干貨 | 接觸非線性應(yīng)用——解決ANSYS 接觸不收斂問(wèn)題的方法

2017-11-07 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

根據(jù)ANSYS的使用者反饋,針對(duì)非線性接觸問(wèn)題上的求解,經(jīng)常會(huì)有客戶出現(xiàn)不收斂的情況,在調(diào)試收斂性上花費(fèi)大量的時(shí)間。本文主要針對(duì)ANSYS 接觸不收斂問(wèn)題進(jìn)行方法上的技巧總結(jié),希望通過(guò)本文使大家在ANSYS軟件的使用上有更好的體驗(yàn)。

ANSYS接觸不收斂的原因有非常多的原因,針對(duì)每一種不收斂問(wèn)題,選擇正確的方法都能使不收斂問(wèn)題解決變得容易起來(lái)。在使用軟件中,ANSYS接觸不收斂原因主要有下面這些原因:

1、接觸算法的不正確選擇;

2、遺漏了相關(guān)的接觸對(duì);

3、物體之間接觸剛度過(guò)大;

4、求解的載荷步較少;

5、奇異;

6、結(jié)構(gòu)發(fā)生了剛體位移;

7、結(jié)構(gòu)發(fā)生振蕩現(xiàn)象;

下面針對(duì)這些原因的解決辦法進(jìn)行詳細(xì)的講解:

1接觸算法的選取原則

ANSYS內(nèi)部大體上包括5種算法,Pure Penalty,Augmented Lagrange,MPC,Pure Lagrange,Beam。

算法	應(yīng)用范圍
Pure Penalty	Workbench默認(rèn)算法,計(jì)算速度快
Augmented Lagrange	ANSYS經(jīng)典界面默認(rèn)算法,計(jì)算精度較高,收斂性好
Multipoint Constraint (MPC)	經(jīng)常和Bonded聯(lián)合使用,用于大模型的裝配定義,可大大降低計(jì)算時(shí)間,還或用于不同類型單元之間的連接
Lagrange	常用于模擬接觸面之間零穿透并且存在摩擦的情況,例如模擬橡膠——金屬之間的接觸
Beam	主要計(jì)算梁與梁之間的接觸(使用較少)

在大多數(shù)情況下,針對(duì)非線性接觸問(wèn)題時(shí)候,Augmented Lagrange是最好的收斂算法;當(dāng)需要研究結(jié)構(gòu)的振蕩問(wèn)題時(shí),由于考慮零滲透問(wèn)題,選擇使用Lagrange方法能更好的提高精度,同時(shí)由于零滲透的原因使得計(jì)算時(shí)間變得更長(zhǎng)。

針對(duì)非線性接觸問(wèn)題,方法的正確選擇,可以使得收斂困難的問(wèn)題變得容易收斂。

2遺漏接觸對(duì)

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圖1、擠壓變形示意圖

如圖1所示,擠壓一個(gè)塑性材料結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)在外力的作用中,中端出現(xiàn)了褶皺,形成了自接觸現(xiàn)象。很多時(shí)候工程師由于對(duì)工程問(wèn)題的不夠了解,使得相關(guān)的接觸對(duì)發(fā)生了遺漏。這一部分遺漏的接觸對(duì),使得結(jié)構(gòu)發(fā)生變形后單元發(fā)生了畸變,不僅影響仿真計(jì)算結(jié)果精度,在很大程度上使得單元發(fā)生扭曲造成結(jié)構(gòu)的不收斂現(xiàn)象。

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圖2、解除對(duì)的正確建立

除了保證接觸對(duì)的正確生成,在另外一個(gè)層面上,還需要建立正確的接觸對(duì)形式,如圖2所示,第一種法法將每一個(gè)面與對(duì)應(yīng)的面生成接觸對(duì),第二種方法將接觸對(duì)進(jìn)行整合,作為一個(gè)接觸對(duì)。兩種方法雖然在形式上都是正確的,然而使用第一種方法時(shí),結(jié)構(gòu)在兩個(gè)接觸對(duì)交接處會(huì)數(shù)值由于偏差,往往使得接觸的收斂變的困難;而第二種方法將接觸的面作為一個(gè)單一接觸能避免這種問(wèn)題的出現(xiàn),使得接觸的收斂性更好。

3接觸剛度大

ANSYS求解接觸問(wèn)題的時(shí)候,接觸剛度對(duì)收斂性影響顯著。大多數(shù)情況下缺省設(shè)置有效,但對(duì)于以彎曲為主的接觸問(wèn)題,這種缺省設(shè)置往往是不能解決問(wèn)題的。當(dāng)接觸不好收斂的情況下,通過(guò)查看收斂曲線,會(huì)發(fā)現(xiàn)收斂曲線會(huì)平行于收斂準(zhǔn)則。如下圖所示,分別使用FKN=0.1和FKN=0.01兩種情況下的接觸對(duì)收斂曲線,發(fā)現(xiàn)選擇較小的罰剛度值(FKN),可以是接觸收斂更容易。

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當(dāng)調(diào)整接觸剛度后,雖然可以調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的收斂性,然而接觸由于剛度的變化使得滲透量變大,因此需要查看結(jié)果中結(jié)構(gòu)之間的滲透量,對(duì)結(jié)果精度進(jìn)行判斷。

4載荷步少

在求解非線性問(wèn)題的時(shí)候,初始時(shí)間步必須不斷的調(diào)試,使得結(jié)構(gòu)的收斂曲線會(huì)在收斂半徑以內(nèi)。

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如果對(duì)于大變形問(wèn)題,通常需要更多的子步,用以捕捉模型受力過(guò)程,復(fù)雜的載荷則需要使用重啟動(dòng)來(lái)多次條件時(shí)間步長(zhǎng)。

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5奇異

結(jié)構(gòu)發(fā)生奇異,收斂困難的原因,很多情況都是在物理意義上,有限元模型不準(zhǔn)確造成的。例如:如果使用點(diǎn)載荷去做塑性分析,將沒(méi)有辦法獲得收斂結(jié)果。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)上產(chǎn)生了奇異,局部的奇異會(huì)使得整個(gè)結(jié)構(gòu)不收斂。這個(gè)對(duì)于接觸分析也是一樣的。如果使用簡(jiǎn)化的結(jié)果或者使用太粗的網(wǎng)格,造成的接觸區(qū)域是點(diǎn)接觸,那么很有可能使問(wèn)題不收斂。

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奇異性造成不收斂的另外一個(gè)原因是單元中同時(shí)夾雜著三角形單元和四邊形單元,導(dǎo)致求解單元的方程和單元發(fā)生了混亂。如果一些元素在局部扭曲使得結(jié)果發(fā)生錯(cuò)誤,可以嘗試使用較粗的網(wǎng)格劃分這個(gè)區(qū)域,以避免這些問(wèn)題。

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6剛體位移

除了網(wǎng)格,單元設(shè)置方面導(dǎo)致接觸不收斂。由于數(shù)值問(wèn)題導(dǎo)致有限元模型不正確,這個(gè)就是我們常說(shuō)的結(jié)構(gòu)發(fā)生了剛體位移。

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導(dǎo)致剛體位移,大多數(shù)情況都是由于建模不嚴(yán)謹(jǐn)導(dǎo)致模型之間有間隙或者穿透,因此需要在軟件中關(guān)閉間隙或者穿透,或者通過(guò)CONTACT Tools對(duì)結(jié)構(gòu)的接觸滲透間隙值進(jìn)行審查。

7振蕩

導(dǎo)致結(jié)構(gòu)接觸不收斂的另外一個(gè)原因是由于結(jié)構(gòu)在受力過(guò)程中發(fā)生了振蕩。當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)的時(shí),可以通過(guò)引入小的摩擦系數(shù)加載所有的接觸單元上(摩擦系數(shù)可以用MU=0.01or0.1)緩解結(jié)構(gòu)振蕩的效果,使得接觸的收斂性更好。