Ansys教程——接觸分析

概述

接觸問題屬于狀態(tài)非線性問題,是一種高度非線性行為,需要較多的計(jì)算資源,為了進(jìn)行更為有效的計(jì)算,理解問題的特征和建立合理的模型是很重要的。

接觸問題存在兩個(gè)較大的難點(diǎn):其一,在求解問題之前,不清楚接觸區(qū)域的范圍,表面之間是接觸是分離是未知的,并且隨載荷、材料、邊界條件及其他因素而變化;其二,接觸問題長需計(jì)算摩擦力,各種摩擦模型都是非線性的,使問題的收斂更加困難。

接觸問題的分類

接觸問題有兩個(gè)基本類型:剛體-柔體的接觸,柔體-柔體的接觸。在剛體-柔體的接觸問題中,有的接觸面與它接觸的變形體相比有較大的剛度而當(dāng)做剛體。一般情況下,一種軟材料和一種硬材料接觸時(shí),問題可以被近似為剛體-柔體的接觸,許多金屬成型問題歸為此類接觸。而柔體-柔體的接觸,更是一種普遍的類型,此時(shí)兩個(gè)接觸具有近似的剛度,都為變形體。

ANSYS的接觸方式

在ANSYS中通過接觸單元來識別可能的接觸匹對,接觸單元是覆蓋在模型可能接觸面上的一層單元。ANSYS支持3種接觸方式:點(diǎn)-點(diǎn)、點(diǎn)-面、面-面的接觸,每種都有相適用的單元。

1 點(diǎn)-點(diǎn)接觸

 主要用于模擬點(diǎn)-點(diǎn)的接觸行為。為了使用點(diǎn)-點(diǎn)接觸單元,需要預(yù)先知道接觸位置,這類問題只適用于接觸面之間有較小滑動的場合。如果兩個(gè)接觸面上的節(jié)點(diǎn)一一對應(yīng),相應(yīng)滑動又忽略不計(jì),兩個(gè)面撓度(轉(zhuǎn)動)保持較小量,那么就可以用點(diǎn)-點(diǎn)接觸單元來模擬該類問題,過盈裝配問題是用點(diǎn)-點(diǎn)接觸單元模擬面-面接觸的典型例子。

2 點(diǎn)-面接觸主要用于模擬點(diǎn)-面接觸行為。通過節(jié)點(diǎn)定義一個(gè)接觸面,而面既可以是剛體也可以是柔體。使用這類接觸單元,不必預(yù)先知道準(zhǔn)確的接觸位置,接觸面之間也不需要保持一致的網(wǎng)格,并且允許有較大的變形和大的相對滑動。一個(gè)典型例子就是模擬插頭插入插座。

3 面-面接觸

 將剛性面作為目標(biāo)面,將柔性面作為接觸面處理。

接觸分析的步驟

1 面-面的接觸分析

 面-面接觸分析模擬剛體-柔體、柔體-柔體的面-面接觸。將剛性面作為接觸面處理,這兩個(gè)面合起來稱為解除對。使用單元類型TARGE169和CONTA171或CONTA172來定義二維接觸對,使用單元類型TARGE170和CONTA173或CONTA174來定義三維接觸對,ANSYS通過相同的實(shí)常數(shù)號來識別接觸對。

步驟一:建立模型并劃分網(wǎng)格

需要建立代表接觸體的實(shí)體模型,與其他分析過程一樣,要設(shè)置單元類型、實(shí)常數(shù)、材料特性等,并用恰當(dāng)?shù)膯卧愋蜑榻佑|體劃分網(wǎng)格。

步驟二:識別接觸對。

ANSYS通過目標(biāo)單元和接觸單元的定義來判斷潛在的接觸面,目標(biāo)和接觸單元會跟蹤變形階段的運(yùn)動。

不同的接觸對必須通過不同的實(shí)常數(shù)號來定義。由于幾何模型和潛在變形的多樣性,有時(shí)候一個(gè)接觸面的同一區(qū)域可能和多個(gè)目標(biāo)發(fā)生接觸關(guān)系。此時(shí)應(yīng)該定義多個(gè)接觸對(使用多組覆蓋層接觸單元),每個(gè)接觸對有不同的實(shí)常數(shù)號。

步驟三:定義目標(biāo)面和接觸面。

對于剛體-柔體的接觸問題,將剛性面定為目標(biāo)面,將柔性面定義為接觸面。在二維情況下,剛性目標(biāo)面的形狀可以用一系列直線、圓弧和拋物線來描述,或者用他們的任意組合來描述復(fù)雜的目標(biāo)面。在三維情況下,目標(biāo)面的形狀可以用三角面、圓柱面、圓錐面和球面來描述,對于復(fù)雜、任意形狀的目標(biāo)面,應(yīng)用三角面來描述。

對于柔體-柔體的接觸問題,應(yīng)按下列原則來定義目標(biāo)面和接觸面:凸面定義為接觸面,凹面定義為目標(biāo)面;細(xì)網(wǎng)格定義為接觸面,粗網(wǎng)格定義為目標(biāo)面;較軟的面定義為接觸面,較硬的面定義為目標(biāo)面;高階單元面定義為接觸面,低階單元面定義為目標(biāo)面;較小的面定義為接觸面,較大的面定義為目標(biāo)面。

為了定義柔性體的接觸面,必須使用接觸單元CONTA171或CONTA172來定義二維表面,用CONTA173或CONTA174定義三維表面,接觸面和目標(biāo)面的實(shí)常數(shù)號必須相同。

步驟四:設(shè)置實(shí)常數(shù)和單元選項(xiàng)。

ANSYS使用實(shí)常數(shù)和單元選項(xiàng)來控制面-面接觸單元的接觸行為。實(shí)常數(shù)包括:FKN(法向接觸剛度因子)、FTOLN(最大穿透范圍)、ICONT(初始靠近因子)、PINB(pinball 區(qū)域)、PMIN和PMAX(初始穿透范圍)、TAUMAX(最大的接觸摩擦)、CNOF(接觸面偏移值)、FKOP(接觸發(fā)生時(shí)的剛度因子)等。

步驟五:控制剛性目標(biāo)的運(yùn)動

剛性目標(biāo)面是按實(shí)體的原始外星來建立的,而整個(gè)面的運(yùn)動是通過“plot”節(jié)點(diǎn)給定的位移來定義的。每個(gè)目標(biāo)面只能有一個(gè)plot節(jié)點(diǎn)。圓、圓弧、圓錐、圓柱、球只能定義第一個(gè)節(jié)點(diǎn)為plot節(jié)點(diǎn)。載荷和邊界條件只能施加在plot節(jié)點(diǎn)上,只有plot節(jié)點(diǎn)能與其他單元相連。為了控制目標(biāo)面的運(yùn)動,在下列任一情況下必須使用plot節(jié)點(diǎn):目標(biāo)面上作用著給定的外力、目標(biāo)面發(fā)生旋轉(zhuǎn)、目標(biāo)面和其他單元相連(例如結(jié)構(gòu)質(zhì)量單元)。

步驟六:施加必要的邊界條件。

步驟七:定義求解和載荷步選項(xiàng)

接觸問題的收斂性隨問題的不同而不同,下面列出了在大多數(shù)面-面接觸分析中都推薦使用的一些選項(xiàng):

打開自動時(shí)間步長,Main Menu——Solution——Load Step Opts——Time/Frequence——Time and Substeps

選擇完全牛頓-拉普森迭代,關(guān)閉自適應(yīng)下降因子,Main Menu——Solution——Analysis Type——Analysis Options

設(shè)置合理的平衡迭代次數(shù)(25-50),Main Menu——Solution——Loads Step Opts——Nonlinear——Equilibrium iter。

打開時(shí)間步長預(yù)測器選項(xiàng),Main Menu——Solution——Loads Step Opts——Nonlinear——Predictor。

使用線性搜索選項(xiàng)來計(jì)算穩(wěn)定化,Main Menu——Solution——Loads Step Opts——Nonlinear——Line search。

步驟八:求解

步驟九:查看結(jié)果

接觸分析的結(jié)果包括常規(guī)的位移、應(yīng)力、應(yīng)變,還有接觸壓力、滑動等接觸信息?？梢允褂肞OST1或POST26后處理器查看結(jié)果。

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