ANSYS--MPC應(yīng)用

1、ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.Table of Contents1.介紹2.MPC 用于 SOLID-SOLID, SHELL-SHELL 的連接3.MPC 用于 SOLID-SHELL 的連接4.MPC 用于 SOLID-BEAM 和 SHELL-BEAM 的連接5.MPC 用于 FE 模型與載荷點的連接ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.1. 介紹：什么是介紹：什么是 MPC? MPC 的含義：多點約束的含義：多點約束LROTZUYUYCE2, 3 , 1, 2 , 1 , 1 , 0 , 2 ,

2、)(20)2() 1 ()2()() 1 ()()3()2()1()3()2()3()1(ROTZSinLUYUYLROTZSinUYLROTZSinUYMPC對于小轉(zhuǎn)動對于小轉(zhuǎn)動)(20)3()2()1(ROTZLUYUY431LL2梁實體)1(UY)2(UY)3(ROTZ)(01ijCuCujLjjiANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.1. 介紹：為什么需要介紹：為什么需要 MPC? 連接不同的網(wǎng)格：連接不同的網(wǎng)格： 如果幾何在拓撲上是不連接的，可以分別劃分網(wǎng)格，然后用 MPC 進行連接各 FE 模型：幾何幾何用用 MPC 連接連接不同的網(wǎng)格不同

3、的網(wǎng)格應(yīng)力分布應(yīng)力分布ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc. 連接不同的單元類型：連接不同的單元類型： 如果在連接區(qū)域使用了不同的單元類型，由于節(jié)點自由度不同，連通性是不一致的。使用 MPC 可以使 FE 模型的連通性一致。幾何幾何用用 MPC 連接實體與殼體連接實體與殼體變形變形1. 介紹：用介紹：用MPC 作什么作什么? ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc. 施加遠處的載荷：施加遠處的載荷： 如果載荷點不在 FE 模型上，使用 MPC 可以實現(xiàn)載荷點與 FE 模型的連接：用用 MPC 連接載荷點和連接載荷

4、點和 FE 模型模型應(yīng)力分布應(yīng)力分布1.介紹：用介紹：用MPC 作什么作什么? ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.1. 介紹：為什么不用已有的接觸算法？介紹：為什么不用已有的接觸算法？ 結(jié)果可能依賴于接觸剛度：結(jié)果可能依賴于接觸剛度： 現(xiàn)有的 bonded 接觸算法使用了懲罰方法 (penalty method)，由于接觸剛度 (引起病態(tài)條件) 和穿透，可能會影響結(jié)果的精度。 即使對小變形問題也需要大量迭代才能達到滿意的平衡。即使對小變形問題也需要大量迭代才能達到滿意的平衡。 即使是線性問題，通常也需要迭代。 在模態(tài)分析中，有時會出現(xiàn)虛假的自然頻率

5、。 這是因為使用了接觸剛度。 只處理平移自由度只處理平移自由度 對于接觸面與目標(biāo)面的距離非零的情況； 不能處理 Shell 與 beam 裝配的情況。ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.1.介紹：為什么不用已有的接觸算法？介紹：為什么不用已有的接觸算法？ 只適于小應(yīng)變的情況只適于小應(yīng)變的情況 因為現(xiàn)有的 CE 方法總是使用初始的節(jié)點定位； RBE3 約束單元只支持低階單元約束單元只支持低階單元 10 節(jié)點四面體單元是最常使用的單元； 在 RBE3 的主節(jié)點上，不允許施加位移約束。的主節(jié)點上，不允許施加位移約束。ANSYS, Inc. Propriet

6、ary 2004 ANSYS, Inc.1. 介紹：新的介紹：新的 MPC 方法的優(yōu)點方法的優(yōu)點 MPC 方程由軟件內(nèi)部創(chuàng)建：方程由軟件內(nèi)部創(chuàng)建： 不需要用戶手工定義 MPC 方程，用戶只需將連接視為 “綁定” (bonded) 接觸， ANSYS 將自動生成 MPC。 接觸表面的節(jié)點自由度將被自動消除： 這可以提高求解效率。 不需要輸入接觸剛度：不需要輸入接觸剛度： 不再需要通過多次嘗試來保證求解精度； 對于小變形問題，它表現(xiàn)為對于小變形問題，它表現(xiàn)為 “真線性接觸真線性接觸” 特性：特性： 求解系統(tǒng)方程時不需要迭代； 對于大變形問題，在每一步迭代時更新 MPC 方程。ANSYS, Inc.

7、 Proprietary 2004 ANSYS, Inc.1.介紹：新的介紹：新的 MPC 方法的優(yōu)點方法的優(yōu)點 不僅可以約束平移自由度，而且可以約束轉(zhuǎn)動自由度：不僅可以約束平移自由度，而且可以約束轉(zhuǎn)動自由度： 可以改善求解精度，并使 solid-shell, shell-shell, solid-beam 及 shell-beam 之間的連接更合理。 對于接觸對定義，也很容易生成內(nèi)部的對于接觸對定義，也很容易生成內(nèi)部的 MPC： 對于了解如何定義接觸的用戶，也沒有什么新東西。 與與 MSC/Nastran (RBE3 型型) 不同不同 自動考慮形狀函數(shù)，不需要權(quán)因子； 不僅可以施加力，也可以

8、施加位移約束。ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc. 過程過程:1)將連接視為接觸面，使用命令或 Contact Wizard 來定義接觸面和目標(biāo)面：2)設(shè)置接觸單元選項 (keyoptions)：KEYOPT(2)=2 激活 MPC 方法KEYOPT(4)=2基于節(jié)點KEYOPT(12)=5 或 6設(shè)置為 “綁定 (bonded) ” 接觸3)Run the analysis注意：如果接觸面和目標(biāo)面的網(wǎng)格相似，注意：如果接觸面和目標(biāo)面的網(wǎng)格相似，MPC 方法給出與連續(xù)網(wǎng)格相同方法給出與連續(xù)網(wǎng)格相同 的結(jié)果。的結(jié)果。 如果接觸面和目標(biāo)面的網(wǎng)格相差較大，

9、如果接觸面和目標(biāo)面的網(wǎng)格相差較大，MPC 方法給出的界面處的方法給出的界面處的 應(yīng)力梯度將受到影響，網(wǎng)格越接近，結(jié)果越好。應(yīng)力梯度將受到影響，網(wǎng)格越接近，結(jié)果越好。2. 將將 MPC 連接用于連接用于 SOLID-SOLID, SHELL-SHELL ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.2. 將將 MPC 連接用于連接用于 SOLID-SOLID, SHELL-SHELL 精度測試精度測試15E520*5.62EI3PL33Solid45 結(jié)果結(jié)果E=2e5 Nu=0 F=62.510120精確解：精確解：位移位移應(yīng)力應(yīng)力使用使用 MPC 于不同網(wǎng)格

10、的連接于不同網(wǎng)格的連接使用使用 MPC 于相似網(wǎng)格于相似網(wǎng)格ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.模型模型-1: 網(wǎng)格非常類似：網(wǎng)格非常類似： SMAX=1.71 模型模型-2: 網(wǎng)格非常不同：網(wǎng)格非常不同： SMAX=1.71模型模型-3: 一致網(wǎng)格：一致網(wǎng)格： SMAX=1.712. 將將 MPC 連接用于連接用于 SOLID-SOLID, SHELL-SHELL ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.如果存在幾何穿透：如果存在幾何穿透：1)設(shè)置設(shè)置 PINBALL 以捕獲接觸以捕獲接觸2)使用使用 KEY

11、OPT(9)=1 以忽略穿透以忽略穿透模型模型-2: 穿透以及穿透以及 KEYOPT(9)=1 SMAX=1.71KEYOPT(9)=0KEYOPT(9)=12. 將將 MPC 連接用于連接用于 SOLID-SOLID, SHELL-SHELL ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.如果幾何上有間隙：如果幾何上有間隙： 1) 設(shè)置設(shè)置 PINBALL 以捕獲接觸以捕獲接觸 2) 使用使用 KEYOPT(9)=1 以忽略穿透以忽略穿透Mx -2: 間隙以及間隙以及 KEYOPT(9)=1 SMAX=1.73KEYOPT(9)=0KEYOPT(9)=12.

12、 將將 MPC 連接用于連接用于 SOLID-SOLID, SHELL-SHELL ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.3bbbD20 d10 g110M3211.741.74 11.74 精確解：精確解：應(yīng)力集中應(yīng)力集中HexTets2. 將將 MPC 連接用于連接用于 SOLID-SOLID, SHELL-SHELL ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.一致的實體網(wǎng)格一致的實體網(wǎng)格MPC 用于不同的實體網(wǎng)格用于不同的實體網(wǎng)格MPC 連接用于連接用于 SOLID-SOLID (靜力分析靜力分析)位移位移位

13、移位移應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)力2. 將將 MPC 連接用于連接用于 SOLID-SOLID, SHELL-SHELL ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.一致的實體網(wǎng)格一致的實體網(wǎng)格MPC 用于不同的實體網(wǎng)格用于不同的實體網(wǎng)格MPC 連接用于連接用于 SOLID-SOLID (模態(tài)分析模態(tài)分析)0.04%0.09%0.08%0.05%0.07%0.05%2. 將將 MPC 連接用于連接用于 SOLID-SOLID, SHELL-SHELL ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.MPC 用于不同網(wǎng)格連接，用于不同網(wǎng)格連

14、接，無偏移無偏移一致的殼體網(wǎng)格一致的殼體網(wǎng)格MPC 用于不同網(wǎng)格連接，用于不同網(wǎng)格連接，有偏移有偏移MPC 連接用于連接用于 SHELL-SHELL (靜力分析靜力分析) 位移位移Stress位移位移Stress2. 將將 MPC 連接用于連接用于 SOLID-SOLID, SHELL-SHELL ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.MPC 用于不同網(wǎng)格連接用于不同網(wǎng)格連接，無偏移，無偏移一致的殼體網(wǎng)格一致的殼體網(wǎng)格MPC 用于不同網(wǎng)格連接，用于不同網(wǎng)格連接，有偏移有偏移MPC 連接用于連接用于 SHELL-SHELL ( 模態(tài)分析模態(tài)分析)1 11

15、1.35 2203.86 3227.26 4272.38 5323.39 6361.170.02%0.04%0.02%0.01%0.07%0.17%1 111.37 2203.95 3227.34 4272.42 5323.63 6361.851 111.37 2203.95 3227.34 4272.42 5323.63 6361.850.02%0.04%0.02%0.01%0.07%0.17%2. 將將 MPC 連接用于連接用于 SOLID-SOLID, SHELL-SHELL ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.MPC 連接用于連接用于 SHE

16、LL-SHELL (邊界對邊界邊界對邊界)Contact175Target1702. 將將 MPC 連接用于連接用于 SOLID-SOLID, SHELL-SHELL ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.使用使用 MPC 方法的綁定接觸方法的綁定接觸單個零件的結(jié)果單個零件的結(jié)果Part-1Part-2Part- 3 to 5Part- 6 to 8示例：示例：2. 將將 MPC 連接用于連接用于 SOLID-SOLID, SHELL-SHELL ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.實體網(wǎng)格于殼體網(wǎng)格不需要對

17、齊過程：過程：1) 將連接處理為接觸，對實體使用 Target170，對殼體使用 Contact175。 2) 設(shè)置接觸單元 Contact175 選項 (keyoptions): KEYOPT(2)=2 激活 MPC 方法 KEYOPT(12)=5 或 6設(shè)置為綁定接觸3) 設(shè)置目標(biāo)單元 Target170 選項：KEYOPT(5)=0自動約束類型探測 (default)KEYOPT(5)=1實體-實體約束 (沒有旋轉(zhuǎn)自由度被約束)KEYOPT(5)=2殼體-殼體約束 (同時約束平移和旋轉(zhuǎn)自由度)KEYOPT(5)=3殼體-實體約束 (殼體邊界同時約束平移和旋轉(zhuǎn)自由度； 實體表面上只約束平移

18、)4) 執(zhí)行分析2. 將將 MPC 連接用于連接用于 SOLID-SHELL ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.精度測試精度測試15E520*5.62EI3PL33E=2e5 Nu=0 F=62.510120精確解精確解位移位移應(yīng)力應(yīng)力用用 MPC 連接連接 Solid-shell一致實體網(wǎng)格一致實體網(wǎng)格2. 將將 MPC 連接用于連接用于 SOLID-SHELL ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.殼體單元 (厚度 t )實體單元接觸單元(以前的)最初的最初的 FEA 模型模型目標(biāo)單元TARG170(在

19、實體頂部)MPC 方程(僅平移自由度)虛擬 shell solid表面Shell thickness新虛擬殼體單元SHELL181新接觸單元CONTA175方法方法 1: solid-solid 約束約束虛擬殼體用 SHSD,ID 生成KEYOPT(5)=12. 將將 MPC 連接用于連接用于 SOLID-SHELL ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.新虛擬殼體單元SHELL181 方法方法 2: shell-shell 約束約束MPC 方程(平移+轉(zhuǎn)動自由度)殼體邊界 虛擬殼體FTOLN影響距離殼體單元 (厚度 t )實體單元接觸單元(以前的)初

20、始初始 FEA 模型模型目標(biāo)單元TARG170(在實體頂部)虛擬殼體由 SHSD,ID 產(chǎn)生KEYOPT(5)=22. 將將 MPC 連接用于連接用于 SOLID-SHELL ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.MPC 方程殼體邊界 實體表面FTOLN影響距離方法方法 3: shell-solid 約束約束殼體單元 (厚度 t )實體單元接觸單元(以前的)初始初始 FEA 模型模型目標(biāo)單元TARG170(在實體頂部)KEYOPT(5)=3不需要虛擬殼體2. 將將 MPC 連接用于連接用于 SOLID-SHELL ANSYS, Inc. Proprie

21、tary 2004 ANSYS, Inc.MPC 方程殼體邊界 實體表面FTOLN影響距離方法方法3 shell-solid 約束約束總結(jié)：對大多數(shù)應(yīng)用，可以用默認的 KEYOPT(5)=0 或 3。許多測試情況表明，使用 KEYOPT(5)=2 可以得到最好的結(jié)果。MPC 方程(僅平移自由度)虛擬殼體 實體表面殼體厚度新虛擬殼體單元SHELL181新接觸單元CONTA175方法方法1： solid-solid 約束約束方法方法2： shell-shell 約束約束新虛擬殼體單元SHELL181MPC 方程(平移 + 轉(zhuǎn)動自由度)殼體邊界 虛擬殼體FTOLN影響距離KEYOPT(5)=1SHS

22、D,IDKEYOPT(5)=2SHSD,IDKEYOPT(5)=0,32. 將將 MPC 連接用于連接用于 SOLID-SHELL ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.兩種消除接觸面與目標(biāo)面間隙的方法：兩種消除接觸面與目標(biāo)面間隙的方法：1) 如果接觸面法線與目標(biāo)面相交，可以使用如果接觸面法線與目標(biāo)面相交，可以使用 PSOLVE 命令延伸接觸面命令延伸接觸面接觸面接觸面目標(biāo)面目標(biāo)面間隙間隙間隙間隙 使用使用 PSOLVE 前前接觸面接觸面目標(biāo)面目標(biāo)面使用使用 PSOLVE 后后PSOLVE/solupsolve,elformfini/soluanty,

23、modalmodopt,lanb,7mxpand,7solv示例：示例：2. 將將 MPC 連接用于連接用于 SOLID-SHELL ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.模態(tài)分析模態(tài)分析MPC Distance=0.1SET FREQ 1 0.0000 2 0.11336E-02 3 0.19459E-02 40.72671E-01 5 0.23382 6 2.7936 7 95.110SET FREQ 1 0.0000 2 0.0000 3 0.0000 4 0.12203E-02 5 0.10909E-02 6 0.13362E-02 7 94.

24、876一致網(wǎng)格一致網(wǎng)格SET FREQ 1 0.0000 2 0.0000 3 0.34178E-03 4 0.11133E-02 5 0.11707E-02 6 0.34944E-02 7 94.933KEYOPT(9)=1With PSOLVEWithout PSOLVE2. 將將 MPC 連接用于連接用于 SHELL-SHELL ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.2) 如果接觸面法線與目標(biāo)面不相交，如果使用如果接觸面法線與目標(biāo)面不相交，如果使用 KEYOPT(5)=4，仍像接觸節(jié)點和目標(biāo)仍像接觸節(jié)點和目標(biāo)段在段在 pinball 范圍內(nèi)部一樣

25、創(chuàng)建約束方程。范圍內(nèi)部一樣創(chuàng)建約束方程。對這一情況，對這一情況，PSOLVE 不能移動節(jié)不能移動節(jié)點。應(yīng)該使用點。應(yīng)該使用 KEYOPT(5)=4。否則將不產(chǎn)生約束，不管否則將不產(chǎn)生約束，不管 PINBALL 的大小。的大小。2. 將將 MPC 連接用于連接用于 SHELL-SHELL ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.模態(tài)分析模態(tài)分析MPC Distance=0.1KEYOPT(5) 默認默認KEYOPT(5)=4SET FREQ 1 0.0000 2 0.0000 3 0.21223E-03 4 0.90930E-03 5 0.12339E-0

26、2 6 0.34500E-02 7 97.702SET FREQ 1 0.0000 2 0.11336E-02 3 0.19459E-02 40.72671E-01 5 0.23382 6 2.7936 7 95.110SET FREQ 1 0.0000 2 0.0000 3 0.0000 4 0.12203E-02 5 0.10909E-02 6 0.13362E-02 7 94.876一致網(wǎng)格一致網(wǎng)格2. 將將 MPC 連接用于連接用于 SHELL-SHELL ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.實體實體Solid-ShellMPC2nd App

27、roach方法方法 3SMX=25.32. 將將 MPC 連接用于連接用于 SOLID-SHELL ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.1 111.99 2206.05 3229.44 4273.70 5324.42 6368.720.02%0.04%0.01%0.17%0.32%0.38%1 112.08 2206.14 3229.42 4274.16 5325.47 6370.14一致的實體網(wǎng)格一致的實體網(wǎng)格方法方法3： shell-solid 約束約束模態(tài)分析模態(tài)分析2. 將將 MPC 連接用于連接用于 SOLID-SHELL ANSYS, I

28、nc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.有限元模型有限元模型實體實體殼體殼體邊界條件邊界條件結(jié)果結(jié)果2. 將將 MPC 連接用于連接用于 SOLID-SHELL ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.一致的實體網(wǎng)格一致的實體網(wǎng)格殼體殼體 實體實體 MPC 約束約束2. 將將 MPC 連接用于連接用于 SOLID-SHELL ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.初始實體初始實體簡化特征后的實體簡化特征后的實體2. 將將 MPC 連接用于連接用于 SOLID-SHELL ANSYS, In

29、c. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.殼體殼體 實體實體 MPC 約束約束2. 將將 MPC 連接用于連接用于 SOLID-SHELL ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc. 過程：過程：1)將實體表面和/或殼體邊界作為接觸面，將梁節(jié)點作為目標(biāo)的 pilot 節(jié)點，不需要添加目標(biāo)面。2)設(shè)置接觸單元選項：KEYOPT(2)=2 激活 MPC 方法KEYOPT(12)=5 或 6設(shè)置為綁定接觸KEYOPT(4)=1力 - 分布表面KEYOPT(4)=2剛性約束表面3) 執(zhí)行分析3. MPC 約束用于約束用于 SOLID-BEAM 和和 SHELL-BEAMANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.實體結(jié)果實體結(jié)果Solid-Beam，使用，使用 MPCKEYOPT(4)=2剛性約束表面3. MPC 約束用于約束用于 SOLID-BEAM 和和 SHELL-BEAMANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.實體結(jié)果實體結(jié)果Solid-Beam，使用，使用 MPCKEYOPT(4)=1力 分布表面3. MPC 約束用于約束用于 SOLID-BEAM 和和 SHELL-BEAMANSYS, Inc. Propriet