ANSYS非線性基礎培訓手冊Basic7

第七章接觸介紹7.接觸介紹什么是接觸?當兩個分離的表面互相碰觸并互切時,就稱它們處于接觸狀態(tài).在一般的物理意義中,處于接觸狀態(tài)的表面有下列特點:不互相穿透.能夠傳遞法向壓力和切向摩擦力.通常不傳遞法向拉力.因此,它們相互間可以自由地分開并遠離.…接觸介紹本章將通過以下主題介紹非線性接觸分析:A.基本概念B.利用接觸向?qū).求解D.后處理E.練習F.裝配接觸目的是通過“簡單”(容易收斂)模型,介紹接觸分析過程.另外,用于處理難度更大的模型的高級接觸分析,在高級接觸和螺栓預緊培訓手冊中討論.接觸介紹

A.基本概念

接觸是狀態(tài)改變非線性.也就是說,系統(tǒng)的剛度依賴于接觸狀態(tài):狀態(tài)=開狀態(tài)=閉合和粘結(jié)狀態(tài)=閉合和滑動接觸介紹

...基本概念接觸是強非線性,因為隨著接觸狀態(tài)的改變,接觸表面的法向和切向剛度都有顯著的變化.剛度方面大的突變通常會導致嚴重的收斂困難.uF開接觸閉接觸接觸介紹

...基本概念其它使接觸分析復雜化的因素包括:典型地,在分析開始時,接觸區(qū)域未知.大多數(shù)接觸問題包括摩擦.摩擦是路徑相關的(能量耗散)現(xiàn)象,需要用較小的時間步和精確的載荷歷史.摩擦響應可能是混沌的,使求解收斂困難.除了和其他部件接觸,部件可能是無約束的.在建立接觸之前,這樣的部件初始為無約束自由體,整體剛度為零.靜態(tài)分析中,無約束自由體在數(shù)學上是不穩(wěn)定的,求解“溢出”.接觸介紹

...基本概念幸好,目前的ANSYS接觸技術能夠相當容易地分析類型廣泛的接觸模型.許多模型只需很少的用戶參與就能成功地求解.對于那些顯示出收斂行為比較困難的模型,有豐富的接觸單元選項來幫助克服這樣的困難.在高級接觸和螺栓預緊培訓手冊中討論了這些更高級的內(nèi)容.接觸介紹

...基本概念接觸分類接觸問題通常分為兩類:剛性體-柔性體和柔性體-柔性體.剛性體-柔性體一個或更多的接觸表面看作剛性體(一個表面與其它表面相比,剛度顯然要大得多.).許多金屬成形問題可歸為此類.不計算剛性體內(nèi)的應力柔性體-柔性體兩個或所有的接觸體都可變形(所有表面的剛度相近).螺栓結(jié)合凸緣連接就是柔性體-柔性體接觸的例子.接觸介紹

...基本概念剛性體-柔性體接觸剛性表面變形體接觸介紹

...基本概念柔性體-柔性體接觸花鍵軸過盈配合,兩個零件都是柔體.接觸介紹

...基本概念接觸協(xié)調(diào)實際接觸體相互不穿透.因此,程序必須在這兩個面間建立一種關系,防止它們在有限元分析中相互穿過.當程序防止相互穿透時,稱之為強制接觸協(xié)調(diào).F目標面接觸面當沒有強制接觸協(xié)調(diào)時,發(fā)生穿透.

F接觸介紹

...基本概念接觸協(xié)調(diào)–罰函數(shù)法強制接觸協(xié)調(diào)的罰函數(shù)法,用一個接觸“彈簧”在兩個面間建立關系.彈簧剛度稱為懲罰參數(shù),或者更通俗一點,就是接觸剛度.當面分開時(開狀態(tài)),彈簧不起作用；當面開始穿透時(閉合),彈簧起作用.彈簧偏移量滿足平衡方程:F=k式中k是接觸剛度.FD接觸介紹

...基本概念…接觸協(xié)調(diào)–罰函數(shù)法數(shù)學上要求有限的穿透量D

在交界面處產(chǎn)生接觸力.平衡需要此接觸力.因此,為了平衡,D

必須大于零.然而,實際的接觸體相互不穿透.因此,為了最高的精度,目的是使發(fā)生在接觸界面處的穿透量最小.最小的穿透給出最大的精度.這意味著,理想的接觸剛度應該是個非常大的值.然而,值太大會引起收斂困難.接觸介紹

...基本概念如果接觸剛度太大,一個微小的穿透將會產(chǎn)生一個過大的接觸力,在下一次迭代中可能會將接觸面推開.用太大的接觸剛度通常會導致收斂振蕩,并且常會發(fā)散.迭代n迭代n+1FFF接觸F迭代n+2接觸介紹

...基本概念接觸協(xié)調(diào)–lagrange乘子法另外一種方法,lagrange乘子法,增加一個附加自由度(接觸壓力),來滿足不可穿透條件.F接觸介紹

...基本概念接觸協(xié)調(diào)–增廣lagrange法多數(shù)ANSYS接觸單元可以將罰函數(shù)法和lagrange乘子法結(jié)合起來強制接觸協(xié)調(diào).稱之為增廣lagrange法.在迭代的開始,接觸協(xié)調(diào)基于懲罰剛度確定.一旦達到平衡,檢查穿透容差.此時,如果有必要,接觸壓力增加,迭代繼續(xù).F穿透容差接觸介紹

...基本概念…接觸協(xié)調(diào)–增廣lagrange法由于平衡,矯正穿透量.在矯正階段發(fā)生振蕩.增大接觸應力,減少穿透量.接觸介紹

...基本概念面-面接觸單元

ANSYS中最常用的接觸單元是面-面單元.Targe169和170剛性或可變形的目標面Conta171到174可變形的接觸面這些單元非常適合面-面接觸的情況,如過盈裝配接觸,嚙合接觸,鍛造和深拉.接觸介紹

...基本概念…面-面接觸單元這些接觸單元采用接觸對概念,接觸對由目標面和接觸面組成.面-面接觸單元象皮膚一樣覆蓋在下面的有限元模型上.用獨立的單元類型定義目標面和接觸面.接觸對通過共用實常數(shù)組來識別.接觸面上的接觸單元

(實常數(shù)=N)目標面上的目標單元

(實常數(shù)=N)接觸介紹

...基本概念…面-面接觸單元ANSYS支持剛性體-柔性體和柔性體-柔性體的面-面接觸模型.柔性體-柔性體接觸模型有可變形的目標面,只要目標單元覆蓋在可變形的單元上,就創(chuàng)建了目標面.剛性體-柔性體接觸模型有剛性目標面,該目標面不覆蓋在任何可變形的單元上.剛性目標單元接觸單元下層網(wǎng)格接觸介紹

...基本概念…面-面接觸單元面-面接觸單元用增廣lagrange法強制接觸協(xié)調(diào)(缺省).廣義lagrange

法采用接觸剛度和穿透容差.對于“簡單”接觸模型,正常情況需要給出接觸對的三個特征:接觸剛度值.穿透容差值.還需要確定接觸對中哪一個面應該是目標面,哪一個面應該是接觸面.接觸介紹

...基本概念接觸剛度接觸剛度是影響精度和收斂行為的最重要的參數(shù).已經(jīng)知道較大的剛度精度高,但收斂困難.必須仔細地確定一個適當?shù)慕佑|剛度值.“最好的”值經(jīng)常是與問題相關的.程序提供的缺省值可能不適合.可能要求做一些試驗去確定一個適當?shù)闹?使產(chǎn)生的收斂解具有可以接受的精度.接觸介紹

...基本概念…接觸剛度對于面-面接觸單元,用一個系數(shù)

(FKN)給出接觸剛度.也就是說,程序通過對下層單元的剛度乘以該系數(shù)來確定接觸剛度.

k接觸t=FKNxf(k下層)對于面-面接觸單元,接觸剛度的單位是單位面積的剛度,或(F/L)/(L2).接觸剛度的一個較好值經(jīng)常通過使接觸剛度等于下層單元的剛度獲得.作為起始估計,嘗試:對于接觸中的大塊實體,FKN=1.0.對于柔性較大(彎曲為主)的部件,FKN=0.1.接觸介紹

...基本概念…接觸剛度有時,一個模型的不同區(qū)域可能需要有不同的接觸剛度.大塊實體接觸;試用FKN=1.0柔性接觸;試用FKN=0.1接觸介紹

...基本概念…接觸剛度需要確定結(jié)果對接觸剛度是否敏感.選擇一個好的剛度值可能需要一些試驗,下面的步驟可以用于靜態(tài)、非路徑相關分析的指南:改變接觸單元選項,允許接觸剛度在重啟動期間可以修改,KEYOPT(10)=1.開始時采用一個“軟的”FKN可以幫助克服收斂困難.運行此分析,直到最終載荷.檢查對分析比較重要的一些結(jié)果(等效應力,接觸壓力等).接觸介紹

...基本概念…接觸剛度增大FKN并重啟動求解.再檢查結(jié)果.重復步驟5和6,直到達到所預期的收斂.SEQVFKN尋找FKN值,超過此值,結(jié)果不發(fā)生顯著的改變.接觸介紹

...基本概念…接觸剛度作為一個例子,對于一個軸上套環(huán)的過盈配合分析,FKN是變化的.等效vonMises應力的最大值被監(jiān)控.在這種特殊情況下,FKN＝1.0經(jīng)證明可以給出足夠的精度.接觸介紹

A.接觸剛度…練習請參考附加練習:W14.接觸介紹-接觸剛度研究(FKN)接觸介紹

...基本概念穿透容差穿透容差也影響收斂和精度,盡管影響程度沒有接觸剛度大.當穿透容差嚴格時,精度可以改善,但是更難以收斂.和剛度一樣,以系數(shù)(FTOLN)的方式確定穿透容差.程序通過將下層單元的深度(h)乘以所給出的系數(shù)確定穿透容差.容差=FTOLNxh接觸介紹

...基本概念…穿透容差不要用一個軟FKN和一個緊FTOLN.如果接觸剛度達到強制協(xié)調(diào)的最好效果,通常會得到最好的收斂行為.用合理的剛度值FKN.用合理的FTOLN值“協(xié)調(diào)”穿透.太小的FTOLN值將導致收斂困難.千萬別用太小的容差值!增大懲罰剛度(FKN)將減少穿透.盡管增大FKN100倍通常相應地會減少穿透,然而其它重要項,如接觸壓力,可能至少會改變5%.接觸介紹

A.穿透容差…練習請參考附加練習:W15.接觸介紹-穿透容差研究(FTOLN)接觸介紹

...基本概念指定接觸和目標面程序通過一組離散的接觸點(單元高斯點)定義接觸面.程序?qū)⒛繕嗣娑x為連續(xù)面.兩個面可以在高斯點之間相互穿透而不識別接觸,這會引起誤差.目標面接觸面在高斯點之間,目標面可以穿透接觸面.接觸介紹

...基本概念…指定接觸和目標面通過仔細地指定目標和接觸面,可以減少不能識別的穿透.然而,對于剛性體-柔性體接觸,目標面和接觸面的選擇是不能改變的.剛性面必須總是目標面.鋼軸(剛性)必須是目標橡膠罩(柔性)必須是接觸面…指定接觸和目標面對于柔性體-柔性體接觸,通過使接觸點數(shù)達到最大可以獲得最好的精度.當指定柔性體-柔性體接觸的接觸面和目標面時,按如下準則進行:如果一個面網(wǎng)格粗,另一個面網(wǎng)格細,粗網(wǎng)格面應該是目標面.考慮如果顛倒此指定,會發(fā)生什么現(xiàn)象:接觸介紹

...基本概念xxxx如果更細的網(wǎng)格是目標面,它將跨過高斯點“下垂”,象圖示那樣穿透.接觸介紹

...基本概念…指定接觸和目標面指定接觸和目標面的其它準則:如果一個凸面與一個平面或凹面進入接觸,平面和凹面應該是目標面.如果一個面比另一個面更硬,較硬的面應該是目標面.如果一個面是高階,另一個面是低階,低階面應該是目標面.如果一個面比另外一個面更大,較大的面應該是目標面.接觸介紹

...基本概念…指定接觸和目標面當所有的接觸單元都在一個面上,所有的目標單元都在另一個面上時,稱該模型為不對稱接觸.不對稱接觸一般是模擬面-面接觸最有效的方法.然而,在有些情況下,不對稱接觸執(zhí)行的不令人滿意.目標和接觸面之間不存在明顯的區(qū)別.目標和接觸面都有粗糙的網(wǎng)格.有時目標-接觸區(qū)別不明顯接觸介紹

...基本概念…指定接觸和目標面一個可用的辦法是創(chuàng)建雙接觸對,稱之為對稱接觸.創(chuàng)建了一個接觸對之后,只要簡單地對同樣的表面創(chuàng)建具有相反的目標-接觸面指定的第二個接觸對.接觸目標目標接觸第一步-創(chuàng)建第一個接觸對第二步-創(chuàng)建第二個(對稱)接觸對接觸介紹

...基本概念…指定接觸和目標面盡管一些模型為了精確,可能需要對稱接觸.但是要注意,對稱接觸比非對稱接觸效率要低些.因此,除非有必要,否則不要用對稱接觸.還要注意,當用對稱接觸時,后處理要困難些.接觸壓力是兩組接觸單元的平均值.此平均值不能自動地作為標準結(jié)果項得到.需要用APDL或ETABLE計算.接觸介紹

A.接觸和目標…練習請參考附加練習:W16.接觸介紹-接觸面和目標面指定接觸介紹

...基本概念剛性目標面-導向節(jié)點缺省時,程序自動約束剛性目標面.也就是說,自動地將目標的位移和轉(zhuǎn)動設定為零.要模擬剛性目標的更復雜行為,可以創(chuàng)建一個特殊的單節(jié)點目標單元,稱為導向節(jié)點.該單元通過具有相同的實常數(shù)屬性與目標面聯(lián)系起來.對于整個剛性面,導向節(jié)點起手柄的作用.可以對導向節(jié)點指定非零的位移,轉(zhuǎn)動,力和/或力矩模擬目標面的剛體運動.注意如果存在導向節(jié)點,程序?qū)⒉蛔詣蛹s束剛性面.接觸介紹

...基本概念…導向節(jié)點導向節(jié)點可以在任意位置指定.這允許剛性目標面的一般轉(zhuǎn)動.僅僅導向節(jié)點可以與其它單元發(fā)生聯(lián)系.例如,要考慮剛性體的質(zhì)量,在導向節(jié)點處定義一個質(zhì)量單元(MASS21).每個目標面只能有一個導向節(jié)點.剛性面轉(zhuǎn)動導向節(jié)點(在轉(zhuǎn)動的中心)接觸介紹

B.接觸向?qū)?面接觸單元可以用標準的單元生成過程創(chuàng)建:建立單元TYPE,REAL和MAT數(shù)據(jù),設置單元屬性,指定目標和接觸面,然后劃分網(wǎng)格或用ESURF命令操作.這個過程在創(chuàng)建接觸對時“費心勞神”.值得慶幸的是,有個更好的辦法...接觸介紹

...接觸向?qū)Ы佑|向?qū)榇蠖鄶?shù)接觸問題提供了一個簡單的辦法來構(gòu)造接觸對.接觸向?qū)⒁龑?chuàng)建接觸對的過程.接觸介紹

...接觸向?qū)Ы佑|向?qū)У暮锰?自動定義單元類型和實常數(shù)設置迅速接近接觸選項和參數(shù)接觸對瀏覽工具迅速顯示和反轉(zhuǎn)接觸法向只有對模型的部分劃分網(wǎng)格后,才能用接觸向?qū)?在啟動向?qū)?chuàng)建柔性體-柔性體接觸模型之前,對用作接觸面的模型的所有部件劃分網(wǎng)格.要創(chuàng)建剛性體-柔性體接觸模型,只對用作柔性接觸面的模型的部件劃分網(wǎng)格.接觸介紹

...接觸向?qū)Э纯慈绾螌Φ诹戮毩暤倪B接器模型添加一個接觸對.首先,指定剛性或柔性目標類型(如果選擇可用),并拾取目標面.可以根據(jù)模型中現(xiàn)有的實體,拾取節(jié)點、節(jié)點組、線或面.接觸介紹

...接觸向?qū)缓?拾取接觸面.同樣,根據(jù)模型中現(xiàn)有的實體,可以再次拾取節(jié)點、節(jié)點組、線或面.接觸介紹

...接觸向?qū)?/p>

點擊Optionalsetting按鈕,確定一般接觸行為的技術條件收斂工具、摩擦影響、目標約束、熱界面參數(shù)和其它各種參數(shù).接觸介紹

...接觸向?qū)?/p>

最后,點擊Creat

按鈕創(chuàng)建該接觸對的接觸和目標單元.用于該接觸對的實常數(shù)號是相同的.接觸對中的單元自動畫出,打開單元坐標系(ESYS)符號,來顯示單元的外法向方向.如果有錯誤法向,現(xiàn)在就可以將它們翻轉(zhuǎn)過來.面-面接觸單元提供了三個自由度選項:結(jié)構(gòu):UX,UY,和UZ結(jié)構(gòu)和熱:UX,UY,UZ和TEMP熱:TEMP(對純熱接觸問題)當用此向?qū)?chuàng)建接觸對時,接觸單元自由度選項自動基于下層單元的自由度設置.不需要調(diào)整.面-面接觸單元的自由度也可以通過命令設置:MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete…接觸介紹

...接觸向?qū)Ы佑|介紹

...接觸向?qū)asic表包含所有與接觸行為和收斂相關的一般參數(shù).指定參數(shù)是缺省的縮放系數(shù)或常數(shù)接觸介紹

...接觸向?qū)riction表

包含接觸界面上所有和靜態(tài)和動態(tài)摩擦有關的參數(shù);也允許在接觸界面上定義最大摩擦應力.MU=MUK*(1+(FACT-1)exp(-dc*VREL)式中:MU=摩擦系數(shù)MUK=動態(tài)摩擦系數(shù)VREL=兩接觸面間的相對滑動速率FACT=靜態(tài)與動態(tài)摩擦系數(shù)的比.dc=衰變指數(shù)比率接觸介紹

...接觸向?qū)Σ劣嘘P的注釋面-面接觸單元提供基本的庫侖摩擦模型,當滑動發(fā)生時,該摩擦模型定義等效應力t:

t=m

xp

m是摩擦系數(shù),作為材料屬性定義,如前面幻燈片上接觸向?qū)е兴?如果m等于零(缺省),剪切應力將不會被傳遞.p

是接觸壓力.當兩面間的剪切應力超過m

xp,則這兩個面將相互滑動.還可以用更高級的摩擦選項.將在高級接觸和螺栓預緊培訓手冊中討論.接觸向?qū)Ц呒壒δ?/p>

InitialAdjustment表 包括先前的穿透和表面補償參數(shù)(具體指導請參看<高級接觸和螺栓預緊>培訓課程.)

接觸向?qū)Ц呒壒δ?/p>

MISC表防止偽接觸,梁/殼厚度效應和接觸檢測點的位置,高斯或節(jié)點(在<高級接觸和螺栓預緊>培訓課程中詳細討論)接觸向?qū)Ц呒壒δ?/p>

Rigidtarget表 指定約束和高階目標單元選項(在<高級接觸和螺栓預緊>培訓課程中詳細討論)Thermal表所有的熱接觸參數(shù),包括表面輻射場附近的接觸傳導性,摩擦生熱因素(在<高級接觸和螺栓預緊>培訓課程中詳細討論)接觸介紹

...接觸向?qū)蚬?jié)點剛性目標面可以與“導向節(jié)點”聯(lián)系起來,導向節(jié)點的運動控制目標面的運動.可以在導向節(jié)點上為整個目標面確定力,位移和/或轉(zhuǎn)動.可以認為導向節(jié)點是整個剛性面的手柄.如果定義一個導向節(jié)點,ANSYS僅在導向節(jié)點上檢驗邊界條件而忽略目標面上其它節(jié)點的約束.導向節(jié)點可以通過對關鍵點劃分網(wǎng)格生成,或通過采用和目標單元相同的單元屬性直接生成.接觸介紹

...接觸向?qū)蚬?jié)點(續(xù))接觸向?qū)Р荒転閯傂阅繕嗣鎰?chuàng)建導向節(jié)點.要創(chuàng)建一個導向節(jié)點,必須用劃分網(wǎng)格或直接生成的辦法:首先,為目標單元設置單元屬性(材料,實常數(shù)和單元類型).記住對接觸對的余下部分要用相同的實常數(shù)號.然后對關鍵點劃分網(wǎng)格,此關鍵點位于導向節(jié)點所要求的位置.已經(jīng)知道導向節(jié)點可以在任何位置-它不需要實際地附于其它目標單元.另一種辦法,直接生成,為目標單元形狀設置一個附加屬性(TSHAP,PILO),然后在所要求的節(jié)點處創(chuàng)建單元.接觸介紹

C.求解自動求解控制,包括面-面接觸單元的缺省選項設置,對于大多數(shù)接觸分析通常都能相當穩(wěn)定的求解.如果遇到收斂困難,一般是由如下三個原因中的一個或幾個引起的:接觸剛度值太大.穿透容差值太緊.最小時間步長太大.要改善收斂,試用按如下次序修改你的模型:減小FKN.增大FTOLN.減小最小時間步長(或增大最大子步數(shù)).接觸介紹

...求解如果修改了FKN,FTOLN以及時間步長,模型還不收斂,則可能需要用高級接觸選項.在<高級接觸和螺栓預緊>培訓手冊中討論.如果模型包括摩擦,因為摩擦是一種路徑相關的現(xiàn)象,所以為了準確,需要用小的時間步長.不像塑性,如果摩擦時間步長太大,沒有可以觸發(fā)的二分后移控制.注意在接觸求解中,所有的平衡迭代在第一個子步的二分前進行,以幫助建立初始接觸條件.接觸介紹

D.后處理接觸模型的結(jié)果將包括許多與接觸有關的附加項.這些項與接觸單元(不是目標單元)聯(lián)系在一起,并且在GUI中很容易得到.用通用后處理器,可以按節(jié)點(平均)或單元(不平均)等值線圖對這些相進行顯示.對于接觸分析,動畫圖特別有幫助.用時間-歷程后處理器,可以將這些項作為時間-歷程變量畫出來.接觸介紹

...后處理接觸狀態(tài)是指定接觸單元當前狀態(tài)的一個整數(shù):STAT=0:開但不鄰近接觸.STAT=1:開,但鄰近接觸.STAT=2:閉合并滑動.STAT=3:閉合并粘著.接觸介紹

...后處理注意由于平均處理,狀態(tài)的節(jié)點(平均)等值線圖將展示非整數(shù)的等值線值.對于單元狀態(tài)的等值線圖,單元(不平均)等值線圖通常更合適.與此類似,對于其它接觸結(jié)果項,也會出現(xiàn)不規(guī)則的節(jié)點等值線圖.如果節(jié)點(平均)等值線圖看上去不合理,試用單元(不平均)圖代替.接觸區(qū)節(jié)點等值線圖中,狀態(tài)>1單元等值線圖中,狀態(tài)=1接觸介紹

...后處理穿透或間隙距離表示實際的穿透量(STAT=2或3)或離開的間隙(STAT=1),與長度單位一致.在列表中,穿透距離為正,間隙距離為負.因為等值線圖可以顯示穿透或間隙(不同時),對這兩項等值線圖總是顯示為正值.接觸壓力(PRES)和摩擦應力值(SFRI)表示接觸單元的當前值,從高斯點拷貝到節(jié)點.接觸介紹

E.練習請參考附加練習:W17.接觸介紹-嚙合副接觸介紹

F.裝配接觸現(xiàn)在許多分析人員從CAD軟件中輸入實體模型,然后在ANSYS中對輸入的模型進行網(wǎng)格劃分和分析.對于多數(shù)CAD程序,一個單個的體,不管多復雜,都是代表單個零件.在裝配中,多個體模型將由幾個零件連接在一起.零件B零件A接觸介紹

...裝配接觸一個裝配的零件間的邊界通常表示CAD模型內(nèi)數(shù)學上的不連續(xù).當在ANSYS中劃分網(wǎng)格時,這些零件邊界處的網(wǎng)格將不連續(xù).邊界一邊的節(jié)點不會與邊界另一邊的節(jié)點“通話”.面-面接觸單元可以用一個稱為裝配接觸(ASSEMBLYCONTACT)的概念聯(lián)系零件邊界間的網(wǎng)格.用裝配接觸粘結(jié)零件A和B接觸介紹

...裝配接觸