ANSYS 中使用接觸向?qū)Фx多個(gè)接觸對詳細(xì)實(shí)例(圖文)

1、ANSYS 中如何使用接觸向?qū)Фx接觸對  在 ANSYS 中定義接觸通常有兩種方法：1. 用戶自己手工創(chuàng)建接觸單元和目標(biāo)單元。這種方法，在定義接觸和目標(biāo)單元時(shí)還比較簡單，但是在設(shè)置或修改單元屬性和定義實(shí)常數(shù)時(shí)卻比較復(fù)雜。需要用戶對接觸有較深刻的理解和通過實(shí)踐積累豐富的經(jīng)驗(yàn)。2. 使用接觸管理器中的接觸向?qū)Фx接觸對：使用接觸管理器 (接觸向?qū)? 定義接觸對 (即接觸單元和目標(biāo)單元) 時(shí)，可以定義除了點(diǎn)-點(diǎn)接觸以外的各種接觸類型；它可以自動(dòng)生成接觸單元和目標(biāo)單元，并提供了一組默認(rèn)的單元屬性和實(shí)常數(shù)值。使用這些默認(rèn)的設(shè)置，加上適當(dāng)?shù)那蠼庠O(shè)置，對于多數(shù)接觸問題都能夠獲得收斂的結(jié)

2、果。而且，如果使用默認(rèn)設(shè)置時(shí)，計(jì)算不收斂或?qū)Y(jié)果不太滿意，也可以通過接觸管理器 (接觸向?qū)? 對單元屬性和實(shí)常數(shù)方便的進(jìn)行修改和調(diào)整。因此，我們推薦，在可能的情況下，盡量使用接觸管理器 (接觸向?qū)? 來定義接觸。本文將通過一個(gè)實(shí)例介紹接觸管理器的基本使用方法。所使用的例子如下：兩塊平板，中間夾一個(gè)圓球。上面平板的上表面承受壓力，分析模型的變形和應(yīng)力隨壓力的變化。兩塊平板，尺寸都是 (100*100*20)，相距 100。中間夾一個(gè)半徑 50 的圓球。兩個(gè)平板分別與圓球的上下邊緣接觸。尺寸單位為 mm。幾何模型如圖 1。    

3、0;                         圖 1 中，為了能夠劃分映射網(wǎng)格，分別對體積進(jìn)行了切割材料屬性為：兩塊平板：      E =  201000 Mpa；  = 0.3圓球：          E =  70100 Mpa；  = 0.33接下來對各個(gè) Volumes

4、劃分網(wǎng)格，單元類型采用 solid186 (20 節(jié)點(diǎn)六面體)，單元邊長統(tǒng)一取 6 mm。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖 2 所示：                               載荷為上平板上表面均布?jí)毫?，最大?10 Mpa；約束條件將在后面介紹。 以下介紹如何使用接觸管理器 (接觸向?qū)? 來分析這一接觸問題。一、 使用接觸管理器 (接觸向?qū)? 前的準(zhǔn)備工作1.  在 AN

5、SYS 中，接觸單元和目標(biāo)單元必須覆蓋在已有的單元表面上。因此，在創(chuàng)建接觸之前，應(yīng)該先盡量完成幾何建模和劃分網(wǎng)格的工作，特別是在要?jiǎng)?chuàng)建接觸的表面 (邊界線)，必須以某種方式劃分網(wǎng)格，以在相應(yīng)的邊界面 (線) 上生成節(jié)點(diǎn)，作為以后創(chuàng)建接觸時(shí)的基礎(chǔ)。劃分網(wǎng)格的方式則和幾何模型有關(guān)。比如，對三維面模型，可以劃分殼體單元，后面直接以殼體面作為創(chuàng)建接觸對的基礎(chǔ)；而三維體模型，可以劃分實(shí)體單元，后面則以實(shí)體單元的表面作為創(chuàng)建接觸對的基礎(chǔ)。2.  在使用接觸管理器 (接觸向?qū)? 創(chuàng)建接觸對時(shí)，可以選為接觸面或目標(biāo)面的對象有：線、面、節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)組 (component) 等。如果

6、模型比較復(fù)雜，臨時(shí)選擇不太方便，建議將準(zhǔn)備創(chuàng)建接觸的實(shí)體邊界 (面、線) 分別建為單獨(dú)的實(shí)體組  (Component)，或者分別取出其包含的節(jié)點(diǎn) (使用 NSLA、NSLL 命令)，建為單獨(dú)的節(jié)點(diǎn)組件 (Component)。二、打開接觸管理器在前處理中，點(diǎn)擊 GUI 屏幕上命令輸入小窗口右邊的第三個(gè)小圖標(biāo)，就可以打開接觸管理器：                             使用接觸管理器 (接觸向?qū)?

7、 定義接觸時(shí)，接觸單元是自動(dòng)生成的。有關(guān)的實(shí)常數(shù)也在接觸向?qū)е卸x。在創(chuàng)建接觸對時(shí)，對話框中有一個(gè) Options 按鈕，點(diǎn)擊它就會(huì)出現(xiàn)各種接觸屬性的設(shè)置，這些屬性分別與接觸單元和目標(biāo)單元的有關(guān)單元選項(xiàng)以及相應(yīng)的實(shí)常數(shù)相對應(yīng)，可以根據(jù)問題的具體情況進(jìn)行設(shè)置。  三、創(chuàng)建接觸對下面來創(chuàng)建接觸對。需要?jiǎng)?chuàng)建兩個(gè)接觸對，分別為兩個(gè)平板與上下兩個(gè)圓半球之間可能接觸的部位。為了便于創(chuàng)建接觸對，先創(chuàng)建 4 個(gè)組件，分別包含上下平板與球之間的兩個(gè)接觸對的可能接觸面。圖 4 中名為 A1、A2、A3 和 A4 的四個(gè)不同顏色的 Component 分別為相應(yīng)的四個(gè)組件：  

8、0;                        為了創(chuàng)建接觸對時(shí)容易選擇面，只顯示這 4 個(gè) Component 中的 Areas：                              然后創(chuàng)建接觸對。在接觸向?qū)Т翱谥校c(diǎn)擊左上角第一個(gè)按鈕 “Contact Wizard”：   

9、;                                點(diǎn)擊接觸向?qū)D標(biāo)后，彈出 “Contact Wizard” 對話框，開始創(chuàng)建接觸對： 先定義目標(biāo)面。在對話框中，選擇 Target Surface 為 Area；選擇 Target Type 為 Flexible。然后點(diǎn)擊 Pick Target 按鈕：               

10、                      選擇上半球的 4 個(gè)小球面作為 “目標(biāo)面”：                                     點(diǎn)擊 OK 后，回到接觸向?qū)υ捒?，在其中點(diǎn)擊 Next：        &#

11、160;                        對話框變?yōu)檫x擇 “接觸面”，在其中，將 Contact Surface 設(shè)置為 Areas；Contact Element Type 設(shè)置為 Surface-to-Surface。然后點(diǎn)擊 “Pick Contact ” 按鈕選擇接觸面：                        

12、; 選擇上面平板的 4 個(gè)底面面作為 “接觸面”：                             點(diǎn)擊 OK 后回到 Contact Wizard 對話框：                              點(diǎn)擊 Next，對話框變?yōu)槿缦滦问剑?#16

13、0;                           在其中，可以：1.  設(shè)置摩擦系數(shù)的材料號(hào)和摩擦系數(shù)值。這里，摩擦系數(shù)的材料號(hào)可以是已經(jīng)定義過的任一材料編號(hào) (通過 Material ID 旁邊的小箭頭來選擇)。如果所選擇的材料定義過摩擦系數(shù)，可以直接采用該材料的摩擦系數(shù)；也可以重新輸入一個(gè)摩擦系數(shù)，軟件會(huì)用新的摩擦系數(shù)修改相應(yīng)材料的摩擦系數(shù)。或者，還可以在材料 ID 中輸入一個(gè)未定義過的材料編號(hào)，程序會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建新的材料編號(hào)，并定義摩擦

14、系數(shù)值。2.  一般情況，最好激活 Include initial penetration，以便處理模型中可能出現(xiàn)的初始穿透的情況。3.  然后點(diǎn)擊 Optional settings 按鈕，將彈出接觸屬性對話框，供用戶設(shè)置接觸屬性選項(xiàng)。不同的接觸屬性分別處于不同的標(biāo)簽下，簡單介紹如下：接觸屬性對話框中 Basic 標(biāo)簽中的內(nèi)容如下：                     Basic 標(biāo)簽中可以設(shè)置：法向懲罰剛度 (因子或數(shù)值)、穿透公差 (因子或數(shù)值)

15、、Pinball 區(qū) (因子或數(shù)值)、接觸剛度更新方法、接觸算法、接觸探測方法、接觸表面行為、約束類型等，一些比較重要的接觸屬性。  接觸屬性對話框中 Friction 標(biāo)簽中的內(nèi)容如下：                             接觸屬性對話框中 Initial Adjustment 標(biāo)簽中的內(nèi)容如下：              &

16、#160;      根據(jù)接觸對的初始狀態(tài) (穿透或張開) 設(shè)置是否及如何對接觸對的初始狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，以便加快發(fā)現(xiàn)初始接觸的速度，有利于分析的收斂。對于本例，為了有利于收斂，將其中 Automatic contact adjustment 修改為 Close gap/Reduce penetration，如下圖所示：                          接觸屬性對話框中，Misc 標(biāo)簽中的內(nèi)容如下：&#

17、160;                   各個(gè)標(biāo)簽中的內(nèi)容與相應(yīng)接觸單元的關(guān)鍵選項(xiàng)和實(shí)常數(shù)相對應(yīng)，這里不詳細(xì)敘述，可以分別參看相應(yīng)的資料。這里直接點(diǎn)擊 OK，回到接觸向?qū)У慕缑妫?#160;                                     在其中點(diǎn)擊 Creat

18、e 按鈕，創(chuàng)建接觸對。如果成功創(chuàng)建了接觸對，會(huì)出現(xiàn)如下提示，說明該接觸對的實(shí)常數(shù)的 ID 號(hào)：                                     在其中，點(diǎn)擊 Finish 按鈕，完成接觸對的創(chuàng)建，回到接觸管理器對話框，并會(huì)顯示所創(chuàng)建的接觸對：             

19、;                        如果接觸對創(chuàng)建不成功，也會(huì)出現(xiàn)一個(gè)提示信息，表示接觸對創(chuàng)建不成功，這時(shí)則需要堅(jiān)持接觸對的創(chuàng)建過程，找出問題、進(jìn)行修改后再次創(chuàng)建該接觸對。成功創(chuàng)建接觸對之后，首先應(yīng)該檢查一下接觸對的情況，特別是接觸單元和目標(biāo)單元的法線方向是否正確。不要退出接觸管理器，選中新創(chuàng)建的接觸對，點(diǎn)擊 Plot Element 按鈕，顯示接觸單元和目標(biāo)單元如下：          &#

20、160;                        如果先點(diǎn)擊 Show Normals 按鈕     ，再點(diǎn)擊Plot Element 按鈕，在顯示接觸單元和目標(biāo)單元時(shí)會(huì)同時(shí)顯示單元的法線：                           

21、    接觸單元和目標(biāo)單元正確的法線方向應(yīng)該是相對的。假如發(fā)現(xiàn)接觸單元和/或目標(biāo)單元的法線方向不對，則需要進(jìn)行修改。假設(shè)有如下圖情況，接觸單元 (平板底面處) 的法線方向不對，需要進(jìn)行修改：                               為修改接觸單元的法線方向，先單獨(dú)顯示接觸單元，然后在其中點(diǎn)擊 Flip Normals on Elements：  &

22、#160;                           在彈出的拾取框中點(diǎn)擊 Pick All > OK，則所有 (接觸單元) 的法線方向被顛倒，與目標(biāo)單元的法線方向相對：                              至此

23、，第一個(gè)接觸對定義結(jié)束。接下來，不要退出接觸管理器，定義下半球與下面平板之間的接觸。為了定義第二個(gè)接觸對，先調(diào)出與下半球和下面平板有關(guān)的組件 A3 和 A4，并顯示 Areas 如下：                              然后按照和上面相同的方法定義第二個(gè)接觸對：             

24、;                由上圖可見，接觸單元和目標(biāo)單元的法線方向互相指向?qū)Ψ?，是正確的。使用接觸管理器定義接觸對后，如果想修改接觸對的設(shè)置，可以再次進(jìn)入接觸管理器，選擇相應(yīng)的接觸對，然后點(diǎn)擊屬性 (Propertities) 按鈕，就可以對所需的屬性重新進(jìn)行設(shè)置和修改。此外，如果你熟悉實(shí)常數(shù)定義和單元類型的關(guān)鍵選項(xiàng)設(shè)置，在使用接觸管理器定義接觸對之后，也可以分別到實(shí)常數(shù)或單元類型中查看和修改相應(yīng)的參數(shù)。 在使用接觸管理器導(dǎo)定義接觸時(shí)，不必預(yù)先定義相關(guān)的單元類型和實(shí)常數(shù)，軟件會(huì)

25、自動(dòng)生成所需的單元類型和實(shí)常數(shù)。本例中在定義接觸之前僅定義過一種單元類型  solid186，沒有定義過實(shí)常數(shù)。在定義接觸后，分別查看一下單元類型和實(shí)常數(shù)，可以看到分別新增了一些內(nèi)容。對于單元類型，新增了 4 種單元類型，分別為兩個(gè)接觸對所使用的目標(biāo)單元和接觸單元，注意：不同的接觸對分別使用不同的接觸單元和目標(biāo)單元：                         可以查看有關(guān)單元類型的屬性。如第一種目標(biāo)單元類型的關(guān)鍵選項(xiàng)如下

26、：                         第一種接觸單元類型的關(guān)鍵選項(xiàng)如下：                       對于實(shí)常數(shù)，新增了 2 個(gè)實(shí)常數(shù)，分別對應(yīng)兩個(gè)接觸對所使用的單元 (同時(shí)適用于目標(biāo)單元和接觸單元)：         

27、                 要查看完整的實(shí)常數(shù)，應(yīng)將實(shí)常數(shù)作為接觸對中接觸單元的屬性來顯示：                          所顯示的實(shí)常數(shù)如下：                          

28、60;                  圖 32  與單元類型 3 - CONTA714 相關(guān)的實(shí)常數(shù)  這些單元類型的關(guān)鍵選項(xiàng)和實(shí)常數(shù)，在使用接觸向?qū)Фx接觸對時(shí)的選項(xiàng)中，多數(shù)都有對應(yīng)的內(nèi)容。可以在接觸向?qū)е羞x擇，也可以在退出接觸向?qū)Ш笤趩卧愋秃蛯?shí)常數(shù)中進(jìn)行修改。即使是手工方式創(chuàng)建的接觸對，除了點(diǎn)-點(diǎn)接觸外，也同樣可以打開接觸管理器，然后使用接觸向?qū)нM(jìn)行查看和修改。本文就不詳細(xì)敘述了。四、 設(shè)置分析類型，施加載

29、荷和約束進(jìn)入 Solution 模塊，設(shè)置新的分析類型為 STATIC。                              在上平板的上表面施加均布?jí)毫?#160;10 Mpa。首先選擇要施加壓力的 Areas：                       &#

30、160;圖 34  選擇要施加壓力的 Areas 選擇 Areas 后，在上圖拾取對話框中點(diǎn)擊 OK，彈出施加壓力的對話框，在其中輸入應(yīng)力值，然后點(diǎn)擊OK：                                   為了查看壓力是否正確，先打開邊界條件的顯示，并設(shè)置壓力為箭頭顯示：     

31、;                         再次顯示整個(gè)模型如下：                           約束條件是：(1)    下平板的下表面 Uz  0，先選擇要施加約束的 AREAS：   

32、                    點(diǎn)擊 OK 后彈出在 AREAS 上施加約束的對話框，在其中選擇 UZ 作為要約束的自由度，約束位移值為：常數(shù) 0，可以不輸入 (默認(rèn)值)：                      點(diǎn)擊 OK 后，模型顯示如

33、下圖：                     (2)  對 UX 和 UY的約束   首先設(shè)置下平板下表面中間點(diǎn)的 Ux = Uy = 0，后面將根據(jù)分析情況進(jìn)一步進(jìn)行修改。設(shè)置過程如下：                 在拾取對話框中點(diǎn)擊 OK，彈出 Apply U,ROT on KP

34、s 對話框，在其中選擇 Ux 和 Uy，然后點(diǎn)擊 OK：                 施加 KP 點(diǎn)約束后的模型如下：                 五、  設(shè)置求解參數(shù)對于接觸問題，通?？梢栽O(shè)置如下求解參數(shù)： (1)  設(shè)置結(jié)果輸出方式：選擇 Every substep，輸出所有子

35、步的結(jié)果：                                 (2)  打開求解過程的圖形追蹤                                 (3)  激活求解控制&#

36、160;                                 (4)   設(shè)置時(shí)間步長                                (5)  設(shè)置收斂準(zhǔn)則   

37、                               還可以設(shè)置其他求解選項(xiàng)，如線性搜索等，這里不再詳述。     五、  求解點(diǎn)擊 Solve > Current LS，彈出兩個(gè)表框，一個(gè)是 /Status Command，可以查看所有的求解設(shè)置：              

38、60;                    如求解設(shè)置無誤，可以點(diǎn)擊該表框右上角的 × 號(hào)關(guān)閉該邊框，然后在另一個(gè)表框中點(diǎn)擊 OK，開始求解：                           開始求解之后，可以顯示 Output 窗口，查看求解過程中的一些信息，比如，對于本

39、例陸續(xù)出現(xiàn)如下有關(guān)存在初始間隙和由于存在摩擦改用非對稱求解器的信息：                                                                      &

40、#160;事實(shí)上，我們只對下面平板施加了約束，對小球和上面平板未施加約束，需要靠它們之間及小球與下面平板之間的接觸來造成約束。在沒有發(fā)生接觸之前，整個(gè)模型確實(shí)是缺少約束的。                          第一個(gè)錯(cuò)誤信息說明出錯(cuò)的表現(xiàn)是 Uz 值過大；在第二個(gè)錯(cuò)誤信息中對出現(xiàn)這一問題的原因進(jìn)行了分析 模型中存在只有靠接觸表面閉合 (即發(fā)生接觸) 才能與其它部分連到一起的部分，并提出使用&#

41、160;CNCHECK 檢查模型的建議。在 Output 窗口中出現(xiàn)錯(cuò)誤信息的同時(shí)，在 GUI 窗口中會(huì)出現(xiàn) Error 信息框，給出與 Output 窗口中類似的出錯(cuò)信息。不過，出現(xiàn)出錯(cuò)信息并不一定意味著計(jì)算過程就此結(jié)束。在兩個(gè)錯(cuò)誤信息框中都有一個(gè) Proceed 按鈕，點(diǎn)擊該按鈕，可以使程序繼續(xù)執(zhí)行該分析過程。這里選擇對兩個(gè)錯(cuò)誤信息框都點(diǎn)擊 Proceed 使分析繼續(xù)執(zhí)行：以下是兩個(gè)錯(cuò)誤信息框：         

42、                但是查看 Output 窗口中的信息，會(huì)發(fā)現(xiàn)時(shí)間值不是一直上升的：                         這說明有的時(shí)間步計(jì)算沒有收斂。由于打開了自動(dòng)時(shí)間步，遇到這種情況，程序會(huì)自動(dòng)對上一時(shí)間步的時(shí)間增量進(jìn)行二分，然后重新確定計(jì)算的時(shí)間點(diǎn) (上一時(shí)間點(diǎn)加上新的時(shí)間步增量)，繼續(xù)計(jì)算。本例，最終是收

43、斂的。計(jì)算過程中對力收斂情況的追蹤曲線如下：                          上圖中，CRIT 曲線表示力收斂的準(zhǔn)則值，L2 表示實(shí)際計(jì)算得到的準(zhǔn)則力值，當(dāng) L2 的值小于 CRIT 的值(L2 的曲線低于 CRIT 曲線) 時(shí)，計(jì)算是收斂的；如果 L2 的值大于 CRIT 的值 (L2&#

44、160;的曲線高于 CRIT 曲線)，程序會(huì)繼續(xù)迭代，直到 L2 的值小于 CRIT 的值 (收斂) 或者迭代次數(shù)達(dá)到允許的最大值而L2 的值仍大于CRIT 的值 (不收斂)。對后一情況，程序會(huì)將對上一子步的時(shí)間增量減半，求出新的時(shí)間值，然后繼續(xù)分析，直到時(shí)間子步的增量小于設(shè)置的時(shí)間子步最小值，如仍不收斂，將會(huì)發(fā)布一個(gè)計(jì)算不收斂的信息并停止計(jì)算。本例的后續(xù)計(jì)算是收斂的。直到計(jì)算結(jié)束， 出現(xiàn)如下信息框：         

45、60;        七、 結(jié)果后處理分析結(jié)束后，可以進(jìn)入通用后處理，查看各種計(jì)算結(jié)果。以下是最后一個(gè)子步的 Uz 位移分布云圖：                                         以下是最后一個(gè)子步的 Mises 應(yīng)力分布云圖：    &

46、#160;                                     為了更清楚的了解結(jié)果，可以只顯示部分實(shí)體的結(jié)果，下面分別顯示兩塊平板和小球的Mises 應(yīng)力結(jié)果：為此，首先顯示所有 Volumes：                        &#

47、160;                        再選擇上下兩塊平板的所有 Volumes：                                            選擇屬于兩塊平板的所有實(shí)體：

48、60;                                            此時(shí)再繪制結(jié)果，將只顯示兩塊平板的結(jié)果：                                 

49、        顛倒 Volumes 的選擇集，在實(shí)體選擇對話框中，點(diǎn)擊 invert，再執(zhí)行如下菜單路徑以選擇屬于小球的所有實(shí)體：    Utiliti Menu > Select > Everything Below > Selected Volumes                              &#

50、160;      然后可以顯示小球的結(jié)果：                                     下面顯示與接觸有關(guān)的結(jié)果?？梢赃x擇的與接觸有關(guān)的結(jié)果很多：                          &

51、#160;         比如，選擇 Contact status，點(diǎn)擊 OK 顯示整個(gè)模型的接觸狀態(tài)：                                     顯然看不清實(shí)際的接觸狀態(tài)。為了能夠看清楚接觸區(qū)域的情況，可以只看接觸單元和目標(biāo)單元的結(jié)果。   下面根據(jù)單元屬性選擇所有接觸單元和目標(biāo)單元：