第13章接觸問(wèn)題分析

本章導(dǎo)讀

接觸問(wèn)題是一種高度非線性行為，需要較大的計(jì)算資源，為了進(jìn)行有效的計(jì)算，理解問(wèn)題的特性和建立合理的模型是很重要的。

本章介紹ANSYS接觸分析的全流程，講解了其中各種參數(shù)的設(shè)置方法與功能，最后通過(guò)實(shí)例對(duì)ANSYS接觸分析功能進(jìn)行了具體演示。通過(guò)本章的學(xué)習(xí)，讀者可以完整深入地掌握ANSYS接觸分析的各種功能和應(yīng)用方法。13.1接觸問(wèn)題概論

13.1.1一般分類接觸問(wèn)題存在兩個(gè)較大的難點(diǎn)：（1）在求解問(wèn)題之前不知道接觸區(qū)域，表面之間是接觸或分開(kāi)是未知的，突然變化的，這些隨載荷、材料、邊界條件和其他因素而定。（2）大多的接觸問(wèn)題需要計(jì)算摩擦，有幾種摩擦和模型可供挑選，它們都是非線性的，摩擦使問(wèn)題的收斂性變得困難。

接觸問(wèn)題分為兩種基本類型：剛體－柔體的接觸，半柔體－柔體的接觸，在剛體－柔體的接觸問(wèn)題中，接觸面的一個(gè)或多個(gè)被當(dāng)作剛體（與它接觸的變形體相比，有大得多的剛度），一般情況下，一種軟材料和一種硬材料接觸時(shí)，問(wèn)題可以被假定為剛體－柔體的接觸，許多金屬成形問(wèn)題歸為此類接觸，另一類，柔體－柔體的接觸，是一種更普遍的類型，在這種情況下，兩個(gè)接觸體都是變形體（有近似的剛度）。

ANSYS支持3種接觸方式：點(diǎn)－點(diǎn)，點(diǎn)－面，面－面，每種接觸方式使用的接觸單元適用于某類問(wèn)題。13.1.2接觸單元為了給接觸問(wèn)題建模，首先必須認(rèn)識(shí)到模型中的哪些部分可能會(huì)相互接觸，如果相互作用的其中之一是一個(gè)點(diǎn)，模型的對(duì)應(yīng)組元是一個(gè)節(jié)點(diǎn)。如果相互作用的其中之一是一個(gè)面，模型的對(duì)應(yīng)組元是單元，例如梁?jiǎn)卧?，殼單元或?qū)嶓w單元，有限元模型通過(guò)指定的接觸單元來(lái)識(shí)別可能的接觸匹對(duì)，接觸單元是覆蓋在分析模型接觸面之上的一層單元，ANSYS使用的接觸單元和使用它們的過(guò)程如下：1．點(diǎn)－點(diǎn)接觸單元點(diǎn)－點(diǎn)接觸單元主要用于模擬點(diǎn)－點(diǎn)的接觸行為，為了使用點(diǎn)－點(diǎn)的接觸單元，需要預(yù)先知道接觸位置，這類接觸問(wèn)題只能適用于接觸面之間有較小相對(duì)滑動(dòng)的情況（即使在幾何非線性情況下）。如果兩個(gè)面上的節(jié)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，相對(duì)滑動(dòng)又可以忽略不計(jì)，兩個(gè)面撓度（轉(zhuǎn)動(dòng)）保持小量，那么可以用點(diǎn)－點(diǎn)的接觸單元來(lái)求解面－面的接觸問(wèn)題，過(guò)盈裝配問(wèn)題是一個(gè)用點(diǎn)－點(diǎn)的接觸單元來(lái)模擬點(diǎn)－面的接觸問(wèn)題的典型例子。2．點(diǎn)－面接觸單元點(diǎn)－面接觸單元主要用于給點(diǎn)－面的接觸行為建模，例如兩根梁的相互接觸。如果通過(guò)一組節(jié)點(diǎn)來(lái)定義接觸面，生成多個(gè)單元，那么可以通過(guò)點(diǎn)－面的接觸單元來(lái)模擬面－面的接觸問(wèn)題，面即可以是剛性體也可以是柔性體，這類接觸問(wèn)題的一個(gè)典型例子是插頭插到插座里。使用這類接觸單元，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，并且允許有大的變形和大的相對(duì)滑動(dòng)。CONTA175是點(diǎn)－面的接觸單元，它支持大滑動(dòng)、大變形和不同網(wǎng)格之間連接的組件。接觸時(shí)發(fā)生單元滲透從一個(gè)目標(biāo)表面到一個(gè)指定的目標(biāo)表面。3．面－面的接觸單元ANSYS支持剛體－柔體的面－面的接觸單元，剛性面被當(dāng)作“目標(biāo)”面，分別用TARGE169和TARGE170來(lái)模擬2D和3D的“目標(biāo)”面，柔性體的表面被當(dāng)作“接觸”面，用CONTA171、CONTA172、CONTA173、CONTA174來(lái)模擬。一個(gè)目標(biāo)單元和一個(gè)接觸單元叫作一個(gè)“接觸對(duì)”，程序通過(guò)一個(gè)共享的實(shí)常號(hào)來(lái)識(shí)別“接觸對(duì)”，為了建立一個(gè)“接觸對(duì)”給目標(biāo)單元和接觸單元指定相同的實(shí)常的號(hào)。與點(diǎn)－面接觸單元相比，面－面接觸單元有好幾項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)：●支持低階和高階單元●支持有大滑動(dòng)和摩擦的大變形，協(xié)調(diào)剛度陣計(jì)算，不對(duì)稱單元?jiǎng)偠汝嚨挠?jì)算●提供工程目的采用的更好的接觸結(jié)果，例如法向壓力和摩擦應(yīng)力●沒(méi)有剛體表面形狀的限制，剛體表面的光滑性不是必須的，允許有自然的或網(wǎng)格離散引起的表面不連續(xù)●與點(diǎn)－面接觸單元比，需要較多的接觸單元，因而造成需要較小的磁盤空間和CPU時(shí)間?！裨试S多種建?？刂?，例如：綁定接觸；漸變初始滲透；目標(biāo)面自動(dòng)移動(dòng)到補(bǔ)始接觸；平移接觸面（老虎梁和單元的厚度）；支持死活單元；支持耦合場(chǎng)分析；支持磁場(chǎng)接觸分析等。13.2接觸問(wèn)題分析的步驟執(zhí)行一個(gè)典型的面－面接觸分析的基本步驟如下：（1）建立模型，并劃分網(wǎng)格。（2）識(shí)別接觸對(duì)。（3）定義剛性目標(biāo)面。（4）定義柔性接觸面。（5）設(shè)置單元關(guān)鍵點(diǎn)和實(shí)常數(shù)。（6）定義/控制剛性目標(biāo)面的運(yùn)動(dòng)。（7）給定必須的邊界條件。（8）定義求解選項(xiàng)和載荷步。（9）求解接觸問(wèn)題。（10）查看結(jié)果。13.2.1建立模型并劃分網(wǎng)格

在這一步中需要建立代表接觸體幾何形狀的實(shí)體模型。與其他分析過(guò)程一樣，設(shè)置單元類型、實(shí)常數(shù)、材料特性。用恰當(dāng)?shù)膯卧愋徒o接觸體劃分網(wǎng)格。命令：AMESH，VMESH。GUI：MainMenu>Preprocessor>Mesh>Mapped>3or4Sided。GUI：MainMenu>Preprocessor>Mesh>Mapped>4or6sided。13.2.2識(shí)別接觸對(duì)

必須認(rèn)識(shí)到，模型在變形期間哪些地方可能發(fā)生接觸，一是你已經(jīng)識(shí)別出潛在的接觸面，你應(yīng)該通過(guò)目標(biāo)單元和接觸單元來(lái)定義它們，目標(biāo)和接觸單元跟蹤變形階段的運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成一個(gè)接觸對(duì)的目標(biāo)單元和接觸單元通過(guò)共享的實(shí)常號(hào)聯(lián)系起來(lái)。

接觸區(qū)域可以任意定義，然而為了更有效地進(jìn)行計(jì)算（主要指CPU時(shí)間），可能想定義更小的局部化的接觸環(huán)，但能保證它足以描述所需要的接觸行為，不同的接觸對(duì)必須通過(guò)不同的實(shí)常數(shù)號(hào)來(lái)定義（即使實(shí)常數(shù)號(hào)沒(méi)有變化）。13.2.3定義剛性目標(biāo)面

剛性目標(biāo)面可能是2D的或3D的。在2D情況下，剛性目標(biāo)面的形狀可以通過(guò)一系列直線、圓弧和拋物線來(lái)描述，所有這些都可以用TAPGE169來(lái)表示。另外，可以使用它們的任意組合來(lái)描述復(fù)雜的目標(biāo)面。在3D情況下，目標(biāo)面的形狀可以通過(guò)三角面，圓柱面，圓錐面和球面來(lái)描述，所有這些都可以用“TAPGE170”來(lái)表示，對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的，任意形狀的目標(biāo)面，應(yīng)該使用三角面來(lái)給它建模。13.2.4定義柔性體的接觸面

為了定義柔性體的接觸面，必須使用接觸單元CONTA171或CONTA172（對(duì)2D）或CONTA173或CONTA174（對(duì)3D）來(lái)定義表面。

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，接觸單元與下面覆蓋的變形體單元有同樣的幾何特性，接觸單元與下面覆蓋的變形體單元必須處于同一階次（低階或高階）下面的變形體單元可能是實(shí)體單元、殼單元、梁?jiǎn)卧虺瑔卧?，接觸面可能殼或梁?jiǎn)卧魏我贿叀?/p>

與目標(biāo)面單元一樣，必須定義接觸面的單元類型，然后選擇正確的實(shí)常數(shù)號(hào)（實(shí)常數(shù)號(hào)必須與它對(duì)應(yīng)目標(biāo)的實(shí)常數(shù)號(hào)相同）最后生成接觸單元。程序使用20多個(gè)實(shí)常數(shù)和好幾個(gè)單元關(guān)鍵點(diǎn)來(lái)控制面－面接觸單元的接觸行為。1．常用的實(shí)常數(shù)程序經(jīng)常使用的實(shí)常數(shù)如表13-1所示。命令：R。GUI：Mainmenu>Preprocessor>RealConstants。對(duì)實(shí)常數(shù)FKN，F(xiàn)TOLN，ICONT，PINB，PMAX，和PMIN，既可以定義一個(gè)正值也可以定義一個(gè)負(fù)值，程序?qū)⒄底鳛楸壤蜃樱瑢⒇?fù)值作為真實(shí)值，程序?qū)⑾旅娓采w原單元的厚度作為ICON，F(xiàn)TOLN，PINB，PMAX和PMIN的參考值，例如對(duì)ICON，0.1表明初始間隙因子是0.1*下面覆蓋層單元的厚度。然而，-0.1表明真實(shí)縫隙是0.1，如果下面覆蓋層單元是超單元，則將接觸單元的最小長(zhǎng)度作為厚度。2．單元關(guān)鍵點(diǎn)每種接觸單元都有好幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，對(duì)大多的接觸問(wèn)題默認(rèn)的關(guān)鍵點(diǎn)是合適的，而在某些情況下，可能需要改變默認(rèn)值，來(lái)控制接觸行為。13.2.5設(shè)置實(shí)常數(shù)和單元關(guān)鍵點(diǎn)●自由度（KEYOPT(1)）●接觸算法（罰函數(shù)+拉格郎日或罰函數(shù)）（KEYOPT（2））●出現(xiàn)超單元時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)（KEYOPT（3））●接觸方位點(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））●初始滲透影響（KEYOPT（9））●接觸剛度修正（KEYOPT（10））●殼體厚度效應(yīng)（KEYOPT（11））●接觸表面情況（KEYOPT（12））命令：KEYOPT，ET。GUI：Mainmenu>Preprocessor>ElemantType>Add/Edit/Delete。實(shí)常數(shù)用途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定義最大的滲透范圍ICONT定義初始靠近因子PINB定義“Pinball"區(qū)域PMIN和PMAX定義初始滲透的容許范圍TAUMAR指定最大的接觸摩擦

表13-1實(shí)常數(shù)列表按照物體的原始外形來(lái)建立的剛性目標(biāo)面，面的運(yùn)動(dòng)是通過(guò)給定“pilot”節(jié)點(diǎn)來(lái)定義的。如果沒(méi)有定義“pilot”節(jié)點(diǎn)，則通過(guò)剛性目標(biāo)面上的不同節(jié)點(diǎn)來(lái)定義。為了控制整個(gè)目標(biāo)面的運(yùn)動(dòng)，在下面的任何情況下都必須使用“pilot”節(jié)點(diǎn)：●目標(biāo)面上作用著給定的外力?！衲繕?biāo)面發(fā)生旋轉(zhuǎn)?！衲繕?biāo)面和其他單元相連（例如結(jié)構(gòu)質(zhì)量單元）?！皃ilot”節(jié)點(diǎn)的厚度代表著整個(gè)剛性面的運(yùn)動(dòng)，可以在“pilot”節(jié)點(diǎn)上給定邊界條件（位移、初速度、集中載荷、轉(zhuǎn)動(dòng)等），為了考慮剛體的質(zhì)量，在“pilot”節(jié)點(diǎn)上定義一個(gè)質(zhì)量單元。當(dāng)使用“pilot”節(jié)點(diǎn)時(shí)，記住下面的幾點(diǎn)局限性：●每個(gè)目標(biāo)面只能有一個(gè)“Pilot“的節(jié)點(diǎn)●圓、圓錐、圓柱、球的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)是“pilot”節(jié)點(diǎn)，不能另外定義或改變“pilot”節(jié)點(diǎn)13.2.6控制剛性目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)●程序忽略不是“pilot”節(jié)點(diǎn)的所有其他節(jié)點(diǎn)上的邊界條件?！裰挥小皃ilot”節(jié)點(diǎn)能與其他單元相連●當(dāng)定義了“pilot”節(jié)點(diǎn)后，不能使用約束方程（CF）或節(jié)點(diǎn)來(lái)耦合（CP）來(lái)控制目標(biāo)面的自由度，如果在剛性面上給定任意載荷或者約束，必須定義“pilot”節(jié)點(diǎn)，是在“pilot”節(jié)點(diǎn)上加載，如果沒(méi)有使用“pilot”節(jié)點(diǎn)，只能有剛體運(yùn)動(dòng)。在每個(gè)載荷步的開(kāi)始，程序檢查每個(gè)目標(biāo)面的邊界條件，如果下面的條件都滿足，那么程序?qū)⒛繕?biāo)面作為固定處理：●在目標(biāo)面節(jié)點(diǎn)上沒(méi)有明確定義邊界條件或給定力●目標(biāo)面節(jié)點(diǎn)沒(méi)有和其他單元相連●目標(biāo)面節(jié)點(diǎn)沒(méi)有使用約束方程或節(jié)點(diǎn)耦合在每個(gè)載荷步的末尾，程序?qū)?huì)放松被內(nèi)部設(shè)置的約束條件?，F(xiàn)在可以按需要加上任意的邊界條件。加載過(guò)程與其他的分析類型相同接觸問(wèn)題的收斂性隨著問(wèn)題的不同而不同，下面列出了一些典型的在大多數(shù)面－面的接觸分析中推薦使用的選項(xiàng)。時(shí)間步長(zhǎng)必須足夠小，以描述適當(dāng)?shù)慕佑|。如果時(shí)間步太大，則接觸力的光滑傳遞會(huì)被破壞，設(shè)置精確時(shí)間步長(zhǎng)的可信賴的方法是打開(kāi)自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)。命令：Autots，On。GUI：MainMenu>Solution>UnabridgedMenu>LoadStepOpts>Time/Frequenc>Time-TimeSteporTimeandSubstps。如果在迭代期間接觸狀態(tài)變化，可能發(fā)生不連續(xù)，為了避免收斂太慢，使用修改的剛度陣，將牛頓一拉普森選項(xiàng)設(shè)置成FULL。命令：NROPT，F(xiàn)ULL，，OFF。GUI：MainMenu>Solution>UnabridgedMenu>AnalysisType>AnalysisOptions。13.2.7給變形體單元施加必要的邊界條件13.2.8定義求解和載荷步選項(xiàng)

不要使用自適應(yīng)下降因子，對(duì)面－面的問(wèn)題，自適應(yīng)下降因子通常不會(huì)提供任何幫助，因此建議關(guān)掉它。

設(shè)置合理的平衡迭代次數(shù)，一個(gè)合理的平衡迭代次數(shù)通常在25～50之間，如圖13-1所示。命令：NEQIT。GUI：MainMenu>Solution>UnabridgedMenu>LoadStepOpts>Nonlinear>EquilibriumIter。

因?yàn)榇蟮臅r(shí)間增量會(huì)使迭代趨向于變得不穩(wěn)定，使用線性搜索選項(xiàng)來(lái)使計(jì)算穩(wěn)定化。如圖13-2所示。命令：LNSRCHGUI：MainMenu>Solution>UnabridgedMenu>LoadStepOpts>Nonlinear>LineSearch。除非在大轉(zhuǎn)動(dòng)和動(dòng)態(tài)分析中，打開(kāi)時(shí)間步長(zhǎng)預(yù)測(cè)器選項(xiàng)。如圖13-3所示。命令：PRED。GUI：MainMenu>Solution>UnabridgedMenu>LoadStepOpts>Nonlinear>Predictor。

在接觸分析中許多不收斂問(wèn)題是由于使用了太大的接觸剛度引起的（實(shí)常數(shù)FKN），檢驗(yàn)是否使用了合適的接觸剛度?，F(xiàn)在可以對(duì)接觸問(wèn)題進(jìn)行求解，求解過(guò)程與一般的非線性問(wèn)題求解過(guò)程相同。

圖13-3時(shí)間步長(zhǎng)預(yù)測(cè)器選項(xiàng)

圖13-1平衡迭代次數(shù)對(duì)話框

圖13-2線性搜索對(duì)話框13.2.9求解

13.2.10檢查結(jié)果

接觸分析的結(jié)果主要包括位移、應(yīng)力、應(yīng)變和接觸信息（接觸壓力、滑動(dòng)等），可以在通用后處理器（Post1）或時(shí)間歷程后處理器（Post26）中查看結(jié)果。1．在Post1中查看結(jié)果進(jìn)入Post1，如果用戶的模型不在當(dāng)前數(shù)據(jù)庫(kù)中，使用恢復(fù)命令（resume）來(lái)恢復(fù)它。命令：/Post1。GUI：MainMenu>GeneralPostproc。讀入所期望的載荷步和子步的結(jié)果，這可以通過(guò)載荷步和子步數(shù)也可以通過(guò)時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)。命令：SET。GUI：MainMenu>GeneralPostproc>ReadResults。使用下面的任何一個(gè)選項(xiàng)來(lái)顯示結(jié)果：（1）顯示變形命令：PLDISP。GUI：Mainmenu>GeneralPostproc>PlotResult>DeformedShape。（2）等值顯示命令：PLNSOL。命令：PLESOL。GUI：MainMenu>GeneralPostproc>PlotResult>ContourPlot>NodedSolu。GUI：MainMenu>GeneralPostproc>PlotResult>ContourPlot>ElementSolu。（3）列表顯示命令：PRNSOL，PRESOL，PRRSOL，PRETAB，RITER，NSORT，ESORT。GUI：Mainmenu>GeneralPostproc>ListResults>NodedSolution。GUI：Mainmenu>GeneralPostproc>ListResults>ElementSolution。GUI：Mainmenu>GeneralPostproc>ListResults>ReactionSolution。在列表顯示它們之前，可以用命令NSORT和ESORT來(lái)對(duì)它們進(jìn)行排序。

（4）動(dòng)畫?？梢詣?dòng)畫顯示接觸結(jié)果隨時(shí)間的變化。命令：ANIME。GUI：Uilitymenn>Plotctrls>Animate。2．在Post26中查看結(jié)果可以使用Post26來(lái)查看一個(gè)非線性結(jié)構(gòu)對(duì)加載歷程的響應(yīng)，可以比較一個(gè)變量和另一個(gè)變量的變化關(guān)系，例如，可以畫出某個(gè)節(jié)點(diǎn)位移隨給定載荷的曲線變化關(guān)系，某個(gè)節(jié)點(diǎn)的塑性應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系。（1）進(jìn)入Post26，如果模型不在當(dāng)前數(shù)據(jù)庫(kù)中恢復(fù)它。命令：/Post26。GUI：Mainmenu>TimeHistPostpro。（2）定義變量命令：NSOL，ESOL，RFORCE。GUI：MainMenu>TimeListPostpro>DefineVariable。（3）畫曲線或列表顯示命令：PLVAR，PRVAR，EXTREM。GUI：Mainmenu>TimeListPostproc>GraphVariable。GUI：Mainmenu>TimeListPostproc>ListVariarle。GUI：Mainmenu>TimeListPostproc>ListExtremes。13.3實(shí)例導(dǎo)航——陶瓷套管的接觸分析

13.3.1問(wèn)題描述如圖13-4所示，插銷比插銷孔稍稍大一點(diǎn)，這樣它們之間由于接觸就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變。由于對(duì)稱性，可以只取模型的四分之一來(lái)進(jìn)行分析，并分成兩個(gè)載荷步來(lái)求解。第一個(gè)載荷步是觀察插銷接觸面的應(yīng)力，第二個(gè)載荷步是觀察插銷拔出過(guò)程中的應(yīng)力、接觸壓力和反力等。材料性質(zhì)：EX=30e6(楊氏彈性模量)，NUXY=0.25（泊松比），f＝0.2（摩擦因數(shù)）。幾何尺寸：圓柱套管：R1=0.5，H1=3；套筒：R2=1.5，H2=2；套筒孔：R3=0.45，H3=2。

圖13-4圓柱套筒示意圖

13.3.2建立模型并劃分網(wǎng)格（1）設(shè)置分析標(biāo)題：UtilityMenu>File>ChangeTitle，在輸入欄中鍵入“ContactAnalysis”，單擊“OK”按鈕。（2）定義單元類型：MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete，出現(xiàn)“ElementTypes”對(duì)話框，如圖13-5所示，單擊“Add”按鈕，彈出如圖13-6所示的“LibraryofElementTypes”對(duì)話框，單擊選擇“StructuralSolid和Brick8node185”，單擊“OK”按鈕，然后單擊“ElementTypes”對(duì)話框的“Close”按鈕。（3）定義材料性質(zhì)：MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels，彈出如圖13-7所示的“DefineMaterialModelBehavior”對(duì)話框，在“MaterialModelsAvailable”欄目中連續(xù)單擊Structural>Linear>Elastic>Isotropic，彈出如圖13-8所示“LinearIsotropicPropertitiesforMaterial”對(duì)話框，在“EX”后面輸入“30E6”，在“PRXY”后面輸入“0.25”，單擊“OK”按鈕。然后執(zhí)行“DefineMaterialModelsBehavior”對(duì)話框上的Material>Exit退出。圖13-7“DefineMaterialModelBehavior”對(duì)話框圖13-5“ElementTypes”對(duì)話框

圖13-6“LibraryofElementTypes”對(duì)話框

圖13-8“LinearIsotropicPropertitiesforMaterial”對(duì)話框（4）生成圓柱：MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Volumes>Cylinder>ByDimesions，彈出如圖13-9所示的“CreateCylinderbyDimensions”對(duì)話框，在“RAD1Outerradius”后面輸入“1.5”，在“Z1，Z2Z-coordinates”后面輸入“2.5、4.5”，單擊“OK”按鈕。（5）打開(kāi)Pan-Zoom-Rotate工具條：UtilityMenu>PlotCtrls>Pan，Zoom，Rotate，彈出“Pan-Zoom-Rotate”工具條，如圖13-10所示，單擊“Iso”按鈕，單擊“Close”關(guān)閉之。結(jié)果顯示如圖13-11所示。（6）生成圓柱孔：MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Volumes>Cylinder>ByDimesions，彈出如圖13-9所示的對(duì)話框，在“RAD1Outerradius”后面輸入0.45，在“Z1，Z2Z-coordinates”后面輸入“2.5，4.5”，單擊“OK”按鈕。（7）體相減操作：MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Substract>Volumes，彈出一個(gè)拾取框，在圖形上拾取大圓柱體，單擊“OK”按鈕，又彈出一個(gè)拾取框，在圖形上拾取小圓柱體，單擊“OK”按鈕，結(jié)果顯示如圖13-12所示。圖13-9“CreateCylinderbyDimensions”對(duì)話框

圖13-11實(shí)體模塊顯示圖13-10“Pan-Zoom-Rotate”工具條

圖13-12布爾相減之后的模型圖

（8）生成圓柱套管：MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Volumes>Cylinder>ByDimesions，彈出如圖13-9所示的對(duì)話框，在“RAD1Outerradius”后面輸入0.5，在“Z1，Z2Z-coordinates”后面輸入2.0和5，單擊“OK”按鈕。（9）打開(kāi)體編號(hào)顯示：UtilityMemu>PlotCtrls>Numbering，彈出“PlotNumberingControls”對(duì)話框，在“VOLUVolumenumbers”后面單擊使其顯示為“On”，如圖13-13所示，單擊“OK”按鈕。（10）重新顯示：UtilityMenu>Plot>Replot，結(jié)果顯示如圖13-14所示。（11）顯示工作平面：UtilityMenu>WorkPlane>DisplayWorkingPlane。（12）設(shè)置工作平面：UtilityMenu>WorkPlane>WPSettings，彈出“WPSettings”工具條，如圖13-15所示，單擊選中“GridandTriad”，單擊“OK”按鈕。（13）移動(dòng)工作平面：UtilityMenu>WorkPlane>OffsetWPbyIncrements，彈出“OffsetWP”工具條，如圖13-16所示，用鼠標(biāo)拖動(dòng)小滑塊到最右端，滑塊上方顯示為“90”，然后單擊“+Y”按鈕，單擊“OK”按鈕。圖13-13“PlotNumberingControls”對(duì)話框

圖13-14套筒和套管顯示

圖13-15“WPSettings”工具條

圖13-16“OffsetWP”工具條（14）體分解操作：MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Divide>VolubyWorkplane，彈出“DivideVolbyWP”拾取菜單，單擊“PickAll”按鈕。（15）重新顯示：UtilityMenu>Plot>Replot，結(jié)果如圖13-17所示。（16）保存數(shù)據(jù)：?jiǎn)螕艄ぞ邨l上的“SAVE_DB”按鈕。（17）體刪除操作：MainMenu>Preprocessor>Modeling>Delete>VolumesandBelow，彈出一個(gè)拾取框，在圖形上拾取右邊的套筒和套管，單擊“OK”按鈕，屏幕顯示如圖13-18所示。（18）移動(dòng)工作平面：UtilityMenu>WorkPlane>OffsetWPbyIncrements，彈出“OffsetWP”工具條，用鼠標(biāo)拖動(dòng)小滑塊到最右端，滑塊上方顯示為“90”，然后單擊“+X”按鈕，單擊“OK”按鈕。（19）體分解操作：MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Divide>VolubyWorkplane，彈出“DivideVolbyWP”拾取菜單，單擊“PickAll”按鈕。（20）重新顯示：UtilityMenu>Plot>Replot，結(jié)果如圖13-19所示。（21）體刪除操作：MainMenu>Preprocessor>Modeling>Delete>VolumesandBelow，彈出“DeleteVolumes”拾取菜單，在圖形上拾取上半部套筒和套管，單擊“OK”按鈕，屏幕顯示如圖13-20所示。圖13-17第一次用工作平面做布爾分操作

圖13-19第二次用工作平面進(jìn)行布爾分操作

圖13-18刪除右邊模型圖13-20刪除上半部模型（22）重新顯示：UtiltiyMenu>Plot>Replot。（23）保存數(shù)據(jù)：?jiǎn)螕艄ぞ邨l上的“SAVE_DB”按鈕。（24）關(guān)閉工作平面：UtilityMenu>WorkPlane>DisplayWorkingPlane。（25）打開(kāi)線編號(hào)顯示：UtilityMenu>PlotCtrls>Numbering，彈出“PlotNumberingControls”對(duì)話框，選中“LINELinenumbers”復(fù)選框使其顯示為“On”，單擊“OK”按鈕。2．劃分網(wǎng)格。（1）設(shè)置線單元尺寸：MainMenu>Preprocessor>Meshing>SizeCntrls>ManualSize>Lines>PickedLines，彈出一個(gè)拾取框，在圖形上拾取編號(hào)為7的線，單擊“OK”按鈕，又彈出如圖13-21所示的“ElementSizesonPickedLines”對(duì)話框，在“NDIVNo.ofelementdivisions”后面輸入“10”，單擊“Apply”按鈕，又彈出拾取框，在圖形上拾取編號(hào)為27的線，單擊“OK”按鈕，彈出對(duì)話框，在“NDIVNo.ofelementdivisions”后面輸入5，單擊“Apply”按鈕，又彈出拾取框，在圖形上拾取編號(hào)為17的線（套管所在套筒前面的弧線），如圖13-22所示，單擊“OK”按鈕，彈出“ElementSizesonPickedLines”對(duì)話框，在“NDIVNo.ofelementdivisions”后面輸入5，單擊“OK”按鈕。（2）有限元網(wǎng)格的劃分：MainMenu>Preprocessor>Meshing>Mesh>VolumeSweep>Sweep，彈出“VolumeSweeping”拾取菜單，單擊“PickAll”按鈕。結(jié)果顯示如圖13-23所示。（3）優(yōu)化網(wǎng)格：UtilityMenu>PlotCtrls>Style>SizeandShape，彈出如圖13-24所示的“SizeandShape”對(duì)話框，在“[EFACET]Facets/elementedge”后面的下拉列表選擇“2facets/edge”，單擊“OK”按鈕。（4）保存數(shù)據(jù)：?jiǎn)螕簟癆NSYSToolbar”上的“SAVE_DB”按鈕。

圖13-21控制網(wǎng)格份數(shù)

圖13-22L17線的顯示

圖13-23網(wǎng)格顯示圖13-24“SizeandShape”對(duì)話框

13.3.3定義邊界條件并求解1．定義接觸對(duì)。（1）創(chuàng)建目標(biāo)面：MainMenu>Prerprocessor>Modeling>Create>ContactPair，彈出如圖13-25所示的“ContactManager”對(duì)話框，單擊“ContactWizard”按鈕（對(duì)話框左上角）。彈出如圖13-26所示的“ContactWizard”對(duì)話框，接受默認(rèn)選項(xiàng)，單擊“PickTarget”按鈕，彈出一個(gè)拾取框，在圖形上單擊拾取套筒的接觸面，如圖13-27所示，單擊“OK”按鈕。（2）創(chuàng)建接觸面：屏幕再次彈出“ContactWizard”對(duì)話框，單擊“Next”按鈕，彈出如圖13-28所示的“ContactWizard”對(duì)話框，在“ContactElementType”下面的單選欄中選中“Surface-to-Surface”，單擊“PickContact”按鈕，彈出一個(gè)拾取框，在圖形上單擊拾取圓柱套管的接觸面，如圖13-29所示，單擊“OK”按鈕，再次彈出“AddContactPair”按鈕，單擊“Next”按鈕。（3）設(shè)置接觸面：又彈出“AddContactPair”對(duì)話框，如圖13-30所示，在“CoefficientofFriction”后面輸入0.2，單擊“Optionalsettings”按鈕，彈出如圖13-31所示的對(duì)話框，在“NormalPenaltyStiffness”后面輸入0.1，單擊“OK”按鈕。圖13-25“ContactManager”對(duì)話框

圖13-26選擇目標(biāo)面對(duì)話框

圖13-27選擇目標(biāo)面的顯示

圖13-28選擇接觸面對(duì)話框

圖13-29選擇接觸面的顯示

圖13-31“ContactProperties”對(duì)話框

圖13-30定義接觸面性質(zhì)對(duì)話框（4）接觸面的生成：又回到“AddContactPair”對(duì)話框，單擊“Create”按鈕，彈出“ContactWizard”對(duì)話框，如圖13-32所示，單擊“Finish”按鈕，結(jié)果如圖13-33所示。然后關(guān)閉如圖13-25所示的對(duì)話框。2．施加載荷并求解。（1）打開(kāi)面編號(hào)顯示：UtilityMenu>PlotCtrls>Numbering，彈出“PlotNumberingControls”對(duì)話框，選中“AREAAreanumbers”復(fù)選框使其顯示為“On”，選中“LINELinenumbers”復(fù)選框使其顯示為“Off”，單擊“OK”按鈕。（2）施加對(duì)稱位移約束：MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement>SymmetryB.C.>OnAreas，彈出一個(gè)拾取框，在圖形上拾取編號(hào)為10，3，4，24的面，單擊“OK”按鈕。（3）施加面約束條件：MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement>OnAreas，彈出一個(gè)拾取框，在圖形上拾取編號(hào)為28的面（即套筒左邊的面），單擊“OK”按鈕，又彈出如圖13-34所示的“ApplyU,ROTonAreas”對(duì)話框，單擊選擇“AllDOF”，然后單擊“OK”按鈕。

圖13-32創(chuàng)建完成接觸面提示框

圖13-33接觸面顯示

圖13-34施加位移約束（4）對(duì)第一個(gè)載荷步設(shè)定求解選項(xiàng)：MainMenu>Solution>AnalysisType>Sol’nControls，彈出“SolutionControls”對(duì)話框，在“AnalysisOptions”的下拉列表中選擇“LargeDisplacementStatic”，在“Timeatendofloadstep”后面輸入100，在“Automatictimestepping”下拉列表中選擇“Off”，在“Numberofsubsteps”后面輸入1，如圖13-35所示，單擊“OK”按鈕。（5）第一個(gè)載荷步的求解：MainMenu>Solution>Solve>CurrentLS，彈出“/STATUSCommand”狀態(tài)窗口和“SolveCurrentLoadStep”對(duì)話框，仔細(xì)瀏覽狀態(tài)窗口中的信息然后關(guān)閉它，單擊“SolveCurrentLoadStep”（求解當(dāng)前載荷步）對(duì)話框中的“OK”按鈕開(kāi)始求解。求解完成后會(huì)彈出“Solutionisdone”提示框，單擊“Close”按鈕。（6）重新顯示：UtilityMenu>Plot>Replot。（7）選擇節(jié)點(diǎn)：UtilityMenu>Select>Entities，彈出如圖13-36所示的“SelectEntities”工具條，在第一個(gè)下拉列表中選擇“Nodes”，在第二個(gè)下拉列表中選擇“ByLocation”，選擇“Zcoordinates”單選按鈕，在“Min，Max”下面空白處輸入5，單擊“OK”按鈕。（8）施加節(jié)點(diǎn)位移：MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement>OnNodes，彈出一個(gè)拾取框，單擊“PickAll”按鈕，又彈出如圖13-37所示“ApplyU,ROTonNodes”對(duì)話框，在“Lab2DOFstobeconstrained”后面選中UZ，在“VALUEDisplacementvalue”后面輸入2.5，單擊“OK”按鈕。（9）對(duì)第二個(gè)載荷步設(shè)定求解選項(xiàng)：MainMenu>Solution>AnalysisType>Sol’nControls，彈出“SolutionControls”對(duì)話框，在“AnalysisOptions”的下拉列表中選擇“LargeDisplacementStatic”，在“Timeatendofloadstep”后面輸入“200”，在“Automatictimestepping”后面的下拉列表中選擇“On”，在“Numberofsubsteps”后面輸入100，在“Maxno.ofsubsteps”后面輸入“10000”，在“Minno.ofsubsteps”后面輸入“10”，在“Frequency”下面的下拉列表中選擇“WriteeveryNthsubstep”，在“whereN=”后面的空白處輸入“-10”，如圖13-38所示，單擊“OK”按鈕。（10）選擇所有實(shí)體：UtilityMenu>Select>Everythig。（11）第二個(gè)載荷步的求解：MainMenu>Solution>Solve>CurrentLS，彈出“/STATUSCommand”狀態(tài)窗口和“SolveCurrentLoadStep”對(duì)話框，仔細(xì)瀏覽狀態(tài)窗口中的信息然后關(guān)閉它，單擊“SolveCurrentLoadStep”（求解當(dāng)前載荷步）對(duì)話框中的“OK”按鈕開(kāi)始求解。求解完成后會(huì)彈出“Solutionisdone”提示框，單擊“Close”按鈕。

圖13-35“SolutionControls”對(duì)話框

圖13-36選擇工具條

圖13-37“ApplyU,ROTonNodes”對(duì)話框

圖13-38“SolutionControls”對(duì)話框13.3.4后處理1．Post1后處理。（1）設(shè)置擴(kuò)展模式：UtilityMenu>PlotCtrls>Style>SymmetryExpansion>Periodic/CyclicSymmetry，彈出如圖13-39所示的“Periodic/CyclicSymmetryExpansion”對(duì)話框，接受默認(rèn)選擇，單擊“OK”按鈕。（2）讀入第一個(gè)載荷步的計(jì)算結(jié)果：MainMenu>GeneralPostproc>ReadResults>ByLoadStep，彈出如圖13-40所示的“ReadResultsbyLoadStepNumber”對(duì)話框，在“LSTEPLoadstepnumber”后面輸入“1”，單擊“OK”按鈕。（3）Von-Mises應(yīng)力云圖顯示：MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>ContourPlot>NodalSolu，彈出“ContourNodalSolutionData”對(duì)話框，在“Itemtobecontoured”下面依次選擇NodalSolution>Stress>vonMisesstress，如圖13-41所示，單擊“OK”按鈕，結(jié)果顯示如圖13-42所示。（4）讀入某時(shí)刻計(jì)算結(jié)果：MainMenu>GeneralPostproc>ReadResults>ByTime/Freq，彈出如圖13-43所示的“ReadResultsbyTimeorFrequency”對(duì)話框，在“TIMEValueof