ANSYS高級接觸問題PPT學(xué)習(xí)課件

1、 分析中常常需要確定兩個(gè)或多個(gè)相互接觸物體的位移、接觸區(qū) 域的大小和接觸面上的應(yīng)力分布。 接觸分析存在兩大難點(diǎn)： 大多數(shù)接觸問題需要計(jì)算摩擦。摩擦是與路徑有關(guān)的現(xiàn)象，摩 擦響應(yīng)還可能是雜亂的，使問題求解難以收斂。 第1頁/共190頁 1 接觸分類 剛?cè)?一個(gè)表面是完全剛性的除剛體運(yùn)動外無應(yīng)變、應(yīng)力和變形，另一 表面為軟材料構(gòu)成是可變形的。 只在一個(gè)表面特別剛硬并且不關(guān)心剛硬物體的應(yīng)力時(shí)有效。 柔柔 兩個(gè)接觸體都可以變形。 第2頁/共190頁 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(diào)性（防止接觸表面相互穿透）； 在接觸表面之間傳遞接觸應(yīng)力（正壓力和摩擦）

2、。 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(diǎn)一面接觸單元； 點(diǎn)一點(diǎn)接觸單元。 第3頁/共190頁 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(gè)表面接觸 不必事先知道接觸的準(zhǔn)確位置； 兩個(gè)面可以具有不同的網(wǎng)格； 支持大的相對滑動； 支持大應(yīng)變和大轉(zhuǎn)動。 例如: 面一面接觸可以模擬金屬成型，如軋制過程。 第4頁/共190頁 第5頁/共190頁 2. 點(diǎn)一面接觸單元用于某一點(diǎn)和任意形狀的面的接觸 可使用多個(gè)點(diǎn)面接觸單元模擬棱邊和面的接觸； 不必事先知道接觸的準(zhǔn)確位置； 兩個(gè)面

3、可以具有不同的網(wǎng)格； 支持大的相對滑動； 支持大應(yīng)變和大轉(zhuǎn)動。 例：點(diǎn)面接觸可以模擬棱邊和面之間的接觸 第6頁/共190頁 第7頁/共190頁 3. 點(diǎn)點(diǎn)接觸單元用于模擬單點(diǎn)和另一個(gè)確定點(diǎn)之間的接觸。 建立模型時(shí)必須事先知道確切的接觸位置； 多個(gè)點(diǎn)點(diǎn)接觸單元可以模擬兩個(gè)具有多個(gè)單元表面間的接觸； 每個(gè)表面的網(wǎng)格必須是相同的； 相對滑動必須很??； 只對小的轉(zhuǎn)動響應(yīng)有效。 例如: 點(diǎn)一點(diǎn)接觸可以模擬一些面的接觸。如地基和土壤的接觸 第8頁/共190頁 第9頁/共190頁 3 關(guān)于耦合和約束方程的應(yīng)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(zhuǎn)動問題，那么可以用耦合或約束方

4、程代替接觸。 使用耦合或約束方程的優(yōu)點(diǎn)是分析還是線性的 第10頁/共190頁 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(diào)性 第11頁/共190頁 在數(shù)學(xué)上為保持平衡，需要有穿透值 然而，物理接觸實(shí)體是沒有穿透的 分析者將面對困難的選擇： 小的穿透計(jì)算精度高，因此接觸剛度應(yīng)該大； 然而，太大的接觸剛度會產(chǎn)生收斂困難：模型可能會振蕩，接觸表面互相跳開。 接觸剛度是同時(shí)影響計(jì)算精度和收斂的最重要的參數(shù)。你必須選定一個(gè)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(yùn)動（摩擦）。采用切向罰剛 度保證切向的協(xié)調(diào)性。（

5、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(jì)算精度產(chǎn)生影響。 第12頁/共190頁 2、接觸剛度的選取 選定一個(gè)合適的接觸剛度值需要一些經(jīng)驗(yàn)。 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(gè)比 例因子。 開始估計(jì)時(shí)，選用 FKN = 1.0 大面積實(shí)體接觸 FKN = 0.01-0.1 較柔軟（彎曲占主導(dǎo)的部分） 另外，也可以指定一個(gè)絕對剛度值，單位：（力/長度）/ 面積。 點(diǎn)一點(diǎn)（除 CONTA178）和點(diǎn)面接觸單元需要為罰剛度 KN 輸入 絕對值： 初始估計(jì)時(shí)： 對于大變形: 0.1*E KN 1.0*E

6、對于彎曲: 0.01*E KN 0.1*E E 為彈性模量 第13頁/共190頁 3、選取接觸剛度的指導(dǎo)： Step 1. 開始采用較小的剛度值 Step 2. 對前幾個(gè)子步進(jìn)行計(jì)算 Step 3. 檢查穿透量和每一個(gè)子步中的平衡迭代次數(shù) 在粗略的檢查中，如以實(shí)際比例顯示整個(gè)模型時(shí)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，并且可以在重啟動中調(diào)整。 牢記：接觸剛度是同時(shí)影響計(jì)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(yīng)該改變罰剛度來驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的

7、有效性。 在分析中減小剛度范圍，直到結(jié)果（接觸壓力、最大SEQV 等）不再明顯 改變。 第14頁/共190頁 2 摩擦 1、兩個(gè)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?xí)r允許物體沒有阻力地相互滑動； 有摩擦?xí)r，物體之間會產(chǎn)生剪切力。 2、摩擦消耗能量，并且是路徑相關(guān)行為。 為獲得較高的精度，時(shí)間步長必須?。▓D2-1） 第15頁/共190頁 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，摩擦采用庫侖模型，并有附加選項(xiàng)可處理 復(fù)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

8、不 能超過正壓力 FN 的一部分： FT Preprocessor Modeling Create Elements Surf/Contact Surf to Surf(ESURF) 對于直接生成剛性目標(biāo)面，在建立目標(biāo)單元之前需要要指定附加的單元屬性 TSHAP第24頁/共190頁 第25頁/共190頁 剛性目標(biāo)面的自動劃分不需要 TSHAP。ANSYS 能根據(jù)實(shí)體模型確定合適 的目標(biāo)單元形狀。 劃分線 (LMESH) 2D 剛性目標(biāo)面 劃分面 (AMESH) 3D 剛性目標(biāo)面 創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)(KMESH)控制節(jié)點(diǎn)（Pilot） 剛性目標(biāo)面能與控制點(diǎn)聯(lián)系起來。Pilot 實(shí)際上是只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)的單元

9、， 通過這個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動可以控制整個(gè)目標(biāo)面的運(yùn)動。ANSYS 只在 Pilot 節(jié) 點(diǎn)上檢查邊界條件而忽略其它節(jié)點(diǎn)的約束。 對可變形體目標(biāo)面建立目標(biāo)單元的步驟是： 1.先選擇可變形體表面上的節(jié)點(diǎn) 2.然后在可變形體上建立目標(biāo)單元 Main Menu Preprocessor Modeling Create Elements Surf/Contact Surf to Surf 第26頁/共190頁 ANSYS 將根據(jù)基體的網(wǎng)格確定目標(biāo)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(biāo)面時(shí)非常重要）圖 3-3 打開單元坐標(biāo)系標(biāo)志并重繪單元 /PSYMS,ESYS,1 目標(biāo)單元外法線方向應(yīng)該

10、指向接觸面。如果單元法向不指向接觸面， 用命令使之反轉(zhuǎn)： ESURF,REVE 第27頁/共190頁 例：Seal.dat (圖3-3) Step 5. 建立接觸面單元 設(shè)置接觸單元屬性、選擇可變形體表面節(jié)點(diǎn)，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(biāo)單元相同） Main Menu Preprocessor Modeling Create Elements Surf/Contact 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(biāo)單元或接觸單元時(shí)，可以選擇要在梁 或殼單元的頂層還是底層建立單元。 圖3-33-3

11、 第28頁/共190頁 在選擇柔體表面上的節(jié)點(diǎn)時(shí)，如果你確定某一部分節(jié)點(diǎn)永遠(yuǎn)不會接觸到 目標(biāo)面，可以忽略它，以減少計(jì)算時(shí)間。 接觸面的外法向應(yīng)指向目標(biāo)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(biāo)面是剛性面，目標(biāo)面將會自動固定。 定義了 Pilot 點(diǎn) ANSYS 只檢查該點(diǎn)的邊界條件，忽略目標(biāo)面上其它節(jié) 點(diǎn)約束?？刂泣c(diǎn)能控制目標(biāo)面的運(yùn)動。 對 Seal.dat 施加的邊界條見圖 33。 第29頁/共190頁 Step 7. 定義求解選項(xiàng)和載荷步，以下是默認(rèn)設(shè)置 推薦使用N.L求解自動控制 使用不帶自適應(yīng)下降的 fu

12、ll Newton-Raphson 法求解 時(shí)間步必須足夠小。使用自動時(shí)間步。 子步數(shù)的最大值（NSBMX）應(yīng)較大，最小值（NSBMIN）應(yīng)較小 Step 8. 求解 Step 9. 后處理 結(jié)果包括位移、應(yīng)力、應(yīng)變和接觸等信息。 接觸壓力、摩擦應(yīng)力、總應(yīng)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。 第30頁/共190頁 面一面接觸分析實(shí)例（建立接觸對不通過接觸向?qū)В?實(shí)例1：彈性環(huán)裝配 第31頁/共190頁 軸對稱 施加位移載荷：在 L45 線上施加 0.4的 Y 向位移 打開幾何 N.L 開關(guān) (NLGEOM,on) 設(shè) Time =

13、0.4 并為自動時(shí)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(jié)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(gè)齒咬 合。 問題以彎曲為主，設(shè) FKN = 0.1 第32頁/共190頁 GUI 方式： Step 1. 恢復(fù)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(biāo)單元與接觸單元）。 Utility Menu File Resume from 選 Snap.db 【OK】 基體單元: Plane42,1 軸對稱 材料: MAT,1 EX = 0.175e

14、6; NUXY = 0.35 ; MU = 0.0 MAT,2 EX = 90000; NUXY = 0.35 約束節(jié)點(diǎn) 163 UY = 0 182 UY = 0 第33頁/共190頁 Step 2. 創(chuàng)建目標(biāo)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. 建立接觸面單元類型 Main Menu Preprocessor E

15、lement Typer Add/Edit/Delete 【Add】 contact 2nd Surf 171 Element typer reference number = 3 【OK】 【close】 或命令: ET,3,conta171 第34頁/共190頁 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 FKN = 0.1(對彎曲問題采用初

16、值0.1) Penetration tolerance FTOLN = 0.1 (不用此,不收斂) 或命令：R,1,0.1,0.1 第35頁/共190頁 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(rèn)），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(shí)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(yīng)地減少侵入，但是 接觸壓力只改變 5。 如不收斂可調(diào)整 FKN 或 FTOLN 值重新運(yùn)行。檢查 侵入和每個(gè)子步的平衡

17、迭代數(shù)，如果收斂受侵入容 差的驅(qū)使可能是FKN 值估計(jì)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(jì)得太高。 第36頁/共190頁 Step 5. 創(chuàng)建目標(biāo)單元 (1) 為目標(biāo)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(diǎn)(圖3-6) Utility Menu Select Entities Nodes Attached to lines,all 【OK】 或命令： NSLL,S,1

18、 NPlot 圖3-53-5 圖3-63-6 第37頁/共190頁 (3).設(shè)置單元屬性 Main Menu Preprocessor Create Element Elem Attributes 或命令： Type,2 Mat,1 Real,1 第38頁/共190頁 (4).創(chuàng)建目標(biāo)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(shí)體單元 “Tlab” 無效，如果基體單元是 2D 單元， “Shape” 無效。 選 【pick all】 或命

19、令： ESURF(圖3-7) 圖3-73-7 第39頁/共190頁 Step 6. 創(chuàng)建接觸單元 (1) 為接觸面選線 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(diǎn)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3-83

20、-8 圖3-93-9 第40頁/共190頁 (3) 設(shè)置單元屬性 Main Menu Preprocessor Create Element Elem 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

21、】 【PICK ALL】(圖3-10) 或命令: ESURF 第41頁/共190頁 Step 7. 選擇所有選項(xiàng)并畫單元 Utility Menu Select Everything 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 第4

22、2頁/共190頁 第43頁/共190頁 4 應(yīng)用接觸向?qū)?chuàng)建接觸對 所有面面接觸的單元選項(xiàng)和參數(shù)都可以通過接觸向?qū)砜刂啤Ｊ褂媒?觸向?qū)нM(jìn)行接觸分析方便快捷 ： 自動定義單元類型和實(shí)常數(shù) 快速得到接觸選項(xiàng)和參數(shù) 快速顯示和反轉(zhuǎn)接觸法向 使用接觸向?qū)П仨毷紫葘w進(jìn)行網(wǎng)格劃分，否則不能激活接觸向?qū)А?下面仍以彈性環(huán)裝配接觸問題為例。采用接觸向?qū)瓿山佑|對的創(chuàng)建來 說明接觸向?qū)У氖褂梅椒ā?Step 1. 恢復(fù)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

23、條件。但不包括接觸單元與目標(biāo)單元及接觸有 關(guān)的參數(shù)。 第44頁/共190頁 Step 2.啟動接觸向?qū)?Main Menu Preprocessor Modeling Create Contact Pair 第45頁/共190頁 Step 3. 創(chuàng)建接觸對 圖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) 第46頁/共190頁 圖45 【opening setting】圖46 第47頁/共190頁 圖46 第48頁/共190頁 Step 4. 設(shè)置接觸參數(shù) 【OK】 返回圖45【create】 【Fin

24、ish】返回圖42 第49頁/共190頁 退出 Step 5.求解 求解過程同前 圖42 第50頁/共190頁 5 實(shí)例 2 平面密封圈計(jì)算 驗(yàn)證為接觸剛度估計(jì)一個(gè)合適的初始值的重要性 驗(yàn)證接觸分析中摩擦的應(yīng)用 彈性庫侖摩擦 驗(yàn)證基于接觸單元臨界狀態(tài)變化的時(shí)間步預(yù)測如何會對計(jì)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 第51頁/共190頁 分析此模型采用兩種方法： 1. 不使用接觸向?qū)?，建立命流文?Seal.inp 2. 使用接觸向?qū)?chuàng)建接觸對，并用 GUI 方式創(chuàng)建 Pilot 節(jié)點(diǎn)。 本例具有： 幾何 N.L（大應(yīng)變與大變形） 材料 N.L（超彈） 接觸 N.L 數(shù)

25、據(jù)文件: Seal.inp 第52頁/共190頁 Step 1. 建模：單元類型、實(shí)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,3,0.867,0.867 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,

26、1 ! 將l,1,2命令重復(fù)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(yīng)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 ! L10 圖5-25-2 第53頁/共190頁 ! * 基體分網(wǎng) * lesize,8,2 $lesize,13,4 $lesize,14,4 esize,0.035 type

27、,1 mat,1 amesh,all save,seal,db 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(jì)算然后再有摩擦計(jì)算，比較結(jié) 果 r,1,0.1,0.1 ! 用實(shí)常數(shù)定義接觸高級選項(xiàng)對于彎曲為主的問題，采用接觸剛度FKN = 0.1作為初始估計(jì)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 第54頁/共190頁 !

28、 * 創(chuàng)建接觸對1（定義實(shí)常數(shù)和分網(wǎng)） * type,2 ! 目標(biāo)面 1 Target169 real,1 ! Target169的實(shí)常數(shù) mat,1 ! 接觸面 1 定義材料與超彈單元同 lesize,15,1 ! 目標(biāo)面1（L15）分網(wǎng)尺寸(圖53) lmesh,15 ! 目標(biāo)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(shí)常數(shù)（與目標(biāo)面1一致）、分網(wǎng) lsel,s,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 !

29、選擇和所選線相連系的節(jié)點(diǎn) type,3 ! Conta171這里未發(fā)布Real,1，實(shí)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5 53 3 第55頁/共190頁 ! * 創(chuàng)建接觸對2 * type,2 ! 目標(biāo)面2 Target169 real,2 ! MAT未重新定義，就是前面的MAT, 1 lesize,16,1 ! 目標(biāo)面2 lmesh,16 ! L16分網(wǎng)（目標(biāo)2分網(wǎng)） kmesh,27 ! 指定Pilot點(diǎn) ! * 檢查外法線方向【OK】 * type,3 ! 接觸面2

30、 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】 * 第56頁/共190頁 ! 剛性面1 被約束 ! 剛性面2 隨Pilot點(diǎn)移動 ! L4對稱約束 dl,4,ux,0 n_load=node(kx(27),ky(27),0) ! 為定義剛性面2的位移做準(zhǔn)備 finish /solu nlgeom,on solc,o

31、n ! N.L求解自動控制打開（缺省） time,0.85 ! 載荷步、結(jié)束時(shí)間 d,n_load,uy,-0.85 nsubst,25,500,10 outres,all,all monitor,var3,n_load,fy 第57頁/共190頁 Solve /post1 pldsp,2 ! 變形圖 plnsol,s,eqv,0,1 ! Von Mises 應(yīng)力云圖 plnsol,cont,pres,0, ! 接觸壓力圖 plnsol,epto,eqv ! 繪等效總應(yīng)變圖54 save,seal,db 第58頁/共190頁 第59頁/共190頁 定義反力變量、繪載荷變形圖 Utility M

32、enu Plot Elements Main Menu Time Hist Postpro Define Variables 【Add】 Reaction force 【OK】 拾取節(jié)點(diǎn)263(控制點(diǎn)) 【OK】 User-Specified Load = FORCE: FY 【OK】 【close】 或命令： /POST 26 RFORCE,2,263,F,Y,FORCE Main Menu Time Hist Postpro Graph Variables 1st Variable to gragh = 2 【OK】 或命令： PLVAR, 2 (圖54) 圖5 54 4 第60頁/共19

33、0頁 2、用接觸向?qū)?chuàng)建接觸對，用 GUI 方式創(chuàng)建 Pilot 節(jié)點(diǎn)（剛性面 控制點(diǎn)），然后求解。 Step 1. 恢復(fù)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(biāo)單元，未定義接觸對） Utility Menu File Resume from 選 Seal.db 【OK】 Step 2. 啟動接觸向?qū)?Main Menu Preprocessor Modeling Create Contact Pair 圖 42 【contact Wizard】 第61頁/共190頁 創(chuàng)建接觸對1 圖 55 第62頁/共190頁 選線(1)( (1)( 接觸對1 1的目標(biāo)

34、面) )【OKOK】返回圖5 55 5【nextnext】 圖56 選線(2) (接觸對1的接觸面)【OK】；返回圖56【next】 第63頁/共190頁 Step 3.設(shè)置接觸參數(shù) 圖57 第64頁/共190頁 圖58 圖59 定義摩擦 (圖59) 【OK】返回圖 57 Coefficient friction 0.2 【Create】 第65頁/共190頁 511 圖512 接觸對 1 (圖511) 圖510圖 第66頁/共190頁 Step 5.創(chuàng)建目標(biāo)單元控制點(diǎn) 圖514 第67頁/共190頁 Value: -0.5 【OK】 第68頁/共190頁 施加對稱邊界條件： Main Men

35、u 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 第69頁/共190頁 Main Menu Solution Solve 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 /PO

36、ST26 Main Menu TimeHist Postpro 選控制點(diǎn)27， 繪圖(見圖5-4)。 第70頁/共190頁 面一面接觸具有 20 個(gè)可用實(shí)常 數(shù)，2 個(gè)材料屬性和 30 個(gè)可用單元 選項(xiàng)設(shè)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(shè)置遇到困難時(shí)才用 高級選項(xiàng)。 所有的單元選項(xiàng)和參數(shù)都可以通 過接觸向?qū)砜刂?；也可以通過實(shí)常 數(shù)和單元選項(xiàng)來指定。 Conta178 接觸單元、實(shí)常數(shù)選 項(xiàng)見圖 6-1 及 6-2。 圖6-1 第71頁/共190頁 圖 6-2 第72頁/共190頁 進(jìn)入接觸選項(xiàng)菜單用下列過程

37、： 第73頁/共190頁 1、最重要的選項(xiàng)是法向罰剛度或接觸剛度 第74頁/共190頁 2、第 2 個(gè)重要選項(xiàng)穿透容差。 第75頁/共190頁 3、對于臨界接觸狀態(tài)變化的自動時(shí)間步控制 第76頁/共190頁 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(yuǎn)” 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?cè)幔┗?2基 體單元厚度（柔一柔） 可以為 Pinball 半徑指定一個(gè)不同的值。 圖6-3 第77頁/共190頁 也可用實(shí)常數(shù)PINB調(diào)整球

38、形區(qū)（對于初始值侵入大的問題是必要的）。 第78頁/共190頁 5、幾種不同的接觸模式 這些選項(xiàng)使你能夠模擬特殊的物理現(xiàn)象。 或單元選項(xiàng): Behavior contact surface K12: standard 這些選項(xiàng)包括： 標(biāo)準(zhǔn)：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(biāo)面和接觸面一旦建立接觸就不再分離（允許滑動） 綁定：目標(biāo)面和接觸面一旦接觸就粘在一起 不分離（永遠(yuǎn)）：初始位于 Pinball 區(qū)域內(nèi)或已經(jīng)接觸的接觸檢查點(diǎn)在法向不分離（允許滑動） 綁定接觸（永遠(yuǎn)）：初始位于 P

39、inball 區(qū)域內(nèi)或已經(jīng)接觸的接觸檢查點(diǎn)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(jì)算實(shí)例：懸臂梁端部旋轉(zhuǎn)（不分離行為） 第79頁/共190頁 6、影響某些表面行為的選項(xiàng) Contact Opening stiffness（分開時(shí)的間隙剛度）保證不分離和綁定行 為，它通過使用當(dāng)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。 第80頁/共190頁 摩擦系數(shù)影響基本摩擦行為： Contact co

40、hesion 表示當(dāng)沒有法向壓力時(shí)開始滑動的摩擦應(yīng)力值。 摩擦導(dǎo)致非對稱剛度陣。因?yàn)榉菍ΨQ矩陣很難計(jì)算（因此導(dǎo)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(shí)，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(xiàng)。 記?。哼@種情況必須使用稀疏或波前求解器。 對于每個(gè)支持非對稱矩陣的單元，此選項(xiàng)也可以由下列菜單激活： Main Menu Solution Unabridged Menu Analysis Options 設(shè)置 Newton-Raphson 選項(xiàng)為 Full N_R unsymm 第81頁/共190頁 7、初始穿透 有幾

41、種技術(shù)可以模擬初始穿透接觸問題（如過盈裝配）?？梢允褂贸跏紟?何穿透，或指定偏移量，或二者皆有。(圖6-5) 指定偏移量（CNOF） 或在實(shí)常數(shù)中指定偏移量（CNOF）contact surface offset CNOF: 0.025 第82頁/共190頁 正的 CNOF 加大初始穿透 負(fù)的 CNOF 減小初始穿透或?qū)е麻g隙 CNOF 可與幾何穿透組合 自動 CNOF 調(diào)整 允許 ANSYS 基于初始穿透自動給定 CNOF 值。 導(dǎo)致 “剛好接觸” 配置 ICONT 缺省為 0 或單元選項(xiàng): Auto CNOF/ICONT adjustment K5: No. Auto. Adjust 第8

42、3頁/共190頁 初始穿透選項(xiàng)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(yīng)。 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 第84頁/共190頁 如果模型包含初始幾何穿透，接觸力將立即“階躍”到一個(gè)大值。 載荷突變經(jīng)常導(dǎo)致收斂困難，期望有一種機(jī)制

43、能夠?qū)⒊跏即┩感?yīng)漸變到零。 Include with ramped effects 和 Include off set only w/ramp選項(xiàng)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(jié)果，在第一載荷步不應(yīng)施加其 它載荷 (圖6-6)。 計(jì)算實(shí)例：初始穿透 圖6-6 第85頁/共190頁 初始不接觸的兩個(gè)（或多個(gè)）物體的靜力分析 中，在接觸建立前可能產(chǎn)生剛體運(yùn)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(gè)物體分離，剛度矩陣奇異。 ANSYS 將產(chǎn)生一個(gè)負(fù)主元警告。有幾個(gè)選項(xiàng) 可以解決由于初始不

44、相連物體引起的剛體模式： 圖6-7 第86頁/共190頁 三個(gè)高級接觸特性允許調(diào)整初始接觸條件以防止剛體模式： (1).自動 CONF 調(diào)整 程序計(jì)算 CNOF 以清除間隙。 (2).初始接觸環(huán)（ICONT） 將調(diào)整帶內(nèi)接觸表面上的節(jié)點(diǎn)移到目標(biāo)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(diǎn) ESURF ! 創(chuàng)建目標(biāo)單元Target169 ! * TYPE,3 ! Mat, 2 ; Real, 2 LSEL,LOC,X,2 NSLL,S,1 ESURF ! 創(chuàng)建接觸面conta17

45、2 ALLSEL,ALL 第97頁/共190頁 /SOLUTION D,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 第98頁/共190頁 分析步驟： Step 1.恢復(fù)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 Utili

46、ty Menu File Switch Output to File 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(yīng)力 Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu Stress X-direction

47、 SX 【OK】 第99頁/共190頁 或命令: /POST1 PLNSOL,S,X ! 結(jié)果：徑向應(yīng)力0 Step 6.列表顯示接觸結(jié)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 第100頁/共190頁 Step 7.檢查輸出文件內(nèi)容（interference.output） *

48、NOTE * No contact was detected for a contact pair specified by real constant set 2 大初始穿透問題可能導(dǎo)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(gè)載荷步中包含漸進(jìn)化效應(yīng)。Step 8.為初始穿透選項(xiàng)指定漸進(jìn)化效應(yīng) 可通過conta172單元選項(xiàng)設(shè)置 可通過接觸向?qū)е蠭nitial Adjustment的設(shè)置 (1) Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete 選 Type 3 conta172 【Option】 initia

49、l penetration/gap K9 = include_ramp 【OK】 【close】 或命令: /prep7 KEYOPT,3,9,2 第101頁/共190頁 (2)或向?qū)?Initial Adjustment Initial penetration: Include everything with ramped effect 【OK】 第102頁/共190頁 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

50、到輸出窗口 Utility Menu File Switch Output to Output Window 命令：/output,TERM Step 12.繪徑向應(yīng)力 Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu Stress X-direction SX 【OK】 或命令: /POST 1 PLNSOL,S,X 第103頁/共190頁 Step 13.將軸對稱模型擴(kuò)展為整個(gè)模型顯示 Utility Menu PlotCtrls Style Symmetry Expansion 2D Axi-Symmetric

51、 Select expansion amount = Full expansion 【OK】 或命令： /EXPAND,36,Axis,10 /Repxzlot ISO 顯示 /View,1,1,1 /Replot Step 14. 檢查輸出文件 ramped.output Initial penetration will be ramped during the first load step 在第一載荷步，初始穿透漸進(jìn)化。 * NOTE * Max. Initial penetration 0.1 was detected between contact element 425 and t

52、arget element 405 specified by read constant set 2 檢測到大的初始穿透 第104頁/共190頁 剛體模式應(yīng)用初始接觸環(huán) ICONT） 目標(biāo)：驗(yàn)證使用初始接觸環(huán)調(diào)整帶來克服接觸分析 中的剛體模式 模型描述：2D 平面應(yīng)力、1/4 對稱、施加壓力 (圖7-6) 文件名: ICONT.inp /prep7 CYL4,0,0,0,0,1,90 RECTNG,0,2.5,1.003,1.5 ! 圖7-7 ET,1,182 ! Plane182 2D Structural Solid 4節(jié)點(diǎn)UX, UY平面應(yīng)力、平面應(yīng)變和軸對稱 單 元、大變形、大應(yīng)變 圖

53、7-6 圖7-7 例4. 兩剛性面間夾圓柱體分析 第105頁/共190頁 ET,2,169 ! Target169 ET,3,171 ! Conta171 MP,EX,1,1000 MP,EX,2,30E6 MP,MU,3,0 ESIZE,0.1 AMESH,1 ! type, 1 ;mat, 1 MAT,2 AMESH,2 ! * 創(chuàng)建目標(biāo)目單元 * TYPE,2 MAT,3 REAL,2 LSEL,LOC,Y,1.003 NSLL,1 ESURF ! * 創(chuàng)建接觸單元 * TYPE,3 CSYS,1 LSEL,LOC,X,1 NSLL,1 ESURF CSYS,0 LLSEL,ALL /S

54、OLUTION LSEL,LOC,X,0 DL,ALL,UX,0 LSEL,LOC,Y,0 DL,ALL,UY,0 LSEL,LOC,Y,1.5 SFL,ALL,PRES,200 ALLSEL,ALL ! * 求解控制 * NLGEOM,ON NSUBST,10,100,5 SBCTRAN /PBC,U,1 /PSF,PRES,NORM,2 /NUMBER,1 /PNUM,MAT,1 EPLOT SAVE,ICONT,db 其中ICONT.db數(shù)據(jù)文件包括此模型的有限元模型、接觸對、邊界條件、 載荷、材料定義等。 例4. 兩剛性面間夾圓柱體分析 第106頁/共190頁 例4. 兩剛性面間夾圓柱

55、體分析 第107頁/共190頁 分析步驟： Step 1.恢復(fù)數(shù)據(jù)庫 Utility Menu File Resume from 選 ICONT.db 【OK】 Step 2.重定位輸出到文件 Utility Menu File Switch Output to File ICONT.output 【OK】 Step 3.求解接觸分析 /Solu solve 產(chǎn)生錯(cuò)誤，不能求解 Utility Menu List Files Error File Error: 兩部分之間的小間隙產(chǎn)生剛體模式，導(dǎo)致 “自由度超限” 錯(cuò)誤。 DOF (e.g Displacement)limit exceeded

56、 at time 3.5e-02 檢查輸出文件 ICONT.output ANSYS提供接觸對信息用于診斷。 ICONT.OUTPUT * NOTE * Min Initial gap 4.022432169e-3 was detected between contact element 264 and target element 224 specified by real constant set2. 此例中采用最小初始間隙估計(jì)初始接觸環(huán)的值，間隙大小為 0.004 in，因此采用絕對值ICONT = -0.005in 第108頁/共190頁 Step 4. 指定初始接觸環(huán)絕對值 -0.0

57、05 in 在單元實(shí)常數(shù)中賦 Main Menu Preprocessor Real Constant Add/Edit/Delete 第109頁/共190頁 或用向?qū)зx值 或命令： /Prep 7 RMODIF,2,5,-0.005 ! ICONT = -0.005 注意: 推薦只用小值, ICONT 值太大將導(dǎo)致模型不連續(xù) 第110頁/共190頁 Step 5. 求解接觸分析 /Solu solve Step 6. 重定位輸出到輸出窗口 Utility Menu File Switch Output to Output Window 或命令：/OUTPUT,TERM Step 7. 后處理

58、：繪位移總矢量 Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu DOF Solution USUM 【OK】 或命令: /POST 1 PLNSOL, U, SUM Step 8. 檢查輸出文件 ICONT.output * NOTE * Absolute initial closure ICONT 0.5000e-02 指定的初始接觸環(huán)調(diào)整帶成功的防止了剛體運(yùn)動。 例4. 兩剛性面間夾圓柱體分析 第111頁/共190頁 例4. 兩剛性面間夾圓柱體分析 第112頁/共190頁 本例也可以用向?qū)?Automatic

59、Contact adjustment:c lose gap 或單元設(shè)置: Automatic CNOF adjustment KS close gap 防止剛體運(yùn)動而不輸入 ICONT=-0.005 或命令： /prep 7 KEYOPT,3,5,1 例4. 兩剛性面間夾圓柱體分析 第113頁/共190頁 （剛體模式-應(yīng)用初始穿透范圍 PMIN-PMAX） 目標(biāo)：驗(yàn)證采用初始穿透范圍來克服接觸分析中 的剛體模式采用合適的初始穿透范圍絕對值（- PMIN Mat,1 MAT,2 AMESH,2 ! * 創(chuàng)建目標(biāo)單元 * TYPE,2 REAL,2 LSEL,LOC,Y,1 ! 選L4 NSLL,

60、1 ESURF ! * 創(chuàng)建接觸面單元 * TYPE,3 ! Mat,2; Real,2 CSYS,1 LSEL,LOC,X,1 第115頁/共190頁 NSLL,1 ESURF CSYS,0 ALLSEL,ALL ! * 加約束和載荷 * /SOLUTION LSEL,LOC,X,0 DL,ALL,UX,0 LSEL,LOC,Y,0 DL,ALL,UY,0 LSEL,LOC,Y,2.5 SFL,ALL,PRES,50 ALLSEL,ALL ! * 求解控制 * NLGEOM,ON NSUBST,10,100,5 SBCTRAN /PBC,U,1 /PSF,PRES,NORM,2 /NUMBE