第八章 接觸分析

第八章接觸非線性O(shè)ctober20,20008-2接觸非線性–5.7版本本章目標(biāo)本章學(xué)完后,應(yīng)能對(duì)如下功能進(jìn)行描述和論證:SessionObjective1. 接觸協(xié)調(diào)條件2. 剛體對(duì)柔體和柔體對(duì)柔體接觸3. 節(jié)點(diǎn)對(duì)節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)對(duì)面和面對(duì)面接觸單元4. 接觸剛度5. 接觸單元處理6. 接觸向?qū)ctober20,20008-3接觸非線性–5.7版本接觸問題接觸問題是高度非線性的,并且對(duì)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(gè)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(huì)突然接觸或突然不接觸,這會(huì)導(dǎo)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.October20,20008-4接觸非線性–5.7版本關(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(dòng)問題,那么可以用耦合或約束方程代替接觸.詳細(xì)信息請(qǐng)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(diǎn)是分析還是線性的.October20,20008-5接觸非線性–5.7版本接觸分類接觸問題一般分為兩類:剛體對(duì)柔體和柔體對(duì)柔體.剛體對(duì)柔體:

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

兩個(gè)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(gè)柔體對(duì)柔體接觸的例子.October20,20008-6接觸非線性–5.7版本剛體對(duì)柔體接觸剛體表面變形體October20,20008-7接觸非線性–5.7版本柔體對(duì)柔體接觸花鍵軸過盈配合,兩個(gè)零件都是柔體.October20,20008-8接觸非線性–5.7版本接觸協(xié)調(diào)條件F為了阻止接觸表面相互穿過,這兩個(gè)表面間必須建立一個(gè)關(guān)系.否則這兩個(gè)表面將相互穿過.不施加接觸協(xié)調(diào)條件時(shí)發(fā)生侵入目標(biāo)接觸FOctober20,20008-9接觸非線性–5.7版本接觸協(xié)調(diào)條件用一個(gè)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(huì)導(dǎo)致收斂困難.FOctober20,20008-10接觸非線性–5.7版本接觸協(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(gè)附加自由度(接觸壓力),以滿足不侵入條件.FOctober20,20008-11接觸非線性–5.7版本接觸協(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(qiáng)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(dá)到平衡,就檢查許可侵入量.這時(shí),如果有必要,接觸壓力增大,繼續(xù)進(jìn)行迭代.F許可侵入量October20,20008-12接觸非線性–5.7版本增大接觸應(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October20,20008-13接觸非線性–5.7版本接觸單元ANSYS有三種類型的接觸單元:節(jié)點(diǎn)對(duì)節(jié)點(diǎn)-這是指接觸的最終位置事先是知道的.節(jié)點(diǎn)對(duì)面-接觸區(qū)域未知,并且允許大滑動(dòng).面對(duì)面-接觸區(qū)域未知,并且允許大滑動(dòng)

(相對(duì)節(jié)點(diǎn)對(duì)面接觸形式有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)).October20,20008-14接觸非線性–5.7版本節(jié)點(diǎn)對(duì)節(jié)點(diǎn)接觸單元IJIJ兩個(gè)最常用的節(jié)點(diǎn)對(duì)節(jié)點(diǎn)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(gè)罰剛度(在后面我們將詳細(xì)討論罰剛度的計(jì)算).接觸12單元-二維間隙接觸52單元-三維間隙October20,20008-15接觸非線性–5.7版本節(jié)點(diǎn)對(duì)節(jié)點(diǎn)接觸單元節(jié)點(diǎn)對(duì)節(jié)點(diǎn)接觸單元能夠用于建立點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接觸模型.接觸點(diǎn)始終已知的管抖動(dòng)模型是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接觸的一個(gè)例子.如果兩個(gè)表面的節(jié)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng),相對(duì)滑動(dòng)變形量可以忽略,并且兩表面的撓度(轉(zhuǎn)動(dòng)量)較小,那么這些單元還能用于模擬面對(duì)面接觸問題.過盈配合問題是面對(duì)面接觸問題的一個(gè)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)接觸只能用于低次單元.October20,20008-16接觸非線性–5.7版本節(jié)點(diǎn)對(duì)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)處創(chuàng)建單元.前處理器->創(chuàng)建->單元->在重合節(jié)點(diǎn)(Preprocessor->Create->Elements->AtCoincidNd)接觸12單元應(yīng)該在重合節(jié)點(diǎn)間創(chuàng)建.然而接觸52單元要求1E-6的距離來定向單元.October20,20008-17接觸非線性–5.7版本節(jié)點(diǎn)對(duì)節(jié)點(diǎn)接觸過程補(bǔ)充信息:接觸12單元由實(shí)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(xiàng)(4)和實(shí)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(xiàng)和實(shí)常數(shù)的詳細(xì)敘述,請(qǐng)參看ANSYS單元手冊(cè)(ANSYSElementsReference)第四章.October20,20008-18接觸非線性–5.7版本節(jié)點(diǎn)對(duì)表面接觸單元節(jié)點(diǎn)對(duì)表面接觸單元:接觸48單元-二維節(jié)點(diǎn)對(duì)表面接觸49單元三維節(jié)點(diǎn)對(duì)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(gè)選項(xiàng),可以使用綜合的罰函數(shù)和拉格朗日乘子.October20,20008-19接觸非線性–5.7版本節(jié)點(diǎn)對(duì)表面接觸單元節(jié)點(diǎn)對(duì)表面接觸單元典型用于建立點(diǎn)對(duì)面接觸應(yīng)用模型,如兩個(gè)梁接觸(在梁的末端)和鎖扣配合的角部.通過定義多個(gè)單元,這些單元還能用于建立面對(duì)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(duì)滑動(dòng)和接觸表面間的不同網(wǎng)格劃分.注意節(jié)點(diǎn)對(duì)表面接觸只可以用于低次單元.October20,20008-20接觸非線性–5.7版本節(jié)點(diǎn)對(duì)表面接觸處理接觸48單元和接觸49單元通過指定節(jié)點(diǎn)組元來生成,這些節(jié)點(diǎn)組定義了目標(biāo)和接觸表面.為接觸和目標(biāo)表面選擇需要的節(jié)點(diǎn),并創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)組元.給出單元類型和實(shí)常數(shù),并生成接觸單元.每一個(gè)不相連的接觸面應(yīng)該參照一個(gè)不同的實(shí)常數(shù)設(shè)置.JK接觸節(jié)點(diǎn)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)IOctober20,20008-21接觸非線性–5.7版本節(jié)點(diǎn)對(duì)表面接觸處理主菜單>前處理器>創(chuàng)建>單元>節(jié)點(diǎn)對(duì)表面(MainMenu>Preprocessor>Create>Elements>NodetoSurf)節(jié)點(diǎn)組名稱關(guān)于使用節(jié)點(diǎn)對(duì)表面接觸單元的詳細(xì)信息請(qǐng)參看ANSYS結(jié)構(gòu)分析指南(ANSYSStructuralAnalysisGuide).October20,20008-22接觸非線性–5.7版本接觸剛度點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(接觸12單元和接觸52單元)和節(jié)點(diǎn)對(duì)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(huì)由于病態(tài)條件而引起收斂困難.可以通過一些實(shí)驗(yàn)來確定一個(gè)合適的接觸剛度,使求解收斂,而且侵入量可以接受.October20,20008-23接觸非線性–5.7版本選擇接觸剛度接觸剛度是接觸面的相對(duì)剛度的函數(shù).對(duì)于塊狀實(shí)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(gè)較好的起始值.October20,20008-24接觸非線性–5.7版本選擇接觸剛度對(duì)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(yù)計(jì)要接觸的面上,先運(yùn)行一個(gè)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(gè)較好的起始值.October20,20008-25接觸非線性–5.7版本面對(duì)面接觸單元ANSYS支持剛體對(duì)柔體和柔體對(duì)柔體的面對(duì)面接觸單元.這些接觸單元使用“目標(biāo)面”和“接觸面”的概念來形成接觸對(duì).面對(duì)面接觸單元使用增強(qiáng)的拉格朗日法施加接觸協(xié)調(diào)條件(默認(rèn)).作為一個(gè)可選項(xiàng),還可以用罰函數(shù)法.接觸面目標(biāo)面October20,20008-26接觸非線性–5.7版本面對(duì)面接觸的優(yōu)點(diǎn)與低次和高次單元都兼容.支持具有大滑動(dòng)和摩擦的大變形.提供更好的接觸結(jié)果(易于進(jìn)行接觸壓力和摩擦應(yīng)力的后處理).能計(jì)算殼和梁的厚度及殼厚度的改變.半自動(dòng)接觸剛度計(jì)算.“控制節(jié)點(diǎn)”對(duì)剛性面的控制(關(guān)于主控節(jié)點(diǎn)后面有更多的敘述).智能缺省設(shè)置、接觸向?qū)?易于使用).October20,20008-27接觸非線性–5.7版本面對(duì)面接觸的優(yōu)點(diǎn)需要的接觸單元比用節(jié)點(diǎn)對(duì)面接觸單元(接觸48單元和接觸49單元)要少得多.12個(gè)接觸48單元2個(gè)接觸171單元和4個(gè)目標(biāo)169單元October20,20008-28接觸非線性–5.7版本面對(duì)面接觸單元由分別定義目標(biāo)和接觸表面的獨(dú)立的單元類型組成.接觸對(duì)通過共用一個(gè)實(shí)常數(shù)指定.目標(biāo)169和170單元-剛性或可變形的目標(biāo)表面接觸171到174單元-二維和三維接觸單元面對(duì)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(duì)面接觸應(yīng)用,如過盈裝配接觸、進(jìn)料接觸、鍛造和深拉深.面對(duì)面接觸單元October20,20008-29接觸非線性–5.7版本面對(duì)面接觸單元接觸副剛性目標(biāo)接觸單元該接觸副由實(shí)常數(shù)1指定.October20,20008-30接觸非線性–5.7版本二維目標(biāo)單元JIIJKIJKII目標(biāo)169單元目標(biāo)部分有如下類型:直線、拋物線、圓弧(順時(shí)針或逆時(shí)針)、圓、或控制節(jié)點(diǎn).October20,20008-31接觸非線性–5.7版本三維目標(biāo)單元目標(biāo)170單元目標(biāo)部分有如下類型:三節(jié)點(diǎn)三角形、四節(jié)點(diǎn)四邊形、六節(jié)點(diǎn)三角形、八節(jié)點(diǎn)四邊形、圓柱、圓錐、球和控制節(jié)點(diǎn).October20,20008-32接觸非線性–5.7版本二維面對(duì)面接觸單元接觸171單元是二維、二節(jié)點(diǎn)低次直線單元,能夠位于二維實(shí)體、殼或梁?jiǎn)卧谋砻?接觸172單元是二維、三節(jié)點(diǎn)高次拋物線單元,能夠位于有中間節(jié)點(diǎn)的二維實(shí)體單元的表面.接觸171單元接觸172單元October20,20008-33接觸非線性–5.7版本三維面對(duì)面接觸單元接觸174單元是三維、八節(jié)點(diǎn)高次四邊形單元,能夠位于有中間節(jié)點(diǎn)的三維實(shí)體單元的表面.該單元還能退化成六節(jié)點(diǎn)三角形.接觸173單元是三維、四節(jié)點(diǎn)低次四邊形單元,能夠位于三維實(shí)體或殼單元的表面.該單元還能退化成三節(jié)點(diǎn)三角形.October20,20008-34接觸非線性–5.7版本面對(duì)面接觸處理對(duì)于面對(duì)面接觸單元,一個(gè)面指定為“目標(biāo)”面,另一個(gè)面為“接觸”面.對(duì)于剛體對(duì)柔體接觸,剛體表面總是指定為目標(biāo)面.對(duì)于柔體對(duì)柔體接觸,接觸面與目標(biāo)面都與變形體相關(guān)聯(lián).接觸單元被約束,不能侵入目標(biāo)面.然而,目標(biāo)單元能夠侵入接觸面.October20,20008-35接觸非線性–5.7版本面對(duì)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(biāo)表面.3. 設(shè)置單元選項(xiàng)和實(shí)常數(shù).4. 創(chuàng)建目標(biāo)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(xiàng)和載荷步.8. 求解.9. 觀察結(jié)果.October20,20008-36接觸非線性–5.7版本指定接觸和目標(biāo)表面目的是將接觸檢查點(diǎn)增加到最大數(shù).對(duì)于剛體對(duì)柔體接觸,目標(biāo)面總是剛體表面.對(duì)于柔體對(duì)柔體接觸,目標(biāo)面和接觸面的選擇會(huì)引起不同量的侵入,從而影響求解精度.目標(biāo)面接觸面目標(biāo)面會(huì)侵入接觸面October20,20008-37接觸非線性–5.7版本目標(biāo)/接觸面的指導(dǎo)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(biāo)面.如果一個(gè)表面網(wǎng)格粗糙,而另一個(gè)表面網(wǎng)格較細(xì),那么網(wǎng)格粗糙的表面應(yīng)該是目標(biāo)面.如果一個(gè)表面比另一個(gè)表面的剛度大,那么剛度大的表面應(yīng)該是目標(biāo)面.如果一個(gè)表面劃分為高次單元,而另一個(gè)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(biāo)面.如果一個(gè)表面比另一個(gè)表面大,那么更大的表面應(yīng)該是目標(biāo)面.October20,20008-38接觸非線性–5.7版本面對(duì)面接觸處理步驟1.創(chuàng)建實(shí)體模型并劃分網(wǎng)格.步驟2.指定接觸面和目標(biāo)面.在這個(gè)例子中,一個(gè)表面被認(rèn)為是剛性的,這樣,目標(biāo)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(biāo)面

October20,20008-39接觸非線性–5.7版本面對(duì)面接觸處理步驟3.設(shè)置單元選項(xiàng)和實(shí)常數(shù).重要!接觸對(duì)由實(shí)常數(shù)號(hào)來確定.目標(biāo)單元和接觸單元必須共用相同的實(shí)常數(shù)號(hào)(在后面,我們將詳細(xì)討論所有的單元選項(xiàng)和實(shí)常數(shù).缺省的單元選項(xiàng)和實(shí)常數(shù)設(shè)置可以應(yīng)用于許多問題).October20,20008-40接觸非線性–5.7版本面對(duì)面接觸處理步驟3.設(shè)置單元選項(xiàng)和實(shí)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(duì)于體積變形問題,用值1.0(默認(rèn)),對(duì)于以彎曲變形為主的問題,用值0.1.

FTOLN默認(rèn)為0.1.可以改變此值,但若容差太小,會(huì)使迭代數(shù)過多或不收斂.October20,20008-41接觸非線性–5.7版本面對(duì)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(biāo)面是剛性的還是可以變形的.對(duì)于剛性目標(biāo)面,用: 直接生成(用創(chuàng)建單元命令E)或

自動(dòng)劃分網(wǎng)格(用劃分線命令(LMESH)及劃分面命令(AMESH))對(duì)于可變形目標(biāo)面,用:創(chuàng)建>單元>面對(duì)面(ESURF) (Create>Elements>Surface-to-Surface(ESURF))October20,20008-42接觸非線性–5.7版本面對(duì)面接觸處理步驟4.創(chuàng)建目標(biāo)面單元. 對(duì)于剛性目標(biāo)面的直接生成,在創(chuàng)建目標(biāo)單元之前,需要設(shè)置附加的單元屬性(TSHAP).TSHAP定義目標(biāo)單元的形狀October20,20008-43接觸非線性–5.7版本面對(duì)面接觸處理步驟4.創(chuàng)建目標(biāo)面單元.

剛性目標(biāo)面的自動(dòng)網(wǎng)格劃分不要求TSHAP.ANSYS將從實(shí)體模型確定目標(biāo)單元的合適形狀. 劃分關(guān)鍵點(diǎn)(KMESH)-主控節(jié)點(diǎn) 劃分線(LMESH)-二維剛性目標(biāo)面 劃分面(AMESH)-三維剛性目標(biāo)面October20,20008-44接觸非線性–5.7版本面對(duì)面接觸處理步驟4.創(chuàng)建目標(biāo)面單元. 要在可變形的網(wǎng)格上自動(dòng)創(chuàng)建目標(biāo)單元,需先選擇可變形表面的節(jié)點(diǎn),然后在變形體上創(chuàng)建目標(biāo)單元:

前處理器>創(chuàng)建>單元>面對(duì)面 (Preprocessor>Create>Elements>SurftoSurf)ANSYS將根據(jù)它下面的實(shí)體網(wǎng)格確定目標(biāo)單元的形狀和外法向.創(chuàng)建表面單元(ESURF)October20,20008-45接觸非線性–5.7版本面對(duì)面接觸處理步驟4.創(chuàng)建目標(biāo)面單元.檢查外法向(如果用自動(dòng)網(wǎng)格劃分,則非常重要):打開單元坐標(biāo)系符號(hào)(elementcoordinatesystemsymbol)開關(guān),畫單元.用命令ESURF修改(節(jié)點(diǎn)號(hào)逆轉(zhuǎn)).必須在此ESURF操作之前激活目標(biāo)單元屬性.直線逆時(shí)針圓弧主控節(jié)點(diǎn)October20,20008-46接觸非線性–5.7版本面對(duì)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(diǎn),并在變形體上創(chuàng)建接觸單元(與在變形網(wǎng)格上對(duì)目標(biāo)單元的處理相同):

前處理器>創(chuàng)建>單元>面對(duì)面 (Preprocessor>Create>Elements>SurftoSurf)這些接觸單元與其下面的實(shí)體單元同階(低階或高階).創(chuàng)建表面單元(ESURF)October20,20008-47接觸非線性–5.7版本面對(duì)面接觸處理步驟5.創(chuàng)建接觸面單元. 注意對(duì)于在殼或梁?jiǎn)卧蟿?chuàng)建目標(biāo)或接觸單元,有一個(gè)在梁或殼單元的頂面或底面創(chuàng)建單元的選項(xiàng).能夠控制單元位置October20,20008-48接觸非線性–5.7版本面對(duì)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(biāo)面是剛性面,目標(biāo)面將會(huì)自動(dòng)固定(在后面,我們將討論剛性面選項(xiàng)以及如何控制剛性面的運(yùn)動(dòng)).剛性面自動(dòng)約束October20,20008-49接觸非線性–5.7版本面對(duì)面接觸處理步驟7.定義求解選項(xiàng)和載荷步.對(duì)于求解接觸問題,極力推薦使用求解控制.下面給出的指導(dǎo)方針十分典型,是有求解控制的默認(rèn)設(shè)置.在迭代過程中,如果接觸狀態(tài)改變,會(huì)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(shí)間步尺寸必須足夠小.確保一個(gè)精確的時(shí)間步的可靠方法是使用自動(dòng)時(shí)間步.October20,20008-50接觸非線性–5.7版本面對(duì)面接觸處理步驟7.定義求解選項(xiàng)和載荷步.設(shè)置適當(dāng)?shù)淖硬綌?shù)目:開始的子步尺寸(NSBSTP)對(duì)于裝配接觸可以較大,對(duì)于大滑動(dòng)接觸應(yīng)較小.對(duì)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(gè)子步的二分之前,要完成所有的平衡迭代.October20,20008-51接觸非線性–5.7版本面對(duì)面接觸處理步驟7.定義求解選項(xiàng)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(duì)于中等大小的接觸模型,這是最好的選擇(在100,000個(gè)自由度以下).對(duì)于困難的滑動(dòng)問題,此求解器還有不對(duì)稱選項(xiàng).PCG求解器用于大型接觸模型(超過100,000個(gè)自由度).此選項(xiàng)只能用于對(duì)稱系統(tǒng).October20,20008-52接觸非線性–5.7版本面對(duì)面接觸處理步驟7.定義求解選項(xiàng)和載荷步.不用自適應(yīng)下降.對(duì)于面對(duì)面接觸問題,自適應(yīng)下降對(duì)于收斂不能提供任何幫助.使用一個(gè)合理的平衡迭代數(shù)目,通常是25.因?yàn)閷?duì)于大時(shí)間增量,迭代計(jì)算會(huì)變得不穩(wěn)定,用線性搜索(linesearch)來穩(wěn)定計(jì)算.將預(yù)測(cè)器打開,大轉(zhuǎn)動(dòng)或動(dòng)態(tài)分析除外.October20,20008-53接觸非線性–5.7版本面對(duì)面接觸處理步驟7.定義求解選項(xiàng)和載荷步.由于罰剛度太大或侵入容差太小,在一個(gè)接觸分析里會(huì)多次發(fā)生收斂失敗.對(duì)于懲罰剛度一定要按如下建議選取.注意:對(duì)于小應(yīng)變、小位移和小滑動(dòng)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.October20,20008-54接觸非線性–5.7版本面對(duì)面接觸處理步驟9.觀察結(jié)果.一個(gè)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(dòng)距離和接觸狀態(tài)都可以直接從通用后處理器或時(shí)間歷程后處理器中得到.October20,20008-55接觸非線性–5.7版本面對(duì)面接觸處理步驟9.觀察結(jié)果.

畫接觸壓力:October20,20008-56接觸非線性–5.7版本接觸向?qū)?duì)于多數(shù)接觸問題,接觸向?qū)峁┝艘粋€(gè)構(gòu)造接觸對(duì)的簡(jiǎn)單方法.接觸向?qū)⒁龑?dǎo)你去創(chuàng)建接觸副.前處理器>創(chuàng)建>接觸對(duì)>接觸向?qū)?Preprocessor>Create>ContactPair>ContactWizard)October20,20008-57接觸非線性–5.7版本接觸向?qū)褂媒佑|向?qū)У暮锰?自動(dòng)定義單元類型和實(shí)常數(shù)設(shè)置快速得到接觸選項(xiàng)和參數(shù)接觸對(duì)觀察工具快速顯示和反轉(zhuǎn)接觸法向如果還沒有對(duì)模型的任何部分進(jìn)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(duì)柔體接觸模型之前,要先對(duì)所有的將用作接觸面的模型部件劃分網(wǎng)格.要?jiǎng)?chuàng)建剛體對(duì)柔體接觸模型,只要對(duì)將用作柔體接觸面的模型部件劃分網(wǎng)格.October20,20008-58接觸非線性–5.7版本接觸向?qū)е灰?jiǎn)單地跟隨接觸向?qū)ё哌^接觸對(duì)創(chuàng)建步驟即可.首先,你將指定目標(biāo)面,然后再指定接觸面.October20,20008-59接觸非線性–5.7版本接觸向?qū)械慕佑|單元選項(xiàng)和實(shí)常數(shù)都能通過接觸向?qū)У玫?October20,20008-60接觸非線性–5.7版本接觸向?qū)г谧詈笠徊?接觸向?qū)?chuàng)建接觸單元和相應(yīng)的實(shí)常數(shù).創(chuàng)建的實(shí)常數(shù)設(shè)置是一致的.如果目標(biāo)法向不正確,能夠逆轉(zhuǎn).October20,20008-61接觸非線性–5.7版本接觸向?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.October20,20008-62接觸非線性–5.7版本注意October20,20008-63接觸非線性–5.7版本練習(xí)目的:對(duì)一個(gè)位移控制加載的軸對(duì)稱咬接裝配問題進(jìn)行分析.偏移量=0.4”咬接裝配軸對(duì)稱模型垂直約束October20,20008-64接觸非線性–5.7版本練習(xí)練習(xí)步驟:1. 恢復(fù)數(shù)據(jù)庫(kù)snap.db.該數(shù)據(jù)庫(kù)包括網(wǎng)格和固定的邊界條件.2. 利用接觸向?qū)?chuàng)建目標(biāo)和接觸單元(如圖所示,數(shù)據(jù)庫(kù)中設(shè)置了線組).哪一邊應(yīng)該是目標(biāo),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(biāo)October20,20008-65接觸非線性–5.7版本練習(xí)練習(xí)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(shí)間(time)”等于0.4,并為自動(dòng)時(shí)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.October20,20008-66接觸非線性–5.7版本練習(xí)練習(xí)步驟:8. 對(duì)接觸結(jié)果進(jìn)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(dòng)畫.9. 在時(shí)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(fù)的反作用力?October20,20008-67接觸非線性–5.7版本練習(xí)補(bǔ)充作業(yè): 如果有時(shí)間,重新啟動(dòng)分析,并將–Y向偏移量增加到0.55”,使咬接裝配的第二個(gè)齒咬合.查看結(jié)果以及此問題的收斂過程. 如果有時(shí)間,顛倒目標(biāo)面和接觸面的指定,重新運(yùn)行此分析.答案變化明顯嗎?October20,20008-68接觸非線性–5.7版本練習(xí)回答問題:

在此問題中,哪一邊應(yīng)該是目標(biāo)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(duì)稱接觸(兩邊都指定為目標(biāo)面和接觸面).對(duì)于這個(gè)問題,網(wǎng)格粗糙些的一邊選為目標(biāo)面(盡管有人會(huì)爭(zhēng)論,指定為接觸面的表面更簡(jiǎn)單些,應(yīng)該定為目標(biāo)面).該問題以彎曲變形為主,設(shè)FKN=0.1.出現(xiàn)負(fù)的反作用力,是因?yàn)榇饲蠼馐怯晌灰瓶刂频?在加載歷史的不同點(diǎn),施加的位移引起了負(fù)的反作用力.October20,20008-69接觸非線性–5.7版本練習(xí)回答問題:

對(duì)于第一個(gè)載荷步(0到0.4),交換目標(biāo)面和接觸面的指定,

結(jié)果變化不明顯.對(duì)于第二個(gè)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(duì)該問題要求用對(duì)稱接觸.October20,20008-70接觸非線性–5.7版本練習(xí)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/EXITOctober20,20008-71接觸非線性–5.7版本接觸非線性

建模和求解策略O(shè)ctober20,20008-72接觸非線性–5.7版本本節(jié)目標(biāo)本節(jié)學(xué)完后,將能對(duì)如下功能進(jìn)行描述和論證:SessionObjective1. 面對(duì)面單元選項(xiàng)2. 剛性面3. 確定接觸剛度4. 摩擦5. 剛體位移6. 對(duì)稱接觸對(duì)不對(duì)稱接觸(自接觸)7. 初始干涉8. 排錯(cuò)October20,20008-73接觸非線性–5.7版本面對(duì)面選項(xiàng)本章的剩余部分將討論各種各樣的面對(duì)面接觸單元選項(xiàng)(關(guān)鍵選項(xiàng))和實(shí)常數(shù),它們將控制面對(duì)面接觸單元的行為.October20,20008-74接觸非線性–5.7版本面對(duì)面選項(xiàng)我們還將討論一般會(huì)遇到的接觸問題的建模技術(shù)和對(duì)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(cuò).October20,20008-75接觸非線性–5.7版本剛性面在一個(gè)接觸問題中,對(duì)于使用剛性面,還有其它的建?？紤].包括:控制節(jié)點(diǎn)剛性面的網(wǎng)格劃分改變目標(biāo)面的形狀將其它單元與剛性面相連接October20,20008-76接觸非線性–5.7版本剛性面控制節(jié)點(diǎn)剛性面能夠與“控制節(jié)點(diǎn)”聯(lián)系起來,該節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)能夠控制目標(biāo)面的運(yùn)動(dòng).加在整個(gè)面上的力、位移和/或轉(zhuǎn)動(dòng)能夠用控制節(jié)點(diǎn)給出.可以將控制節(jié)點(diǎn)看作整個(gè)剛性面的手柄.如果定義了一個(gè)控制節(jié)點(diǎn),ANSYS將只檢查控制節(jié)點(diǎn)的邊界條件,忽略目標(biāo)面上其它節(jié)點(diǎn)的約束.控制節(jié)點(diǎn)既可對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)格劃分生成,也能作為目標(biāo)單元,使用相同的單元屬性直接生成.October20,20008-77接觸非線性–5.7版本剛性面旋轉(zhuǎn)的剛性面控制節(jié)點(diǎn)控制節(jié)點(diǎn)能夠在任何位置定義.這允許剛性面的一般轉(zhuǎn)動(dòng).只有控制節(jié)點(diǎn)能夠與其它單元聯(lián)系起來.要計(jì)算剛體的質(zhì)量,可以在控制節(jié)點(diǎn)上定義一個(gè)質(zhì)量單元(質(zhì)量21單元).每一個(gè)目標(biāo)面只能有一個(gè)控制節(jié)點(diǎn).October20,20008-78接觸非線性–5.7版本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(dòng)約束(autoconstrained,KEYOPT(2)=0):

沒有明確定義邊界條件.目標(biāo)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(biāo)面的所有自由度都被約束.October20,20008-79接觸非線性–5.7版本剛性面約束剛體目標(biāo)如果選擇了自動(dòng)約束(KEYOPT(2)=0)選項(xiàng),在每一個(gè)載荷步的末尾,程序內(nèi)部將對(duì)剛性面重新設(shè)置約束.當(dāng)重起動(dòng)求解時(shí),請(qǐng)仔細(xì)檢查模型.如果選擇用戶定義(KEYOPT(2)=1)選項(xiàng),ANSYS認(rèn)為剛性面上所有合理的邊界條件應(yīng)由用戶定義.October20,20008-80接觸非線性–5.7版本剛性面劃分復(fù)雜目標(biāo)面一個(gè)剛性目標(biāo)可以是基本目標(biāo)元素(圓柱、圓錐、球等)的組合.對(duì)于任意表面,網(wǎng)格形狀的質(zhì)量并不重要.重要的是目標(biāo)單元是否很好地代表了幾何體.目標(biāo)表面過分粗糙的離散化會(huì)導(dǎo)致收斂方面的問題.October20,20008-81接觸非線性–5.7版本剛性面劃分復(fù)雜目標(biāo)面的建議如果剛性目標(biāo)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(duì)于復(fù)雜表面,盡可能對(duì)網(wǎng)格進(jìn)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(gè)單元.對(duì)于平面或接近平面的,用低次目標(biāo)單元.如果目標(biāo)表面是彎曲的,用高次單元.October20,20008-82接觸非線性–5.7版本剛性面下面是對(duì)于一個(gè)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(jì)算量少,但是需要更多的單元.高次單元的計(jì)算量大,但是,需要的單元少.低次高次October20,20008-83接觸非線性–5.7版本改變剛性面的形狀對(duì)于具有低次或高次目標(biāo)元素(不是基本元素)的已劃分網(wǎng)格的目標(biāo)面,目標(biāo)節(jié)點(diǎn)能夠旋轉(zhuǎn)到局部坐標(biāo)系.這允許目標(biāo)面在一個(gè)分析中改變形狀.

例如,希望用剛性圓柱面進(jìn)行擴(kuò)徑.此圓柱面可以劃分為高次四邊形,將目標(biāo)節(jié)點(diǎn)從直角坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)到圓柱坐標(biāo)系,并在剛性目標(biāo)面上施加徑向位移,就可以對(duì)圓柱擴(kuò)徑.剛性面October20,20008-84接觸非線性–5.7版本接觸算法選擇一個(gè)接觸算法關(guān)鍵字選項(xiàng)(2)增強(qiáng)的拉格朗日法(關(guān)鍵字選項(xiàng)(2)=0)是缺省選項(xiàng),推薦于一般應(yīng)用.它對(duì)罰剛度不太敏感,但是也要求給出一個(gè)侵入容差.能夠用罰函數(shù)法(關(guān)鍵字選項(xiàng)(2)=1)這個(gè)選項(xiàng).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.October20,20008-85接觸非線性–5.7版本確定罰剛度對(duì)于面對(duì)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(shí)常數(shù)FKN給出接觸剛度的一個(gè)比例系數(shù)或絕對(duì)值.懲罰剛度(FKN)應(yīng)該足夠大,使接觸侵入量小.同時(shí)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(duì)于體積變形問題,用值1.0(默認(rèn)),對(duì)于彎曲問題,用值0.1.October20,20008-86接觸非線性–5.7版本確定侵入容差侵入容差(FTOLN)是與接觸單元下面的實(shí)體單元深度(h)相乘的比例系數(shù).若此值太小,會(huì)引起收斂困難.絕對(duì)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(huì)相應(yīng)地減少侵入,但是接觸壓力只改變5%.October20,20008-87接觸非線性–5.7版本確定罰剛度確定一個(gè)好的剛度值需要做些實(shí)驗(yàn).下面的處理可以作為指南:1. 開始用一個(gè)較小的FKN值.2. 運(yùn)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(jì)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(jì)得太高.4. 調(diào)整FKN或

FTOLN值,運(yùn)行整個(gè)分析.注意:從一個(gè)載荷步到另一個(gè)載荷步,FKN和FTOLN值都能修改,并且能在重起動(dòng)分析中調(diào)整.October20,20008-88接觸非線性–5.7版本摩擦在接觸模型中包括摩擦,就允許在兩個(gè)接觸體間產(chǎn)生剪力.在庫(kù)侖摩擦模型中,在兩個(gè)表面開始相對(duì)滑動(dòng)之前,這兩個(gè)表面承受的剪應(yīng)力要上升到一個(gè)定值.此階段稱為粘著.當(dāng)滑動(dòng)發(fā)生時(shí),庫(kù)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(gè)表面將相對(duì)滑動(dòng).此階段就是滑動(dòng).摩擦系數(shù)可以是任意非負(fù)值.

October20,20008-89接觸非線性–5.7版本摩擦||maxp滑動(dòng)粘著ANSYS提供一個(gè)實(shí)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(dá)到最大值TAUMAX,就會(huì)發(fā)生滑動(dòng).該剪應(yīng)力極限值通常用于接觸壓力會(huì)變得非常大的情況.TAUMAX的一個(gè)合理的上限估計(jì)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(yàn)數(shù)據(jù).October20,20008-90接觸非線性–5.7版本摩擦包含摩擦的接觸問題會(huì)產(chǎn)生不對(duì)稱的剛度矩陣.然而,使用不對(duì)稱的方程求解器比對(duì)稱求解器的計(jì)算費(fèi)用更高.由于這個(gè)原因,ANSYS用一種對(duì)稱算法進(jìn)行計(jì)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(gè)收斂緩慢的問題,可以用不對(duì)稱求解選項(xiàng)(關(guān)鍵選項(xiàng)(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.October20,20008-91接觸非線性–5.7版本接觸檢查點(diǎn)ANSYS面對(duì)面單元默認(rèn)用高斯積分點(diǎn)作為接觸檢查點(diǎn).高斯點(diǎn)接觸面接觸面ANSYS允許通過設(shè)置關(guān)鍵字選項(xiàng)(4)=1將接觸檢查點(diǎn)移到節(jié)點(diǎn).為了保證收斂和精度,建議保持默認(rèn)設(shè)置.October20,20008-92接觸非線性–5.7版本高斯點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)對(duì)于高次單元,節(jié)點(diǎn)力連續(xù).高斯點(diǎn)不能“滑離”目標(biāo)面的邊緣.垂直于高斯點(diǎn)只定義了唯一的侵入,不要求目標(biāo)面的平滑程度.接觸檢查點(diǎn)更多.GausspointOctober20,20008-93接觸非線性–5.7版本接觸檢查點(diǎn)如果有一個(gè)包括角部接觸的問題,使用高斯點(diǎn)作為接觸檢查點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致角部的過分侵入.這時(shí)也不用將接觸檢查點(diǎn)移到節(jié)點(diǎn),可以將面對(duì)面接觸單元與節(jié)點(diǎn)對(duì)面接觸單元混合起來用.面對(duì)面單元節(jié)點(diǎn)對(duì)面單元用于在角部建立接觸模型October20,20008-94接觸非線性–5.7版本對(duì)稱接觸與不對(duì)稱接觸在前面,我們討論了將一個(gè)表面指定為目標(biāo)面,另一個(gè)表面指定為接觸面.讓所有的接觸單元在一個(gè)表面上,所有的目標(biāo)單元在另一個(gè)表面上,這稱為不對(duì)稱接觸.不對(duì)稱接觸通常是建立面對(duì)面接觸模型的最有效的方法.然而,在有些情況下,不對(duì)稱接觸的執(zhí)行不能令人滿意.October20,20008-95接觸非線性–5.7版本不對(duì)稱接觸凸表面網(wǎng)格細(xì)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(biāo)

面:記住,接觸單元不能侵入目標(biāo)單元,而目標(biāo)單元能夠侵入接觸單元.下面是不對(duì)稱接觸處理的準(zhǔn)則:上面準(zhǔn)則確定的目的是使接觸檢查點(diǎn)的數(shù)目最大.October20,20008-96接觸非線性–5.7版本對(duì)稱接觸對(duì)稱接觸不如不對(duì)稱接觸有效.然而,許多分析需要用它(典型用于減少侵入).對(duì)稱接觸增加了接觸檢查點(diǎn)的數(shù)目.對(duì)稱接觸的準(zhǔn)則: 目標(biāo)面和接觸面沒有明顯的區(qū)別. 目標(biāo)面和接觸面的網(wǎng)格都粗糙.注意用對(duì)稱接觸時(shí),后處理更困難.接觸壓力是兩個(gè)接觸單元對(duì)的平均值.

October20,20008-97接觸非線性–5.7版本自接觸對(duì)于自接觸,使用不對(duì)稱接觸更有效,但是難于預(yù)測(cè)接觸面和目標(biāo)面.對(duì)于自接觸,用對(duì)稱接觸時(shí),只要簡(jiǎn)單地將目標(biāo)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October20,20008-98接觸非線性–5.7版本剛體位移在靜態(tài)分析中,開始不連接在一起的兩個(gè)(或多個(gè))物體,在建立接觸前,會(huì)產(chǎn)生剛體運(yùn)動(dòng).F在這個(gè)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.October20,20008-99接觸非線性–5.7版本剛體位移如果在求解中的任一時(shí)刻,兩個(gè)物體沒有聯(lián)系,剛度矩陣就會(huì)奇異.ANSYS將會(huì)發(fā)出一個(gè)負(fù)主元警告信息.由于物體初始時(shí)沒有聯(lián)系,要克服剛體位移有幾個(gè)選項(xiàng):在“恰好碰上”的位置建立幾何模型

動(dòng)力學(xué)位移控制軟彈簧用不分離接觸(關(guān)鍵選項(xiàng)(12),在后面討論)調(diào)整初始接觸條件October20,20008-100接觸非線性–5.7版本剛體位移“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(huì)存在小間隙或侵入.這可能引起不收斂或接觸物體的分離.October20,20008-101接觸非線性–5.7版本剛體位移動(dòng)力學(xué)在動(dòng)力分析中,慣性作用可以阻止剛體運(yùn)動(dòng).克服剛體運(yùn)動(dòng)的一種選擇是動(dòng)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(dòng)態(tài).October20,20008-102接觸非線性–5.7版本剛體位移位移控制該技術(shù)用強(qiáng)加的位移使兩物體進(jìn)入接觸狀態(tài).然后,可以通過一個(gè)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(qiáng)加的小位移October20,20008-103接觸非線性–5.7版本剛體位移位移控制載荷步1用一個(gè)強(qiáng)加的小位移使物體進(jìn)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(qiáng)加的位移,加上反作用力,并用一個(gè)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(jìn)行載荷歷史加載.October20,20008-104接觸非線性–5.7版本剛體位移軟彈簧該技術(shù)使用接地軟彈簧來阻止剛體運(yùn)動(dòng).F與系統(tǒng)剛度相比,彈簧剛度應(yīng)該可以忽略.彈簧與地相連,可以將地上節(jié)點(diǎn)的反作用力與總的反作用力相比,以確保彈簧對(duì)求解沒有影響.October20,20008-105接觸非線性–5.7版本剛體位移盡管“恰好碰上”、動(dòng)力學(xué)、位移控制和軟彈簧都是有效的分析技術(shù),實(shí)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(dòng)力學(xué)-在一個(gè)“靜態(tài)”模型中,要緩沖掉不想要的動(dòng)態(tài)影響并不總是那么容易.位移控制-對(duì)于復(fù)雜加載,施加哪個(gè)位移并不總是那么明顯.October20,20008-106接觸非線性–5.7版本剛體位移軟彈簧-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(rèn)識(shí)侵入.需要做些實(shí)驗(yàn),使目標(biāo)單元不“穿過”接觸表面.因此,還可以用實(shí)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(diǎn)移到目標(biāo)面上.PMIN和PMAX實(shí)際地將剛性面移進(jìn)目標(biāo).October20,20008-107接觸非線性–5.7版本剛體位移調(diào)整初始接觸條件(ICONT)實(shí)常數(shù)ICONT能用于圍繞目標(biāo)面給出一個(gè)“調(diào)整帶”.調(diào)整帶內(nèi)任何接觸點(diǎn)都被移到目標(biāo)面上.只建議進(jìn)行較小的修正,若ICONT值太大,則會(huì)發(fā)生間斷.如果不給出實(shí)常數(shù)ICONT,ANSYS根據(jù)模型的大小提供一個(gè)較小的ICONT默認(rèn)值.October20,20008-108接觸非線性–5.7版本剛體位移調(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:October20,20008-109接觸非線性–5.7版本剛體位移調(diào)整初始接觸條件(PMIN和PMAX)實(shí)常數(shù)PMIN和

PMAX給出初始侵入范圍.ANSYS實(shí)際地將整個(gè)目標(biāo)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(biāo)面有預(yù)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(gè)迭代過程.ANSYS最多進(jìn)行20次迭代,將目標(biāo)面移到PMIN和PMAX范圍內(nèi).October20,20008-110接觸非線性–5.7版本剛體位移調(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October20,20008-111接觸非線性–5.7版本球形(pinball)區(qū)接觸單元相對(duì)于目標(biāo)單元的的位置和運(yùn)動(dòng)決定接觸狀態(tài).ANSYS跟蹤每一個(gè)單元,并對(duì)它賦予一個(gè)可以進(jìn)行后處理的狀態(tài).接觸狀態(tài) 相應(yīng)的CPU費(fèi)用0-遠(yuǎn)區(qū)域開接觸 便宜1-近區(qū)域開接觸 中等2-滑動(dòng)閉接觸 昂貴3-粘著閉接觸 昂貴October20,20008-112接觸非線性–5.7版本pinball區(qū)當(dāng)接觸單元進(jìn)入pinball區(qū)時(shí),認(rèn)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(shí)常數(shù)PINB調(diào)整球形區(qū)(此方法對(duì)于初始侵入大的問題是必要的).ANSYS默認(rèn)定義彈球區(qū)為下面單元的4深度(剛體對(duì)柔體)或2深度(柔體對(duì)柔體).彈球October20,20008-113接觸非線性–5.7版本防止偽接觸關(guān)鍵字選項(xiàng)(8)=1僅用于當(dāng)實(shí)常數(shù)PINB不能處理此問題時(shí),因?yàn)榇诉x項(xiàng)會(huì)導(dǎo)致丟失真實(shí)的侵入.關(guān)鍵字選項(xiàng)(8)防止初始時(shí)或變形時(shí)過分侵入的偽接觸.用于包括自接觸問題的對(duì)稱接觸.

Contactiserroneouslydetected

NocontactisdetectedOctober20,20008-114接觸非線性–5.7版本初始過盈對(duì)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(shí)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(shí)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(gè)載荷步中按斜坡變化.October20,20008-115接觸非線性–5.7版本初始過盈CNOF

實(shí)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.October20,20008-116接觸非線性–5.7版本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(gè)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(gè)載荷步中初始穿透斜坡變化.October20,20008-117接觸非線性–5.7版本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(xiàng)(9)的設(shè)置使初始過盈在第一個(gè)載荷步中斜坡施加(確定球形區(qū)足夠大!).對(duì)于此斜坡功能,在第一個(gè)載荷步內(nèi)不要施加其它載荷.初始過盈October20,20008-118接觸非線性–5.7版本調(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(duì)于精度不高的輸入網(wǎng)格和初始節(jié)點(diǎn)坐標(biāo),也許想要一個(gè)十分精確的初始穿透.要達(dá)到這個(gè)目標(biāo):1. 用ICONT將接觸點(diǎn)移到目標(biāo)面上.2. 用CNOF給出一個(gè)初始穿透.3. 用關(guān)鍵選項(xiàng)(9)判定穿透.用ICONT后的接觸面目標(biāo)面最終接觸面CNOF原始接觸面初始過盈October20,20008-119接觸非線性–5.7版本表面相互作用模型關(guān)鍵選項(xiàng)(12)能夠用于建立不同的接觸表面相互作用模型:0-標(biāo)準(zhǔn):單面接觸行為(默認(rèn)).1-粗糙接觸:接觸建立后,沒有滑動(dòng),這相當(dāng)于無限大摩擦系數(shù).2-不分離接觸:接觸建立后,目標(biāo)面和接觸面綁在一起(允許滑動(dòng)).3–綁定接觸:接觸建立后,目標(biāo)面和接觸面“膠結(jié)”在一起.October20,20008-120接觸非線性–5.7版本表面相互作用模型關(guān)鍵選項(xiàng)(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(diǎn)或那些進(jìn)入接觸狀態(tài)的點(diǎn)沿法向綁結(jié)(允許滑動(dòng)).5-“總是”綁定接觸:對(duì)于剩余分析,球形區(qū)內(nèi)任何接觸檢查點(diǎn)或那些進(jìn)入接觸狀態(tài)的點(diǎn)被綁定.6-“初始接觸”綁定:

僅在初始接觸時(shí)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.October20,20008-121接觸非線性–5.7版本表面相互作用模型接觸開放彈簧FKOP對(duì)于建立不分離或綁定接觸模型,也許需要設(shè)置實(shí)常數(shù)FKOP.該常數(shù)為開放接觸提供了一個(gè)剛度值.對(duì)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(yùn)動(dòng).對(duì)于綁定接觸,FKOP阻止接觸面的分離.FKOP默認(rèn)為1.0,用于建立粘結(jié)模型.用一個(gè)較小值(1e-5)去建立軟彈簧模型.October20,20008-122接觸非線性–5.7版本計(jì)算厚度影響如果已經(jīng)創(chuàng)建了一個(gè)梁或殼單元模型,接觸表面能夠移動(dòng),用于計(jì)算梁或殼的厚度.關(guān)鍵選項(xiàng)(11)包括或排除梁和殼厚度的影響.0-在中面接觸(默認(rèn)).1-在指定表面的頂部或底部.注意:當(dāng)用殼181單元時(shí),在變形過程中的厚度改變也可以考慮.October20,20008-123接觸非線性–5.7版本時(shí)間步控制時(shí)間步控制是一個(gè)自動(dòng)時(shí)間步特征.該控制用于當(dāng)接觸單元的狀態(tài)即將改變時(shí),預(yù)報(bào)并縮減當(dāng)前的時(shí)間步.關(guān)鍵選項(xiàng)(7)控制時(shí)間步的預(yù)報(bào)

.0-無控制:不影響時(shí)間步尺寸.當(dāng)自動(dòng)時(shí)間步開關(guān)打開時(shí),對(duì)于靜態(tài)問題通常是充分的.

1-自動(dòng)縮減:如果接觸狀態(tài)改變較大,時(shí)間步二分.對(duì)于動(dòng)態(tài)問題,自動(dòng)縮減通常是充分的.2-合理的:比自動(dòng)縮減費(fèi)用更昂貴的算法.3-最小值:該選項(xiàng)為下一個(gè)子步預(yù)報(bào)時(shí)間增量的最小值(計(jì)算費(fèi)用十分昂貴,建議不用).

October20,20008-124接觸非線性–5.7版本故障排除輸出文件信息輸出文件將打印一個(gè)接觸概要,說明模型中的所有接觸對(duì).***注意***由實(shí)常數(shù)設(shè)置1識(shí)別的剛體-可變形體的接觸對(duì)已經(jīng)建立.請(qǐng)驗(yàn)證目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的約束,該約束可以由ANSYS自動(dòng)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****************************************October20,20008-125接觸非線性–5.7版本故障排除輸出文件信息對(duì)于每一個(gè)接觸對(duì),輸出文件還將反饋初始接觸閉合情況.***注意***檢查出由實(shí)常數(shù)設(shè)置1指定的接觸單元603和目標(biāo)單元1之間的最小初始間隙為3.914707351E-02.***注意***你可以將由實(shí)常數(shù)設(shè)置1指定的整個(gè)目標(biāo)面移到:x=3.902639615E-02,y=-3.071443974E-03,z=0,使其接觸.***警告***已經(jīng)為實(shí)常數(shù)設(shè)置1選擇了一個(gè)初始閉合系數(shù)(ICONT)3.E-02.October20,20008-126接觸非線性–5.7版本排錯(cuò)剛體對(duì)柔體和柔體對(duì)柔體接觸能夠在相同的模型里定義.一定要用獨(dú)立的實(shí)常數(shù)定義接觸對(duì).輸出文件信息對(duì)檢查你的接觸對(duì)有幫助.一定要檢查接觸和目標(biāo)單元的外法向.接觸發(fā)生在接觸和目標(biāo)單元正的外法向側(cè).不正確正確October20,20008-127接觸非線性–5.7版本排錯(cuò)確信目標(biāo)和接觸表面定義延伸得足夠廣,可以覆蓋整個(gè)分析過程中運(yùn)動(dòng)的全部范圍.確信正確地離散了剛性目標(biāo)面.過分粗糙的離散化會(huì)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(yùn)動(dòng)模式.October20,20008-128接觸非線性–5.7版本排錯(cuò)在大滑動(dòng)問題中,尖角會(huì)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(biāo)面October20,20008-129接觸非線性–5.7版本排錯(cuò)接觸面目標(biāo)面Thiscanresultinnon-physicalbehavior接觸法向變化范圍大的過盈配合問題會(huì)導(dǎo)致非物理行為.在這種情況下,試用轉(zhuǎn)換目標(biāo)和接觸面的方法.

或者,試用移去有問題的接觸單元的方法.October20,20008-130接觸非線性–5.7版本排錯(cuò)重設(shè)求解選項(xiàng)、子步數(shù)、平衡迭代數(shù)及不對(duì)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(duì)于體積變形問題,用值1.0(默認(rèn)),對(duì)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(huì)導(dǎo)致發(fā)散.October20,20008-131接觸非線性–5.7版本注意October20,20008-132接觸非線性–5.7版本練習(xí)練習(xí)目標(biāo):分析一個(gè)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(diǎn)October20,20008-133接觸非線性–5.7版本練習(xí)材料性質(zhì):銅EX=16E6帕泊松比