ANSYS-Workbench接觸實例培訓(xùn)課件

第三章接觸簡介Workbench–

Mechanical結(jié)構(gòu)非線性3-1WorkbenchMechanical-Introductionto

ContactTraining

Manual章節(jié)概述本章介紹實體接觸:– 假定用戶在這章前已掌握第2章非線性結(jié)構(gòu).介紹的具體課題是:接觸基本概念接觸公式剛度和滲透作業(yè)3APinball區(qū)域?qū)ΨQ與反對稱接觸結(jié)果后處理作業(yè)

3B本章描述的性能通常適用于ANSYS

Structural

或以上的license3-2WorkbenchMechanical-Introductionto

ContactTraining

ManualA. 基本概念接觸:兩獨立表面相互接觸并相切，則稱之為接觸.一般物理意義上,

接觸的表面包含如下特性:不會滲透.可傳遞法向壓縮力和切向摩擦力.通常不傳遞法向拉伸力.可自由分離和互相移動.接觸是狀態(tài)改變非線性. 也就是說,

系統(tǒng)剛度取決于接觸狀態(tài),

即part之間是接觸或分離.3-3WorkbenchMechanical-Introductionto

ContactTraining

Manual... 基本概念接觸區(qū)域如何計算:物理上，接觸體間不相互滲透. 因此,

程序必須建立兩表面間的相互關(guān)系以阻止分析中的相互穿透.程序阻止?jié)B透,

稱為強(qiáng)制接觸協(xié)調(diào)性.WorkbenchMechanical提供幾種不同接觸公式來在接觸界面強(qiáng)制協(xié)調(diào)性.F當(dāng)接觸協(xié)調(diào)性不被強(qiáng)制時會發(fā)生滲透.TargetContactF3-4WorkbenchMechanical-Introductionto

ContactTraining

ManualB. 接觸公式對非線性實體表接觸,

可使用罰函數(shù)或增強(qiáng)拉格朗日公式:兩種方法都是基于罰函數(shù)方程:Fnormal

knormal

xpenetration這里對于一個有限的接觸力

Fnormal,存在一個接觸剛度的knormal的概念，接觸剛度越高，穿透

量

xpenetration越小，如下圖所示對于理想無限大的knormal

,

零穿透. 但對于罰函數(shù)法，這在數(shù)值計算中是不可能，但是只要xpenetration

足夠小或可忽略，求解的結(jié)果就是精確的。Fnxp3-5WorkbenchMechanical-Introductionto

ContactTraining

Manual... 接觸公式Pure

Penalty

和Augmented

Lagrange

方法的區(qū)別就是后者加大了接觸力（壓力）的計算

:Fnormal

knormal

xpenetration罰函數(shù)法

:

Fnormal

knormal

xpenetration增強(qiáng)拉格朗日法:因為額外因子

,

增強(qiáng)的

Lagrange

方法對于罰剛度knormal

的值變得不敏感3-6WorkbenchMechanical-Introductionto

ContactTraining

Manual... 接觸公式另外可利用方法是拉格朗日乘子公式:–

增強(qiáng)拉格朗日方法增加了額外的自由度(接觸壓力)來滿足接觸協(xié)調(diào)性. 因此,

接觸力

(接觸壓力)

作為一額外自由度直接求解，而不通過接觸剛度和穿透計算得到。Fnormal

DOF此方法可以得到0或接近0的穿透量不需要壓力自由度法向接觸剛度（零彈性滑動）需要直接求解器，這要消耗更多的計算代價F3-7WorkbenchMechanical-Introductionto

ContactTraining

Manual... 接觸公式使用NormalLagrange方法會出現(xiàn)接觸擾動如果不允許滲透

(左圖),

在Gap為0處，無法判斷接觸狀態(tài)是開放或閉合

(如階躍函數(shù)). 有時這導(dǎo)致收斂變得更加困難，因為接觸點總是在open/closed中間來回振蕩，這就稱為接觸擾動（chattering）如果允許一個微小的滲透

(右圖),

收斂變得更加容易，因為接觸狀態(tài)不再是一個階躍變化.OpenContact

StatusOpenContact

StatusGapPenetrationGapPenetrationClosedClosedPenetration法向拉格朗日法罰函數(shù)法3-8WorkbenchMechanical-Introductionto

ContactTraining

Manual... 接觸公式另外值得一提的是算法不同，接觸探測不同:Pure

Penalty和

AugmentedLagrange

公式使用積分點探測.

這導(dǎo)致更多的探測點。(在左側(cè)的例子中有10個)Normal

Lagrange

和

MPC

公式使用節(jié)點探測

(目標(biāo)法向).

這導(dǎo)致更少的探測點。(在右側(cè)的例子中有6個)節(jié)點探測在處理邊接觸時會稍微好一些，但是，通過局部網(wǎng)格細(xì)化，積分點探測也會達(dá)到同樣的效果積分點探測節(jié)點探測3-9WorkbenchMechanical-Introductionto

ContactTraining

Manual... 接觸公式對于特定的“綁定”和“不分離”兩個面間的接觸類型,可用多點約束(MPC)

算法.MPC

內(nèi)部添加約束方程來“聯(lián)結(jié)”接觸面間的位移這種方法不基于罰函數(shù)法或Lagrange乘子法

.它是直接處理綁定接觸接觸區(qū)域相關(guān)接觸面的方式。MPC算法支持大變形效應(yīng)3-10WorkbenchMechanical-Introductionto

ContactTraining

Manual…

切向行為前面所提到的選項是針對法向接觸的.

如果定義了“friction”

或

“rough/bonded”接觸,類似的情況會出現(xiàn)在切向方向.同不穿透條件類似，如果在切向上，兩個實體是“粘結(jié)在一起的”

，這兩個實體不應(yīng)該相互滑動切向總是用

“罰函數(shù)”

算法切向接觸剛度和滑動距離是類似的參數(shù):Ftangential

ktangential

xsliding如果

“粘著”:這里，

xsliding

在粘著時理想值為零,

盡管

penalty方法中允許少量滑動.–

不同于法向接觸剛度,

切向接觸剛度不能由用戶直接改變.3-11WorkbenchMechanical-Introductionto

ContactTraining

Manual…

接觸公式總結(jié)Workbench

Mechanical接觸公式總結(jié)見下表:FormulationNormalTangentialNormalStiffnessTangentialStiffnessTypeAugmented

LagrangeAugmented

LagrangePenaltyYesYes1AnyPure

PenaltyPenaltyPenaltyYesYes1AnyMPCMPCMPC--Bonded,No

SeparationNormal

LagrangeLagrange

MultiplierPenalty-Yes1Any1

切向接觸剛度不能由用戶直接輸入–

“Normal

Lagrange”

法是因為拉格朗日乘子公式用于法線方向而罰函數(shù)

方法用于切線方向而得名的.3-12WorkbenchMechanical-Introductionto

ContactTraining

Manual…

公式對比下表列出不同接觸算法的比較，用“+”表優(yōu)勢，“-”表劣勢:Pure

PenaltyAugmentedLagrangeNormal

LagrangeMPC+Good

convergencebehavior(fewequilibrium

iterations)-Mayrequire

additionalequilibriumiterationsifpenetrationistoo

large-Mayrequire

additionalequilibriumiterationsifchatteringis

present+Good

convergencebehavior(fewequilibrium

iterations)-Sensitivetoselection

ofnormalcontact

stiffnessLesssensitive

toselectionof

normalcontact

stiffness+Nonormal

contactstiffnessisrequired+Nonormal

contactstiffnessisrequired-Contactpenetration

ispresentanduncontrolledContactpenetration

ispresentbutcontrolled

tosome

degree+Usually,penetration

isnear-zero+No

penetration+Usefulforanytype

ofcontact

behavior+Usefulforanytype

ofcontact

behavior+Usefulforanytype

ofcontact

behavior-OnlyBonded&

NoSeparation

behaviors+EitherIterativeor

DirectSolverscanbe

used+EitherIterativeor

DirectSolverscanbe

used-OnlyDirectSolver

canbe

used+EitherIterativeor

DirectSolverscanbe

used+Symmetric

orasymmetric

contactavailable+Symmetric

orasymmetric

contactavailableAsymmetric

contactonlyAsymmetric

contactonly+Contactdetection

atintegration

points+Contactdetection

atintegration

pointsContactdetection

atnodesContactdetection

atnodes–

一些例如對稱接觸或接觸探測的主題稍后介紹3-13WorkbenchMechanical-Introductionto

ContactTraining

ManualC. 接觸剛度和滲透盡管Workbench-Mechanical

默認(rèn)為“Pure

Penalty”,

但在大變形問題的無摩擦或摩擦接觸中建議使用“Augmented

Lagrange”.增強(qiáng)拉格朗日公式增加了額外的控制自動減少滲透“法向剛度”

是之前解釋的接觸罰剛度knormal,

只用于

“PurePenalty”或

“AugmentedLagrange”這是一個相對因子. 一般變形問題建議使用1.0. 對彎曲支配情況，如果收斂困難的話，小于

0.1的值可能是有用的.接觸剛度在求解中可自動調(diào)整. 如果收斂困難,剛度自動減小.3-14WorkbenchMechanical-Introductionto

ContactTraining

Manual...接觸剛度和滲透法向接觸剛度

knormal

是影響精度和收斂行為最重要的參數(shù).剛度越大，結(jié)果越精確，收斂變得越困難.如果接觸剛度太大，模型會振動，接觸面會相互彈開。FFFcontactFN次迭代n+1次迭代n+2次迭代3-15WorkbenchMechanical-Introductionto

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Manual... 接觸剛度和滲透法向剛度WB-Mechanical系統(tǒng)默認(rèn)自動設(shè)定。用戶可以輸入

“法向剛度因子Normal

Stiffness

Factor”

(FKN)

它是計算剛度代碼的乘子.因子越小，接觸剛度就越小。默認(rèn)

FKN

=10

(對于綁定和不分離的接觸)默認(rèn)

FKN=1.0

(其他形式接觸)接觸問題法向剛度選擇一般準(zhǔn)則:體積為主的問題:

用

“ProgramControlled”

或手動輸入

“Normal

StiffnessFactor”為

“1”彎曲為主的問題:

手動輸入

“Normal

Stiffness

Factor”

為

“0.01”到

“0.1”之間的數(shù)值。用戶也可在每次平衡迭代或子步間更新接觸剛度.3-16WorkbenchMechanical-Introductionto

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Manual... 接觸剛度和滲透如下例子顯示接觸剛度的影響:FormulationNormal

StiffnessMax

DeformMaxEqv

StressMaxContact

PressureMax

PenetrationIterationsAugmented

Lagrage0.012.84E-031%26.1021%0.97936%2.70E-042Augmented

Lagrage0.12.80E-030%25.8020%1.22820%3.38E-052Augmented

Lagrage12.80E-030%25.6790%1.5682%4.32E-063Augmented

Lagrage102.80E-030%25.7650%1.5994%4.41E-074Normal

Lagrange-2.80E-030%25.7680%1.5350%3.17E-102從上表容易看出,接觸剛度因子越小，穿透量越大. 然而，它也使求解更快速/容易收斂（更少的迭代）。3-17WorkbenchMechanical-Introductionto

ContactTraining

Manual... 接觸剛度和滲透對綁定接觸，

Workbench-Mechanical

默認(rèn)使用

Pure

Penalty

公式和大法向剛度.因為接觸剛度高導(dǎo)致很小或可忽略的穿透，可得到精確的結(jié)果.對綁定接觸，MPC

算法是另一個好的選擇，因為它有許多好的特征.對無摩擦或摩擦接觸,

考慮使用Augmented

Lagrange

或

NormalLagrange

方法.由于其良好的特性和靈活性，推薦使用

AugmentedLagrange方法如果用戶不想考慮法向剛度同時要求零穿透，可以使用

Normal

Lagrange

方法.但必須使用直接求解器(Direct

Solver)

，這也許會限制求解模型大小.3-18WorkbenchMechanical-Introductionto

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ManualC. 作業(yè)

–

接觸剛度與滲透請參考作業(yè)的補(bǔ)充說明:作業(yè)3A-接觸剛度研究3-19WorkbenchMechanical-Introductionto

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ManualE. Pinball

區(qū)域Pinball

區(qū)域是一接觸單元參數(shù)，用于區(qū)分遠(yuǎn)場開放和近場開放狀態(tài).可以認(rèn)為是包圍每個接觸探測點周圍的球形邊界如果一個在目標(biāo)面上的節(jié)點處于這個球體內(nèi)，

WB-Mechanical就會認(rèn)為它“接近”

接觸，而且會更加密切地監(jiān)測它與接觸探測點的關(guān)系(也就是說什么時候及是否接觸已經(jīng)建立).

在球體以外的目標(biāo)面上的節(jié)點相對于特定的接觸探測點不會受到密切監(jiān)測.如果綁定接觸的縫隙小于Pinball

半徑,WB-Mechanical仍將會按綁定來處理那個區(qū)域Pinball

radius3-20WorkbenchMechanical-Introductionto

ContactTraining

Manual... Pinball

區(qū)域Pinball

區(qū)域有以下幾個用處:為接觸計算提供高效率的運算.

在搜尋給定接觸區(qū)域可能發(fā)生接觸的單元時，Pinball區(qū)域區(qū)分“近”

和“遠(yuǎn)”

開接觸.決定綁定接觸確定允許縫隙的大小.

如果使用MPC

公式,

Pinball區(qū)域也決定多少個節(jié)點包含在MPC

方程中.確定可以包含的初始穿透深度3-21WorkbenchMechanical-Introductionto

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Manual…

Pinball

區(qū)域?qū)τ诿總€接觸探測點有三個選項來控制Pinball區(qū)域的大小.程序選擇

(默認(rèn))-

pinball區(qū)域通過其下的單元類型和單元大小由程序計算給出自動探測數(shù)值

- pinball區(qū)域等于全局接觸設(shè)置的容差值。確保通過自動接觸探測創(chuàng)建的接觸對有一個pinball半徑包含了接觸面和目標(biāo)面。接觸自動探測區(qū)比程序控制的pinball值要大時推薦該選項。這種情況下，自動探測的接觸在求解開始時可能不是初始閉合。半徑

–用戶手動為pinball區(qū)設(shè)置數(shù)值.3-22WorkbenchMechanical-Introductionto

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Manual…

Pinball

區(qū)域為便于確認(rèn)，“Auto

Detection

Value”

自動探測值或者用戶定義的Pinball

“半徑”

在接觸區(qū)域以一個球的形式出現(xiàn)。通過定義Pinball半徑，用戶可直觀確認(rèn)一個縫隙在綁定接觸行為是否被忽略，Pinball區(qū)域?qū)τ诖笞冃螁栴}和初始穿透問題同樣非常重要。3-23WorkbenchMechanical-Introductionto

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ManualF. 對稱/非對稱行為接觸面和目標(biāo)面的內(nèi)部指定非常重要在WB-Mechanical中，接觸面和目標(biāo)表面都會顯示在每一個

“ContactRegion,”

中。接觸面以紅色表示而目標(biāo)面以藍(lán)色表示.接觸和目標(biāo)面指定了兩對相互接觸的表面3-24WorkbenchMechanical-Introductionto

ContactTraining

Manual…對稱/非對稱行為WB-Mechanical

默認(rèn)用對稱接觸行為.這意味著接觸面和目標(biāo)面不能相互穿透.如果用戶愿意,

非對稱行為也可用:對于非對稱或自動非對稱行為，僅僅限制接觸面不能穿透目標(biāo)面.自動非對稱行為中，接觸面和目標(biāo)面的指定可以在內(nèi)部互換雖然一再強(qiáng)調(diào)表面不能相互穿透，但對于罰函數(shù)方法，小的穿透仍可能出現(xiàn)3-25WorkbenchMechanical-Introductionto

ContactTraining

Manual…對稱/非對稱行為對于非對稱行為,

接觸面的節(jié)點不能穿透目標(biāo)面.

這是需要記住的十分重要的規(guī)則。請考慮以下問題

:如左圖所示，頂部紅色網(wǎng)格是接觸面的網(wǎng)格劃分。節(jié)點不能穿透目標(biāo)面，所以接觸建立正確如右圖所示，底部紅色網(wǎng)格是接觸面而頂部是目標(biāo)面。因為接觸面節(jié)點不能穿透目標(biāo)面，發(fā)生了太多的實際滲透目標(biāo)面接觸面目標(biāo)面接觸面3-26WorkbenchMechanical-Introductionto

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Manual…對稱/非對稱行為對非對稱行為，由于接觸探測點的位置，積分點探測可允許邊緣少許滲透.–

下圖說明了這種情況:接觸面目標(biāo)面可滲透到接觸面.目標(biāo)面另一方面,

如果使用積分點探測會有更多接觸探測點,

所以每種接觸探測方法都有優(yōu)點和缺點.3-27WorkbenchMechanical-Introductionto

ContactTraining

Manual…對稱/非對稱行為下面對非對稱行為接觸表面的正確選擇給出選擇指導(dǎo):如果一凸的表面要和一平面或凹面接觸，應(yīng)該選取平面或凹面為目標(biāo)面.如果一個表面有粗糙的網(wǎng)格而另一個表面網(wǎng)格細(xì)密，則應(yīng)選擇粗糙網(wǎng)格表面為目標(biāo)面.如果一個表面比另一個表面硬，則硬表面應(yīng)為目標(biāo)面.如果一個表面為高階而另一個為低階，則低階表面應(yīng)為目標(biāo)面.如果一個表面大于另一個表面，則大的表面應(yīng)為目標(biāo)面.3-28WorkbenchMechanical-Introductionto

ContactTraining

Manual…

對稱/非對稱只有Pure

Penalty

和Augmented

Lagrange

公式實際支持對稱行為.NormalLagrange

和

MPC

要求非對稱行為.方程的本質(zhì)決定了對稱行為造成了對模型在數(shù)學(xué)上的過度約束,

因此，當(dāng)選擇對稱行為時使用自動對稱行為–

上一張PPT在任何情況下選擇了非對稱接觸時，接觸面和目標(biāo)面的選擇的通用規(guī)則，用戶遵循這些規(guī)則總是正確的Specified

OptionPure

PenaltyAugmented

LagrangeNormal

LagrangeMPCBehaviorInternallyUsedSymmetric

BehaviorSymmetricSymmetricAuto-AsymmetricAuto-AsymmetricAsymmetric

BehaviorAsymmetricAsymmetricAsymmetricAsymmetricAuto-Asymmetric

BehaviorAuto-AsymmetricAuto-AsymmetricAuto-AsymmetricAuto-AsymmetricReview

ingResultsSymmetric

BehaviorResultson

BothResultson

BothResultson

EitherResultson

EitherAsymmetric

BehaviorResultson

ContactResultson

ContactResultson

ContactResultson

ContactAuto-Asymmetric

BehaviorResultson

EitherResultson

EitherResultson

EitherResultson

EitherNotesSymmetric

BehaviorEasiertoset

upEasiertoset

upLetprogram

designateLetprogram

designateAsymmetric

BehaviorEfficiencyand

controlEfficiencyand

controlUserhascontrolUserhascontrolAuto-Asymmetric

BehaviorLetprogram

designateLetprogram

designateLetprogram

designateLetprogram

designate3-29WorkbenchMechanical-Introductionto

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Manual…

對稱/非對稱對稱行為:更容易建立

(Workbench-Mechanical默認(rèn)的)更大計算代價.解釋實際接觸壓力這類數(shù)據(jù)將更加困難可以報告兩對面上結(jié)果非對稱行為:Workbench-Mechanical可以自動的設(shè)置(Auto-Asymmetric)

或…用戶手動指定合適的接觸和目標(biāo)面..選擇不正確定接觸和目標(biāo)面會影響結(jié)果.觀察結(jié)果容易而且直觀.所有數(shù)據(jù)都在接觸面上.3-30WorkbenchMechanical-Introductionto

ContactTraining

ManualG. 接觸結(jié)果對稱行為,將報告接觸和目標(biāo)面上的結(jié)果.對任何非對稱行為，只有接觸面上的結(jié)果.當(dāng)檢查Contact

Tool工作表時，用戶可以選擇接觸或目標(biāo)面來觀察結(jié)果.對自動非對稱行為，報告接觸面或目標(biāo)面上結(jié)果對非對稱行為，目標(biāo)面上的結(jié)果為零3-31WorkbenchMechanical-Introductionto

ContactTraining

Manual...

接觸結(jié)果例如，在下例中使用了對稱行為和Normal

Lagrange

算法.這導(dǎo)致了自動非對稱行為.

因為是自動的，Simulation

也許會互換接觸和目標(biāo)面.在觀察Contact

Tool

結(jié)果時，接觸面上的結(jié)果為零而目標(biāo)面上顯示真實的接觸壓力

.目標(biāo)面3-32接觸面WorkbenchMechanical-Introductionto

ContactTraining

Manual...

接觸結(jié)果在另一種情況下，使用“Augmented

Lagrange”

公式和對稱行為這導(dǎo)致對稱行為，因此兩個表面不能相互穿透這樣，結(jié)果將會同時在接觸和目標(biāo)面上顯示出來。這意味著真實的接觸壓力是兩個結(jié)果的平均值.目標(biāo)面接觸面3-33WorkbenchMechanical-Introductionto

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ManualH. 作業(yè)

–

對稱與非對稱請參考作業(yè)的補(bǔ)充說明:作業(yè)3B對稱與非對稱3-34作業(yè)

3A接觸剛度研究Workbench-

Mechanical結(jié)構(gòu)非線性WS3A-1WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement作業(yè)

3A

–

接觸剛度研究目標(biāo):–

研究接觸剛度對結(jié)果收斂性的影響WS3A-2WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作業(yè)

3A

–

接觸剛度研究步驟:如果已經(jīng)在先前的作業(yè)中打開了

Workbench,

用Utility

Menu>File>New…啟動一新分析瀏覽并打開

“W3a-stiffness.wbpj”

項目文件.WS3A-3WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作業(yè)

3A

–

接觸剛度研究項目示圖區(qū)應(yīng)如右圖所示.從示圖區(qū),

可看到已定義了Engineering

(材料)Data

和Geometry

(綠色對號標(biāo)記).接下是在Mechanical中建立和運行有限元模型Mechanical打開

Engineering

Data

Cell

(高亮并雙擊

或點擊鼠標(biāo)右鍵并選擇Edit)

來校正材料屬性.從

Utility

Menu

>

View

>…激活重要的對話框PropertiesOutline檢驗單位是公制

(Tonne,mm,…)系統(tǒng). 如果不是,

點擊…UtilityMenu>Units>Metric(Tonne,mm,…)WS3A-4WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作業(yè)

3A

–

接觸剛度研究回到項目示圖區(qū)–UtilityMenu>Returnto

Project雙擊

Model打開

FE模型(Mechanical

Session)(或

RMB=>Edit…)WS3A-5WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作業(yè)

3A

–

接觸剛度研究幾何是

2D

反對稱的. 下面的板為剛性約束的.

上板底面為圓弧的柔性體.上板承受一向下

5MPa

壓力載荷.材料:兩板都為默認(rèn)的線彈性結(jié)構(gòu)鋼.WS3A-6WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作業(yè)

3A

–

接觸剛度研究根據(jù)下面的提示建立一個接觸對:作業(yè)集中研究接觸剛度和其對結(jié)果的影響

(表面壓力和滲透).WS3A-7WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作業(yè)

3A

–

接觸剛度研究檢驗工作單位制– “Unit>Metric

(mm,kg,N,s,mV,mA)”展開

model

分支，使其相似于

model

set-up.高亮顯示

“Geometry”

并參考細(xì)節(jié)窗口來確認(rèn)模型為

2D反對稱的.檢查預(yù)先確定的兩板間無摩擦接觸區(qū)域.檢查分析設(shè)置.Autotimestepping=

ONInitialsubsteps=10Maxsubsteps=100Largedeflection=

ONWS3A-8WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作業(yè)

3A

–

接觸剛度研究高亮顯示接觸區(qū)域并設(shè)置

NormalStiffness

為“Manual”

，定義

NormalStiffness

Factor

為1e-002.求解WS3A-9WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作業(yè)

3A

–

接觸剛度研究總變形的后處理:WS3A-10WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作業(yè)

3A

–

接觸剛度研究接觸結(jié)果的后處理:– 接觸壓力接觸滲透WS3A-11WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作業(yè)

3A

–

接觸剛度研究下表記錄了結(jié)果.對Normal

Stiffness

factors

為0.10,

1.0,

和10.0重復(fù)以上分析.將接觸算法

改為

NormalLagrange進(jìn)行進(jìn)一步對比.接觸算法法向剛度因子總變形接觸壓力滲透#

迭代Aug

Lagrange0.01Aug

Lagrange0.10Aug

Lagrange1.0Aug

Lagrange10.0Norm

LagrangeN/A在迭代和子步間使用更新剛度，進(jìn)行對比.哪一個提供最好的結(jié)果

(根據(jù)精度和迭代)?WS3A-12WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作業(yè)

3A

–

接觸剛度研究結(jié)論剛度增加,

滲透減少，而最大壓力增加.

并且通常會有更多的迭代和更長運行時間.

值得注意使用自動剛度更新工具的的益處.值得注意不管剛度值是多少,

裝配的總位移改變很小. 值得強(qiáng)調(diào)的是工程目標(biāo)的需要.指定正確的法向剛度不是一個獨立問題，它總是需在結(jié)果質(zhì)量

(精度)

和耗費(運行時間)間尋找平衡. 基于這個研究,

法向剛度因子為

1.0

是滿意的.WS3A-13作業(yè)3B對稱與反對稱Workbench-Mechanical結(jié)構(gòu)非線性WS3B-1WorkbenchMechanical-Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement作業(yè)3B:

對稱與反對稱目標(biāo)使用接觸預(yù)測球和窩間球形界面的壓力形貌.對比對稱與反對稱行為.Socket模型描述球窩連接2D

軸對稱模型材料:–

鋼對鋼接觸:Ball球形界面一個摩擦區(qū)域0.40

的摩擦系數(shù)載荷和邊界條件:窩固定在頂部球頂點在-Y方向施加1000N力WS3B-2WorkbenchMechanical-Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作業(yè)3B:

對稱與反對稱步驟:如在前面運行中已經(jīng)打開了Workbench,

用Utility

Menu>File>New…打開一新分析瀏覽并打開

“W3b-Socket.wbpj”

項目文件.WS3B-3WorkbenchMechanical-Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作業(yè)3B:

對稱與反對稱項目示圖區(qū)應(yīng)如下圖所示.注意:

工程數(shù)據(jù)，幾何,

載荷和邊界條件以及預(yù)定接觸區(qū)域已經(jīng)建立.

剩下的是要重新定義接觸行為并對比接觸結(jié)果.WS3B-4WorkbenchMechanical-Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作業(yè)3B:

對稱與反對稱高亮顯示

Engineering

Data

雙擊

open

并校正預(yù)定義材料屬性檢驗單位是公制

(Tonne,mm,…)系統(tǒng).

如果不是,點擊…UtilityMenu>Units>Metric(Tonne,

mm,..)WS3B-5WorkbenchMechanical-Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作業(yè)3B:

對稱與反對稱回到項目示圖區(qū)雙擊(或

RMB=>Edit…)

Model

打開

FE模型(Mechanical

Session)WS3B-6WorkbenchMechanical-Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作業(yè)3B:

對稱與反對稱一旦已進(jìn)入

Mechanical

程序,

檢查工作單位制– “Unit>Metric

(mm,kg,N,s,mV,mA)”展開

model分支，使其相似于

modelset-up.

確認(rèn)幻燈片2中描述的材料分配,

邊界條件,

和載荷.高亮顯示接觸區(qū)域并修改如下定義

:Type=

FrictionalCoefficient=

0.4WS3B-7WorkbenchMechanical-Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作業(yè)3B:

對稱與反對稱檢查分析設(shè)置:Large

Deflection為

ON其余各項設(shè)置保持默認(rèn)WS3B-8WorkbenchMechanical-Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作業(yè)3B:

對稱與反對稱求解:高亮顯示求解信息并注意以下形式的求解輸出

:由于摩擦系數(shù)為0.4,

自動時間步以5個子步開始.打開大變形確保包含應(yīng)力硬化效應(yīng)從力收斂圖中看出,

求解很容易達(dá)到收斂WS3B-9WorkbenchMechanical-Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作業(yè)3B:

對稱與反對稱后處理中的總變形和等效應(yīng)力WS3B-10WorkbenchMechanical-Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作業(yè)3B:

對稱與反對稱選擇

Solution

Branch–

右擊

>

Insert

>

Contact

Tool…選擇最新插入的

ContactTool右擊

>

Insert

>PressurePenetration右擊

>

Evaluate

ResultsWS3B-11WorkbenchMechanical-Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作業(yè)3B:

對稱與反對稱這是對稱接觸區(qū)域. 因此，接觸結(jié)果可同在接觸和目標(biāo)側(cè)得到.使用

Contact

Tool,

對比‘Contact’

和‘Target’的接觸結(jié)果

(狀態(tài),壓力和滲透)WS3B-12WorkbenchMechanical-Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作業(yè)3B:

對稱與反對稱注意

‘contact’

和

‘target’

間壓力圖的區(qū)別.–

哪個是正確的?ContactSide

Only– 答案:

都不正確.

正確答案是兩個的平均.TargetSide

OnlyWS3B-13WorkbenchMechanical-Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作業(yè)3B:

對稱與反對稱回到

Connection.選擇摩擦接觸區(qū)域– Behavior

改為

Asymmetric重新求解WS3B-14WorkbenchMechanical-Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作業(yè)3B:

對稱與反對稱接觸結(jié)果的后處理同前面一樣. 注意這里只有一個答案

(在接觸側(cè))

并且其值近似等于對稱接觸中兩個結(jié)果的平均值.(13.045+4.6036)/2=

8.8MpaContactSide

OnlyWS3B-15TargetSide

OnlyWorkbenchMechanical-Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作業(yè)3B:

對稱與反對稱注意這個例子中不管使用了何種接觸行為

(對稱或反對稱),

模型的變形和等效應(yīng)力本質(zhì)是相同的.

對稱行為可以提高收斂.

但對稱接觸結(jié)果不容易解釋.WS3B-16作業(yè)

4A接觸界面處理Workbench-Mechanical結(jié)構(gòu)非線性WS4A-1WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement作業(yè)

4A:

接觸界面處理目標(biāo)使用界面處理工具分析表面間的抵觸配合.模型描述注射成型機(jī)械噴嘴尖端裝配2D

軸對稱模型TipInsulator材料:機(jī)架為鋼尖端銅合金絕熱鈦HousingWS4A-2WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作業(yè)

4A:

接觸界面處理模型描述

(緒)接觸對:機(jī)架對噴嘴尖端的無摩擦接觸噴嘴尖端對絕熱器的綁定接觸機(jī)架和噴嘴尖端間螺紋連接處(螺紋細(xì)節(jié)沒有建模)

的綁定接觸WS4A-3WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作業(yè)

4A:

接觸界面處理模型描述

(緒)熱邊界:熱歧管

@

220C冷歧管板

@50C噴嘴尖端帶狀加熱器

@

80

WattsWS4A-4WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作業(yè)

4A:

接觸界面處理模型描述

(緒)結(jié)構(gòu)邊界無摩擦支撐

@

噴嘴機(jī)架邊緣無摩擦支撐

@

絕熱器結(jié)構(gòu)載荷– 第1

載荷步調(diào)和機(jī)架和尖端面的抵觸配合meltchannelwall第2載荷步從穩(wěn)態(tài)熱流道中讀入溫度第3載荷步施加壓力軟化水道壁.WS4A-5WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作業(yè)

4A:

接觸界面處理步驟:如已在前面的運行中打開了Workbench,通過

Utility

Menu>File>New…啟動新的分析瀏覽并打開

“W4a-Offset.wbpj”

項目文件.WS4A-6WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作業(yè)

4A:

接觸界面處理項目示圖區(qū)應(yīng)如下圖所示.注意:工程數(shù)據(jù)，幾何,

載荷和邊界條件以及預(yù)定接觸區(qū)域已經(jīng)建立.

接下的是要定義尖端-機(jī)架接觸表面偏移并求解和對接觸結(jié)果進(jìn)行后處理.WS4A-7WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作業(yè)

4A:

接觸界面處理高亮顯示

Engineering

Data

雙擊

open校正預(yù)定義的材料屬性檢驗單位是公制

(Tonne,mm,…)系統(tǒng).如果不是,

點擊…UtilityMenu>Units>Metric(Tonne,

mm,..)WS4A-8WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作業(yè)

4A:

接觸界面處理回到項目示圖區(qū)雙擊(或

RMB=>Edit…)

Model

打開

FE模型(MechanicalSession)WS4A-9WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作業(yè)

4A:

接觸界面處理一旦已進(jìn)入

Mechanical

程序,

檢查工作單位制“Unit>Metric

(mm,kg,N,s,mV,mA)”展開

model

分支，使其相似于

modelset-up.確認(rèn)幻燈片2到5中描述的材料分配,

邊界條件,和載荷.校正三個預(yù)定義接觸區(qū)域的初始條件高亮顯示

Connections右擊>

Insert

>Contact

ToolWS4A-10WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作業(yè)

4A:

接觸界面處理

高亮顯示最新插入的Contact

Tool

中的初始信息– 右擊>Generate

InitialContact

Results應(yīng)產(chǎn)生如下表定義的接觸區(qū)域的初始條件:WS4A-11WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作業(yè)

4A:

接觸界面處理注意:兩個綁定接觸區(qū)域指定為兩個作用相等并相互對立的接觸對.

這反映了“對稱”行為.無摩擦接觸區(qū)域只有一對激活的,反映

“反對稱”

行為. 伴隨的無摩擦接觸對(灰色顯示)

是非激活的. 初始是具有小間隙的

“接近開放”

狀態(tài).綁定區(qū)域的初始滲透實質(zhì)為零，默認(rèn)可忽略.– 接觸定義沒有任何改變,

進(jìn)行求解WS4A-12WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作業(yè)

4A:

接觸界面處理選擇

Solution

Information

并切換

Solution

Output

為‘ForceConvergence’–

幾次迭代后求解快速收斂WS4A-13WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作業(yè)

4A:

接觸界面處理高亮顯示Solution

Branch–

右擊

>

Insert

>

Contact

Tool…高亮顯示最新插入的

ContactTool右擊

>

Insert

>PressurePenetrationGapWS4A-14WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作業(yè)

4A:

接觸界面處理高亮顯示

ContactTool

并通過點擊去掉每個區(qū)域旁邊方框的對號標(biāo)記來過濾掉綁定接觸對右擊

>

EvaluateResultsWS4A-15WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作業(yè)

4A:

接觸界面處理使用

‘Graph’窗口的Time

line,

對每個載荷步的接觸壓力進(jìn)行后處理載荷步1載荷步2載荷步3–

如預(yù)料,

LS1上的無摩擦界面的壓力為零.

由于熱微分膨脹LS2的壓力斜坡增長到

50Mpa.

LS3的軟化管壓力降回到零.WS4A-16WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作業(yè)

4A:

接觸界面處理每個載荷步的接觸滲透和間隙的后處理–

特別注意,

LS3末端的最大間隙

(gap=0.049176).

為阻止?jié)B漏這個界面必須保持閉合.WS4A-17WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作業(yè)

4A:

接觸界面處理回到

Connections

,

高亮顯示

‘Frictionless-Housing

To

Nozzle

tip’

接觸區(qū)域–

在

Details窗口,

設(shè)置

Offset為0.050mm這將使所有接觸探測點經(jīng)數(shù)學(xué)調(diào)整到目標(biāo)表面,

建立接觸配合WS4A-18WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作業(yè)

4A:

接觸界面處理使用

Contact

Tool校正

Contact

Tool

中初始信息中已經(jīng)設(shè)定的偏移右擊

>

Generate

Initial

Contact

Results注意:

現(xiàn)在報告閉合的無摩擦接觸初始滲透為4.8943e-2.

這是正確的嗎?在定義偏移

0.050

以前,

初始間隙為

1.0567e-3

(幻燈片12).0.05-1.0567e-3=

4.8943e-2因此,已經(jīng)引入了正確的偏移量再次求解WS4A-19WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作業(yè)

4A:

接觸界面處理高亮顯示

Solution

Information

并切換

Solution

Output

為

‘ForceConvergence’–

接觸偏移導(dǎo)致了更多的迭代,

但仍比較容易得收斂WS4A-20WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作業(yè)

4A:

接觸界面處理接觸壓力后處理–

由于初始抵觸,

集中在軟化水道壁最大壓力大約為

500Mpa，并在整個加載歷史中保持.WS4A-21WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作業(yè)

4A:

接觸界面處理注意放大接觸區(qū)域,

在預(yù)期中抵觸區(qū)域會出現(xiàn)小的間隙.這是預(yù)料中的，因為偏移是對接觸探測點位置的剛性數(shù)學(xué)調(diào)整.這強(qiáng)調(diào)了對非常小的調(diào)整使用界面處理工具的重要性.Rigid

regionWS4A-22WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作業(yè)

4A:

接觸界面處理高亮顯示Solution右擊>Insert>Probe>Force

Reaction在

Details

of

“Force

Reaction”

中設(shè)置..LocationMethod=Contact

RegionContactRegion=Frictionless-HousingToNozzle

tip右擊>EvaluateResultsWS4A-23WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作業(yè)

4A:

接觸界面處理如預(yù)料,

三個載荷步的預(yù)加載接近常數(shù)WS4A-24WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作業(yè)

4A:

接觸界面處理LS2等效應(yīng)力的后處理.應(yīng)力最高點高于尖端材料的實際屈服強(qiáng)度.產(chǎn)生了局部屈服，可能要減小預(yù)載荷.WS4A-25作業(yè)

4B摩擦接觸Workbench-

Mechanical結(jié)構(gòu)非線性WS4B-1WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement作業(yè)

4B:

摩擦接觸目標(biāo)三個部件間創(chuàng)建接觸對

(活塞,

圓柱和封條).運行2個載荷步來分析三個部件的裝配.裝配部件軸向力后處理.PistonO-ring模型描述2D

軸對稱活塞是約束的.圓柱在模擬裝配上移動材料:Cylinder活塞和圓柱為鋼O-Ring為橡膠–

第1載荷步使活塞和O-ring內(nèi)徑的交界面協(xié)調(diào)–

第2載荷步使圓柱在活塞-O-ring組件上滑動.WS4B-2WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作業(yè)

4B:

摩擦接觸步驟:如已在前面的運行中打開了Workbench,通過

Utility

Menu>File>New…啟動新的分析瀏覽并打開

“W4b-Oring.wbpj”

項目文件.WS4B-3WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作業(yè)

4B:

摩擦接觸項目示圖區(qū)應(yīng)如右圖所示.高亮顯示

Engineering

Data

點擊鼠標(biāo)右鍵并選擇Edit打開并校正預(yù)定義材料屬性橡膠和結(jié)構(gòu)鋼檢驗單位是公制

(Tonne,mm,…)系統(tǒng). 如果不是,點擊…UtilityMenu=>Units=>Metric(Tonne,

mm,…)WS4B-4WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作業(yè)

4B:

摩擦接觸回到項目示圖區(qū)雙擊(或

RMB=>Edit…)

Model

打開

FE模型(Mechanical

Session)WS4B-5WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作業(yè)

4B:

摩擦接觸一旦已進(jìn)入

Mechanical程序,

檢查工作單位制– “Unit>Metric

(mm,kg,N,s,mV,mA)”活塞-圓柱裝配體為一個

2D

軸對稱模型，并施加了必要的邊界條件和載荷. 接下的是定義接觸對，設(shè)定求解分析設(shè)置，求解并對結(jié)果進(jìn)行后處理.展開

model分支，確認(rèn)每個部件的材料分配,

邊界條件,

載荷和分析設(shè)置.WS4B-6WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作業(yè)

4B:

摩擦接觸注意:

自動接觸探測沒有對模型建立合適的接觸關(guān)系. 默認(rèn)只創(chuàng)建一對綁定接觸，這不足以描繪裝配.WS4B-7WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作業(yè)

4B:

摩擦接觸如下重新定義O-ring與活塞接觸區(qū)域

:修正如圖所示的O-ring凹槽三個表面的目標(biāo)面定義.Type

改為

FrictionalContactFrictionCoefficient=

0.05target轉(zhuǎn)換為

Asymmetric

behaviorFormulation=AugmentedLagrangePinballRadius=

2mmWS4B-8WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作業(yè)

4B:

摩擦接觸通過高亮顯示

Connections并右擊>Insert>Manual

Contact

在O-ring

和圓柱壁間手動插入一額外的接觸區(qū)域. 如下圖定義這個新接觸區(qū)域.ContactTargetWS4B-9WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作業(yè)

4B:

摩擦接觸確認(rèn)分析設(shè)置Largedeflection為

On兩個載荷步具有不同的自動時間步定義WS4B-10WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作業(yè)

4B:

摩擦接觸確認(rèn)在第二載荷步10mm

的位移施加到圓柱上.WS4B-11WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作業(yè)

4B:

摩擦接觸求解. 多次迭代和幾個二分后，求解收斂.WS4B-12WorkbenchMechanical–Structural

NonlinearitiesWorkshop

Supplement…作業(yè)

4B:

摩擦接觸查看總變形結(jié)果.觀察O-ring幾