[公務(wù)員考試]ANSYS接觸問題專題

1、ANSYS接觸問題專題一般的接觸分類接觸問題是一種高度非線性行為，需要較大的計(jì)算資源，為了進(jìn)行實(shí)為有效的計(jì)算，理解問題的特性和建立合理的模型是很重要的。接觸問題存在兩個(gè)較大的難點(diǎn)：其一，在你求解問題之前，你不知道接觸區(qū)域，表面之間是接觸或分開是未知的，突然變化的，這隨載荷、材料、邊界條件和其它因素而定；其二，大多的接觸問題需要計(jì)算摩擦，有幾種摩擦和模型供你挑選，它們都是非線性的，摩擦使問題的收斂性變得困難。一般的接觸分類接觸問題分為兩種基本類型：剛體柔體的接觸，半柔體柔體的接觸，在剛體柔體的接觸問題中，接觸面的一個(gè)或多個(gè)被當(dāng)作剛體，（與它接觸的變形體相比，有大得多的剛度），一般情況下，一種軟材

2、料和一種硬材料接觸時(shí)，問題可以被假定為剛體柔體的接觸，許多金屬成形問題歸為此類接觸，另一類，柔體柔體的接觸，是一種更普遍的類型，在這種情況下，兩個(gè)接觸體都是變形體（有近似的剛度）。ANSYS接觸能力ANSYS支持三種接觸方式：點(diǎn)點(diǎn)，點(diǎn)面，平面面，每種接觸方式使用的接觸單元適用于某類問題。為了給接觸問題建模，首先必須認(rèn)識到模型中的哪些部分可能會相互接觸，如果相互作用的其中之一是一點(diǎn)，模型的對立應(yīng)組元是一個(gè)結(jié)點(diǎn)。如果相互作用的其中之一是一個(gè)面，模型的對應(yīng)組元是單元，例如梁單元，殼單元或?qū)嶓w單元，有限元模型通過指定的接觸單元來識別可能的接觸匹對，接觸單元是覆蓋在分析模型接觸面之上的一層單元，至于AN

3、STS使用的接觸單元和使用它們的過程，下面分類詳述。點(diǎn)點(diǎn)接觸單元點(diǎn)點(diǎn)接觸單元主要用于模擬點(diǎn)點(diǎn)的接觸行為，為了使用點(diǎn)點(diǎn)的接觸單元，你需要預(yù)先知道接觸位置，這類接觸問題只能適用于接觸面之間有較小相對滑動的情況（即使在幾何非線性情況下）如果兩個(gè)面上的結(jié)點(diǎn)一一對應(yīng)，相對滑動又以忽略不計(jì)，兩個(gè)面撓度（轉(zhuǎn)動）保持小量，那么可以用點(diǎn)點(diǎn)的接觸單元來求解面面的接觸問題，過盈裝配問題是一個(gè)用點(diǎn)點(diǎn)的接觸單元來模擬面與的接觸問題的典型例子。點(diǎn)面接觸單元點(diǎn)面接觸單元主要用于給點(diǎn)面的接觸行為建模，例如兩根梁的相互接觸。如果通過一組結(jié)點(diǎn)來定義接觸面，生成多個(gè)單元，那么可以通過點(diǎn)面的接觸單元來模擬面面的接觸問題，面即可以是剛

4、性體也可以是柔性體，這類接觸問題的一個(gè)典型例子是插頭到插座里。使用這類接觸單元，不需要預(yù)先知道確切的接觸位置，接觸面之間也不需要保持一致的網(wǎng)格，并且允許有大的變形和大的相對滑動。Contact48和Contact49都是點(diǎn)面的接觸單元，Contact26用來模擬柔性點(diǎn)剛性面的接觸，對有不連續(xù)的剛性面的問題，不推薦采用Contact26因?yàn)榭赡軐?dǎo)致接觸的丟失，在這種情況下，Contact48通過使用偽單元算法能提供較好的建模能力。面面的接觸單元ANSYS支持剛體柔體的面面的接觸單元，剛性面被當(dāng)作“目標(biāo)”面，分別用Targe169和Targe170來模擬2D和3D的“目標(biāo)”面，柔性體的表面被當(dāng)作“

5、接觸”面，用Conta171,Conta172,Conta173,Conta174來模擬。一個(gè)目標(biāo)單元和一個(gè)接單元叫作一個(gè)“接觸對”程序通過一個(gè)共享的實(shí)常號來識別“接觸對”，為了建立一個(gè)“接觸對”給目標(biāo)單元和接觸單元指定相同的實(shí)常的號。與點(diǎn)面接觸單元相比，面面接觸單元有好幾項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，·支持低階和高階單元·支持有大滑動和摩擦的大變形，協(xié)調(diào)剛度陣計(jì)算，單元提法不對稱剛度陣 的選項(xiàng)。·提供工程目的采用的更好的接觸結(jié)果，例如法向壓力和摩擦應(yīng)力。·沒有剛體表面形狀的限制，剛體表面的光滑性不是必須允許有自然的或網(wǎng)格離散引起的表面不連續(xù)。·與點(diǎn)面接觸單元比，需

6、要較多的接觸單元，因而造成需要較小的磁盤空間和CPU時(shí)間。·允許多種建?？刂?，例如：·綁定接觸·漸變初始滲透·目標(biāo)面自動移動到補(bǔ)始接觸·平移接觸面（老虎梁和單元的厚度）·支持死活單元使用這些單元，能模擬直線（面）和曲線（面），通常用簡單的幾何形狀例如圓、拋物線、球、圓錐、圓柱采模擬曲面，更復(fù)雜的剛體形狀能使用特殊的前處理技巧來建模。執(zhí)行接觸分析不同的接觸分析類型有不同的過程，下面分別討論面面的接觸分析在涉及到兩個(gè)邊界的接觸問題中，很自然把一個(gè)邊界作為“目標(biāo)”面而把另一個(gè)作為“接觸”面，對剛體柔體的接觸，“目標(biāo)”面總是剛性的，“接觸”面

7、總是柔性面，這兩個(gè)面合起來叫作“接觸對”使用Targe169和Conta171或Conta172來定義2-D接觸對，使用Targe170和Conta173或Conta174來定義3-D接觸對，程序通過相同的實(shí)常收號來識別“接觸對”。步驟1：建立模型，并劃分網(wǎng)格在這一步中，你需要建立代表接觸體幾何形狀的實(shí)體模型。與其它分析過程一樣，設(shè)置單元類型，實(shí)常的，材料特性。用恰當(dāng)?shù)膯卧愋徒o接觸體劃分網(wǎng)格。命令：AMESHVMESHGUI：Main Menu>Preprocessor>mesh>Mapped>3 or4 SidedMain Menu>Pneprocessor&

8、gt;mesh>mapped>4 or 6 sided步驟二：識別接觸對你必須認(rèn)識到，模型在變形期間哪些地方可能發(fā)生接觸，一是你已經(jīng)識別出潛在的接觸面，你應(yīng)該通過目標(biāo)單元和接觸單元來定義它們，目標(biāo)和接觸單元跟蹤變形階段的運(yùn)動，構(gòu)成一個(gè)接觸對的目標(biāo)單元和接觸單元通過共享的實(shí)常號聯(lián)系起來。接觸環(huán)（區(qū)域）可以任意定義，然而為了更有效的進(jìn)行計(jì)算（主要指CPU時(shí)間）你可能想定義更小的局部化的接觸環(huán)，但能保證它足以描述所需要的接觸行為，不同的接觸對必須通過不同的實(shí)常數(shù)號來定義（即使實(shí)常數(shù)號沒有變化）。由于幾何模型和潛在變形的多樣形，有時(shí)候一個(gè)接觸面的同一區(qū)域可能和多個(gè)目標(biāo)面產(chǎn)生接觸關(guān)系。在這種

9、情況下，應(yīng)該定義多個(gè)接觸對（使用多組覆蓋層接觸單元）。每個(gè)接觸對有不同的實(shí)常數(shù)號。步驟三：定義剛性目標(biāo)面剛性目標(biāo)面可能是2D的或3D的。在2D情況下，剛性目標(biāo)面的形狀可以通過一系列直線、圓弧和拋物線來描述，所有這些都可以用TAPGE169來表示。另外，可以使用它們的任意組合來描述復(fù)雜的目標(biāo)面。在3D情況下，目標(biāo)面的形狀可以通過三角面，圓柱面，圓錐面和球面來推述，所有這些都可以用TAPGE170來表示，對于一個(gè)復(fù)雜的，任意形狀的目標(biāo)面，應(yīng)該使用三角面來給它建模。控制結(jié)點(diǎn)（Pilot）剛性目標(biāo)面可能會和“pilot結(jié)點(diǎn)“聯(lián)系起來，它實(shí)際上是一個(gè)只有一個(gè)結(jié)點(diǎn)的單元，通過這個(gè)結(jié)點(diǎn)的運(yùn)動可以控制整個(gè)目標(biāo)

10、面的運(yùn)動，因此可以把pilot結(jié)點(diǎn)作為剛性目標(biāo)的控制器。整個(gè)目標(biāo)面的受力和轉(zhuǎn)動情況可以通過pilot結(jié)點(diǎn)表示出來，“pilot結(jié)點(diǎn)”可能是目標(biāo)單元中的一個(gè)結(jié)點(diǎn)，也可能是一個(gè)任意位置的結(jié)點(diǎn)，只有當(dāng)需要轉(zhuǎn)動或力矩載荷時(shí)，“pilot結(jié)點(diǎn)”的位置才是重要的，如果你定義了“pilot結(jié)點(diǎn)”ANSYS程序只在“pilot結(jié)點(diǎn)”上檢查邊界條件，而忽略其它結(jié)點(diǎn)上的任何約束。對于圓、圓柱、圓錐、和球的基本圖段，ANSYS總是使用條一個(gè)結(jié)點(diǎn)作為“pilot結(jié)點(diǎn)”基本原型你能夠使用基本幾形狀來模擬目標(biāo)面，例如：“圓、圓柱、圓錐、球。直線、拋物線、弧線、和三角形不被允許、雖然你不能把這些基本原型彼此合在一起，或者是

11、把它們和其它的目標(biāo)形狀合在一起以便形成一個(gè)同一實(shí)常數(shù)號的復(fù)雜目標(biāo)面。但你可以給每個(gè)基本原型指定它自己的實(shí)常的號。單元類型和實(shí)常數(shù)在生成目標(biāo)單元之前，首先必須定義單元類型（TARG169或TARG170）。 命令：ETGUI:main menu>preprocessor>Element Type> Add/Edit/Delete隨后必須設(shè)置目標(biāo)單元的實(shí)常數(shù)。命令:RealGUI:main menn>preprocessor>real constants對TARGE169和TARGE170僅需設(shè)置實(shí)常數(shù)R1和R2，而只有在使用直接生成法建立目標(biāo)單元時(shí)，才需要從為指定實(shí)

12、常數(shù)R1、R2，另外除了直接生成法，你也可以使用ANSYS網(wǎng)格劃分工具生成目標(biāo)單元，下面解釋這兩種方法。使用直接生成法建立剛性目標(biāo)單元為了直接生成目標(biāo)單元，使用下面的命令和菜單路徑。命令：TSHAPGUI：main menu>preprocessor>modeling-create>Elements>Elem Attributes隨后指定單元形狀，可能的形狀有：· straight line (2D)· parabola (2-D)· clockwise arc(2-D)· counterclokwise arc (2-D)

13、83; circle(2-D)· Triangle (3-D)· Cylinder (3-D)· Cone (3-D)· Sphere (3-D)· Pilot node (2-D和3-D)一旦你指定目標(biāo)單元形狀，所有以后生成的單元都將保持這個(gè)形狀，除非你指定另外一種形狀。然后你就可以使用標(biāo)準(zhǔn)的ANSYS直接生成技術(shù)生成結(jié)點(diǎn)和單元。命令：NEGUI：main menu>pnoprocessor> modeling- create> nodesmain menu>pnoprocessor> modeling- cre

14、ate>Elements在建立單元之后，你可以通過列示單元來驗(yàn)證單元形狀命令：ELISTGUI：utility menu>list>Elements>Nodes+Attributes使用ANSYS網(wǎng)格劃分工具生成剛性目標(biāo)單元你也可以使用標(biāo)準(zhǔn)的ANSYS網(wǎng)格劃分功能讓程序自動地生成目標(biāo)單元，ANSYS程序?qū)詫?shí)體模型為基礎(chǔ)生成合適的目標(biāo)單元形狀而忽略TSHAP命令的選項(xiàng)。為了生成一個(gè)“PILOT結(jié)點(diǎn)”使用下面的命令或GUI路徑：命令：KmeshGUI：main menu>proprocessor>meshing-mesh>keypoints注意： KM

15、ESH總是生成“PILOT結(jié)點(diǎn)”為了生成一個(gè)2D目標(biāo)單元，使用下面的命令和GUI路徑：ANSYS在每條直線上生成一條單一的線，在樣條曲線上生成拋物線部分，在每條圓弧和倒角上生成圓弧部分，如果所有的圓弧形成一個(gè)封閉的圓，ANSYS生成一個(gè)單一的圓段。命令：LMESHGUI：main menu>pneprocessor>mesling-mesh>lines為了生成3D的目標(biāo)單元，使用下面的命令或GUI路徑。如果實(shí)體模型的表面部分形成了一個(gè)完整的球，圓柱或圓錐，那么ANSYS程序自動生成一個(gè)基本的3D目標(biāo)單元，因?yàn)樯奢^少的單元，從而使你分析計(jì)算更有效率，對任意形狀的表面，應(yīng)該使用

16、Amesh命令來生成目標(biāo)單元，在這種情況下，網(wǎng)格形狀的質(zhì)量不是重要的，而目標(biāo)單元的形狀是否能完成好的模擬剛性面的表面幾何形狀顯得更重要。命令：AMESHGUI：main menu>preprocessor>-meshing-mesh>AreaANSYS在所有可能的面上推薦使用三角形的映射網(wǎng)格劃分，如果在表面的邊界上沒有曲率，則在網(wǎng)格劃分時(shí)，指定那條邊界分為一分，下面的命令或GUI路徑將盡可能的生成一個(gè)映射網(wǎng)格（如果不能進(jìn)行映射，它將生成自由網(wǎng)格）命令：MSHKFY，2GUI：main menu>preprocessor>-meshling-mesh>-Are

17、s-Target Surf建模和網(wǎng)格劃分的注意點(diǎn)：一個(gè)目標(biāo)面可能由兩個(gè)或多個(gè)面斷的區(qū)域組成，你應(yīng)該盡可能地通過定義多個(gè)目標(biāo)面來使接觸區(qū)域局部比（每個(gè)目標(biāo)面有一個(gè)不同的實(shí)常數(shù)號）剛性目標(biāo)面上由的離散能足夠指述出目標(biāo)面的形狀，過粗的網(wǎng)格離散可能導(dǎo)致收斂問題。如果剛性面有一個(gè)實(shí)的凸角，求解大的滑動問題時(shí)很難獲得收斂結(jié)果，為了避免這些建模問題，在實(shí)體模型上，使用線或面的倒角來使尖角光滑比，或者在曲率突然變化的區(qū)域使用更細(xì)的網(wǎng)格。注意：不能使用鏡面對稱技術(shù)（ARSYSM，LSYMM）來映射圓、圓柱、圓錐或球面到對稱平面的另一邊，因?yàn)槊總€(gè)實(shí)常數(shù)的設(shè)置不能同時(shí)賦給多個(gè)基本原型段。檢驗(yàn)?zāi)繕?biāo)面的接觸方向。目標(biāo)面

18、的結(jié)點(diǎn)號順序是重要的，因?yàn)樗x了接觸主向，對2D接觸問題，當(dāng)沿著目標(biāo)線從第一個(gè)結(jié)點(diǎn)移向第二個(gè)結(jié)點(diǎn)時(shí)，變形體的接觸單元必須位于目標(biāo)面的右邊。對3D接觸問題，目標(biāo)三角形單元號應(yīng)該使剛性面的外法線方向指向接觸面，外法線通過右手原則來定義為了檢查法線方向，顯示單元坐標(biāo)系命令：/PSYMS，ESYS，1GUI：Utility menu>plotctrls>symbols如果單元法向不指向接觸面，選擇單元反轉(zhuǎn)表面的法向的方向。命令：ESURF，REVEGUI：main menu>preprocossor>create>Element>on free surf步驟4：定

19、義柔性體的接觸面為了定義柔性體的接觸面，必須使用接觸單元CONFA171或CONFA172（對2D）或CONTA173或CONTA174（對3D）來定義表面程序通過組成變形體表面的接觸單元來定義接觸表面，接觸單元與下面覆蓋的變形體單元有同樣的幾何特性，接觸單元與下面覆蓋的變形體單元必須處于同一階次（低階或高階）下面的變形體單元可能是實(shí)體單元、殼單元、梁單元或超單元，接觸面可能殼或梁單元任何一邊。與目標(biāo)面單元一樣，你必須定義接觸面的單元類型，然后選擇正確的實(shí)常數(shù)號（實(shí)常數(shù)號必須與它對應(yīng)目標(biāo)的實(shí)常數(shù)號相同）最后生成接觸單元。單元類型：下面簡單描述四種類型的接觸單元CONTA171：這是一種2D，2

20、個(gè)結(jié)點(diǎn)的低附線單元，可能位于2D實(shí)體，殼或梁單元的表面CONTA172：這是一個(gè)2D的，3結(jié)點(diǎn)的高階拋物線形單元，可能位于有中結(jié)點(diǎn)的2D實(shí)體或梁單元的表面CONTA173：這是一個(gè)3D的，4結(jié)點(diǎn)的低階四邊形單元可能位于3D實(shí)體或殼單元的表面，它可能褪化成一個(gè)結(jié)點(diǎn)的三角形單元。CONTA174：這是一個(gè)3D，8結(jié)點(diǎn)的高階四邊形單元，可能位于有中結(jié)點(diǎn)的3D實(shí)體或殼單元的表面，它可能褪化成6結(jié)點(diǎn)的三角形單元。不能在高階柔性體單元的表面上分成低階接觸單元，反之也不行，不能在高階接觸單元上消去中結(jié)點(diǎn)。命令：ETGUI：main menu>preprocessor>Element type&g

21、t;Add/Edit/Delete實(shí)常數(shù)和材料特性在定義了單元類型之后，需要選擇正確的實(shí)常數(shù)的設(shè)置，每個(gè)接觸對的接觸面和目標(biāo)面必須有相同的實(shí)常數(shù)號，而每個(gè)接觸對必須有它自己不同的實(shí)常數(shù)號。ANSYS使用下面柔性體單元的材料特性來計(jì)算一個(gè)合適的接觸（或罰）剛度，如果下面的單元是一個(gè)超單元。接觸單元的材料的設(shè)置必須與超單元形成時(shí)的原始結(jié)構(gòu)單元相同，生成接觸單元。我們既可以通過直接生成法生成接觸單元，也可以在柔性體單元的外表面上自動生成接觸單元，我們推薦采用自動生成法，這種方法更為簡單和可靠?？梢酝ㄟ^下面三個(gè)步驟來自動生成接觸單元1、選擇結(jié)點(diǎn)選擇已劃分網(wǎng)格的柔性體表面的結(jié)果，如果你確定某一部分結(jié)點(diǎn)永遠(yuǎn)不會接觸到目標(biāo)面，你可以忽略它以便減少計(jì)算時(shí)間，然而，你必須保證設(shè)有漏掉可能會接觸到目標(biāo)面的結(jié)點(diǎn)。命令：NSELGUI：main menu>pr