著在一起 , 即使沒有正壓力時(shí)也會(huì)有滑動(dòng)阻力. 一些單元可以用結(jié)合力 (COHE) 描述這種狀態(tài).|t t|m mpTAUMAXCOHE第49頁/共221頁 摩擦摩擦摩擦系數(shù): 物體滑動(dòng)時(shí)的摩擦系數(shù)通常比靜止時(shí)的摩擦系數(shù)小. 滑動(dòng): 動(dòng)摩擦系數(shù). 靜止: 靜摩擦系數(shù). 并非所有 ANSYS 接觸單元都支持靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)的區(qū)別. 對(duì)于所有的 ANSYS 接觸單元, m 被指定為

24、材料屬性 (MU). 對(duì)點(diǎn)點(diǎn)和點(diǎn)面接觸單元，用實(shí)常數(shù) FACT (靜、動(dòng)摩擦比值) 來區(qū)分靜、動(dòng)摩擦系數(shù). 對(duì)于面面接觸單元，動(dòng)摩擦系數(shù)以表面相對(duì)速度的函數(shù)計(jì)算得出. 無摩擦?xí)r, 取 m = 0.第50頁/共221頁 摩擦摩擦摩擦系數(shù) (續(xù)): 對(duì)于面面接觸單元，動(dòng)摩擦系數(shù)是速度的指數(shù)函數(shù)，并以下式表示: m = m k + (m s-m k)e- dcVt或 MU = MUK*(1+(FACT-1)exp(-dc*vtfs/deltaT)式中: MUK = 動(dòng)摩擦系數(shù) (由用戶定義)FACT = MUS/MUK (由用戶定義)MUS = 靜摩擦系數(shù)dc = 衰減系數(shù) (由用戶定義)vtfs/

25、deltaT = 表面間的相對(duì)速度缺省值:FACT = 1,MUS=MUK=0dc = 0第51頁/共221頁 摩擦摩擦Friction coefficient vs velocity0.0000.0200.0400.0600.0800.1000.1200.1400.1600.002.004.006.008.0010.00velocityfriction coefficientFriction coefficientvs velocity摩擦系數(shù)摩擦系數(shù) (續(xù)續(xù)): 動(dòng)摩擦系數(shù)作為表面速度的函數(shù)，使靜態(tài)平穩(wěn)過渡到動(dòng)態(tài)動(dòng)摩擦系數(shù)作為表面速度的函數(shù)，使靜態(tài)平穩(wěn)過渡到動(dòng)態(tài)第52頁/共221頁 摩擦摩

26、擦 包含摩擦的接觸問題產(chǎn)生非對(duì)稱的剛度矩陣. 然而, 采用非對(duì)稱方程求解器比對(duì)稱方程求解器需要更多的計(jì)算時(shí)間. 因此 ANSYS 采用對(duì)稱化算法，大多數(shù)的包含摩擦的接觸問題可以用此求解. 如果求解時(shí)收斂性能不好，對(duì)于一些單元可以使用非對(duì)稱的求解選項(xiàng) ( NROPT, USYM) . 此時(shí)可以采用稀疏 求解器（推薦）或波前 求解器 , 當(dāng)非對(duì)稱矩陣出現(xiàn)時(shí)，兩者都可以自動(dòng)轉(zhuǎn)換到非對(duì)稱求解器選項(xiàng). PCG 對(duì)于非對(duì)稱矩陣無效.第53頁/共221頁 摩擦摩擦 ANSYS 接觸單元摩擦選項(xiàng)總覽:Surf-to-Surf (CONTA171-174)Node-to-Node (CONTA178)Node-

27、to-Node (CONTA12/52)Node-to-Surf (CONTA48/49)General FrictionyesyesyesyesElastic CoulombyesyesyesyesRigid CoulombnonoyesyesStatic/Dynamic MUyesnonoyesDynamic Friction Formulayes; mu=f(muk,FACT,dc)nononoTAUMAX with FrictionyesnononoLarge Strain (NLGEOM,ON)yesnonoyesCohesionyesnononoUnsymmetric Matrix

28、yesyesyesnoAuto or User Specified KTyes; KT = f(MU,KN)yes; FKS=f(MU,FKN)yes; KT = KNyes; KT=0.01 KN第54頁/共221頁摩擦摩擦 .練習(xí)練習(xí)2、3 練習(xí)指導(dǎo)請(qǐng)參考練習(xí)附錄: W2. 帶摩擦的接觸 (常摩擦系數(shù)) W3. 帶摩擦的接觸 (動(dòng)摩擦系數(shù))第55頁/共221頁自動(dòng)時(shí)間步自動(dòng)時(shí)間步第五章第56頁/共221頁自動(dòng)時(shí)間步自動(dòng)時(shí)間步 回顧：將載荷作為載荷增量施加可以同時(shí)提高非線性分析的收斂性和計(jì)算精度. 缺省情況下，程序采用自動(dòng)時(shí)間步 特性自動(dòng)調(diào)整載荷增量. 時(shí)間步長自動(dòng)增大和減小以保持收斂性和計(jì)

29、算精度，及總體求解效率之間的平衡. 較多的子步 (較小的時(shí)間步長) 提高收斂性和計(jì)算精度. 然而，過小的時(shí)間步長會(huì)降低總體計(jì)算效率.第57頁/共221頁. 自動(dòng)時(shí)間步自動(dòng)時(shí)間步 自動(dòng)時(shí)間步的時(shí)間步預(yù)測 特性基于當(dāng)前和以前的響應(yīng)歷史計(jì)算下一個(gè)子步的步長. 時(shí)間步長加大和減小依賴于: 前一步使用的平衡迭代數(shù). 響應(yīng)頻率 (瞬態(tài)分析). 前一步經(jīng)歷的蠕應(yīng)變?cè)隽? 前一步經(jīng)歷的塑性應(yīng)變?cè)隽?接觸單元中 (或其它多種狀態(tài)單元中)的臨界狀態(tài)變化. 臨界接觸狀態(tài)變化對(duì)時(shí)間步長的影響有時(shí)希望與以考慮，有時(shí)又不期望.需要特殊的工具來控制接觸分析中的時(shí)間步預(yù)測.第58頁/共221頁. 自動(dòng)時(shí)間步自動(dòng)時(shí)間步 牢記接

30、觸是一種狀態(tài) 非線性. 分析過程中，接觸單元的狀態(tài)會(huì)改變狀態(tài)狀態(tài) = 開放開放狀態(tài)狀態(tài) = 閉合粘著閉合粘著狀態(tài)狀態(tài) = 閉合滑動(dòng)閉合滑動(dòng)第59頁/共221頁. 自動(dòng)時(shí)間步自動(dòng)時(shí)間步 自動(dòng)時(shí)間步需要考慮臨界狀態(tài)變化的影響有時(shí)是必要的.子步子步 1子步子步 2子步子步 3由于大的時(shí)間由于大的時(shí)間步長接觸丟失步長接觸丟失時(shí)間步長自動(dòng)減時(shí)間步長自動(dòng)減小以捕獲接觸狀小以捕獲接觸狀態(tài)變化態(tài)變化第60頁/共221頁. 自動(dòng)時(shí)間步自動(dòng)時(shí)間步 然而對(duì)于許多模型,實(shí)際系統(tǒng)會(huì)阻止非常不精確的位移進(jìn)一步發(fā)展. 這些模型中，期望自動(dòng)時(shí)間步忽略 臨界接觸狀態(tài)變化. 由于狀態(tài)改變引起的小的時(shí)間步是不必要的. 仍然期望采用

31、其它標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置自動(dòng)時(shí)間步.計(jì)算步計(jì)算步 1計(jì)算步計(jì)算步 2狀態(tài)狀態(tài) = 3狀態(tài)狀態(tài) = 3狀態(tài)狀態(tài) = 1第61頁/共221頁. 自動(dòng)時(shí)間步自動(dòng)時(shí)間步 對(duì)于許多模型，需要允許用戶有選擇地打開和關(guān)閉接觸狀態(tài)變化對(duì)自動(dòng)時(shí)間步的影響，但必須考慮其它準(zhǔn)則. 缺省情況下，自動(dòng)時(shí)間步對(duì)接觸狀態(tài)變化是關(guān)閉的. 可以打開它，通過:Solution Unabridged Menu -Load Step Opts- Solution Ctrl.第62頁/共221頁. 自動(dòng)時(shí)間步自動(dòng)時(shí)間步 當(dāng)此特性在完整的非線性求解控制菜單中打開時(shí)，接觸單元的 Keyopt(7) 選項(xiàng)將決定自動(dòng)時(shí)間步是否考慮接觸狀態(tài)變化地影響. 此

32、功能作為此特性的第二個(gè) on/off 開關(guān), 允許你進(jìn)一步定義它的應(yīng)用. 可以只為選定的幾個(gè)單元的接觸狀態(tài)變化打開自動(dòng)時(shí)間步 ( 如首先建立接觸的單元 ). 此單元選項(xiàng)還允許為接觸自動(dòng)時(shí)間步選擇一個(gè)“合理的”值，而使時(shí)間步長降低較小.第63頁/共221頁. 自動(dòng)時(shí)間步自動(dòng)時(shí)間步 在接觸初始發(fā)生的小區(qū)域內(nèi)將Keyopt(7)設(shè)置為最小時(shí)間步長.只在此區(qū)域內(nèi)為只在此區(qū)域內(nèi)為接觸狀態(tài)變化使接觸狀態(tài)變化使用自動(dòng)時(shí)間步用自動(dòng)時(shí)間步第64頁/共221頁. 自動(dòng)時(shí)間步自動(dòng)時(shí)間步 接觸分析中自動(dòng)時(shí)間步的其它注意事項(xiàng): 與所有其它非線性一樣，對(duì)接觸問題時(shí)間步長是非常有力的提高收斂性的工具. 采用足夠小的時(shí)間步長

33、以獲得收斂. 對(duì)于路徑相關(guān)現(xiàn)象 (如接觸摩擦), 相對(duì)較小的最大時(shí)間步長對(duì)計(jì)算精度是必須的. 對(duì)于瞬態(tài)分析, 沖擊時(shí)必須使用足夠數(shù)量的計(jì)算步以描述表面間的動(dòng)量轉(zhuǎn)移. 對(duì)于精確的位移計(jì)算，這需要小的最小時(shí)間步長: Dt 1/(30 f) 式中 f = 表面的特征頻率 f = (k/m)0.5 對(duì)于精確的加速度或速度: Dt 1/(100 f)第65頁/共221頁自動(dòng)時(shí)間步自動(dòng)時(shí)間步 練習(xí)練習(xí)4 練習(xí)指導(dǎo)請(qǐng)參考練習(xí)附錄: W4. 接觸自動(dòng)時(shí)間步.第66頁/共221頁面面接觸單元面面接觸單元第六章第67頁/共221頁面面接觸單元面面接觸單元 面面接觸單元是 ANSYS 軟件中最通用的接觸單元. 由于

34、其精度高，特性豐富，界面友好，因此被大多數(shù) ANSYS 用戶選用.第68頁/共221頁 面面接觸單元面面接觸單元 本章中，將通過下面的主題，全面展示 ANSYS 面面接觸單元的處理方法:A. 概述B. 特殊問題的高級(jí)選項(xiàng)C. 剛性面問題D. 不通過向?qū)?chuàng)建單元E. 疑難問題第69頁/共221頁面面接觸單元面面接觸單元A. 概述概述 面面接觸單元，正如其名所指，是模擬任意兩個(gè)表面間接觸的方法. 表面可以具有任意形狀. 對(duì)于點(diǎn)面，線面或邊面接觸，點(diǎn)點(diǎn)和點(diǎn)面接觸單元更適合. 面面接觸單元在面的高斯點(diǎn)處傳遞壓力. 其它單元在節(jié)點(diǎn)處傳遞離散的力. 這種先進(jìn)的技術(shù)使面面接觸單元具有很多優(yōu)點(diǎn).第70頁/共2

35、21頁面面接觸單元面面接觸單元. 概述概述 由于與其它接觸單元相比具有許多優(yōu)點(diǎn)，面面接觸單元是ANSYS 中使用得最廣泛的接觸單元: 與低階單元和高階單元都兼容. 高效地支持具有滑動(dòng)和摩擦的大變形. 提供更好的接觸結(jié)果 ( 易于后處理接觸壓力和摩擦應(yīng)力 ). 可考慮殼和梁的厚度，以及殼的厚度變化. 半自動(dòng)接觸剛度計(jì)算. 剛性表面由“控制節(jié)點(diǎn)” 控制. 智能缺省設(shè)置, 接觸向?qū)?( 易于使用 ). 熱接觸特性. 眾多的高級(jí)選項(xiàng)來處理復(fù)雜問題.第71頁/共221頁面面接觸單元面面接觸單元B. 高級(jí)選項(xiàng)高級(jí)選項(xiàng) 具有 20 個(gè)可用的實(shí)常數(shù)、2 個(gè)材料屬性和 30 個(gè)可用的單元選項(xiàng)設(shè)置 , 這些單元提

36、供了豐富的特征庫，能夠用于模擬特殊的效果和處理困難的收斂情況. 然而, 正如基本結(jié)構(gòu)非線性培訓(xùn)手冊(cè)中所述 , 這些眾多選項(xiàng)的智能缺省選項(xiàng)設(shè)置允許求解許多接觸問題，而不需要用戶介入太多. 開始使用高級(jí)選項(xiàng)以前，先試著采用缺省設(shè)置. 只指定罰剛度，穿透容差和子步數(shù)，然后進(jìn)行分析. 只在采用缺省設(shè)置遇到困難時(shí)才采用高級(jí)選項(xiàng).第72頁/共221頁面面接觸單元面面接觸單元. 高級(jí)選項(xiàng)高級(jí)選項(xiàng) 所有的單元選項(xiàng)和參數(shù)都可以通過接觸向?qū)砜刂?第73頁/共221頁面面接觸單元面面接觸單元. 高級(jí)選項(xiàng)高級(jí)選項(xiàng) 面面接觸單元提供三種自由度選項(xiàng): 結(jié)構(gòu): UX, UY, 和 UZ 結(jié)構(gòu)和熱 : UX, UY, UZ

37、, 和 TEMP 熱: TEMP (用于純熱接觸問題) 由向?qū)?chuàng)建接觸對(duì)時(shí)，接觸單元的自由度選項(xiàng)將根據(jù)基體單元的自由度自動(dòng)設(shè)置，而不必進(jìn)行調(diào)整. 否則，面面接觸單元的自由度可以通過下面菜單設(shè)置: Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete options.第74頁/共221頁 接觸向?qū)Щ颈?包括所有與接觸行為和收斂相關(guān)的通用參數(shù).指定輸入的常數(shù)是縮指定輸入的常數(shù)是縮放因子還是絕對(duì)值放因子還是絕對(duì)值面面接觸單元面面接觸單元. 高級(jí)選項(xiàng)高級(jí)選項(xiàng)當(dāng)采用實(shí)常數(shù)菜單指定參當(dāng)采用實(shí)常數(shù)菜單指定參數(shù)時(shí)，負(fù)值表示絕對(duì)值，數(shù)時(shí)，負(fù)值表示絕對(duì)值，正值表

38、示因子正值表示因子.第75頁/共221頁 接觸向?qū)Σ帘韱伟ㄋ信c接觸表面上的靜、動(dòng)摩擦相關(guān)的參數(shù)，且允許定義接觸表面上的最大摩擦應(yīng)力.MU = MUK*(1+(FACT-1)exp(-dc*VREL)式中式中:MU = 摩擦系數(shù)摩擦系數(shù)MUK = 動(dòng)摩擦系數(shù)動(dòng)摩擦系數(shù)VREL = 接觸表面的相對(duì)滑動(dòng)率接觸表面的相對(duì)滑動(dòng)率FACT = 靜、動(dòng)摩擦系數(shù)比值靜、動(dòng)摩擦系數(shù)比值dc = 指數(shù)衰減系數(shù)指數(shù)衰減系數(shù)面面接觸單元面面接觸單元. 高級(jí)選項(xiàng)高級(jí)選項(xiàng)第76頁/共221頁 接觸向?qū)С跏颊{(diào)整表接觸向?qū)С跏颊{(diào)整表包括高級(jí)穿透和表面調(diào)整偏差參數(shù)包括高級(jí)穿透和表面調(diào)整偏差參數(shù)面面接觸單元面面接觸單元.

39、高級(jí)選項(xiàng)高級(jí)選項(xiàng)第77頁/共221頁 接觸向?qū)Ы佑|向?qū)?MISC TAB包括偽接觸防止特性，梁包括偽接觸防止特性，梁/殼厚度效應(yīng)及接觸探測點(diǎn)（高斯點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)）的位殼厚度效應(yīng)及接觸探測點(diǎn)（高斯點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)）的位置置面面接觸單元面面接觸單元. 高級(jí)選項(xiàng)高級(jí)選項(xiàng)第78頁/共221頁接觸向?qū)нM(jìn)階接觸向?qū)нM(jìn)階接觸向?qū)傂阅繕?biāo)表接觸向?qū)傂阅繕?biāo)表用于指定特定的約束和高階目標(biāo)單元選項(xiàng)用于指定特定的約束和高階目標(biāo)單元選項(xiàng)第79頁/共221頁接觸向?qū)нM(jìn)階接觸向?qū)нM(jìn)階 接觸向?qū)岜斫佑|向?qū)岜?所有熱接觸參數(shù)，包括接觸傳導(dǎo)、近表面輻射和摩擦生熱因子所有熱接觸參數(shù)，包括接觸傳導(dǎo)、近表面輻射和摩擦生熱因子第80頁/共221

40、頁面面接觸單元面面接觸單元. 高級(jí)選項(xiàng)高級(jí)選項(xiàng) 這些選項(xiàng)也可以通過實(shí)常數(shù)和單元選項(xiàng)菜單進(jìn)行指定. 第81頁/共221頁面面接觸單元面面接觸單元. 高級(jí)選項(xiàng)高級(jí)選項(xiàng) 我們將按照建立模型時(shí)的邏輯順序討論這些選項(xiàng). 在接觸向?qū)е胁o必要按此順序. 要作出的第一個(gè)決定可能是關(guān)于如何保證接觸協(xié)調(diào)性. 可能使用修正的拉格朗日法 (缺省)，或在接觸向?qū)Щ颈碇星袚Q到純罰函數(shù)方法. 對(duì)于大多數(shù)模型，修正的拉格朗日方法能很好地工作. 罰函數(shù)方法推薦用于具有變形很大的單元，很大的摩擦系數(shù)，和/或用修正的拉格朗日方法時(shí)收斂性很差的情況.第82頁/共221頁面面接觸單元面面接觸單元. 高級(jí)選項(xiàng)高級(jí)選項(xiàng) 最重要的選項(xiàng)是

41、法向罰剛度或接觸剛度. 我們已經(jīng)在基本結(jié)構(gòu)非線性 培訓(xùn)手冊(cè)和本手冊(cè)的第三章中討論過這個(gè)選項(xiàng). 這里再次重申: 對(duì)于大面積接觸采用起始值 (因子) 1.0 , 對(duì)于柔性接觸采用 0.1。 監(jiān)視收斂性, 驗(yàn)證結(jié)果的有效性 , 并根據(jù)需要調(diào)整這個(gè)值: 大值對(duì)應(yīng)較高精度; 小值對(duì)應(yīng)較好的收斂性.第83頁/共221頁面面接觸單元面面接觸單元. 高級(jí)選項(xiàng)高級(jí)選項(xiàng) 有時(shí)最好先以較小的接觸剛度進(jìn)行分析，然后在一系列載荷步中逐漸增大剛度 ( 通過改變指定的法向罰剛度值 ). 實(shí)際上，這將 “漸變” 接觸剛度值, 提高收斂性. 在最后的載荷步逐漸提高到一個(gè)剛硬的值將提高計(jì)算精度. 另外，程序能夠自動(dòng)在子步之間改變

42、接觸剛度，以處理基體單元?jiǎng)偠雀淖兊拇髴?yīng)變效應(yīng) ( 如頸縮).第84頁/共221頁面面接觸單元面面接觸單元. 高級(jí)選項(xiàng)高級(jí)選項(xiàng) 可通過向?qū)У幕颈砘驅(qū)嵆?shù)菜單設(shè)置單元選項(xiàng)，以允許程序更新接觸剛度. 允許用戶指定剛度變化允許用戶指定剛度變化.允許自動(dòng)和用戶指定變化允許自動(dòng)和用戶指定變化.第85頁/共221頁面面接觸單元面面接觸單元. 高級(jí)選項(xiàng)高級(jí)選項(xiàng) 按對(duì)收斂性和計(jì)算精度的影響，穿透容差通常是第二個(gè)重要選項(xiàng). 缺省情況下，穿透容差是一個(gè)因子乘以基體單元厚度 (h). 對(duì)于變化很大的網(wǎng)格密度，采用因子會(huì)在接觸表面的某些部分產(chǎn)生太小的容差. 這時(shí)采用絕對(duì)值可能更好. 不要使用太小的容差，因?yàn)樗偸菍?duì)收

43、斂性有害.第86頁/共221頁面面接觸單元面面接觸單元. 高級(jí)選項(xiàng)高級(jí)選項(xiàng) 第五章討論了對(duì)于臨界接觸狀態(tài)變化的自動(dòng)時(shí)間步控制，如果在求解控制級(jí)別打開此項(xiàng)，則其將由單元選項(xiàng)設(shè)置控制: 不控制: 不影響自動(dòng)時(shí)間步長. 對(duì)靜力問題自動(dòng)時(shí)間步打開時(shí)此選項(xiàng)一般是足夠的. 自動(dòng)二分: 如果接觸狀態(tài)變化明顯，時(shí)間步長將二分. 對(duì)于動(dòng)力問題自動(dòng)二分通常是足夠的. 合理值: 比自動(dòng)細(xì)分更耗時(shí)的算法. 最小值: 此選項(xiàng)為下一子步預(yù)測最小時(shí)間增量 ( 很耗計(jì)算時(shí)間,不推薦).第87頁/共221頁面面接觸單元面面接觸單元. 高級(jí)選項(xiàng)高級(jí)選項(xiàng)pinball區(qū)域 影響接觸狀態(tài)的確定和其它許多接觸特性. pinball區(qū)域

44、是環(huán)繞接觸單元的圓 (2D) 或球 (3D)，描述接觸單元周圍“遠(yuǎn)”和“近”區(qū)域的邊界. 缺省情況下，pinball區(qū)域半徑是 4 x 基體單元厚度 (剛?cè)? 或 2 x 基體單元厚度 (柔柔 ).接觸面接觸面目標(biāo)面目標(biāo)面Pinball 半徑半徑第88頁/共221頁面面接觸單元面面接觸單元. 高級(jí)選項(xiàng)高級(jí)選項(xiàng) 可以為 pinball 半徑指定一個(gè)不同的值.第89頁/共221頁面面接觸單元面面接觸單元. 高級(jí)選項(xiàng)高級(jí)選項(xiàng) 通過接觸向?qū)Щ颈砘驅(qū)嵆?shù)菜單，可使用幾種不同的接觸模式 .這些選項(xiàng)使你能夠模擬特殊的物理現(xiàn)象. 有效的選項(xiàng)包括:標(biāo)準(zhǔn): 正常的接觸閉合和打開行為，具有正常粘著/滑動(dòng)摩擦行為.

45、粗糙: 正常接觸閉合和打開行為，但不發(fā)生滑動(dòng) (類似于具有無限摩擦系數(shù)).第90頁/共221頁面面接觸單元面面接觸單元. 高級(jí)選項(xiàng)高級(jí)選項(xiàng)不分離 ( 滑動(dòng) ): 目標(biāo)面和接觸面一旦建立接觸就不再分離 (允許滑動(dòng)).綁定: 目標(biāo)面和接觸面一旦接觸就粘在一起.不分離 (永遠(yuǎn)): 初始位于 pinball 區(qū)域內(nèi)或已經(jīng)接觸的接觸檢查點(diǎn)在法向方向不分離 (允許滑動(dòng)).綁定接觸 (永遠(yuǎn)): 初始位于 pinball 區(qū)域內(nèi)或已經(jīng)接觸的接觸檢查點(diǎn)在剩余的分析過程中綁定在一起. (Design Space 缺省值)綁定接觸 (初始接觸): 只在初始接觸的地方采用綁定，初始分開的地方保持分開.第91頁/共22

46、1頁面面接觸單元面面接觸單元. 高級(jí)選項(xiàng)高級(jí)選項(xiàng) 以下參數(shù)影響某些表面行為選項(xiàng):Contact opening stiffness (分開時(shí)的間隙剛度) 保證不分離和綁定行為，它通過使用當(dāng)存在間隙也具有非零剛度的彈簧來連接表面. 缺省情況下此彈簧剛度等于法向罰剛度. 其效果類似于法向罰剛度. 剛度太小精度低；剛度太大會(huì)引起收斂問題. 第92頁/共221頁面面接觸單元面面接觸單元. 高級(jí)選項(xiàng)高級(jí)選項(xiàng)摩擦系數(shù) 影響基本摩擦行為. MU = 0 指定無摩擦行為. MU 0 確定滑動(dòng)摩擦力.最大摩擦應(yīng)力表示可以在摩擦接觸面上傳遞的最大應(yīng)力值. (基體材料的剪切屈服應(yīng)力. )第93頁/共221頁面面接觸

47、單元面面接觸單元.高級(jí)選項(xiàng)高級(jí)選項(xiàng)Contact cohesion 表示當(dāng)沒有法向壓力時(shí)開始滑動(dòng)的摩擦應(yīng)力值.第94頁/共221頁面面接觸單元面面接觸單元.高級(jí)選項(xiàng)高級(jí)選項(xiàng) 摩擦導(dǎo)致非對(duì)稱剛度矩陣. 因?yàn)榉菍?duì)稱矩陣很難計(jì)算 ( 因此導(dǎo)致求解變慢 ), 程序自動(dòng)執(zhí)行對(duì)稱求解. 有時(shí), 采用非對(duì)稱矩陣 能獲得更好的收斂性: 牢記必須使用稀疏或波前求解器. 對(duì)每個(gè)支持非對(duì)稱矩陣的單元此選項(xiàng)也可以由下列菜單激活，使用 SolutionUnabridged Menu Analysis Options. 設(shè)置 Newton-Raphson 選項(xiàng)為 “Full N-R unsymm”.第95頁/共221頁面

48、面接觸單元面面接觸單元. 練習(xí)練習(xí)5-“不分離不分離”行為行為 練習(xí)指導(dǎo)請(qǐng)參考練習(xí)附錄: W5. 不離接觸.第96頁/共221頁面面接觸單元面面接觸單元. 高級(jí)選項(xiàng)高級(jí)選項(xiàng) 如果使用梁或殼單元建立模型，為了考慮梁和殼的厚度可以移動(dòng)接觸表面. 對(duì)于 Shell181 單元, 由于大應(yīng)變變形引起的厚度變化也在考慮之中.殼單元中間平面殼單元中間平面殼單元厚度殼單元厚度接觸面接觸面目標(biāo)面目標(biāo)面在移動(dòng)表面上探測接觸在移動(dòng)表面上探測接觸第97頁/共221頁面面接觸單元面面接觸單元. 高級(jí)選項(xiàng)高級(jí)選項(xiàng)初始穿透 有幾種技術(shù)可以模擬初始穿透接觸問題 ( 如熱套裝配 ). 可以使用初始幾何穿透，或指定偏移量，或二

49、者皆有. 指定偏移量:第98頁/共221頁面面接觸單元面面接觸單元. 高級(jí)選項(xiàng)高級(jí)選項(xiàng)指定偏移量 (CNOF) 實(shí)常數(shù) CNOF 是接觸表面偏移量. 正的 CNOF 加大初始穿透. 負(fù)的 CNOF 減小初始穿透或?qū)е麻g隙. CNOF 可與幾何穿透組合.第99頁/共221頁面面接觸單元面面接觸單元. 高級(jí)選項(xiàng)高級(jí)選項(xiàng)自動(dòng) CNOF 調(diào)整 允許 ANSYS 基于初始穿透自動(dòng)給定 CNOF 值. 導(dǎo)致 “剛好接觸” 配置 ICONT ( 稍后討論 ) 缺省為 0第100頁/共221頁面面接觸單元面面接觸單元. 高級(jí)選項(xiàng)高級(jí)選項(xiàng) 初始穿透選項(xiàng)包括:Include everything: 包括由幾何模型

50、和指定偏移量(如果有)引起的初始穿透.Exclude everything: 忽略所有初始穿透效應(yīng).Include with ramped effects: 漸變初始穿透，以提高收斂性.Include offset only: 只包括由偏移量指定的基本初始穿透.Include offset only w/ ramp:只包括由偏移量指定的基本初始穿透, 且漸變初始穿透以提高收斂性.第101頁/共221頁面面接觸單元面面接觸單元. 高級(jí)選項(xiàng)高級(jí)選項(xiàng) 如果模型包含初始幾何穿透，接觸力將立即“階躍”到一個(gè)大值. 載荷突變經(jīng)常導(dǎo)致收斂困難. 期望有一種機(jī)制能夠?qū)⒊跏即┩感u變?yōu)榱?Include wit

51、h ramped effects 和 Include offset only w/ ramp 選項(xiàng)通過在第一載荷步將初始穿透漸變?yōu)榱愣朔諗坷щy. 為求得好的結(jié)果，在第一載荷步不應(yīng)施加其它載荷.第102頁/共221頁面面接觸單元面面接觸單元. 高級(jí)選項(xiàng)高級(jí)選項(xiàng) 具有大范圍變化接觸法向方向的過盈配合問題會(huì)導(dǎo)致非實(shí)際行為.此時(shí)試著交換目標(biāo)面和接觸面. 或者試著去掉有問題的接觸單元 .接觸面接觸面目標(biāo)面目標(biāo)面這可能導(dǎo)致非實(shí)際行這可能導(dǎo)致非實(shí)際行為為第103頁/共221頁面面接觸單元面面接觸單元. 練習(xí)練習(xí)6-初始穿透初始穿透 練習(xí)指導(dǎo)請(qǐng)參考練習(xí)附錄: W6. 初始穿透.第104頁/共221頁面面接

52、觸單元面面接觸單元. 高級(jí)選項(xiàng)高級(jí)選項(xiàng)剛體模式 初始不接觸的兩個(gè) ( 或更多 ) 物體的靜力分析中，在接觸建立前可能產(chǎn)生剛體運(yùn)動(dòng).F此例中圓柱體沒有施加位移約此例中圓柱體沒有施加位移約束，而由力控制束，而由力控制. 圓柱體的約圓柱體的約束由圓柱體和平板之間的接觸束由圓柱體和平板之間的接觸建立建立.第105頁/共221頁面面接觸單元面面接觸單元. 高級(jí)選項(xiàng)高級(jí)選項(xiàng) 求解過程中兩個(gè)物體分離，剛度矩陣將奇異. ANSYS 將產(chǎn)生一個(gè) 負(fù)主元 警告. 有幾個(gè)選項(xiàng)可以解決由于初始不相連物體引起的剛體模式: 建立幾何模型，使其處于“剛好接觸”位置 動(dòng)力分析 位移控制 弱彈簧 采用不分離接觸 (KEYOPT

53、(12) 稍后討論 ) 調(diào)整初始接觸條件第106頁/共221頁面面接觸單元面面接觸單元. 高級(jí)選項(xiàng)高級(jí)選項(xiàng)剛好接觸 這需要了解何處是“剛好接觸”位置. 如果表面彎曲或不規(guī)則這將很困難.F由于有限元網(wǎng)格劃分時(shí)的數(shù)值誤差，由于有限元網(wǎng)格劃分時(shí)的數(shù)值誤差，在物體之間可能會(huì)存在小間隙或小在物體之間可能會(huì)存在小間隙或小穿透穿透. 這可能引起不收斂或接觸物這可能引起不收斂或接觸物體彈開體彈開.后面將看到后面將看到, 點(diǎn)點(diǎn)相對(duì)的兩個(gè)物點(diǎn)點(diǎn)相對(duì)的兩個(gè)物體沒有必要體沒有必要“剛好接觸剛好接觸”.第107頁/共221頁面面接觸單元面面接觸單元. 高級(jí)選項(xiàng)高級(jí)選項(xiàng)動(dòng)力學(xué) 在動(dòng)力學(xué)分析中慣性效應(yīng)阻止剛體運(yùn)動(dòng). 克服剛

54、體運(yùn)動(dòng)的一個(gè)方法是進(jìn)行動(dòng)力分析. 為了將求解從靜力分析轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)力分析，需要增加質(zhì)量和阻尼 . 這被認(rèn)為是 slow dynamic 求解 . 必須確信系統(tǒng)確實(shí)真正符合分析的結(jié)論. 另外，非零加速度和速度將引起人為的慣性力和阻尼力從而影響平衡 !第108頁/共221頁面面接觸單元面面接觸單元. 高級(jí)選項(xiàng)高級(jí)選項(xiàng)位移控制 此種技術(shù)采用強(qiáng)加的位移來使兩個(gè)物體接觸. 然后通過一個(gè)空的載荷步將求解從位移控制轉(zhuǎn)變?yōu)榱刂?小的附加位移小的附加位移.第109頁/共221頁面面接觸單元面面接觸單元. 高級(jí)選項(xiàng)高級(jí)選項(xiàng)位移控制 載荷步 1 采用小的強(qiáng)制位移初始化接觸. 載荷步 2 從位移控制轉(zhuǎn)換到力控制. 刪除

55、強(qiáng)制位移，施加反力，使用一個(gè)子步求解 . (此載荷步應(yīng)在一個(gè)迭代或兩個(gè)迭代收斂，因?yàn)橄到y(tǒng)未改變.) 載荷步 3 繼續(xù)進(jìn)行加載 .第110頁/共221頁面面接觸單元面面接觸單元. 高級(jí)選項(xiàng)高級(jí)選項(xiàng)弱彈簧 此技術(shù)在基礎(chǔ)面上放置弱彈簧來阻止剛體運(yùn)動(dòng).F與系統(tǒng)剛度相比，彈簧剛度應(yīng)可忽略。與系統(tǒng)剛度相比，彈簧剛度應(yīng)可忽略。將彈簧置于基體上，基體節(jié)點(diǎn)的反力可將彈簧置于基體上，基體節(jié)點(diǎn)的反力可以與總體反力比較，以確定彈簧對(duì)求解以與總體反力比較，以確定彈簧對(duì)求解沒有影響。沒有影響。也可采用接觸處于分離狀態(tài)時(shí)的彈簧接也可采用接觸處于分離狀態(tài)時(shí)的彈簧接觸選項(xiàng)觸選項(xiàng).第111頁/共221頁面面接觸單元面面接觸單元.

56、 高級(jí)選項(xiàng)高級(jí)選項(xiàng) 雖然這些都是有效的分析技術(shù)，但實(shí)踐起來則很困難. “剛好接觸” - 由于有限元網(wǎng)格的數(shù)值誤差可能會(huì)產(chǎn)生小的間隙或穿透. 動(dòng)力 - 在“靜力”模型中，并不總是很容易衰減掉無用的動(dòng)力效應(yīng). 位移控制 - 對(duì)于復(fù)雜加載，強(qiáng)制位移并不總是明顯的. 弱彈簧 - 初始載荷必須足夠小，以使彈簧產(chǎn)生小變形，從而接觸單元能夠識(shí)別穿透. 為做到不“穿過”接觸表面，需要一些試驗(yàn).第112頁/共221頁面面接觸單元面面接觸單元 . 高級(jí)選項(xiàng)高級(jí)選項(xiàng) 三個(gè)高級(jí)接觸特性允許調(diào)整初始接觸條件 以防止剛體模式. 自動(dòng) CNOF 調(diào)整: 程序計(jì)算CNOF 以消除間隙.初始接觸環(huán) (ICONT): 將調(diào)整帶內(nèi)

57、接觸表面上的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到目標(biāo)表面上. 初始允許穿透范圍: (PMIN & PMAX): 將剛體表面移動(dòng)到接觸表面上.第113頁/共221頁面面接觸單元面面接觸單元. 高級(jí)選項(xiàng)高級(jí)選項(xiàng)調(diào)整初始接觸條件 (ICONT) 實(shí)常數(shù) ICONT 可用于指定目標(biāo)面上的“調(diào)整環(huán)”. 位于調(diào)整環(huán)內(nèi)的任何接觸點(diǎn)都要移動(dòng)到目標(biāo)面上. 推薦只進(jìn)行很小的修正，如果 ICONT 值太大會(huì)產(chǎn)生不連續(xù). 如果未指定實(shí)常數(shù) ICONT ，ANSYS 根據(jù)模型的尺寸為 ICONT 提供一個(gè)小的缺省值. 關(guān)閉 ICONT , 必須將其設(shè)置成非常小的值 (1e-20). 0 值代表非 0 的缺省值 .第114頁/共221頁面面接觸單

58、元面面接觸單元. 高級(jí)選項(xiàng)高級(jí)選項(xiàng) 接觸表面調(diào)整，調(diào)整前和調(diào)整后的情況:第115頁/共221頁面面接觸單元面面接觸單元. 練習(xí)練習(xí)7-初始接觸環(huán)初始接觸環(huán) 練習(xí)指導(dǎo)請(qǐng)參考練習(xí)附錄: W7. 剛體 ICONT第116頁/共221頁面面接觸單元面面接觸單元. 高級(jí)選項(xiàng)高級(jí)選項(xiàng)調(diào)整初始接觸條件 (PMIN 和 PMAX) 實(shí)常數(shù) PMIN 和 PMAX 指定初始穿透范圍 . 實(shí)際上ANSYS 把整個(gè)目標(biāo)面（連同變形體）移動(dòng)到由 PMIN 和 PMAX 指定的穿透范圍內(nèi) . 如果目標(biāo)面具有 0 約束，采用 PMIN 和 PMAX 的初始調(diào)整將不被執(zhí)行. 初始調(diào)整是一個(gè)迭代過程. ANSYS 最多使用

59、20 個(gè)迭代步把目標(biāo)面調(diào)整到 PMIN 和 PMAX 范圍內(nèi). 第117頁/共221頁面面接觸單元面面接觸單元. 高級(jí)選項(xiàng)高級(jí)選項(xiàng) 當(dāng)目標(biāo)面被移動(dòng)，接觸體之間不再存在間隙，而成為閉合接觸的初始狀態(tài).接觸面接觸面調(diào)整前后的目標(biāo)面調(diào)整前后的目標(biāo)面第118頁/共221頁面面接觸單元面面接觸單元. 練習(xí)練習(xí)8-初始穿透范圍初始穿透范圍 練習(xí)指導(dǎo)請(qǐng)參考練習(xí)附錄: W8. 剛體 PMIN & PMAX.第119頁/共221頁面面接觸單元面面接觸單元. 高級(jí)選項(xiàng)高級(jí)選項(xiàng) ANSYS 靜力分析中，如果力施加于數(shù)值剛度為 0 的自由度上時(shí)，程序?qū)⒑雎源溯d荷. 由可變形單元組成的初始無約束自由體，通常在剛度矩陣中

60、有足夠的數(shù)值“噪音”以避免載荷被忽略. 然而，初始無約束剛體目標(biāo)面一般具有數(shù)值為 0 的剛度. 施加于此類表面的控制節(jié)點(diǎn)上的力和力矩將被忽略. 此時(shí)采用弱彈簧增加少量的剛度以防止載荷的“丟失”.第120頁/共221頁面面接觸單元面面接觸單元. 高級(jí)選項(xiàng)高級(jí)選項(xiàng) 指定的偏移量 (實(shí)常數(shù) CNOF, 如前述) 或自動(dòng)偏移量也對(duì)閉合初始間隙、阻止剛體運(yùn)動(dòng)非常有效.第121頁/共221頁面面接觸單元面面接觸單元. 高級(jí)選項(xiàng)高級(jí)選項(xiàng)自接觸 對(duì)于自接觸采用非對(duì)稱接觸效率會(huì)更高，但很難判斷接觸面和目標(biāo)面. 如使用對(duì)稱接觸，可只簡單地把目標(biāo)單元和接觸單元放在同一表面. 中心的超彈性環(huán)中心的超彈性環(huán)發(fā)生自接觸發(fā)