第9講-接觸問(wèn)題分析

1幾何非線性與屈曲分析應(yīng)用實(shí)例第9講2

本實(shí)例中將進(jìn)行一個(gè)兩塊鋼板壓一個(gè)圓盤(pán)的非線性分析，如圖所示，由于上下兩塊鋼板的剛度比圓盤(pán)的剛度大得多，鋼板與圓盤(pán)壁面之間的和摩擦足夠大，因此，在建模時(shí)只建立圓盤(pán)的模型。詳細(xì)參數(shù)如下：

EX＝1000MPa（彈性模量）YieldStrength=1MPa（屈服強(qiáng)度）

NUXY＝0.35（泊松比）TangMod=2.99MPa（剪切模量）實(shí)例1:兩塊鋼板壓一個(gè)圓盤(pán)的大應(yīng)變非線性分析ANSYS3/prep7/title,upsettinget,l,106,,,1mp,ex,1,1000mp,nuxy,,0.3tb,biso,1tbdata,,1,2.99rect,0,6,0,1.5lesi,1,,,12lesi,2,,,5mshape,0,2dmshkey,1amesh,allnsel,y,1.5cp,1,uy,allnsel,allfini(6,1.5)(0,0)1254/solunsel,s,loc,x,0dsym,symm,xnsel,s,loc,y,0dsym,symm,ynsel,alld,all,uznsel,y,1.5d,all,uxnsel,all/solutionnlgeom,onpred,ond,14,uy,-0.3time,0.3autots,onnsubst,120outres,all,10solve/postlset,last/dsca,,1pldi,2plns,nl,svfini/post26rfor,2,14,f,yadd,2,2,,,,,,-1.0plva,2fini5位移等值線圖等效應(yīng)力等值線圖6實(shí)例2:圓柱殼非線性屈曲分析實(shí)例(ANSYS)圓柱殼的非線性屈曲分析結(jié)構(gòu)問(wèn)題描述：一個(gè)對(duì)邊簡(jiǎn)支的圓柱殼，在其中心作用一個(gè)垂直的集中載荷。我們的目的是分析當(dāng)載荷大小為1000N時(shí)，A、B兩點(diǎn)的垂直位移（UY）。問(wèn)題詳細(xì)說(shuō)明：材料特性：EX=3.10275KN/mm2（楊氏模量）NUXY=0.3（泊松比）幾何特性：R=2540mL=254mH=6.35m＝0.1rad載荷：p=1000N7FINI

/CLE

/PREP7

smrt,off

ET,1,SHELL63,,1

R,1,6.350!殼厚度MP,EX,l,3102.75

MP,NUXY,1,0.3

/COMCREATEFINITEELEMENTMODEL

R1=2540!殼中面半徑L=254!取一半PI=4*ATAN(l)!值THETA=0.1*180/PlCSYS,1!柱坐標(biāo)N,l,R1,90!建立節(jié)點(diǎn)1和2N,2,Rl,90,LK,1,R1,90

K,2,R1,(90－THETA)

K,3,R1,90,L

K,4,R1,(90－THETA),L

ESIZE,,2!單元尺寸A,1,3,4,2

AMESH,1

NUMMRG,NODE

/COMAPPLYBOUNDARYCONDITIONSNSEL,S,LOC,Z,0

DSYM,SYMM,Z

NSEL,S,LOC,Y,90

DSYM,SYMM,X

NSEL,S,LOC,Y,(90-THETA)

D,ALL,UX,,,,,UY,UZ

NSEL,ALL

FINISH

SAVE,BUCKLEZ,DBRESUME,BUCKLEZ,DB/SOLUTION

ANTYPE,STATIC

NLGEOM,ON!大變形OUTRES,,1!每子步輸出結(jié)果F,1,FY,-250!1/4對(duì)稱載荷NSUBST,30!用30步開(kāi)始ARCLEN,ON,4

SOLVE

FINISH

/POST26

NSOL,2,1,U,Y!存節(jié)點(diǎn)1的UY位移NSOL,3,2,U,Y!存節(jié)點(diǎn)2的UY位移PROD,4,l,,,LOAD,,,4*250!總載荷4*250PROD,5,2,,,,,,-l!改變位移符號(hào)PROD,6,3,,,,,,-l

*GET,UY1,VARI,2,EXTREM,VMIN*GET,UY2,VARI,3,EXTREM,VMIN

PRVAR,2,3,4!/AXLAB,Y,TOTALLOAD(N)

/GRID,1

/XRANGE,O,35

/YRANGE,-500,1050

XVAR,5

PLVAR,4!繪出隨UY變化的載荷XVAR,6PLVAR,4

FINISH8第六章接觸問(wèn)題分析

9狀態(tài)非線性只能承受張力的纜索的松弛與張緊滾輪與支撐的接觸與脫開(kāi)凍土的凍結(jié)與解凍接觸隨著它們狀態(tài)的變化，它們的剛度顯著變化。接觸是一種很普遍的非線性行為，它是狀態(tài)變化非線性類型中一個(gè)特殊而重要的子集，是一種高度非線性行為。剛體－柔體接觸柔體－柔體接觸面－面接觸點(diǎn)－面接觸點(diǎn)－點(diǎn)接觸概述10接觸問(wèn)題的描述方法產(chǎn)生接觸的兩個(gè)物體必需滿足無(wú)穿透約束條件

uA—A點(diǎn)增量位移向量；n—單位法向量；

D—為接觸距離容限。

無(wú)穿透接觸約束

11接觸算法基本流程

1．定義接觸體2．探測(cè)接觸3．施加接觸約束4．模擬摩擦5．修改接觸約束6．檢查約束的變化7．判斷分離和穿透8．以及熱—機(jī)耦合的接觸傳熱等。12(一)、面－面接觸分析剛體－柔體的接觸模型，只需給可能成為柔體接觸面的部分劃分網(wǎng)格。涉及到兩個(gè)邊界的接觸問(wèn)題中:

把一個(gè)邊界作為“目標(biāo)”面，而把另一個(gè)作為“接觸”面。接觸單元?jiǎng)傮w－柔體柔體－柔體“接觸”面總是柔性面接觸面和目標(biāo)面都是變形體，這兩個(gè)面合起來(lái)叫作“接觸對(duì)”，程序通過(guò)相同的實(shí)常數(shù)號(hào)來(lái)識(shí)別“接觸對(duì)”。13(二)、面－面的接觸分析步驟1．建立模型2．識(shí)別接觸對(duì)3．指定接觸面和目標(biāo)面4．定義剛性目標(biāo)面5．定義柔性體的接觸面6．設(shè)置實(shí)常數(shù)和單元關(guān)鍵字141．建立模型2．識(shí)別接觸對(duì)通過(guò)目標(biāo)單元和接觸單元來(lái)定義模型在變形期間可能發(fā)生接觸的區(qū)域153．指定接觸面和目標(biāo)面接觸單元被約束住，不能穿透目標(biāo)面，然而目標(biāo)單元可以穿透接觸面。(5)一個(gè)面上的基礎(chǔ)單元是高階單元，而另一個(gè)面上的基礎(chǔ)單元是低階單元，應(yīng)將基礎(chǔ)單元為高階單元的面作為接觸單元。(1)當(dāng)凸面和平面或凹面接觸時(shí)，應(yīng)指定平面或凹面作為目標(biāo)面。目標(biāo)面接觸面目標(biāo)面接觸面目標(biāo)面接觸面(4)如果兩個(gè)面的大小明顯不同，應(yīng)將大面作為目標(biāo)面。目標(biāo)面接觸面(2)如果一個(gè)面上的網(wǎng)格較細(xì)，而另一個(gè)面上的網(wǎng)格較粗，應(yīng)指定細(xì)網(wǎng)格所在面作為接觸面，粗網(wǎng)格所在面作為目標(biāo)面目標(biāo)面接觸面硬面(3)如果兩個(gè)面的剛度不同時(shí)，應(yīng)當(dāng)較硬的面為目標(biāo)面，較軟的面作為接觸面。164．定義剛性目標(biāo)面單元類型實(shí)常數(shù)二維剛性目標(biāo)面用TARGE169單元三維剛性目標(biāo)面用TARGE170單元對(duì)TARGE169和TARGE170僅需設(shè)置實(shí)常數(shù)R1和R2在三維情況下，任意形狀的目標(biāo)面應(yīng)該使用三角面來(lái)建模。17①使用直接生成法建立剛性目標(biāo)單元GUI，MainMenu＞Preprocessor＞－Modeling－Create＞Elements＞ElemAttrributes

剛性目標(biāo)單元及形狀②劃分剛性目標(biāo)單元2D目標(biāo)單元Command，LMESHGUI：MainMenu＞Preprocessor一Meshing一Mesh＞LinesCommand：AMFSHGUI:MainMenu＞Preprocessor＞Meshingmesh＞Ares一TargetSarf3D目標(biāo)單元Command:MSNKEY，2GUI：MainMenu＞Preprocessor＞Meshing一Mesh＞Ares一Targesurf18建模和網(wǎng)格劃分的注意點(diǎn)2D接觸問(wèn)題3D接觸問(wèn)題(1)一個(gè)目標(biāo)面可能由兩個(gè)或多個(gè)間斷的區(qū)域組成，應(yīng)該盡可能地通過(guò)定義多個(gè)目標(biāo)面來(lái)使接觸區(qū)域局部化。(2)不能使用鏡面對(duì)稱技術(shù)(ARSYSM，LSYMM)來(lái)映射圓、圓柱，圓錐或球面到對(duì)稱平面的另一邊，因?yàn)槊總€(gè)實(shí)常數(shù)的設(shè)置不能同時(shí)賦給多個(gè)圖元。檢驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的接觸方向目標(biāo)面的節(jié)點(diǎn)號(hào)順序定義了接觸方向當(dāng)沿著目標(biāo)線從第一個(gè)節(jié)點(diǎn)移向第二個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，變形體的接觸單元必須位于目標(biāo)面的右邊。目標(biāo)三角形單元號(hào)應(yīng)該使剛性面的外法線方向指向接觸面，外法線通過(guò)右手原則來(lái)定義。195．定義柔性體的接觸面程序通過(guò)組成變形體表面的接觸單元來(lái)定義接觸表面定義柔性體接觸面的接觸單元20生成接觸單元l)選擇節(jié)點(diǎn):選擇節(jié)點(diǎn)時(shí)必須保證沒(méi)有漏掉可能會(huì)接觸到目標(biāo)面的節(jié)點(diǎn)。Command:NSELGU1：MainMenu＞Preprocessor＞Create＞Element＞0n>FreeSurf2)生成接觸單元Command:ESURFGUI:MainMenu＞Preprocessor＞Create＞Element＞OnFreeSurf如果接觸單元是附在已用實(shí)體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格的面或體上，程序會(huì)自動(dòng)決定接觸計(jì)算所需的外法向。21對(duì)3D單元，按節(jié)點(diǎn)程序號(hào)以右手定則來(lái)決定單元的外法向，接觸面的外法向應(yīng)該指向目標(biāo)面。Command：／PSYMB，ESYS，1GUI:UtilityMenu＞PotCtrL＞Symbols當(dāng)發(fā)現(xiàn)單元的外法線方向不正確時(shí)，必須通過(guò)反轉(zhuǎn)不正確單元的節(jié)點(diǎn)號(hào)來(lái)改正它們。Command:ESURF，REVEGUI：MainMenu＞Preprocessor＞Create＞ElementsOnFreeSurf3)檢查接觸單元外法線的方向。226．設(shè)置實(shí)常數(shù)和單元關(guān)鍵字(1)實(shí)常數(shù)R1和R2定義目標(biāo)單元幾何形狀；FKN定義法向接觸剛度因子；FTOLN定義最大的穿透范圍；ICONT定義初始靠近因子：PINB定義“

pinball”區(qū)域；PMIN和PMAX定義初始穿透的容許范圍；FKOP指定接觸發(fā)生時(shí)所給的剛度因子；TAUMAR指定最大的接觸摩擦；CNOF給接觸面指定一個(gè)正的或負(fù)的偏移值目標(biāo)面單元的幾何形狀控制接觸行為正值比例因子負(fù)值真實(shí)值23接觸算法(KEYOPT(2))出現(xiàn)超單元時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)(KEYOPT(3))接觸檢查點(diǎn)的位置(KEYOPI(4))剛度矩陣的選擇(KEYOPT(6))時(shí)間步長(zhǎng)控制(KEYOPT(7))初始穿透影響(KEYOPT(9))接觸模型(KEYOPT(12))(2)單元關(guān)鍵字對(duì)大多的接觸問(wèn)題，缺省的關(guān)鍵字是合適的。但在某些情況下，可能需要改變?nèi)笔≈祦?lái)控制接觸行為。24選擇接觸算法①開(kāi)始時(shí)取一個(gè)較低的值，低估此值要比高估此值好。②對(duì)前幾個(gè)子步進(jìn)行計(jì)算。③檢查穿透量和每一子步中的平衡迭代次數(shù)。④按需要調(diào)整FKN或FTOLN的值，重新分析。面－面的接觸單元用KETOPT(2)來(lái)指定接觸算法擴(kuò)展的拉格朗日或罰函數(shù),實(shí)常數(shù)FTOLNFTOLN缺省值為0.1，可以改變這個(gè)值，但要注意如果此值太小可能會(huì)造成大多的迭代次數(shù)或者不收斂。決定接觸剛度所有的接觸問(wèn)題都需要定義接觸剛度實(shí)常數(shù)25選擇摩擦類型在基本的庫(kù)侖摩擦模型中，兩個(gè)接觸面在開(kāi)始相互滑動(dòng)之前是粘合狀態(tài)(stick)。庫(kù)侖磨擦類型定義了一個(gè)等效剪應(yīng)力，一旦剪應(yīng)力超過(guò)此值后，兩個(gè)表面之間將開(kāi)始相互滑動(dòng)，這叫做滑動(dòng)狀態(tài)(sliding)。程序缺省值為表面之間無(wú)摩擦。對(duì)rough或bonded接觸(KEYOPT(2)＝1(或3)，程序?qū)⒉还芙o定的MU值而認(rèn)為摩擦阻力無(wú)限大。接觸界面上的最大許可剪應(yīng)力，設(shè)置常數(shù)TAUMAX(缺省為1.0E20)26選擇接觸檢查的位置

接觸檢查點(diǎn)位于接觸單元的積分點(diǎn)上。在積分點(diǎn)上接觸單元不能穿透進(jìn)人目標(biāo)面，然而，目標(biāo)面能穿透進(jìn)入接觸面。接觸檢查點(diǎn)位于高斯積分點(diǎn)上高斯積分點(diǎn)目標(biāo)面接觸面剛體變形體ANSYS面一面接觸單元使用GAUSS積分點(diǎn)作為缺省值，Newton－Cotes／lobatto使用節(jié)點(diǎn)本身作為積分點(diǎn)。KEYOPT(4)來(lái)選擇所想使用的方法27高斯積分點(diǎn)目標(biāo)面剛體變形體接觸檢查點(diǎn)位于高斯節(jié)點(diǎn)上使用節(jié)點(diǎn)本身作為積分點(diǎn)僅應(yīng)該用于角接觸問(wèn)題28調(diào)整初始接觸條件①使用實(shí)常數(shù)ICONT來(lái)指定一個(gè)好的初始接觸環(huán)。目標(biāo)面目標(biāo)面剛體剛體接觸面接觸面不連續(xù)初始接觸環(huán)初始接觸環(huán)用ICON進(jìn)行接觸面的調(diào)整調(diào)整前調(diào)整后建議使用一個(gè)小的ICONT值，否則可能會(huì)發(fā)生大的不連續(xù)任何落在“調(diào)整環(huán)”區(qū)域內(nèi)的接觸檢查點(diǎn)被自動(dòng)移到目標(biāo)面上29②使用實(shí)常數(shù)PMIN和PMAX來(lái)指定初始容許的穿透范圍對(duì)給定載荷或給定位移的剛性目標(biāo)面將會(huì)執(zhí)行初始接觸狀態(tài)的初始調(diào)節(jié)。當(dāng)目標(biāo)面上的節(jié)點(diǎn)有給的零位移值時(shí)，使用PMAX和PMIN的初始調(diào)節(jié)將不會(huì)被執(zhí)行。③使用實(shí)常數(shù)CNOF來(lái)指定接觸面的偏移正值表示將整個(gè)接觸面向目標(biāo)面移動(dòng)負(fù)值表示讓整個(gè)接觸面遠(yuǎn)離目標(biāo)面30④設(shè)置KEYOPT(9)來(lái)調(diào)整初始穿透真正的初始穿透包括由幾何形狀導(dǎo)致的和由于用戶指定接觸表面偏移量(CNOF)所引起的。·幾何形狀和接觸表面偏移量所引起的穿透KEYOPT(9)＝0；·忽略上述兩方面所引起的穿透，設(shè)置KEYOPT(9)＝1;·用戶指定的接觸表面偏移量，忽略由幾何形狀所引起的初始穿透，設(shè)置KEYOPT(9)=3。消除初始始穿透接觸面目標(biāo)面剛體31·讓總的初始穿透漸變?yōu)榱?CNOF＋幾何形狀)，設(shè)置KEYOPT(9)＝2·漸變用戶指定的接觸面過(guò)盈量，忽略幾何形狀所引起的穿透KEYOPT(9)=4漸進(jìn)初始穿透剛體剛體剛體漸變開(kāi)始漸變中途漸變結(jié)束目標(biāo)面目標(biāo)面目標(biāo)面當(dāng)使用上面的KEYOPT(9)的設(shè)置時(shí)，在第一個(gè)載荷步中不要給其它載荷，并且應(yīng)設(shè)置KBC，0。同時(shí)應(yīng)保證Pinball區(qū)域足夠大，可以捕獲到初始過(guò)盈量。32決定接觸狀態(tài)和Pinba11區(qū)域接觸單元相對(duì)于目標(biāo)面的運(yùn)動(dòng)和位置決定了接觸單元的狀態(tài)；程序檢測(cè)每個(gè)接觸單元并給出一種狀態(tài)。STAT＝0未合的遠(yuǎn)區(qū)接觸；STAT＝1未合的近區(qū)接觸；STAT＝2滑動(dòng)接觸；STAT＝3粘合接觸。33選擇表面作用模式KEYOPT(12)法向單邊接觸(KEYOPT(12)＝0不分開(kāi)的接觸，但允許有相對(duì)滑動(dòng)KEYOPT(12)＝2綁定接觸，也不允許有相對(duì)滑動(dòng)KEYOPT(12)＝334用超單元建立接觸模型KEYOPT(3)2D單元(CONTA171、CONTA172)對(duì)3D單元(CONTA173，CONTA174)·不使用超單元KETOPT(3)＝0·軸對(duì)稱KEYOPT(3)＝1·平面應(yīng)變或單位厚度的平面應(yīng)力KEYOPT(3)＝2·需要厚度輸調(diào)的平面應(yīng)力KEYOPT(3)＝3

實(shí)常數(shù)的R2來(lái)指定厚度·使用H單元KEYOPT(3)＝0·使用超單元KEYOPT(3)＝135考慮厚度影響程序能夠用KEYOPT(11)來(lái)考慮殼(2D和3D)和梁(2D)的厚度KEYOPT(11)＝1時(shí)則考慮梁或殼的厚度，從底面或頂面來(lái)計(jì)算接觸距離使用時(shí)間步長(zhǎng)控制KEYOPT(7)＝0沒(méi)有控制，時(shí)間步長(zhǎng)的大小不受預(yù)測(cè)影響KETOPT(7)＝1如果一次迭代期間有太大的穿透發(fā)生KEYOPT(7)＝2對(duì)下一個(gè)子步預(yù)測(cè)一個(gè)合理的時(shí)間增量KETOPT(7)＝3對(duì)下一個(gè)子步，預(yù)測(cè)一個(gè)最小的時(shí)間增量36(三)、點(diǎn)－面接觸分析用點(diǎn)－面接觸單元來(lái)模擬－個(gè)表面和－個(gè)節(jié)點(diǎn)的接觸，另外，可以通過(guò)把表面指定為－組節(jié)點(diǎn)，從而用點(diǎn)－面接觸來(lái)代表面－面的接觸。ANSYS程序的點(diǎn)－面接觸單元允許下列非線性行為：

·有大變形的面－面接觸分析：

·接觸和分開(kāi)；

·庫(kù)侖摩擦滑動(dòng)；

·熱傳遞。372．點(diǎn)－面接觸分析的步驟(1)建模，劃分網(wǎng)格(2)識(shí)別接觸對(duì)(3)生成接觸單元(4)設(shè)置單元關(guān)鍵字和實(shí)常數(shù)(5)加上必要的邊界條件(6)定義求解選項(xiàng)(7)求解(8)查看結(jié)果1．使用點(diǎn)－面的接觸單元這類接觸單元，不需要預(yù)先知道確切的接觸位置，接觸面之間也不需要保持一致的網(wǎng)格，并且允許大的變形和大的相對(duì)滑動(dòng)。38(1)建模，劃分網(wǎng)格由于幾何形狀和潛在變形的多樣化，可能有多個(gè)目標(biāo)面和同一個(gè)接觸面相互作用，在這種情況下，必須定義多個(gè)接觸對(duì)，對(duì)每個(gè)表面需要建立一個(gè)包含表面節(jié)點(diǎn)的組元。然后就可以使用這些表面節(jié)點(diǎn)，在接觸面之間形成所有有可能的接觸形狀。如果能肯定某些面永遠(yuǎn)不會(huì)相互接觸，那么應(yīng)該適當(dāng)?shù)陌ǜ嗟墓?jié)點(diǎn)。通過(guò)接觸單元定義在變形過(guò)程中，哪兒可能發(fā)生接觸Command：CMGUI：Utility＞Select＞Comp／Assembly

＞createComponent(2)識(shí)別接觸對(duì)應(yīng)避免使用有中間節(jié)點(diǎn)的單元僅在使用CONTA48的二維分析中才可以在接觸面上使用中節(jié)點(diǎn)單元，且不能在目標(biāo)面上使用中節(jié)點(diǎn)單元。39(3)生成接觸單元NSEL，S，NODE…

！在接觸面上選擇一組節(jié)點(diǎn)CM，CONTACT，NODE！將所選節(jié)點(diǎn)生成組元“COMTACT”NSEL，S，NODE…

！在目標(biāo)面上選擇一組新節(jié)點(diǎn)CM，TARGET，NODE!將所選節(jié)點(diǎn)生成組元“TARGET”NSEL，ALLGCGEN，CONTACT，TARGETGCGEN，TARGET，CONTACTCommand：GCGENGUI：Mainmenu＞Preprocessor＞Create＞Elements＞AtContactsrfa.首先必須定義單元類型b.定義接觸單元的實(shí)常數(shù)c.在對(duì)應(yīng)的接觸對(duì)之間生成接觸單元每個(gè)不同的接觸面應(yīng)該有一個(gè)不同的實(shí)常數(shù)號(hào)點(diǎn)一面的接觸CONTAC48(2D)CONTAC49(3D)40(4)設(shè)置單元關(guān)鍵字和實(shí)常數(shù)KEYOPT(1)：選擇正確的自由度(包含或不包括溫度)；KEYOPT(2)：選擇罰函數(shù)的方法或罰函數(shù)十拉格朗日方法；KEYOPT(3)：選擇摩擦類型；無(wú)摩擦、彈性庫(kù)侖摩擦或剛性庫(kù)侖摩擦；KEYOPT(7)：選擇接觸時(shí)間步長(zhǎng)預(yù)測(cè)控制。CONTAC48CONTAC49單元關(guān)鍵字實(shí)常數(shù)KN－法向接觸