ANSYS-高級接觸問題.ppt

1、ANSYS 高級接觸問題,接觸問題概述 在工程中會遇到大量的接觸問題，如齒輪的嚙合、法蘭聯(lián)接、機電軸承接觸、卡頭與卡座、密封、板成形、沖擊等等。接觸是典型的狀態(tài)非線性問題，它是一種高度非線性行為。接觸例子如圖1：,分析中常常需要確定兩個或多個相互接觸物體的位移、接觸區(qū)域的大小和接觸面上的應力分布。 接觸分析存在兩大難點： 在求解之前，你不知道接觸區(qū)域的范圍；表面之間是接觸還是分開是未知的；表面之間突然接觸或突然不接觸會導致系統(tǒng)剛度的突然變化。 大多數(shù)接觸問題需要計算摩擦。摩擦是與路徑有關的現(xiàn)象，摩擦響應還可能是雜亂的，使問題求解難以收斂。,ANSYS 高級接觸問題,1 接觸分類,剛柔 一個表面

2、是完全剛性的除剛體運動外無應變、應力和變形，另一表面為軟材料構成是可變形的。 只在一個表面特別剛硬并且不關心剛硬物體的應力時有效。 柔柔 兩個接觸體都可以變形。,2 接觸單元,ANSYS采用接觸單元來模擬接觸問題： 跟蹤接觸位置； 保證接觸協(xié)調性（防止接觸表面相互穿透）； 在接觸表面之間傳遞接觸應力（正壓力和摩擦）。 接觸單元就是覆蓋在分析模型接觸面上的一層單元。 在 ANSYS 中可以采用三種不同的單元來模擬接觸： 面一面接觸單元； 點一面接觸單元； 點一點接觸單元。,不同的單元類型具有完全不同的單元特性和分析過程。 1. 面一面接觸單元用于任意形狀的兩個表面接觸 不必事先知道接觸的準確位置

3、； 兩個面可以具有不同的網(wǎng)格； 支持大的相對滑動； 支持大應變和大轉動。 例如: 面一面接觸可以模擬金屬成型，如軋制過程。,2 接觸單元,2 接觸單元,2. 點一面接觸單元用于某一點和任意形狀的面的接觸 可使用多個點面接觸單元模擬棱邊和面的接觸； 不必事先知道接觸的準確位置； 兩個面可以具有不同的網(wǎng)格； 支持大的相對滑動； 支持大應變和大轉動。 例：點面接觸可以模擬棱邊和面之間的接觸,2 接觸單元,2 接觸單元,3. 點點接觸單元用于模擬單點和另一個確定點之間的接觸。 建立模型時必須事先知道確切的接觸位置； 多個點點接觸單元可以模擬兩個具有多個單元表面間的接觸； 每個表面的網(wǎng)格必須是相同的；

4、相對滑動必須很??； 只對小的轉動響應有效。 例如: 點一點接觸可以模擬一些面的接觸。如地基和土壤的接觸,2 接觸單元,2 接觸單元,3 關于耦合和約束方程的應用,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、小轉動問題，那么可以用耦合或約束方程代替接觸。 使用耦合或約束方程的優(yōu)點是分析還是線性的,接觸問題的一般特性,1 接觸剛度 1、所有的 ANSYS 接觸單元都采用罰剛度（接觸剛度）來保證接觸界面的協(xié)調性,在數(shù)學上為保持平衡，需要有穿透值 然而，物理接觸實體是沒有穿透的 分析者將面對困難的選擇： 小的穿透計算精度高，因此接觸剛度應該大； 然而，太大的接觸剛度會產生收斂困難：模

5、型可能會振蕩，接觸表面互相跳開。 接觸剛度是同時影響計算精度和收斂的最重要的參數(shù)。你必須選定一個合適的接觸剛度。 除了在表面間傳遞法向壓力外，接觸單元還傳遞切向運動（摩擦）。采用切向罰剛度保證切向的協(xié)調性。（圖12） 作為初值，可采用：Ktangent=0.01 Knormal 切向罰剛度與法向罰剛度以同樣的方式對收斂性和計算精度產生影響。,2、接觸剛度的選取 選定一個合適的接觸剛度值需要一些經驗。 對于面一面接觸單元，接觸剛度通常指定為基體單元剛度的一個比例因子。 開始估計時，選用 FKN = 1.0 大面積實體接觸 FKN = 0.01-0.1 較柔軟（彎曲占主導的部分） 另外，也可以指定

6、一個絕對剛度值，單位：（力/長度）/ 面積。 點一點（除 CONTA178）和點面接觸單元需要為罰剛度 KN 輸入絕對值： 初始估計時： 對于大變形: 0.1*E KN 1.0*E 對于彎曲: 0.01*E KN 0.1*E E 為彈性模量,3、選取接觸剛度的指導： Step 1. 開始采用較小的剛度值 Step 2. 對前幾個子步進行計算 Step 3. 檢查穿透量和每一個子步中的平衡迭代次數(shù) 在粗略的檢查中，如以實際比例顯示整個模型時就能觀察到穿透，則穿透可能太大了，需要提高剛度重新分析。 如果收斂的迭代次數(shù)過多（或未收斂），降低剛度重新分析。 注意：罰剛度可以在載荷步間改變，并且可以在重

7、啟動中調整。 牢記：接觸剛度是同時影響計算精度和收斂性的最重要的參數(shù)。如果收斂有問題，減小剛度值，重新分析 在敏感的分析中，還應該改變罰剛度來驗證計算結果的有效性。 在分析中減小剛度范圍，直到結果（接觸壓力、最大SEQV 等）不再明顯改變。,2 摩擦,1、兩個接觸體的剪切或滑動行為可以是無摩擦的或有摩擦的 無摩擦時允許物體沒有阻力地相互滑動； 有摩擦時，物體之間會產生剪切力。 2、摩擦消耗能量，并且是路徑相關行為。 為獲得較高的精度，時間步長必須?。▓D2-1）,式中： 摩擦系數(shù) 一旦所受剪力超過 FT，兩物體將發(fā)生相對滑動。 4、彈性庫侖摩擦模型：允許粘著和滑動。,圖21 3、ANSYS 中，

8、摩擦采用庫侖模型，并有附加選項可處理復雜的粘著和剪切行為。 庫侖法則是宏觀模型，表述物體間的等效剪力 FT 不能超過正壓力 FN 的一部分： FT = FN,3 自動時間步、控制,接觸單元的 Keyopt（7）選項控制時間步的預報。 0無控制：不影響時間步尺寸。當自動時間步開關打開時，對于靜態(tài)問題通常選此項。 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。為保持一個合理的時間載荷增量，需要在接觸預測中選擇此項。適用于靜態(tài)分析和連續(xù)接觸時瞬態(tài)分析。 3最小值：該選項為下一子步、預報時間增量的最小值（計算費用十分昂貴，建議

9、不用）。這個選項在碰撞和斷續(xù)接觸分析中是有用的。,接觸分析中自動時間步的其它注意事項：,與所有其它非線性分析一樣，對接觸問題，時間步長是非常有力的提高收斂性的工具。 采用足夠小的時間步長以獲得收斂。 對于沖擊瞬態(tài)分析，必須使用足夠數(shù)量的計算步以描述表面間的動量轉移。 對于路徑相關現(xiàn)象（如接觸摩擦），相對較小的最大時間步長對計算精度是必須的。,1 概述 面面接觸單元，是模擬任意兩個表面間接觸的方法。表面可以具有任意形狀。是 ANSYS 中最通用的接觸單元。精度高、特性豐富還可使用接觸向導，建模方便。（其它接觸單元目前尚不能用向導）。 面面接觸單元在面的高斯點處傳遞壓力，這種先進技術使面面接觸單元

10、具有很多優(yōu)點： 與低階單元和高階單元都兼容 提供更好的接觸結果（于后處理接觸壓力和摩擦應力） 可考慮殼和梁的厚度，以及殼的厚度變化 半自動接觸剛度計算 剛性表面由“控制節(jié)點 pilot node”控制 熱接觸特性 眾多的高級選項來處理復雜問題。 具有眾多的高級選項（20 個可用的實常數(shù)、2 個材料屬性和 30 個可用的單元選項）提供了豐富的特征庫，能夠用于模擬特殊的效果和處理困難的收斂情況。 然而眾多的選項的智能缺省選項可以有效求解許多接觸問題而不需要用戶介入太多。 通常的做法是：開始使用高級選項之前，先試著采用缺省設置：只指定罰剛度，穿透容差和子步數(shù)，然后進行分析。只在采用缺省設置遇到困難時

11、才采用高級選項。 所有的高級選項也可以通過接觸向導來控制。,2 面面接觸單元,2 面面接觸單元,使用面面接觸單元計算剛柔、柔柔接觸分析。 把一個面指定為目標面（Target），另一個面指定為接觸面（contant），合起來叫接觸對。 接觸單元被約束不能侵入目標面，然而目標單元能侵入接觸面。 2D目標單元 TARGE169 :,2D 面面接觸單元 CONTA171 2D、2 節(jié)點低階單元，可用于二維實體、殼、梁單元的表面 CONTA172 2D、3 節(jié)點高階單元，可用于帶中間節(jié)點的二維實體單元表面 3D 目標單元 TARGE170,2 面面接觸單元,3 面一面接觸分析步驟、實例 （不通過接觸向導

12、創(chuàng)建接觸對）,Step 1. 建立基體有限元模型 設置基體單元類型、實常數(shù)、材料特性 給基體分網(wǎng)： 命令：AMESH VMESH Step 2. 指定接觸面和目標面 對于剛一柔接觸，目標面總是剛性面； 對于柔柔接觸，目標面和接觸面的不同選擇會產生不同的穿透（圖3-1），并且影響求解精度。,圖3-1 接觸面和目標面確定準則 如凸面和平面或凹面接觸，應指定平面或凹面為目標面； 如一個面上的網(wǎng)格較粗而另一個面上的網(wǎng)格較細，應指定粗網(wǎng)格面為目標面； 如一個面比另一個面的剛度大，應指定剛度大的面為目標面； 如一個面為高階單元而另一面為低階單元，應指定低階單元面為目標面； 如一個面比另一個面大，應指定大的

13、面為目標面。,例如: 超彈密封,Step 3. 設置單元選項和實常數(shù) 接觸對由實常數(shù)號來定義，接觸單元和目標單元必須具有相同的實常數(shù)。 Step 4. 建立目標單元（網(wǎng)格） 此步中所采用的方法依賴于目標面是剛性的還是柔性的。 剛性目標面采用： 直接生成 (E 命令) 自動劃分 (LMESH, AMEAH) 可變形目標面采用 Main Menu Preprocessor Modeling Create Elements Surf/Contact Surf to Surf(ESURF) 對于直接生成剛性目標面，在建立目標單元之前需要要指定附加的單元屬性 TSHAP,剛性目標面的自動劃分不需要 TS

14、HAP。ANSYS 能根據(jù)實體模型確定合適的目標單元形狀。 劃分線 (LMESH) 2D 剛性目標面 劃分面 (AMESH) 3D 剛性目標面 創(chuàng)建關鍵點(KMESH)控制節(jié)點（Pilot） 剛性目標面能與控制點聯(lián)系起來。Pilot 實際上是只有一個節(jié)點的單元，通過這個節(jié)點的運動可以控制整個目標面的運動。ANSYS 只在 Pilot 節(jié)點上檢查邊界條件而忽略其它節(jié)點的約束。 對可變形體目標面建立目標單元的步驟是： 1.先選擇可變形體表面上的節(jié)點 2.然后在可變形體上建立目標單元 Main Menu Preprocessor Modeling Create Elements Surf/Conta

15、ct Surf to Surf,ANSYS 將根據(jù)基體的網(wǎng)格確定目標單元形狀和外法線方向。 檢查外法線方向（這在自動劃分剛性目標面時非常重要）圖 3-3 打開單元坐標系標志并重繪單元 /PSYMS,ESYS,1 目標單元外法線方向應該指向接觸面。如果單元法向不指向接觸面，用命令使之反轉： ESURF,REVE,例：Seal.dat (圖3-3) Step 5. 建立接觸面單元 設置接觸單元屬性、選擇可變形體表面節(jié)點，并在可變形體上建立接觸單元（過程與在可變形體上建立目標單元相同） Main Menu Preprocessor Modeling Create Elements Surf/Cont

16、act Surf to Surf (ESURF) 這些接觸單元與基體有同樣的階數(shù)（低階或高階）。 注意，在殼或梁單元上建立目標單元或接觸單元時，可以選擇要在梁或殼單元的頂層還是底層建立單元。,圖3-3,在選擇柔體表面上的節(jié)點時，如果你確定某一部分節(jié)點永遠不會接觸到目標面，可以忽略它，以減少計算時間。 接觸面的外法向應指向目標面。如果發(fā)現(xiàn)外法線方向不正確，用下列命令修改之 ESURF,REVE Step 6. 在有限元模型上施加邊界條件 如果目標面是剛性面，目標面將會自動固定。 定義了 Pilot 點 ANSYS 只檢查該點的邊界條件，忽略目標面上其它節(jié)點約束?？刂泣c能控制目標面的運動。 對 S

17、eal.dat 施加的邊界條見圖 33。,Step 7. 定義求解選項和載荷步，以下是默認設置 推薦使用N.L求解自動控制 使用不帶自適應下降的 full Newton-Raphson 法求解 時間步必須足夠小。使用自動時間步。 子步數(shù)的最大值（NSBMX）應較大，最小值（NSBMIN）應較小 Step 8. 求解 Step 9. 后處理 結果包括位移、應力、應變和接觸等信息。 接觸壓力、摩擦應力、總應力、接觸侵入、接觸間隙距離、滑動距離和接觸狀態(tài)都可以從 /POST1 或/POST26 中得到。,面一面接觸分析實例（建立接觸對不通過接觸向導） 實例1：彈性環(huán)裝配,軸對稱 施加位移載荷：在 L

18、45 線上施加 0.4的 Y 向位移 打開幾何 N.L 開關 (NLGEOM,on) 設 Time = 0.4 并為自動時間步給出子步數(shù)(20,500,10) 給出輸出控制（要求輸出每一子步結果） 求解并查看輸出和監(jiān)視文件 重啟動分析亦將 Y 向偏移量增加到 0.55使咬接裝配的第 2 個齒咬合。 問題以彎曲為主，設 FKN = 0.1,GUI 方式： Step 1. 恢復數(shù)據(jù)庫文件 Snap.db（Snap.db 數(shù)據(jù)庫包含此有限元模型的完整幾何模型、材料、邊界條件。但未定義目標單元與接觸單元）。 Utility Menu File Resume from 選 Snap.db 【OK】 基體

19、單元: Plane42,1 軸對稱 材料: MAT,1 EX = 0.175e6; NUXY = 0.35 ; MU = 0.0 MAT,2 EX = 90000; NUXY = 0.35 約束節(jié)點 163 UY = 0 182 UY = 0,Step 2. 創(chuàng)建目標面單元類型 Main Menu Preprocessor Element Typer Add/Edit/Delete 【Add】 contact 2D targe169 Element typer reference number = 2 【OK】 或命令: /PREP 7 ET,2,Targe169 Step 3. 建立接觸面單

20、元類型 Main Menu Preprocessor Element Typer Add/Edit/Delete 【Add】 contact 2nd Surf 171 Element typer reference number = 3 【OK】 【close】 或命令: ET,3,conta171,Step 4.指定接觸法向剛度 Main Menu Preprocessor Real Constants Add/Edit/Delete 【Add】 Type 3 CONTA171 【OK】 Real Constant Set No. = 1 Normal Penalty Stiffness F

21、KN = 0.1(對彎曲問題采用初值0.1) Penetration tolerance FTOLN = 0.1 (不用此,不收斂) 或命令：R,1,0.1,0.1,確定罰剛度 FKN 值通常在 0.01-10 之間，對于體積變形問題用 1.0（默認），對彎曲問題用 0.1 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） 相乘的比例因子。 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 增大 100 倍會相應地減少侵入，但是接觸壓力只改變 5。 如不收斂可調整 FKN 或 FTOLN 值重新運行。檢查侵入和每個子步的平

22、衡迭代數(shù)，如果收斂受侵入容差的驅使可能是FKN 值估計不足或 FTOLN 值太小。如果需要多次迭代才能使殘值收斂而不是侵入。FKN 值可能估計得太高。,Step 5. 創(chuàng)建目標單元 (1) 為目標面選擇線 Utility Menu Select Entities 拾取線(圖3-5) 【OK】 或命令： LSEL,S,2,4 LSEL,A,15,18 圖3-6 LSEL,A,63 (2).選擇附于線上的全部節(jié)點(圖3-6) Utility Menu Select Entities Nodes Attached to lines,all 【OK】 或命令： NSLL,S,1 NPlot,圖3-5,

23、圖3-6,(3).設置單元屬性 Main Menu Preprocessor Create Element Elem Attributes 或命令： Type,2 Mat,1 Real,1,(4).創(chuàng)建目標單元 Main Menu Preprocessor Modeling Create Elements Surf / Contact Surf to Surf 注意：如果基體單元是 2D 平面或 3D 實體單元 “Tlab” 無效，如果基體單元是 2D 單元，“Shape” 無效。 選 【pick all】 或命令： ESURF(圖3-7),圖3-7,Step 6. 創(chuàng)建接觸單元 (1) 為接

24、觸面選線 Utility Menu Select Entities Lines 圖3-8 By Num/pick From Full 【OK】 選線(圖3-8) 【OK】 或命令: LSEL,s,33,34 LSEL,a,43,44 (2) 選擇附于選定線上的全部節(jié)點圖3-9 Utility Menu Select Entities Nodes Attached to Lines, all From Full 【OK】 或命令: NSLL, S, 1 Nplot(圖3-9),圖3-8,圖3-9,(3) 設置單元屬性 Main Menu Preprocessor Create Element E

25、lem Attributes Element type number = 3 ConTA 171 Material number = 1 Real constant set number = 1 【OK】 或命令： Type,3 Mat,1 Real,1 (4) 創(chuàng)建接觸面單元圖3-11 Main Menu Preprocessor Modeling Create Elements Surf/Contact Surf to Surf 圖3-10 【OK】 【PICK ALL】(圖3-10) 或命令: ESURF,Step 7. 選擇所有選項并畫單元 Utility Menu Select Ev

26、erything Utility Menu Plot Elements 或命令: Allsel, all Eplot(圖3-11) Step 8. 求解 /solu antype,static nlgeom,on solc, on time,0.4 nsubst,20,500,10 outres,all,all dl,45,uy,-0.4 solve dl,45,uy,-0.55 solve fini Step 9. 后處理,4 應用接觸向導創(chuàng)建接觸對,所有面面接觸的單元選項和參數(shù)都可以通過接觸向導來控制。使用接觸向導進行接觸分析方便快捷 ： 自動定義單元類型和實常數(shù) 快速得到接觸選項和參數(shù)

27、快速顯示和反轉接觸法向 使用接觸向導必須首先對基體進行網(wǎng)格劃分，否則不能激活接觸向導。 下面仍以彈性環(huán)裝配接觸問題為例。采用接觸向導完成接觸對的創(chuàng)建來說明接觸向導的使用方法。 Step 1. 恢復數(shù)據(jù)文件 Utility Menu File Resume from 選 Snap.db 【OK】(圖4-1) 此數(shù)據(jù)庫 Snap.db 包括此有限元模型的幾何、基體 單元、分網(wǎng)、材料和邊界條件。但不包括接觸單元與目標單元及接觸有關的參數(shù)。,Step 2.啟動接觸向導 Main Menu Preprocessor Modeling Create Contact Pair,Step 3. 創(chuàng)建接觸對,圖

28、4-3 圖4-4 【Pick Target】(圖43),拾取線(見圖35) 【OK】，再定義接觸面 返回圖44 【Next】 (圖45),圖45,【opening setting】圖46,圖46,Step 4. 設置接觸參數(shù)【OK】 返回圖45【create】,【Finish】返回圖42,退出 Step 5.求解 求解過程同前,圖42,5 實例 2 平面密封圈計算,驗證為接觸剛度估計一個合適的初始值的重要性 驗證接觸分析中摩擦的應用 彈性庫侖摩擦 驗證基于接觸單元臨界狀態(tài)變化的時間步預測如何會對計算效率有害 模型描述：2D 超彈平面密封圈 對稱，密封圈壓縮模擬,分析此模型采用兩種方法： 1.

29、不使用接觸向導，建立命流文件 Seal.inp 2. 使用接觸向導創(chuàng)建接觸對，并用 GUI 方式創(chuàng)建 Pilot 節(jié)點。 本例具有： 幾何 N.L（大應變與大變形） 材料 N.L（超彈） 接觸 N.L 數(shù)據(jù)文件: Seal.inp,Step 1. 建模：單元類型、實常數(shù)、材料特性、基體分網(wǎng),/prep7 et,1,56 ! HYPER56 2D 4node U_P Hyperelastic Solid mp,nuxy,0.49 tb,mooney,1 tbdata,1,80 ! C10 = 80 tbdata,2,20 ! C01 = 20 k,1 $k,2,0.333,0 $k,3,0.86

30、7,0.867 k,4,1.1,0.867 k,5,1.1,1 $k,6,0.8,1 $k,7,0.267,0.133 k,8,0,0.133 l,1,2 *repeat,7,1,1 ! 將l,1,2命令重復7次 l,8,1 lfil,1,2,0.20 $lfil,2,3,0.15 $lfil,5,6,0.20 lfil,6,7,0.15 $lfil,7,8,0.05 $lfil,8,1,0.05 al,all ! 應用所有選擇的線生成面 k,25,-0.6,0 $k,26,1.1,0 $k,27,-0.6,1.0 k,28,1.1,1.0 lstr,26,25 ! L9 lstr,27,28

31、 ! L10,圖5-2,! * 基體分網(wǎng) * lesize,8,2 $lesize,13,4 $lesize,14,4 esize,0.035 type,1 mat,1 amesh,all save,seal,db Step 2. 創(chuàng)建接觸對，先定義單元和接觸參數(shù) et,2,169 ! Target169 2D Target Segment et,3,171 ! Conta171 2D Surface to Surface Contact mp,mu,1,0 ! 用材料特性定義摩擦，本例先無摩擦計算然后再有摩擦計算，比較結果 r,1,0.1,0.1 ! 用實常數(shù)定義接觸高級選項對于彎曲為主的問

32、題，采用接觸剛度FKN = 0.1作為初始估計值, FTOLN = 0.1 lagrange穿透比例系數(shù)（缺省值） r,2,0.1,0.1 ! 如果FKN = 1.0則不收斂,! * 創(chuàng)建接觸對1（定義實常數(shù)和分網(wǎng)） *,type,2 ! 目標面 1 Target169 real,1 ! Target169的實常數(shù) mat,1 ! 接觸面 1 定義材料與超彈單元同 lesize,15,1 ! 目標面1（L15）分網(wǎng)尺寸(圖53) lmesh,15 ! 目標面1（L15）分網(wǎng),采用自動分網(wǎng)，此剛性面自動約束。檢查外法線方向 【OK】 ! * 接觸面1：實常數(shù)（與目標面1一致）、分網(wǎng) lsel,s

33、,line,1,3,1 ! 選L1,L2,L3 lsel,a,line,9,10,1 ! 再加L9,L10 lsel,a,line,14 ! 再加L14 nsll,s,1 ! 選擇和所選線相連系的節(jié)點 type,3 ! Conta171這里未發(fā)布Real,1，實常數(shù)未重新定義就是前面的Real,1，MAT也是前面的MAT, 1 esurf ! 生成接觸單元 lsel,all ! * 檢查外法線方向【OK】 *,圖53,! * 創(chuàng)建接觸對2 * type,2 ! 目標面2 Target169 real,2 ! MAT未重新定義，就是前面的MAT, 1 lesize,16,1 ! 目標面2 lme

34、sh,16 ! L16分網(wǎng)（目標2分網(wǎng)） kmesh,27 ! 指定Pilot點 ! * 檢查外法線方向【OK】 * type,3 ! 接觸面2 Conta171 Real,2； Mat,1 lsel,s,line,5,7, 1 ! 選L5, L6, L7 lsel,a,line,11,13,1 ! 再加L11,L12,L13 nsll,s,1 esurf ! 生成接觸單元,其Real,2； Mat,1 lsel,all nsel,all ! * 檢查外法線方向【OK】 *,! * 創(chuàng)建接觸對2 *,! 剛性面1 被約束 ! 剛性面2 隨Pilot點移動 ! L4對稱約束 dl,4,ux,0

35、n_load=node(kx(27),ky(27),0) ! 為定義剛性面2的位移做準備 finish,Step 3. 施加邊界條件,/solu nlgeom,on solc,on ! N.L求解自動控制打開（缺?。?time,0.85 ! 載荷步、結束時間 d,n_load,uy,-0.85 nsubst,25,500,10 outres,all,all monitor,var3,n_load,fy,Step 4.定義求解選項和載荷步,Step 5.求解 Solve Step 6.查看結果 /post1 pldsp,2 ! 變形圖 plnsol,s,eqv,0,1 ! Von Mises 應

36、力云圖 plnsol,cont,pres,0, ! 接觸壓力圖 plnsol,epto,eqv ! 繪等效總應變圖54 save,seal,db,定義反力變量、繪載荷變形圖,Utility Menu Plot Elements Main Menu Time Hist Postpro Define Variables 【Add】 Reaction force 【OK】 拾取節(jié)點263(控制點) 【OK】 User-Specified Load = FORCE: FY 【OK】 【close】 或命令： /POST 26 RFORCE,2,263,F,Y,FORCE Main Menu Time

37、Hist Postpro Graph Variables 1st Variable to gragh = 2 【OK】 或命令： PLVAR, 2 (圖54),圖54,2、用接觸向導創(chuàng)建接觸對，用 GUI 方式創(chuàng)建 Pilot 節(jié)點（剛性面控制點），然后求解。 Step 1. 恢復數(shù)據(jù)庫文件 Seal.db（包括基體的幾何、單元、分網(wǎng)；沒有選接觸單元與目標單元，未定義接觸對） Utility Menu File Resume from 選 Seal.db 【OK】 Step 2. 啟動接觸向導 Main Menu Preprocessor Modeling Create Contact Pai

38、r 圖 42 【contact Wizard】,剛性目標面 - 使用 Pilot 節(jié)點, 創(chuàng)建接觸對1,圖 55,選線(1)( 接觸對1的目標面)【OK】返回圖55【next】,圖56 選線(2) (接觸對1的接觸面)【OK】；返回圖56【next】,Step 3.設置接觸參數(shù),圖57,圖58 圖59,定義摩擦 (圖59) 【OK】返回圖 57 Coefficient friction 0.2 【Create】,511 圖512 接觸對 1 (圖511),圖510圖,Step 5.創(chuàng)建目標單元控制點,圖514,(1).設置單元屬性用命令流： Type,4 MAT,1 REAL,4 TSHAP,

39、PIL10 GUI: Main Menu Preprocessor Modeling Create Element Elem Attributes,(2).繪關鍵點 Utility Menu Plot Keypoints Keypoints (3).建立目標單元控制點 Main Menu Preprocessor Meshing Mesh Keypoints 選 K27 【OK】 或命令流： KMESH,27 Step 6.施加位移約束 控制點 27 上施加 UY = -0.85 Main Menu Solution Define Loads Apply Structural Displace

40、ment On Keypoints 選 K27 【OK】 Lab2 DOFs to be constrained: UY Value: -0.5 【OK】,Step 5.創(chuàng)建目標單元控制點,施加對稱邊界條件： Main Menu Solution Define Loads Apply Structural Displacement Symmetry B.C. On Lines 選線L4 【OK】 Step 7.求解控制、求解 Main Menu Solution Analysis Type Soln Controls,Step 5.創(chuàng)建目標單元控制點,Main Menu Solution So

41、lve LS_Current Step 8.后處理 同1 無摩擦(MU = 0) Von Mises = 145.096 有摩擦(MU = 0.2) Von Mises = 142.038 接觸剛度取 1.0 不收斂 0.1 收斂 /POST26 Main Menu TimeHist Postpro 選控制點27， 繪圖(見圖5-4)。,Step 5.創(chuàng)建目標單元控制點,面一面接觸具有 20 個可用實常數(shù)，2 個材料屬性和 30 個可用單元選項設置。能夠模擬特殊的效果和處理困難的收斂情況。 通常分析開始先用缺省值，只指定罰剛度和穿透容差及子步數(shù)。 只有在缺省設置遇到困難時才用高級選項。 所有的

42、單元選項和參數(shù)都可以通過接觸向導來控制；也可以通過實常數(shù)和單元選項來指定。 Conta178 接觸單元、實常數(shù)選項見圖 6-1 及 6-2。,圖6-1,6 面一面接觸單元高級接觸選項,6 面一面接觸單元高級接觸選項,圖 6-2,進入接觸選項菜單用下列過程：,Main Menu Preprocessor Modeling Create Contact Pair 選 【property】 1、第 1 個重要選項：如何保證接觸協(xié)調性： 使用修正的拉朗日法（缺?。?純罰函數(shù)方法 在接觸向導中 Basic Contact algorithm: Augmented Lagrange Method Pena

43、lty Method 對大多數(shù)模型，修正的拉格朗日方法能很好地工作。 罰函數(shù)法推薦用于具有變形很大的單元，很大的摩擦系數(shù)和/或用修正的拉格朗日方法時收斂性很差的情況。,1、最重要的選項是法向罰剛度或接觸剛度,對于大面積接觸采用起始值（因子）1.0，對于柔性接觸采用 0.1。 大值對應較高精度；小值對應較好的收斂性。 有時最好先以較小的接觸剛度進行分析，然后在一系列載荷步中逐漸增大剛度“漸變”的接觸剛度，提高收斂性圖6-2 在最后的載荷步逐漸提高到一個剛硬的值將提高計算精度。可通過向導的基本表或單元特性菜單設置以允許程序更新接觸剛度 接觸向導 Basic Normal Penalty Stiff

44、ness 1.0 factor constant 向導 Basic contact stiffness update: Each load step (PAIR ID based) none Each load step (允許用戶指定剛度變化) Each substep (允許自動和用戶指定變化),2、第 2 個重要選項穿透容差。,缺省情況下，穿透容差是一個因子乘以基體單元厚度。 對于變化很大的網(wǎng)格密度，采用因子會在接觸表面的某些部分產生太小的容差，這時采用絕對值可能更好。 不要使用太小的容差，因為它總是對收斂性有害。,3、對于臨界接觸狀態(tài)變化的自動時間步控制,或在單元選項中控制： Cont

45、act time/load prediction K7: No prediction,1 不控制：不影響自動時間步，對靜力問題自動時間步打開時此選項一般是足夠的。2 自動二分：如果接觸狀態(tài)變化明顯，時間步長將二分。對于動力問題自動二分通常是足夠的。3 合理值：比自動細分更耗時的算法。4 最小值：此選項為下一步預測最小時間增量（很耗計算時間，不推薦）,4、Pinball 區(qū)域影響接觸狀態(tài)的確定和其它許多接觸特性,Pinball 區(qū)域是環(huán)繞接觸單元的園（2D）或球（3D），描述接觸單元周圍 “遠” 和 “近” 區(qū)域的邊界 (圖6-3)。 在缺省情況下，Pinball 區(qū)域半徑是 4基體單元厚度（剛

46、柔）或 2基體單元厚度（柔一柔） 可以為 Pinball 半徑指定一個不同的值。,圖6-3,也可用實常數(shù)PINB調整球形區(qū)（對于初始值侵入大的問題是必要的）。,5、幾種不同的接觸模式這些選項使你能夠模擬特殊的物理現(xiàn)象。,或單元選項: Behavior contact surface K12: standard 這些選項包括： 標準：正常的接觸閉合和打開行為，具有正常的粘著/滑動摩擦行為。 粗糙：正常接觸閉合和打開行為，但不發(fā)生滑動（類似于具有無限摩擦系數(shù)） 不分離（滑動）：目標面和接觸面一旦建立接觸就不再分離（允許滑動） 綁定：目標面和接觸面一旦接觸就粘在一起 不分離（永遠）：初始位于 Pin

47、ball 區(qū)域內或已經接觸的接觸檢查點在法向不分離（允許滑動） 綁定接觸（永遠）：初始位于 Pinball 區(qū)域內或已經接觸的接觸檢查點在剩余的分析過程中綁定在一起（Design Space 缺省值） 綁定接觸（初始接觸）：只在初始接觸的地方采用綁定，初始分開的地方保持分開。 計算實例：懸臂梁端部旋轉（不分離行為）,6、影響某些表面行為的選項,Contact Opening stiffness（分開時的間隙剛度）保證不分離和綁定行為，它通過使用當存在間隙也具有非零剛度的彈簧來連接表面。 缺省情況下，此彈簧剛度等于法向罰剛度，其效果類似于法向罰剛度 剛度太小精度低；剛度太大會引起收斂問題。,摩擦

48、系數(shù)影響基本摩擦行為：,Contact cohesion 表示當沒有法向壓力時開始滑動的摩擦應力值。 摩擦導致非對稱剛度陣。因為非對稱矩陣很難計算（因此導致求解變慢），程序自動控制執(zhí)行對稱求解，利用此算法可以解決多數(shù)含摩擦接觸問題。 有時，采用非對稱矩陣能獲用更好的收斂性。 如果遇到收斂緩慢問題可以用不對稱求解選項。 記?。哼@種情況必須使用稀疏或波前求解器。 對于每個支持非對稱矩陣的單元，此選項也可以由下列菜單激活： Main Menu Solution Unabridged Menu Analysis Options 設置 Newton-Raphson 選項為 Full N_R unsymm

49、,7、初始穿透,有幾種技術可以模擬初始穿透接觸問題（如過盈裝配）?？梢允褂贸跏紟缀未┩?，或指定偏移量，或二者皆有。(圖6-5) 指定偏移量（CNOF）,或在實常數(shù)中指定偏移量（CNOF）contact surface offset CNOF: 0.025,正的 CNOF 加大初始穿透 負的 CNOF 減小初始穿透或導致間隙 CNOF 可與幾何穿透組合 自動 CNOF 調整 允許 ANSYS 基于初始穿透自動給定 CNOF 值。 導致 “剛好接觸” 配置 ICONT 缺省為 0,或單元選項: Auto CNOF/ICONT adjustment K5: No. Auto. Adjust,7、初始

50、穿透,初始穿透選項包括： Include everything：包括由幾何模型和指定偏移量 （如果有的話）引起的初始穿透 Exclude everything：忽略所有初始穿透效應。 Include with ramped effects：漸變初始穿透，以提高收斂性。 Include offset only：只包括由偏移量指定的基本初始穿透。 Include offset only w/ramp：只包括由偏移量指定的基本初始穿透，且漸變初始穿透以提高收斂性,7、初始穿透,如果模型包含初始幾何穿透，接觸力將立即“階躍”到一個大值。 載荷突變經常導致收斂困難，期望有一種機制能夠將初始穿透效應漸變到

51、零。 Include with ramped effects 和 Include off set only w/ramp選項通過在第一載荷步，將初始穿透漸變?yōu)榱憧朔諗坷щy。為求得好的結果，在第一載荷步不應施加其它載荷 (圖6-6)。 計算實例：初始穿透,圖6-6,7、初始穿透,初始不接觸的兩個（或多個）物體的靜力分析中，在接觸建立前可能產生剛體運動 (圖6-7)。 此例中圓柱體沒有施加位移約束，面由力控制。 圓柱體的約束由圓柱體和平板之間的接觸建立。 求解過程中兩個物體分離，剛度矩陣奇異。 ANSYS 將產生一個負主元警告。有幾個選項可以解決由于初始不相連物體引起的剛體模式：,圖6-7,8、

52、剛體模式,三個高級接觸特性允許調整初始接觸條件以防止剛體模式： (1).自動 CONF 調整 程序計算 CNOF 以清除間隙。 (2).初始接觸環(huán)（ICONT） 將調整帶內接觸表面上的節(jié)點移到目標面上 (3).初始允許穿透范圍 (PMIN Mat, 1 TYPE,2 MAT,2 REAL,2 LSEL,LOC,X,1.9 NSLL,1 ! 1.9線上的節(jié)點 ESURF ! 創(chuàng)建目標單元Target169 ! * TYPE,3 ! Mat, 2 ; Real, 2 LSEL,LOC,X,2 NSLL,S,1 ESURF ! 創(chuàng)建接觸面conta172 ALLSEL,ALL,/SOLUTION D

53、,NODE(1.5,0,0),UY,0 D,NODE(2.4,0,0),UY,0 NLGEOM,ON NSUBST,10,50,5 FINISH /PBC,U,1 /NUMBER,1 /PNUM,MAT,1 EPLOT SAVE,interference,db ! 包含有限元模型、接觸對、材料、邊界條件，求解控制,例3. 緊配合環(huán)（初始穿透）,分析步驟： Step 1.恢復數(shù)據(jù)庫文件 Utility Menu File Resume from 選 interference.db 【OK】 Step 2. 重定位輸出文件 Utility Menu File Switch Output to Fi

54、le Interference.output 【OK】 或命令： /Output,interference,Output Step 3.求解接觸分析 /Solu solve Step 4.重定位輸出到輸出窗口 Utility Menu File Switch Output to Output Window 或命令：/OUTPUT, TERM Step 5.繪制徑向應力 Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu Stress X-direction SX 【OK】,例3. 緊配合環(huán)（初始穿透）,或命令: /PO

55、ST1 PLNSOL,S,X ! 結果：徑向應力0 Step 6.列表顯示接觸結果 Main Menu General Postproc List Results Nodal Solution 選 Nonlinear items contact CONT 【OK】 或命令： PRNSOL,CONT STAT = 0“張開”幾乎不接觸 STAT = 1 “張開”但幾乎接觸 STAT = 2 “閉合”并滑動 STAT = 3 “閉合”并粘著,例3. 緊配合環(huán)（初始穿透）,Step 7.檢查輸出文件內容（interference.output） * NOTE * No contact was det

56、ected for a contact pair specified by real constant set 2 大初始穿透問題可能導致無法檢測到接觸或檢測到接觸面求解存在收斂困難。在此情況下推薦在第一個載荷步中包含漸進化效應。Step 8.為初始穿透選項指定漸進化效應 可通過conta172單元選項設置 可通過接觸向導中Initial Adjustment的設置 (1) Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete 選 Type 3 conta172 【Option】 initial penetration/gap K9 = inc

57、lude_ramp 【OK】 【close】 或命令: /prep7 KEYOPT,3,9,2,例3. 緊配合環(huán)（初始穿透）,(2)或向導 Initial Adjustment Initial penetration: Include everything with ramped effect 【OK】,例3. 緊配合環(huán)（初始穿透）,Step 9.重定位輸出到文件 Utility Menu File Switch Output to File Ramped.output 【OK】 Step 10. 分析 /Solu Solve Step 11.重定位輸出到輸出窗口 Utility Menu F

58、ile Switch Output to Output Window 命令：/output,TERM Step 12.繪徑向應力 Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu Stress X-direction SX 【OK】 或命令: /POST 1 PLNSOL,S,X,例3. 緊配合環(huán)（初始穿透）,Step 13.將軸對稱模型擴展為整個模型顯示 Utility Menu PlotCtrls Style Symmetry Expansion 2D Axi-Symmetric Select expansion amount = Full expansion 【OK】 或命令： /EXPAND,36,Axis,10 /Repxzlot ISO 顯示 /View,1,1,1 /Replot Step 14. 檢查