接觸分析課件

第八章接觸非線性接觸分析本章目標本章學完后,應(yīng)能對如下功能進行描述和論證:SessionObjective1. 接觸協(xié)調(diào)條件2. 剛體對柔體和柔體對柔體接觸3. 節(jié)點對節(jié)點、節(jié)點對面和面對面接觸單元4. 接觸剛度5. 接觸單元處理6. 接觸向?qū)ctober20,20002接觸分析接觸問題接觸問題是高度非線性的,并且對于非線性問題的求解具有典型的挑戰(zhàn)意義.接觸問題提出兩個重要的挑戰(zhàn):在多數(shù)接觸問題中接觸區(qū)域是未知的.表面與表面會突然接觸或突然不接觸,這會導致系統(tǒng)剛度的突然變化.多數(shù)接觸問題包括摩擦.摩擦是與路徑有關(guān)的現(xiàn)象,這要求精確的加載歷史.摩擦的響應(yīng)還可能是雜亂的,使求解難以收斂.October20,20003接觸分析關(guān)于耦合和約束方程的注釋如果接觸模型沒有摩擦,接觸區(qū)域始終粘在一起,并且分析是小撓度、小轉(zhuǎn)動問題,那么可以用耦合或約束方程代替接觸.詳細信息請參看ANSYS建模和網(wǎng)格劃分指南.使用耦合或約束方程的優(yōu)點是分析還是線性的.October20,20004接觸分析接觸分類接觸問題一般分為兩類:剛體對柔體和柔體對柔體.剛體對柔體:

一個或多個接觸表面作為剛體(一個表面的剛度比另一個表面的剛度要高很多).許多金屬成形問題歸入此類.柔體對柔體:

兩個或所有的接觸體都可變形(所有表面剛度相差不多).螺栓法蘭連接是一個柔體對柔體接觸的例子.October20,20005接觸分析剛體對柔體接觸剛體表面變形體October20,20006接觸分析柔體對柔體接觸花鍵軸過盈配合,兩個零件都是柔體.October20,20007接觸分析接觸協(xié)調(diào)條件F為了阻止接觸表面相互穿過,這兩個表面間必須建立一個關(guān)系.否則這兩個表面將相互穿過.不施加接觸協(xié)調(diào)條件時發(fā)生侵入目標接觸FOctober20,20008接觸分析接觸協(xié)調(diào)條件用一個彈簧施加接觸協(xié)調(diào)條件稱為罰函數(shù)法.彈簧剛度或接觸剛度稱為罰參數(shù).該彈簧的變形量

滿足方程:

F=k接觸剛度(k)越大,接觸表面的侵入越少.然而,若該值太大,會導致收斂困難.FOctober20,20009接觸分析接觸協(xié)調(diào)條件還可用另外一種方法,即拉格朗日乘子法,增加一個附加自由度(接觸壓力),以滿足不侵入條件.FOctober20,200010接觸分析接觸協(xié)調(diào)條件將罰函數(shù)法和拉格朗日乘子法結(jié)合起來施加接觸協(xié)調(diào)條件合稱為增強的拉格朗日法.在迭代的開始,接觸協(xié)調(diào)條件基于懲罰剛度決定.一旦達到平衡,就檢查許可侵入量.這時,如果有必要,接觸壓力增大,繼續(xù)進行迭代.F許可侵入量October20,200011接觸分析增大接觸應(yīng)力減少侵入量由于平衡改正侵入量在改正階段發(fā)生振蕩增大的拉格朗日October20,200012接觸分析接觸單元ANSYS有三種類型的接觸單元:節(jié)點對節(jié)點-這是指接觸的最終位置事先是知道的.節(jié)點對面-接觸區(qū)域未知,并且允許大滑動.面對面-接觸區(qū)域未知,并且允許大滑動

(相對節(jié)點對面接觸形式有幾個優(yōu)點).October20,200013接觸分析節(jié)點對節(jié)點接觸單元IJIJ兩個最常用的節(jié)點對節(jié)點接觸單元:接觸12單元和接觸52單元都用罰函數(shù)法施加接觸協(xié)調(diào)條件.這要求輸入一個罰剛度(在后面我們將詳細討論罰剛度的計算).接觸12單元-二維間隙接觸52單元-三維間隙October20,200014接觸分析節(jié)點對節(jié)點接觸單元節(jié)點對節(jié)點接觸單元能夠用于建立點對點接觸模型.接觸點始終已知的管抖動模型是點對點接觸的一個例子.如果兩個表面的節(jié)點一一對應(yīng),相對滑動變形量可以忽略,并且兩表面的撓度(轉(zhuǎn)動量)較小,那么這些單元還能用于模擬面對面接觸問題.過盈配合問題是面對面接觸問題的一個例子.如果滿足上述條件,則此問題用間隙單元是足夠的.注意點對點接觸只能用于低次單元.October20,200015接觸分析節(jié)點對節(jié)點接觸過程接觸12單元和接觸52單元既能用直接生成法創(chuàng)建,也能在重合節(jié)點處創(chuàng)建單元.前處理器->創(chuàng)建->單元->在重合節(jié)點(Preprocessor->Create->Elements->AtCoincidNd)接觸12單元應(yīng)該在重合節(jié)點間創(chuàng)建.然而接觸52單元要求1E-6的距離來定向單元.October20,200016接觸分析節(jié)點對節(jié)點接觸過程補充信息:接觸12單元由實常數(shù)THETA定向.接觸12單元能用作鉤子或間隙,而接觸52單元只能用作間隙(注意通過約束UZ自由度,接觸52單元能夠用于二維問題).通過設(shè)置關(guān)鍵選項(4)和實常數(shù)INTF及GAP,接觸12單元和接觸52單元都允許給出初始過盈或初始間隙.關(guān)于接觸12單元和接觸52單元選項和實常數(shù)的詳細敘述,請參看ANSYS單元手冊(ANSYSElementsReference)第四章.October20,200017接觸分析節(jié)點對表面接觸單元節(jié)點對表面接觸單元:接觸48單元-二維節(jié)點對表面接觸49單元三維節(jié)點對表面JIKIJKML這些單元用缺省的罰函數(shù)法作為接觸協(xié)調(diào)條件.作為一個選項,可以使用綜合的罰函數(shù)和拉格朗日乘子.October20,200018接觸分析節(jié)點對表面接觸單元節(jié)點對表面接觸單元典型用于建立點對面接觸應(yīng)用模型,如兩個梁接觸(在梁的末端)和鎖扣配合的角部.通過定義多個單元,這些單元還能用于建立面對面接觸模型.這些表面可以是剛性的或可變形的.不用知道接觸面的位置.允許大變形、大相對滑動和接觸表面間的不同網(wǎng)格劃分.注意節(jié)點對表面接觸只可以用于低次單元.October20,200019接觸分析節(jié)點對表面接觸處理接觸48單元和接觸49單元通過指定節(jié)點組元來生成,這些節(jié)點組定義了目標和接觸表面.為接觸和目標表面選擇需要的節(jié)點,并創(chuàng)建節(jié)點組元.給出單元類型和實常數(shù),并生成接觸單元.每一個不相連的接觸面應(yīng)該參照一個不同的實常數(shù)設(shè)置.JK接觸節(jié)點目標節(jié)點IOctober20,200020接觸分析節(jié)點對表面接觸處理主菜單>前處理器>創(chuàng)建>單元>節(jié)點對表面(MainMenu>Preprocessor>Create>Elements>NodetoSurf)節(jié)點組名稱關(guān)于使用節(jié)點對表面接觸單元的詳細信息請參看ANSYS結(jié)構(gòu)分析指南(ANSYSStructuralAnalysisGuide).October20,200021接觸分析接觸剛度點對點(接觸12單元和接觸52單元)和節(jié)點對表面(接觸48單元和接觸49單元)接觸單元都要求給出罰剛度.罰剛度越大,接觸表面的侵入量越小.然而,若此值太大,則會由于病態(tài)條件而引起收斂困難.可以通過一些實驗來確定一個合適的接觸剛度,使求解收斂,而且侵入量可以接受.October20,200022接觸分析選擇接觸剛度接觸剛度是接觸面的相對剛度的函數(shù).對于塊狀實體,通常赫茲接觸剛度(Hertzcontactstiffness)適用于罰剛度,可以這樣估算:

k=fE式中f是介于0.1~10之間的系數(shù),E是較軟的接觸材料的彈性模量.設(shè)

f=1通常是一個較好的起始值.October20,200023接觸分析選擇接觸剛度對于柔性組分(梁和殼模型),系統(tǒng)的剛度可以比赫茲接觸剛度要低很多.在這種情況下,你可以將單位載荷施加到預計要接觸的面上,先運行一個靜態(tài)分析來確定模型的局部剛度.接觸剛度可以這樣估算:

k=f(P/D)上式適用于柔性體接觸,f是介于1~100之間的系數(shù).同樣,設(shè)

f=1通常是一個較好的起始值.October20,200024接觸分析面對面接觸單元ANSYS支持剛體對柔體和柔體對柔體的面對面接觸單元.這些接觸單元使用“目標面”和“接觸面”的概念來形成接觸對.面對面接觸單元使用增強的拉格朗日法施加接觸協(xié)調(diào)條件(默認).作為一個可選項,還可以用罰函數(shù)法.接觸面目標面October20,200025接觸分析面對面接觸的優(yōu)點與低次和高次單元都兼容.支持具有大滑動和摩擦的大變形.提供更好的接觸結(jié)果(易于進行接觸壓力和摩擦應(yīng)力的后處理).能計算殼和梁的厚度及殼厚度的改變.半自動接觸剛度計算.“控制節(jié)點”對剛性面的控制(關(guān)于主控節(jié)點后面有更多的敘述).智能缺省設(shè)置、接觸向?qū)?易于使用).October20,200026接觸分析面對面接觸的優(yōu)點需要的接觸單元比用節(jié)點對面接觸單元(接觸48單元和接觸49單元)要少得多.12個接觸48單元2個接觸171單元和4個目標169單元October20,200027接觸分析面對面接觸單元由分別定義目標和接觸表面的獨立的單元類型組成.接觸對通過共用一個實常數(shù)指定.目標169和170單元-剛性或可變形的目標表面接觸171到174單元-二維和三維接觸單元面對面接觸單元象皮膚一樣覆蓋在下面的有限元模型上.這些單元非常適合面對面接觸應(yīng)用,如過盈裝配接觸、進料接觸、鍛造和深拉深.面對面接觸單元October20,200028接觸分析面對面接觸單元接觸副剛性目標接觸單元該接觸副由實常數(shù)1指定.October20,200029接觸分析二維目標單元JIIJKIJKII目標169單元目標部分有如下類型:直線、拋物線、圓弧(順時針或逆時針)、圓、或控制節(jié)點.October20,200030接觸分析三維目標單元目標170單元目標部分有如下類型:三節(jié)點三角形、四節(jié)點四邊形、六節(jié)點三角形、八節(jié)點四邊形、圓柱、圓錐、球和控制節(jié)點.October20,200031接觸分析二維面對面接觸單元接觸171單元是二維、二節(jié)點低次直線單元,能夠位于二維實體、殼或梁單元的表面.接觸172單元是二維、三節(jié)點高次拋物線單元,能夠位于有中間節(jié)點的二維實體單元的表面.接觸171單元接觸172單元October20,200032接觸分析三維面對面接觸單元接觸174單元是三維、八節(jié)點高次四邊形單元,能夠位于有中間節(jié)點的三維實體單元的表面.該單元還能退化成六節(jié)點三角形.接觸173單元是三維、四節(jié)點低次四邊形單元,能夠位于三維實體或殼單元的表面.該單元還能退化成三節(jié)點三角形.October20,200033接觸分析面對面接觸處理對于面對面接觸單元,一個面指定為“目標”面,另一個面為“接觸”面.對于剛體對柔體接觸,剛體表面總是指定為目標面.對于柔體對柔體接觸,接觸面與目標面都與變形體相關(guān)聯(lián).接觸單元被約束,不能侵入目標面.然而,目標單元能夠侵入接觸面.October20,200034接觸分析面對面接觸處理接觸單元的一般步驟:1. 創(chuàng)建有限元模型.2. 指定接觸和目標表面.3. 設(shè)置單元選項和實常數(shù).4. 創(chuàng)建目標表面單元.5. 創(chuàng)建接觸表面單元.6. 施加邊界條件.7. 定義求解選項和載荷步.8. 求解.9. 觀察結(jié)果.October20,200035接觸分析指定接觸和目標表面目的是將接觸檢查點增加到最大數(shù).對于剛體對柔體接觸,目標面總是剛體表面.對于柔體對柔體接觸,目標面和接觸面的選擇會引起不同量的侵入,從而影響求解精度.目標面接觸面目標面會侵入接觸面October20,200036接觸分析目標/接觸面的指導方針如果凸面與平面或凹面接觸,那么平面或凹面應(yīng)該是目標面.如果一個表面網(wǎng)格粗糙,而另一個表面網(wǎng)格較細,那么網(wǎng)格粗糙的表面應(yīng)該是目標面.如果一個表面比另一個表面的剛度大,那么剛度大的表面應(yīng)該是目標面.如果一個表面劃分為高次單元,而另一個表面劃分為低次單元,那么劃分為低次單元的表面應(yīng)該是目標面.如果一個表面比另一個表面大,那么更大的表面應(yīng)該是目標面.October20,200037接觸分析面對面接觸處理步驟1.創(chuàng)建實體模型并劃分網(wǎng)格.步驟2.指定接觸面和目標面.在這個例子中,一個表面被認為是剛性的,這樣,目標面和接觸面的指定就很清楚.接觸面

超彈性密封嵌入剛性目標面

October20,200038接觸分析面對面接觸處理步驟3.設(shè)置單元選項和實常數(shù).重要!接觸對由實常數(shù)號來確定.目標單元和接觸單元必須共用相同的實常數(shù)號(在后面,我們將詳細討論所有的單元選項和實常數(shù).缺省的單元選項和實常數(shù)設(shè)置可以應(yīng)用于許多問題).October20,200039接觸分析面對面接觸處理步驟3.設(shè)置單元選項和實常數(shù). 應(yīng)該設(shè)置罰剛度比例系數(shù)(FKN)和拉格朗日乘子侵入比例系數(shù)(FTOLN). FKN通常介于0.01~10之間.對于體積變形問題,用值1.0(默認),對于以彎曲變形為主的問題,用值0.1.

FTOLN默認為0.1.可以改變此值,但若容差太小,會使迭代數(shù)過多或不收斂.October20,200040接觸分析面對面接觸處理步驟4.創(chuàng)建接觸面單元.

在此步中,所用的方法將依賴于目標面是剛性的還是可以變形的.對于剛性目標面,用: 直接生成(用創(chuàng)建單元命令E)或

自動劃分網(wǎng)格(用劃分線命令(LMESH)及劃分面命令(AMESH))對于可變形目標面,用:創(chuàng)建>單元>面對面(ESURF) (Create>Elements>Surface-to-Surface(ESURF))October20,200041接觸分析面對面接觸處理步驟4.創(chuàng)建目標面單元. 對于剛性目標面的直接生成,在創(chuàng)建目標單元之前,需要設(shè)置附加的單元屬性(TSHAP).TSHAP定義目標單元的形狀October20,200042接觸分析面對面接觸處理步驟4.創(chuàng)建目標面單元.

剛性目標面的自動網(wǎng)格劃分不要求TSHAP.ANSYS將從實體模型確定目標單元的合適形狀. 劃分關(guān)鍵點(KMESH)-主控節(jié)點 劃分線(LMESH)-二維剛性目標面 劃分面(AMESH)-三維剛性目標面October20,200043接觸分析面對面接觸處理步驟4.創(chuàng)建目標面單元. 要在可變形的網(wǎng)格上自動創(chuàng)建目標單元,需先選擇可變形表面的節(jié)點,然后在變形體上創(chuàng)建目標單元:

前處理器>創(chuàng)建>單元>面對面 (Preprocessor>Create>Elements>SurftoSurf)ANSYS將根據(jù)它下面的實體網(wǎng)格確定目標單元的形狀和外法向.創(chuàng)建表面單元(ESURF)October20,200044接觸分析面對面接觸處理步驟4.創(chuàng)建目標面單元.檢查外法向(如果用自動網(wǎng)格劃分,則非常重要):打開單元坐標系符號(elementcoordinatesystemsymbol)開關(guān),畫單元.用命令ESURF修改(節(jié)點號逆轉(zhuǎn)).必須在此ESURF操作之前激活目標單元屬性.直線逆時針圓弧主控節(jié)點October20,200045接觸分析面對面接觸處理步驟5.創(chuàng)建接觸面單元. 設(shè)置接觸單元屬性,選擇可變形表面的節(jié)點,并在變形體上創(chuàng)建接觸單元(與在變形網(wǎng)格上對目標單元的處理相同):

前處理器>創(chuàng)建>單元>面對面 (Preprocessor>Create>Elements>SurftoSurf)這些接觸單元與其下面的實體單元同階(低階或高階).創(chuàng)建表面單元(ESURF)October20,200046接觸分析面對面接觸處理步驟5.創(chuàng)建接觸面單元. 注意對于在殼或梁單元上創(chuàng)建目標或接觸單元,有一個在梁或殼單元的頂面或底面創(chuàng)建單元的選項.能夠控制單元位置October20,200047接觸分析面對面接觸處理步驟6.在有限元模型上施加邊界條件.注意:如果目標面是剛性面,目標面將會自動固定(在后面,我們將討論剛性面選項以及如何控制剛性面的運動).剛性面自動約束October20,200048接觸分析面對面接觸處理步驟7.定義求解選項和載荷步.對于求解接觸問題,極力推薦使用求解控制.下面給出的指導方針十分典型,是有求解控制的默認設(shè)置.在迭代過程中,如果接觸狀態(tài)改變,會發(fā)生間斷.為了避免收斂緩慢,使用不帶自適應(yīng)下降的完全牛頓-拉斐遜(fullNewton-Raphson)求解.為了使接觸力平滑傳遞,時間步尺寸必須足夠小.確保一個精確的時間步的可靠方法是使用自動時間步.October20,200049接觸分析面對面接觸處理步驟7.定義求解選項和載荷步.設(shè)置適當?shù)淖硬綌?shù)目:開始的子步尺寸(NSBSTP)對于裝配接觸可以較大,對于大滑動接觸應(yīng)較小.對于劇烈的間斷,子步的最大數(shù)(NSBMX)應(yīng)該較大.子部的最小數(shù)(NSBMIN)應(yīng)該較小.注意:為了建立初始接觸條件,在第一個子步的二分之前,要完成所有的平衡迭代.October20,200050接觸分析面對面接觸處理步驟7.定義求解選項和載荷步.方程求解器選擇:稀疏矩陣求解器(SparseSolver)是缺省的,并且對于中等大小的接觸模型,這是最好的選擇(在100,000個自由度以下).對于困難的滑動問題,此求解器還有不對稱選項.PCG求解器用于大型接觸模型(超過100,000個自由度).此選項只能用于對稱系統(tǒng).October20,200051接觸分析面對面接觸處理步驟7.定義求解選項和載荷步.不用自適應(yīng)下降.對于面對面接觸問題,自適應(yīng)下降對于收斂不能提供任何幫助.使用一個合理的平衡迭代數(shù)目,通常是25.因為對于大時間增量,迭代計算會變得不穩(wěn)定,用線性搜索(linesearch)來穩(wěn)定計算.將預測器打開,大轉(zhuǎn)動或動態(tài)分析除外.October20,200052接觸分析面對面接觸處理步驟7.定義求解選項和載荷步.由于罰剛度太大或侵入容差太小,在一個接觸分析里會多次發(fā)生收斂失敗.對于懲罰剛度一定要按如下建議選取.注意:對于小應(yīng)變、小位移和小滑動問題，要關(guān)上大變形效應(yīng)開關(guān)(NLGEOM,OFF).這樣設(shè)置將加快接觸搜索速度.步驟8.問題求解.October20,200053接觸分析面對面接觸處理步驟9.觀察結(jié)果.一個接觸分析的結(jié)果主要包括位移、應(yīng)力、應(yīng)變和接觸信息.接觸壓力、摩擦應(yīng)力、總應(yīng)力、接觸侵入、接觸間隙距離、滑動距離和接觸狀態(tài)都可以直接從通用后處理器或時間歷程后處理器中得到.October20,200054接觸分析面對面接觸處理步驟9.觀察結(jié)果.

畫接觸壓力:October20,200055接觸分析接觸向?qū)τ诙鄶?shù)接觸問題,接觸向?qū)峁┝艘粋€構(gòu)造接觸對的簡單方法.接觸向?qū)⒁龑闳?chuàng)建接觸副.前處理器>創(chuàng)建>接觸對>接觸向?qū)?Preprocessor>Create>ContactPair>ContactWizard)October20,200056接觸分析接觸向?qū)褂媒佑|向?qū)У暮锰?自動定義單元類型和實常數(shù)設(shè)置快速得到接觸選項和參數(shù)接觸對觀察工具快速顯示和反轉(zhuǎn)接觸法向如果還沒有對模型的任何部分進行網(wǎng)格劃分,就不能激活接觸向?qū)?在啟用接觸向?qū)?chuàng)建柔體對柔體接觸模型之前,要先對所有的將用作接觸面的模型部件劃分網(wǎng)格.要創(chuàng)建剛體對柔體接觸模型,只要對將用作柔體接觸面的模型部件劃分網(wǎng)格.October20,200057接觸分析接觸向?qū)е灰唵蔚馗S接觸向?qū)ё哌^接觸對創(chuàng)建步驟即可.首先,你將指定目標面,然后再指定接觸面.October20,200058接觸分析接觸向?qū)械慕佑|單元選項和實常數(shù)都能通過接觸向?qū)У玫?October20,200059接觸分析接觸向?qū)г谧詈笠徊?接觸向?qū)?chuàng)建接觸單元和相應(yīng)的實常數(shù).創(chuàng)建的實常數(shù)設(shè)置是一致的.如果目標法向不正確,能夠逆轉(zhuǎn).October20,200060接觸分析接觸向?qū)Ы佑|向?qū)н€允許你觀看、列表和刪除接觸副,并且可以快速顯示和逆轉(zhuǎn)法線方向.October20,200061接觸分析注意October20,200062接觸分析練習目的:對一個位移控制加載的軸對稱咬接裝配問題進行分析.偏移量=0.4”咬接裝配軸對稱模型垂直約束October20,200063接觸分析練習練習步驟:1. 恢復數(shù)據(jù)庫snap.db.該數(shù)據(jù)庫包括網(wǎng)格和固定的邊界條件.2. 利用接觸向?qū)?chuàng)建目標和接觸單元(如圖所示,數(shù)據(jù)庫中設(shè)置了線組).哪一邊應(yīng)該是目標,清楚嗎?正確地設(shè)置罰剛度比例系數(shù)(FKN).提示:該問題是以彎曲為主還是以體積變形為主?接觸目標October20,200064接觸分析練習練習步驟:3. 在直線45上施加0.4”的–Y向位移.4. 打開幾何非線性開關(guān)(NLGEOM,ON).5. 設(shè)“時間(time)”等于0.4,并為自動時間步給出子步數(shù)(20,500,10).6. 給出輸出控制(要求輸出每一子步結(jié)果).7. 求解,并查看輸出和監(jiān)控文件.October20,200065接觸分析練習練習步驟:8. 對接觸結(jié)果進行后處理,查看接觸壓力和應(yīng)力結(jié)果.作應(yīng)力結(jié)果動畫.9. 在時間歷程后處理器里畫載荷變形曲線.在此問題中為什么得到了負的反作用力?October20,200066接觸分析練習補充作業(yè): 如果有時間,重新啟動分析,并將–Y向偏移量增加到0.55”,使咬接裝配的第二個齒咬合.查看結(jié)果以及此問題的收斂過程. 如果有時間,顛倒目標面和接觸面的指定,重新運行此分析.答案變化明顯嗎?October20,200067接觸分析練習回答問題:

在此問題中,哪一邊應(yīng)該是目標面,哪一邊應(yīng)該是接觸面是不明顯的.在這種情況下,要求用對稱接觸(兩邊都指定為目標面和接觸面).對于這個問題,網(wǎng)格粗糙些的一邊選為目標面(盡管有人會爭論,指定為接觸面的表面更簡單些,應(yīng)該定為目標面).該問題以彎曲變形為主,設(shè)FKN=0.1.出現(xiàn)負的反作用力,是因為此求解是由位移控制的.在加載歷史的不同點,施加的位移引起了負的反作用力.October20,200068接觸分析練習回答問題:

對于第一個載荷步(0到0.4),交換目標面和接觸面的指定,

結(jié)果變化不明顯.對于第二個載荷步(0.4到0.55),這兩種情況的力位移曲線有變化.這表示,對該問題要求用對稱接觸.October20,200069接觸分析練習答案/BATCHRESUME,snap,db/PREP7ET,2,169ET,3,171R,1,,,0.1,0.1CMSEL,S,TARGETNSLL,S,1TYPE,2MAT,1REAL,1ESURFCMSEL,S,CONTACTNSLL,S,1TYPE,3ESURFALLSFINISH/SOLUTIONANTYPE,STATICNLGEOM,ONSOLC,ONTIME,0.4NSUBST,20,500,10OUTRES,ALL,ALLDL,45,,UY,-0.4SOLVEDL,45,,UY,-0.55SOLVEFINI/EXITOctober20,200070接觸分析接觸非線性

建模和求解策略O(shè)ctober20,200071接觸分析本節(jié)目標本節(jié)學完后,將能對如下功能進行描述和論證:SessionObjective1. 面對面單元選項2. 剛性面3. 確定接觸剛度4. 摩擦5. 剛體位移6. 對稱接觸對不對稱接觸(自接觸)7. 初始干涉8. 排錯October20,200072接觸分析面對面選項本章的剩余部分將討論各種各樣的面對面接觸單元選項(關(guān)鍵選項)和實常數(shù),它們將控制面對面接觸單元的行為.October20,200073接觸分析面對面選項我們還將討論一般會遇到的接觸問題的建模技術(shù)和對策.包括剛性面、摩擦、剛體位移、初始干涉、表面相互作用模型和排錯.October20,200074接觸分析剛性面在一個接觸問題中,對于使用剛性面,還有其它的建?？紤].包括:控制節(jié)點剛性面的網(wǎng)格劃分改變目標面的形狀將其它單元與剛性面相連接October20,200075接觸分析剛性面控制節(jié)點剛性面能夠與“控制節(jié)點”聯(lián)系起來,該節(jié)點的運動能夠控制目標面的運動.加在整個面上的力、位移和/或轉(zhuǎn)動能夠用控制節(jié)點給出.可以將控制節(jié)點看作整個剛性面的手柄.如果定義了一個控制節(jié)點,ANSYS將只檢查控制節(jié)點的邊界條件,忽略目標面上其它節(jié)點的約束.控制節(jié)點既可對關(guān)鍵點進行網(wǎng)格劃分生成,也能作為目標單元,使用相同的單元屬性直接生成.October20,200076接觸分析剛性面旋轉(zhuǎn)的剛性面控制節(jié)點控制節(jié)點能夠在任何位置定義.這允許剛性面的一般轉(zhuǎn)動.只有控制節(jié)點能夠與其它單元聯(lián)系起來.要計算剛體的質(zhì)量,可以在控制節(jié)點上定義一個質(zhì)量單元(質(zhì)量21單元).每一個目標面只能有一個控制節(jié)點.October20,200077接觸分析剛性面約束剛性面如果滿足以下條件,剛性面則缺省為自動約束(autoconstrained,KEYOPT(2)=0):

沒有明確定義邊界條件.目標面與其它單元沒有聯(lián)系.沒有定義耦合或約束方程.在這種情況下,剛性目標面的所有自由度都被約束.October20,200078接觸分析剛性面約束剛體目標如果選擇了自動約束(KEYOPT(2)=0)選項,在每一個載荷步的末尾,程序內(nèi)部將對剛性面重新設(shè)置約束.當重起動求解時,請仔細檢查模型.如果選擇用戶定義(KEYOPT(2)=1)選項,ANSYS認為剛性面上所有合理的邊界條件應(yīng)由用戶定義.October20,200079接觸分析剛性面劃分復雜目標面一個剛性目標可以是基本目標元素(圓柱、圓錐、球等)的組合.對于任意表面,網(wǎng)格形狀的質(zhì)量并不重要.重要的是目標單元是否很好地代表了幾何體.目標表面過分粗糙的離散化會導致收斂方面的問題.October20,200080接觸分析剛性面劃分復雜目標面的建議如果剛性目標能由基本元素代替,就用基本元素(需要更少的單元,更有效).對于復雜表面,盡可能對網(wǎng)格進行映射劃分.如果表面的一邊沒有曲率,則在該邊只劃分一個單元.對于平面或接近平面的,用低次目標單元.如果目標表面是彎曲的,用高次單元.October20,200081接觸分析剛性面下面是對于一個剛性面,低次單元和高次單元兩種劃分方式都用了的例子.低次單元的計算量少,但是需要更多的單元.高次單元的計算量大,但是,需要的單元少.低次高次October20,200082接觸分析改變剛性面的形狀對于具有低次或高次目標元素(不是基本元素)的已劃分網(wǎng)格的目標面,目標節(jié)點能夠旋轉(zhuǎn)到局部坐標系.這允許目標面在一個分析中改變形狀.

例如,希望用剛性圓柱面進行擴徑.此圓柱面可以劃分為高次四邊形,將目標節(jié)點從直角坐標系旋轉(zhuǎn)到圓柱坐標系,并在剛性目標面上施加徑向位移,就可以對圓柱擴徑.剛性面October20,200083接觸分析接觸算法選擇一個接觸算法關(guān)鍵字選項(2)增強的拉格朗日法(關(guān)鍵字選項(2)=0)是缺省選項,推薦于一般應(yīng)用.它對罰剛度不太敏感,但是也要求給出一個侵入容差.能夠用罰函數(shù)法(關(guān)鍵字選項(2)=1)這個選項.它推薦應(yīng)用于單元非常扭曲、大摩擦系數(shù)和/或用增大的拉格朗日法收斂行為不好的問題.October20,200084接觸分析確定罰剛度對于面對面接觸單元,ANSYS基于單元類型、材料性質(zhì)和它下面的單元尺寸確定接觸剛度.可以用實常數(shù)FKN給出接觸剛度的一個比例系數(shù)或絕對值.懲罰剛度(FKN)應(yīng)該足夠大,使接觸侵入量小.同時也應(yīng)足夠小,使問題沒有病態(tài)矩陣.FKN值通常在0.01~10之間.對于體積變形問題,用值1.0(默認),對于彎曲問題,用值0.1.October20,200085接觸分析確定侵入容差侵入容差(FTOLN)是與接觸單元下面的實體單元深度(h)相乘的比例系數(shù).若此值太小,會引起收斂困難.絕對不要用太小的容差!增大罰剛度(FKN)將減少侵入.將FKN值增大100倍會相應(yīng)地減少侵入,但是接觸壓力只改變5%.October20,200086接觸分析確定罰剛度確定一個好的剛度值需要做些實驗.下面的處理可以作為指南:1. 開始用一個較小的FKN值.2. 運行最終載荷的一部分的分析.3. 檢查侵入和每一子步的平衡迭代數(shù).如果收斂受侵入容差的驅(qū)使,可能是FKN值估計不足或FTOLN值太小.如果需要多次迭代才能使殘余力收斂,而不是侵入,FKN值可能估計得太高.4. 調(diào)整FKN或

FTOLN值,運行整個分析.注意:從一個載荷步到另一個載荷步,FKN和FTOLN值都能修改,并且能在重起動分析中調(diào)整.October20,200087接觸分析摩擦在接觸模型中包括摩擦,就允許在兩個接觸體間產(chǎn)生剪力.在庫侖摩擦模型中,在兩個表面開始相對滑動之前,這兩個表面承受的剪應(yīng)力要上升到一個定值.此階段稱為粘著.當滑動發(fā)生時,庫侖摩擦模型定義平衡的摩擦應(yīng)力

:式中,p是單位接觸壓力,

是摩擦系數(shù)(用材料性質(zhì)MU定義).一旦剪應(yīng)力超過此定值,這兩個表面將相對滑動.此階段就是滑動.摩擦系數(shù)可以是任意非負值.

October20,200088接觸分析摩擦||maxp滑動粘著ANSYS提供一個實常數(shù)TAUMAX,用于定義等效剪應(yīng)力的最大值.這樣,不管接觸壓力值是多大,只要等效剪應(yīng)力達到最大值TAUMAX,就會發(fā)生滑動.該剪應(yīng)力極限值通常用于接觸壓力會變得非常大的情況.TAUMAX的一個合理的上限估計值是:式中y

是表面附近材料的范?米賽斯屈服應(yīng)力.TAUMAX的最好值通常來源于經(jīng)驗數(shù)據(jù).October20,200089接觸分析摩擦包含摩擦的接觸問題會產(chǎn)生不對稱的剛度矩陣.然而,使用不對稱的方程求解器比對稱求解器的計算費用更高.由于這個原因,ANSYS用一種對稱算法進行計算.利用此算法,可以解決多數(shù)包含摩擦的接觸問題.如果遇到了一個收斂緩慢的問題,可以用不對稱求解選項(關(guān)鍵選項(6)=1).在這種情況下,應(yīng)該用稀疏矩陣求解器(優(yōu)選的)或波前法求解器.October20,200090接觸分析接觸檢查點ANSYS面對面單元默認用高斯積分點作為接觸檢查點.高斯點接觸面接觸面ANSYS允許通過設(shè)置關(guān)鍵字選項(4)=1將接觸檢查點移到節(jié)點.為了保證收斂和精度,建議保持默認設(shè)置.October20,200091接觸分析高斯點的優(yōu)點對于高次單元,節(jié)點力連續(xù).高斯點不能“滑離”目標面的邊緣.垂直于高斯點只定義了唯一的侵入,不要求目標面的平滑程度.接觸檢查點更多.GausspointOctober20,200092接觸分析接觸檢查點如果有一個包括角部接觸的問題,使用高斯點作為接觸檢查點會導致角部的過分侵入.這時也不用將接觸檢查點移到節(jié)點,可以將面對面接觸單元與節(jié)點對面接觸單元混合起來用.面對面單元節(jié)點對面單元用于在角部建立接觸模型October20,200093接觸分析對稱接觸與不對稱接觸在前面,我們討論了將一個表面指定為目標面,另一個表面指定為接觸面.讓所有的接觸單元在一個表面上,所有的目標單元在另一個表面上,這稱為不對稱接觸.不對稱接觸通常是建立面對面接觸模型的最有效的方法.然而,在有些情況下,不對稱接觸的執(zhí)行不能令人滿意.October20,200094接觸分析不對稱接觸凸表面網(wǎng)格細致表面柔軟表面高次表面小表面凹/平表面網(wǎng)格粗糙表面剛硬表面低次表面大表面接觸面:目標

面:記住,接觸單元不能侵入目標單元,而目標單元能夠侵入接觸單元.下面是不對稱接觸處理的準則:上面準則確定的目的是使接觸檢查點的數(shù)目最大.October20,200095接觸分析對稱接觸對稱接觸不如不對稱接觸有效.然而,許多分析需要用它(典型用于減少侵入).對稱接觸增加了接觸檢查點的數(shù)目.對稱接觸的準則: 目標面和接觸面沒有明顯的區(qū)別. 目標面和接觸面的網(wǎng)格都粗糙.注意用對稱接觸時,后處理更困難.接觸壓力是兩個接觸單元對的平均值.

October20,200096接觸分析自接觸對于自接觸,使用不對稱接觸更有效,但是難于預測接觸面和目標面.對于自接觸,用對稱接觸時,只要簡單地將目標單元和接觸單元放在相同的表面上即可.中間的超彈性環(huán)與自身接觸October20,200097接觸分析剛體位移在靜態(tài)分析中,開始不連接在一起的兩個(或多個)物體,在建立接觸前,會產(chǎn)生剛體運動.F在這個力控制的例子中,圓柱上沒有施加位移約束.此圓柱的約束由圓柱和平板之間的接觸建立.October20,200098接觸分析剛體位移如果在求解中的任一時刻,兩個物體沒有聯(lián)系,剛度矩陣就會奇異.ANSYS將會發(fā)出一個負主元警告信息.由于物體初始時沒有聯(lián)系,要克服剛體位移有幾個選項:在“恰好碰上”的位置建立幾何模型

動力學位移控制軟彈簧用不分離接觸(關(guān)鍵選項(12),在后面討論)調(diào)整初始接觸條件October20,200099接觸分析剛體位移“恰好碰上”這要求知道“恰好碰上”的位置在哪里.如果表面是曲面或者不規(guī)則,則難以確定.F由于有限元網(wǎng)格的數(shù)值修整,物體之間會存在小間隙或侵入.這可能引起不收斂或接觸物體的分離.October20,2000100接觸分析剛體位移動力學在動力分析中,慣性作用可以阻止剛體運動.克服剛體運動的一種選擇是動態(tài)地求解問題.將需要加上質(zhì)量和阻尼,使求解從靜態(tài)轉(zhuǎn)換到動態(tài).October20,2000101接觸分析剛體位移位移控制該技術(shù)用強加的位移使兩物體進入接觸狀態(tài).然后,可以通過一個空載荷步,使該問題從位移控制求解轉(zhuǎn)換到力控制求解.強加的小位移October20,2000102接觸分析剛體位移位移控制載荷步1用一個強加的小位移使物體進入初始接觸狀態(tài).載荷步2從位移控制轉(zhuǎn)換到力控制.刪除強加的位移,加上反作用力,并用一個子步求解(由于此系統(tǒng)沒有變化,該載荷步應(yīng)該經(jīng)過一次或兩次迭代就收斂).載荷步3繼續(xù)進行載荷歷史加載.October20,2000103接觸分析剛體位移軟彈簧該技術(shù)使用接地軟彈簧來阻止剛體運動.F與系統(tǒng)剛度相比,彈簧剛度應(yīng)該可以忽略.彈簧與地相連,可以將地上節(jié)點的反作用力與總的反作用力相比,以確保彈簧對求解沒有影響.October20,2000104接觸分析剛體位移盡管“恰好碰上”、動力學、位移控制和軟彈簧都是有效的分析技術(shù),實施起來可能都有困難.“恰好碰上”-由于有限元網(wǎng)格的數(shù)值修整,能夠存在小間隙或小侵入.

動力學-在一個“靜態(tài)”模型中,要緩沖掉不想要的動態(tài)影響并不總是那么容易.位移控制-對于復雜加載,施加哪個位移并不總是那么明顯.October20,2000105接觸分析剛體位移軟彈簧-初始載荷必須足夠小,從而引起彈簧的小變形,這樣接觸單元才能認識侵入.需要做些實驗,使目標單元不“穿過”接觸表面.因此,還可以用實常數(shù)ICONT或PMIN和PMAX去調(diào)整初始接觸條件,

以阻止剛體位移.ICONT將接觸面上在調(diào)整帶內(nèi)的節(jié)點移到目標面上.PMIN和PMAX實際地將剛性面移進目標.October20,2000106接觸分析剛體位移調(diào)整初始接觸條件(ICONT)實常數(shù)ICONT能用于圍繞目標面給出一個“調(diào)整帶”.調(diào)整帶內(nèi)任何接觸點都被移到目標面上.只建議進行較小的修正,若ICONT值太大,則會發(fā)生間斷.如果不給出實常數(shù)ICONT,ANSYS根據(jù)模型的大小提供一個較小的ICONT默認值.October20,2000107接觸分析剛體位移調(diào)整初始接觸條件(ICONT)接觸面調(diào)整,調(diào)整前與調(diào)整后如下圖所示:October20,2000108接觸分析剛體位移調(diào)整初始接觸條件(PMIN和PMAX)實常數(shù)PMIN和

PMAX給出初始侵入范圍.ANSYS實際地將整個目標面(以及附著的變形體)移到由PMIN和PMAX給出的侵入范圍內(nèi).

如果目標面有預加的零約束,則不執(zhí)行使用PMIN和PMAX的初始調(diào)整.初始調(diào)整是一個迭代過程.ANSYS最多進行20次迭代,將目標面移到PMIN和PMAX范圍內(nèi).October20,2000109接觸分析剛體位移調(diào)整初始接觸條件(PMIN和

PMAX)接觸面調(diào)整前和調(diào)整后的接觸面October20,2000110接觸分析球形(pinball)區(qū)接觸單元相對于目標單元的的位置和運動決定接觸狀態(tài).ANSYS跟蹤每一個單元,并對它賦予一個可以進行后處理的狀態(tài).接觸狀態(tài) 相應(yīng)的CPU費用0-遠區(qū)域開接觸 便宜1-近區(qū)域開接觸 中等2-滑動閉接觸 昂貴3-粘著閉接觸 昂貴October20,2000111接觸分析pinball區(qū)當接觸單元進入pinball區(qū)時,認為它處于近區(qū)域接觸.pinball區(qū)是圍繞接觸單元的圓(二維)或球(三維).可以用實常數(shù)PINB調(diào)整球形區(qū)(此方法對于初始侵入大的問題是必要的).ANSYS默認定義彈球區(qū)為下面單元的4深度(剛體對柔體)或2深度(柔體對柔體).彈球October20,2000112接觸分析防止偽接觸關(guān)鍵字選項(8)=1僅用于當實常數(shù)PINB不能處理此問題時,因為此選項會導致丟失真實的侵入.關(guān)鍵字選項(8)防止初始時或變形時過分侵入的偽接觸.用于包括自接觸問題的對稱接觸.

Contactiserroneouslydetected

NocontactisdetectedOctober20,2000113接觸分析初始過盈對于建立初始過盈接觸問題(如冷縮裝配):幾何模型包括初始過盈.通過實常數(shù)CNOF給出接觸面偏移包括初始過盈.包括初始過盈的幾何模型和實常數(shù)CNOF的組合應(yīng)用.為了克服由大初始侵入引起的收斂困難,ANSYS允許初始侵入在第一個載荷步中按斜坡變化.October20,2000114接觸分析初始過盈CNOF

實常數(shù)CNOF是接觸面偏移.

+CNOF增加過盈.-CNOF減少過盈或產(chǎn)生間隙.CNOF能與幾何侵入組合應(yīng)用.October20,2000115接觸分析初始過盈初始穿透控制KEYOPT(9)=0-包括幾何穿透和CNOF.1-忽略幾何穿透和CNOF.2-包括幾何穿透和CNOF.在第一個載荷步中初始穿透斜坡變化.3-忽略幾何穿透,包括CNOF4-忽略幾何穿透,包括CNOF.在第一個載荷步中初始穿透斜坡變化.October20,2000116接觸分析初始過盈斜坡變化如果有大初始過盈,通常不能階躍施加.然而,用關(guān)鍵選項(9)的設(shè)置使初始過盈在第一個載荷步中斜坡施加(確定球形區(qū)足夠大!).對于此斜坡功能,在第一個載荷步內(nèi)不要施加其它載荷.初始過盈October20,2000117接觸分析調(diào)整初始接觸條件,以及偏移接觸面技術(shù)也能組合應(yīng)用.例如,對于精度不高的輸入網(wǎng)格和初始節(jié)點坐標,也許想要一個十分精確的初始穿透.要達到這個目標:1. 用ICONT將接觸點移到目標面上.2. 用CNOF給出一個初始穿透.3. 用關(guān)鍵選項(9)判定穿透.用ICONT后的接觸面目標面最終接觸面CNOF原始接觸面初始過盈October20,2000118接觸分析表面相互作用模型關(guān)鍵選項(12)能夠用于建立不同的接觸表面相互作用模型:0-標準:單面接觸行為(默認).1-粗糙接觸:接觸建立后,沒有滑動,這相當于無限大摩擦系數(shù).2-不分離接觸:接觸建立后,目標面和接觸面綁在一起(允許滑動).3–綁定接觸:接觸建立后,目標面和接觸面“膠結(jié)”在一起.October20,2000119接觸分析表面相互作用模型關(guān)鍵選項(12)描述(表面相互作用)繼續(xù):4-“總是”不分離接觸:球形區(qū)內(nèi)部任何接觸檢查點或那些進入接觸狀態(tài)的點沿法向綁結(jié)(允許滑動).5-“總是”綁定接觸:對于剩余分析,球形區(qū)內(nèi)任何接觸檢查點或那些進入接觸狀態(tài)的點被綁定.6-“初始接觸”綁定:

僅在初始接觸時綁定,初始接觸開表面將保持打開的狀態(tài).與CEINTF相似,但是能用于非線性問題.October20,2000120接觸分析表面相互作用模型接觸開放彈簧FKOP對于建立不分離或綁定接觸模型,也許需要設(shè)置實常數(shù)FKOP.該常數(shù)為開放接觸提供了一個剛度值.對于不分離接觸,可以用開放間隙剛度系數(shù)去阻止由于間隙而產(chǎn)生的剛體運動.對于綁定接觸,FKOP阻止接觸面的分離.FKOP默認為1.0,用于建立粘結(jié)模型.用一個較小值(1e-5)去建立軟彈簧模型.October20,2000121接觸分析計算厚度影響如果已經(jīng)創(chuàng)建了一個梁或殼單元模型,接觸表面能夠移動,用于計算梁或殼的厚度.關(guān)鍵選項(11)包括或排除梁和殼厚度的影響.0-在中面接觸(默認).1-在指定表面的頂部或底部.注意:當用殼181單元時,在變形過程中的厚度改變也可以考慮.October20,2000122接觸分析時間步控制時間步控制是一個自動時間步特征.該控制用于當接觸單元的狀態(tài)即將改變時,預報并縮減當前的時間步.關(guān)鍵選項(7)控制時間步的預報

.0-無控制:不影響時間步尺寸.當自動時間步開關(guān)打開時,對于靜態(tài)問題通常是充分的.

1-自動縮減:如果接觸狀態(tài)改變較大,時間步二分.對于動態(tài)問題,自動縮減通常是充分的.2-合理的:比自動縮減費用更昂貴的算法.3-最小值:該選項為下一個子步預報時間增量的最小值(計算費用十分昂貴,建議不用).

October20,2000123接觸分析故障排除輸出文件信息輸出文件將打印一個接觸概要,說明模型中的所有接觸對.***注意***由實常數(shù)設(shè)置1識別的剛體-可變形體的接觸對已經(jīng)建立.請驗證目標節(jié)點的約束,該約束可以由ANSYS自動施加.接觸剛度系數(shù)FKN1.0000缺省穿透容差系數(shù)FTOLN0.10000將用缺省初始閉合值ICONT球形區(qū)系數(shù)PINB1.0000缺省最大摩擦應(yīng)力TAUMAX0.10000E+21****************************************October20,2000124接觸分析故障排除輸出文件信息對于每一個接觸對,輸出文件還將反饋初始接觸閉合情況.***注意***檢查出由實常數(shù)設(shè)置1指定的接觸單元603和目標單元1之間的最小初始間隙為3.914707351E-02.***注意***你可以將由實常數(shù)設(shè)置1指定的整個目標面移到:x=3.902639615E-02,y=-3.071443974E-03,z=0,使其接觸.***警告***已經(jīng)為實常數(shù)設(shè)置1選擇了一個初始閉合系數(shù)(ICONT)3.E-02.October20,2000125接觸分析排錯剛體對柔體和柔體對柔體接觸能夠在相同的模型里定義.一定要用獨立的實常數(shù)定義接觸對.輸出文件信息對檢查你的接觸對有幫助.一定要檢查接觸和目標單元的外法向.接觸發(fā)生在接觸和目標單元正的外法向側(cè).不正確正確October20,2000126接觸分析排錯確信目標和接觸表面定義延伸得足夠廣,可以覆蓋整個分析過程中運動的全部范圍.確信正確地離散了剛性目標面.過分粗糙的離散化會引起收斂困難.確信用ICONT或PMIN和PMAX,使合理的表面副初始處于接觸狀態(tài),從而消除剛體運動模式.October20,2000127接觸分析排錯在大滑動問題中,尖角會引起收斂困難.用線或面倒角使尖角圓滑.外法向圓滑的半徑剛性目標面October20,2000128接觸分析排錯接觸面目標面Thiscanresultinnon-physicalbehavior接觸法向變化范圍大的過盈配合問題會導致非物理行為.在這種情況下,試用轉(zhuǎn)換目標和接觸面的方法.

或者,試用移去有問題的接觸單元的方法.October20,2000129接觸分析排錯重設(shè)求解選項、子步數(shù)、平衡迭代數(shù)及不對稱求解器等.最后,FKN和

FTOLN需要正確設(shè)置:FKN通常將在0.01~10之間.對于體積變形問題,用值1.0(默認),對于彎曲為主的問題,用值0.1.不要將FTOLN設(shè)得太小,穿透容差太緊,會導致發(fā)散.October20,2000130接觸分析注意October20,2000131接觸分析練習練習目標:分析一個二維平面應(yīng)變赫茲接觸問題.該問題用力控制加載,具有大塑性應(yīng)變.剛性面可變形網(wǎng)格控制節(jié)點October20,2000132接觸分析練習材料性質(zhì):銅EX=16E6帕泊松比=0.33應(yīng)變 應(yīng)力0.000625 10,0000.0025 15,0000.005 21,0000.010 29,0000.015 32,600