1、第八章,接觸非線性,October 20, 2000,8-2,接觸非線性 5.7版本,本章目標(biāo),本章學(xué)完后, 應(yīng)能對如下功能進(jìn)行描述和論證:,Session Objective,1.接觸協(xié)調(diào)條件 2.剛體對柔體和柔體對柔體接觸 3.節(jié)點(diǎn)對節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)對面和面對面接觸單元 4.接觸剛度 5.接觸單元處理 6.接觸向?qū)?October 20, 2000,8-3,接觸非線性 5.7版本,接觸問題,接觸問題是高度非線性的, 并且對于非線性問題的求解具有典型的挑戰(zhàn)意義. 接觸問題提出兩個(gè)重要的挑戰(zhàn): 在多數(shù)接觸問題中接觸區(qū)域是未知的. 表面與表面會突然接觸或突然不接觸, 這會導(dǎo)致系統(tǒng)剛度的突然變化. 多數(shù)

2、接觸問題包括摩擦. 摩擦是與路徑有關(guān)的現(xiàn)象, 這要求精確的加載歷史. 摩擦的響應(yīng)還可能是雜亂的, 使求解難以收斂.,October 20, 2000,8-4,接觸非線性 5.7版本,關(guān)于耦合和約束方程的注釋,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程代替接觸. 詳細(xì)信息請參看ANSYS建模和網(wǎng)格劃分指南. 使用耦合或約束方程的優(yōu)點(diǎn)是分析還是線性的.,October 20, 2000,8-5,接觸非線性 5.7版本,接觸分類,接觸問題一般分為兩類: 剛體對柔體和柔體對柔體. 剛體對柔體: 一個(gè)或多個(gè)接觸表面作為剛體(一個(gè)表面的剛度比另

3、一個(gè)表面的剛度要高很多). 許多金屬成形問題歸入此類. 柔體對柔體: 兩個(gè)或所有的接觸體都可變形(所有表面剛度相差不多). 螺栓法蘭連接是一個(gè)柔體對柔體接觸的例子.,October 20, 2000,8-6,接觸非線性 5.7版本,剛體對柔體接觸,剛體表面,變形體,October 20, 2000,8-7,接觸非線性 5.7版本,柔體對柔體接觸,花鍵軸過盈配合, 兩個(gè)零件都是柔體.,October 20, 2000,8-8,接觸非線性 5.7版本,接觸協(xié)調(diào)條件,F,為了阻止接觸表面相互穿過, 這兩個(gè)表面間必須建立一個(gè)關(guān)系. 否則這兩個(gè)表面將相互穿過.,不施加接觸協(xié)調(diào)條件時(shí)發(fā)生侵入,目標(biāo),接觸,

4、F,October 20, 2000,8-9,接觸非線性 5.7版本,接觸協(xié)調(diào)條件,用一個(gè)彈簧施加接觸協(xié)調(diào)條件稱為罰函數(shù)法. 彈簧剛度或接觸剛度稱為罰參數(shù).,該彈簧的變形量 滿足方程: F = k 接觸剛度(k)越大, 接觸表面的侵入越少. 然而, 若該值太大, 會導(dǎo)致收斂困難.,F,October 20, 2000,8-10,接觸非線性 5.7版本,接觸協(xié)調(diào)條件,還可用另外一種方法, 即拉格朗日乘子法, 增加一個(gè)附加自由度(接觸壓力), 以滿足不侵入條件.,F,October 20, 2000,8-11,接觸非線性 5.7版本,接觸協(xié)調(diào)條件,將罰函數(shù)法和拉格朗日乘子法結(jié)合起來施加接觸協(xié)調(diào)條件

5、合稱為增強(qiáng)的拉格朗日法. 在迭代的開始, 接觸協(xié)調(diào)條件基于懲罰剛度決定. 一旦達(dá)到平衡, 就檢查許可侵入量. 這時(shí), 如果有必要, 接觸壓力增大, 繼續(xù)進(jìn)行迭代.,F,許可侵入量,October 20, 2000,8-12,接觸非線性 5.7版本,增大接觸應(yīng)力 減少侵入量,由于平衡 改正侵入量,在改正階段 發(fā)生振蕩,增大的拉格朗日,October 20, 2000,8-13,接觸非線性 5.7版本,接觸單元,ANSYS有三種類型的接觸單元: 節(jié)點(diǎn)對節(jié)點(diǎn) - 這是指接觸的最終位置事先是知道的. 節(jié)點(diǎn)對面 - 接觸區(qū)域未知, 并且允許大滑動. 面對面 -接觸區(qū)域未知, 并且允許大滑動 (相對節(jié)點(diǎn)對

6、面接觸形式有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)).,October 20, 2000,8-14,接觸非線性 5.7版本,節(jié)點(diǎn)對節(jié)點(diǎn)接觸單元,I,J,I,J,兩個(gè)最常用的節(jié)點(diǎn)對節(jié)點(diǎn)接觸單元:,接觸12單元和接觸52單元都用罰函數(shù)法施加接觸協(xié)調(diào)條件. 這要求輸入一個(gè)罰剛度(在后面我們將詳細(xì)討論罰剛度的計(jì)算).,接觸12單元 - 二維間隙,接觸52單元 - 三維間隙,October 20, 2000,8-15,接觸非線性 5.7版本,節(jié)點(diǎn)對節(jié)點(diǎn)接觸單元,節(jié)點(diǎn)對節(jié)點(diǎn)接觸單元能夠用于建立點(diǎn)對點(diǎn)接觸模型. 接觸點(diǎn)始終已知的管抖動模型是點(diǎn)對點(diǎn)接觸的一個(gè)例子. 如果兩個(gè)表面的節(jié)點(diǎn)一一對應(yīng), 相對滑動變形量可以忽略, 并且兩表面的撓度(

7、轉(zhuǎn)動量)較小, 那么這些單元還能用于模擬面對面接觸問題. 過盈配合問題是面對面接觸問題的一個(gè)例子. 如果滿足上述條件, 則此問題用間隙單元是足夠的. 注意點(diǎn)對點(diǎn)接觸只能用于低次單元.,October 20, 2000,8-16,接觸非線性 5.7版本,節(jié)點(diǎn)對節(jié)點(diǎn)接觸過程,接觸12單元和接觸52單元既能用直接生成法創(chuàng)建, 也能在重合節(jié)點(diǎn)處創(chuàng)建單元. 前處理器 - 創(chuàng)建 - 單元 - 在重合節(jié)點(diǎn) ( Preprocessor - Create - Elements - At Coincid Nd),接觸12單元 應(yīng)該在重合節(jié)點(diǎn)間創(chuàng)建. 然而接觸52單元要求1E-6的距離來定向單元.,October

8、 20, 2000,8-17,接觸非線性 5.7版本,節(jié)點(diǎn)對節(jié)點(diǎn)接觸過程,補(bǔ)充信息: 接觸12單元由實(shí)常數(shù)THETA定向. 接觸12單元能用作鉤子或間 隙, 而接觸52單元只能用作間隙 (注意通過約束UZ自由度,接觸 52單元能夠用于二維問題). 通過設(shè)置關(guān)鍵選項(xiàng)(4)和實(shí)常數(shù)INTF及GAP, 接觸12單元和接觸 52單元都允許給出初始過盈或初始間隙. 關(guān)于接觸12單元和接觸52單元選項(xiàng)和實(shí)常數(shù)的詳細(xì)敘述, 請參看ANSYS單元手冊(ANSYS Elements Reference )第四章.,October 20, 2000,8-18,接觸非線性 5.7版本,節(jié)點(diǎn)對表面接觸單元,節(jié)點(diǎn)對表面

9、接觸單元:,接觸48單元 - 二維節(jié)點(diǎn)對表面,接觸49單元三維節(jié)點(diǎn)對表面,J,I,K,I,J,K,M,L,這些單元用缺省的罰函數(shù)法作為接觸協(xié)調(diào)條件. 作為一個(gè)選項(xiàng),可以使用綜合的罰函數(shù)和拉格朗日乘子.,October 20, 2000,8-19,接觸非線性 5.7版本,節(jié)點(diǎn)對表面接觸單元,節(jié)點(diǎn)對表面接觸單元典型用于建立點(diǎn)對面接觸應(yīng)用模型, 如兩個(gè)梁接觸 (在梁的末端)和鎖扣配合的角部. 通過定義多個(gè)單元, 這些單元還能用于建立面對面接觸模型. 這些表面可以是剛性的或可變形的. 不用知道接觸面的位置. 允許大變形、大相對滑動和接觸表面間的不同網(wǎng)格劃分. 注意節(jié)點(diǎn)對表面接觸只可以用于低次單元.,O

10、ctober 20, 2000,8-20,接觸非線性 5.7版本,節(jié)點(diǎn)對表面接觸處理,接觸48單元和接觸49單元通過指定節(jié)點(diǎn)組元來生成, 這些節(jié)點(diǎn)組定義了目標(biāo)和接觸表面. 為接觸和目標(biāo)表面選擇需要的節(jié)點(diǎn), 并創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)組元. 給出單元類型和實(shí)常數(shù), 并生成接觸單元. 每一個(gè)不相連的接觸面應(yīng)該參照一個(gè)不同的實(shí)常數(shù)設(shè)置.,J,K,接觸節(jié)點(diǎn),目標(biāo)節(jié)點(diǎn),I,October 20, 2000,8-21,接觸非線性 5.7版本,節(jié)點(diǎn)對表面接觸處理,主菜單 前處理器 創(chuàng)建 單元 節(jié)點(diǎn)對表面 (Main Menu Preprocessor Create Elements Node to Surf),節(jié)點(diǎn)組名稱,

11、關(guān)于使用節(jié)點(diǎn)對表面接觸單元的詳細(xì)信息請參看 ANSYS結(jié)構(gòu)分析指南 (ANSYS Structural Analysis Guide) .,October 20, 2000,8-22,接觸非線性 5.7版本,接觸剛度,點(diǎn)對點(diǎn)(接觸12單元和接觸52單元)和節(jié)點(diǎn)對表面(接觸48單元和接觸49單元)接觸單元都要求給出罰剛度. 罰剛度越大, 接觸表面的侵入量越小. 然而, 若此值太大,則會由于病態(tài)條件而引起收斂困難. 可以通過一些實(shí)驗(yàn)來確定一個(gè)合適的接觸剛度, 使求解收斂,而且侵入量可以接受.,October 20, 2000,8-23,接觸非線性 5.7版本,選擇接觸剛度,接觸剛度是接觸面的相對剛

12、度的函數(shù). 對于塊狀實(shí)體, 通常赫茲接觸剛度 (Hertz contact stiffness)適用于罰剛度, 可以這樣估算: k = fE 式中f 是介于0.110之間的系數(shù), E是較軟的接觸材料的彈性模量. 設(shè) f=1 通常是一個(gè)較好的起始值.,October 20, 2000,8-24,接觸非線性 5.7版本,選擇接觸剛度,對于柔性組分(梁和殼模型), 系統(tǒng)的剛度可以比赫茲接觸剛度要低很多. 在這種情況下, 你可以將單位載荷施加到預(yù)計(jì)要接觸的面上, 先運(yùn) 行一個(gè)靜態(tài)分析來確定模型的局部剛度. 接觸剛度可以這樣估算: k = f(P/D) 上式適用于柔性體接觸, f 是介于1100之間的系

13、數(shù). 同樣,設(shè) f=1 通常是一個(gè)較好的起始值.,October 20, 2000,8-25,接觸非線性 5.7版本,面對面接觸單元,ANSYS 支持剛體對柔體和柔體對柔體的面對面接觸單元. 這些接觸單元使用“ 目標(biāo)面”和“ 接觸面” 的概念來形成接觸對.,面對面接觸單元使用增強(qiáng)的拉格朗日法施加接觸協(xié)調(diào)條件(默認(rèn)). 作為一個(gè)可選項(xiàng), 還可以用罰函數(shù)法.,接觸面,目標(biāo)面,October 20, 2000,8-26,接觸非線性 5.7版本,面對面接觸的優(yōu)點(diǎn),與低次和高次單元都兼容. 支持具有大滑動和摩擦的大變形. 提供更好的接觸結(jié)果 (易于進(jìn)行接觸壓力和摩擦應(yīng)力的后處理). 能計(jì)算殼和梁的厚度及

14、殼厚度的改變. 半自動接觸剛度計(jì)算. “ 控制節(jié)點(diǎn)” 對剛性面的控制(關(guān)于主控節(jié)點(diǎn)后面有更多的敘述). 智能缺省設(shè)置、接觸向?qū)?(易于使用).,October 20, 2000,8-27,接觸非線性 5.7版本,面對面接觸的優(yōu)點(diǎn),需要的接觸單元比用節(jié)點(diǎn)對面接觸單元(接觸48單元和接觸49單元)要少得多.,12個(gè)接觸48單元,2個(gè)接觸171單元和 4個(gè)目標(biāo)169單元,October 20, 2000,8-28,接觸非線性 5.7版本,面對面接觸單元由分別定義目標(biāo)和接觸表面的獨(dú)立的單元類型 組成. 接觸對通過共用一個(gè)實(shí)常數(shù)指定. 目標(biāo)169和170單元 - 剛性或可變形的目標(biāo)表面 接觸171到 1

15、74單元 - 二維和三維接觸單元 面對面接觸單元象皮膚一樣覆蓋在下面的有限元模型上. 這些單元非常適合面對面接觸應(yīng)用, 如過盈裝配接觸、進(jìn)料接觸、鍛造和深拉深.,面對面接觸單元,October 20, 2000,8-29,接觸非線性 5.7版本,面對面接觸單元,接觸副,剛性目標(biāo),接觸單元,該接觸副由實(shí)常數(shù)1指定.,October 20, 2000,8-30,接觸非線性 5.7版本,二維目標(biāo)單元,J,I,I,J,K,I,J,K,I,I,目標(biāo)169單元 目標(biāo)部分有如下類型: 直線、拋物線、圓弧 (順時(shí)針或逆時(shí)針)、圓、或控制節(jié)點(diǎn).,October 20, 2000,8-31,接觸非線性 5.7版本

16、,三維目標(biāo)單元,目標(biāo)170單元 目標(biāo)部分有如下類型: 三節(jié)點(diǎn)三角形、四節(jié)點(diǎn)四邊形、六節(jié)點(diǎn)三角形、八節(jié)點(diǎn)四邊形、圓柱、圓錐、球和控制節(jié)點(diǎn).,October 20, 2000,8-32,接觸非線性 5.7版本,二維面對面接觸單元,接觸171單元 是二維、二節(jié)點(diǎn)低次直線單元, 能夠位于二維實(shí)體、殼或梁單元的表面. 接觸172單元 是二維、三節(jié)點(diǎn)高次拋物線單元, 能夠位于有中間節(jié)點(diǎn)的二維實(shí)體單元的表面.,接觸171單元,接觸172單元,October 20, 2000,8-33,接觸非線性 5.7版本,三維面對面接觸單元,接觸174單元 是三維、八節(jié)點(diǎn)高次四邊形單元, 能夠位于有中間節(jié)點(diǎn)的三維實(shí)體單元

17、的表面. 該單元還能退化成六節(jié)點(diǎn)三角形.,接觸173單元 是三維、四節(jié)點(diǎn)低次四邊形單元, 能夠位于三維實(shí)體或殼單元的表面. 該單元還能退化成三節(jié)點(diǎn)三角形.,October 20, 2000,8-34,接觸非線性 5.7版本,面對面接觸處理,對于面對面接觸單元, 一個(gè)面指定為“ 目標(biāo)”面, 另一個(gè)面為“ 接觸 ”面. 對于剛體對柔體接觸, 剛體表面總是指定為目標(biāo)面. 對于柔體對柔體接觸, 接觸面與目標(biāo)面都與變形體相關(guān)聯(lián). 接觸單元被約束, 不能侵入目標(biāo)面. 然而, 目標(biāo)單元能夠侵入接觸面.,October 20, 2000,8-35,接觸非線性 5.7版本,面對面接觸處理,接觸單元的一般步驟:

18、1.創(chuàng)建有限元模型. 2.指定接觸和目標(biāo)表面. 3.設(shè)置單元選項(xiàng)和實(shí)常數(shù). 4.創(chuàng)建目標(biāo)表面單元. 5.創(chuàng)建接觸表面單元. 6.施加邊界條件. 7.定義求解選項(xiàng)和載荷步. 8.求解. 9.觀察結(jié)果.,October 20, 2000,8-36,接觸非線性 5.7版本,指定接觸和目標(biāo)表面,目的是將接觸檢查點(diǎn)增加到最大數(shù). 對于剛體對柔體接觸, 目標(biāo)面總是剛體表面. 對于柔體對柔體接觸, 目標(biāo)面和接觸面的選擇會引起不同量的侵入, 從而影響求解精度.,目標(biāo)面,接觸面,目標(biāo)面會侵入接觸面,October 20, 2000,8-37,接觸非線性 5.7版本,目標(biāo)/接觸面的指導(dǎo)方針,如果凸面與平面或凹面接

19、觸, 那么平面或凹面應(yīng)該是目標(biāo)面. 如果一個(gè)表面網(wǎng)格粗糙, 而另一個(gè)表面網(wǎng)格較細(xì), 那么網(wǎng)格粗糙的表面應(yīng)該是目標(biāo)面. 如果一個(gè)表面比另一個(gè)表面的剛度大, 那么剛度大的表面應(yīng)該是目標(biāo)面. 如果一個(gè)表面劃分為高次單元, 而另一個(gè)表面劃分為低次單元, 那么劃分為低次單元的表面應(yīng)該是目標(biāo)面. 如果一個(gè)表面比另一個(gè)表面大, 那么更大的表面應(yīng)該是目標(biāo)面.,October 20, 2000,8-38,接觸非線性 5.7版本,面對面接觸處理,步驟 1. 創(chuàng)建實(shí)體模型并劃分網(wǎng)格. 步驟 2. 指定接觸面和目標(biāo)面. 在這 個(gè)例子中, 一個(gè)表面被認(rèn)為 是剛性的, 這樣, 目標(biāo)面和接 觸面的指定就很清楚.,接觸面,超

20、彈性密封嵌入,剛性 目標(biāo)面,October 20, 2000,8-39,接觸非線性 5.7版本,面對面接觸處理,步驟 3. 設(shè)置單元選項(xiàng)和實(shí)常數(shù). 重要! 接觸對由實(shí)常數(shù)號來確定. 目標(biāo)單元和接觸單元必須共用相同的實(shí)常數(shù)號 (在后面, 我們將詳細(xì)討論所有的單元選項(xiàng)和實(shí)常數(shù). 缺省的單元選項(xiàng)和實(shí)常數(shù)設(shè)置可以應(yīng)用于許多問題).,October 20, 2000,8-40,接觸非線性 5.7版本,面對面接觸處理,步驟 3.設(shè)置單元選項(xiàng)和實(shí)常數(shù). 應(yīng)該設(shè)置罰剛度比例系數(shù)(FKN)和拉格朗日乘子侵入比例系數(shù)(FTOLN). FKN 通常介于0.0110之間. 對于體積變形問題, 用值1.0(默認(rèn)), 對

21、于以彎曲變形為主的問題, 用值 0.1. FTOLN 默認(rèn)為0.1. 可以改變此值, 但若容差太小, 會使迭代數(shù)過多或不收斂.,October 20, 2000,8-41,接觸非線性 5.7版本,面對面接觸處理,步驟 4. 創(chuàng)建接觸面單元. 在此步中, 所用的方法將依賴于目標(biāo)面是剛性的還是可以變形的. 對于剛性目標(biāo)面,用: 直接生成(用創(chuàng)建單元命令E) 或 自動劃分網(wǎng)格(用劃分線命令(LMESH)及劃分面命令(AMESH) 對于可變形目標(biāo)面,用: 創(chuàng)建 單元 面對面(ESURF) (Create Elements Surface-to-Surface (ESURF),October 20, 2

22、000,8-42,接觸非線性 5.7版本,面對面接觸處理,步驟 4. 創(chuàng)建目標(biāo)面單元. 對于剛性目標(biāo)面的直接生成, 在創(chuàng)建目標(biāo)單元之前, 需要設(shè)置附加的單元屬性(TSHAP).,TSHAP 定義 目標(biāo)單元的形狀,October 20, 2000,8-43,接觸非線性 5.7版本,面對面接觸處理,步驟 4. 創(chuàng)建目標(biāo)面單元. 剛性目標(biāo)面 的自動網(wǎng)格劃分不要求 TSHAP. ANSYS 將從實(shí)體模型確定目標(biāo)單元的合適形狀. 劃分關(guān)鍵點(diǎn) (KMESH) - 主控節(jié)點(diǎn) 劃分線 (LMESH) - 二維剛性目標(biāo)面 劃分面 (AMESH) - 三維剛性目標(biāo)面,October 20, 2000,8-44,接

23、觸非線性 5.7版本,面對面接觸處理,步驟 4. 創(chuàng)建目標(biāo)面單元. 要在可變形 的網(wǎng)格上自動創(chuàng)建目標(biāo)單元, 需先選擇可變形表面的節(jié)點(diǎn), 然后在變形體上創(chuàng)建目標(biāo)單元: 前處理器 創(chuàng)建 單元 面對面 (Preprocessor Create Elements Surf to Surf ),ANSYS 將根據(jù)它下面的實(shí)體網(wǎng)格確定目標(biāo)單元的形狀和外法向.,創(chuàng)建表面單元 (ESURF),October 20, 2000,8-45,接觸非線性 5.7版本,面對面接觸處理,步驟 4. 創(chuàng)建目標(biāo)面單元. 檢查外法向 (如果用自動網(wǎng)格劃分,則非常重要): 打開單元坐標(biāo)系符號(element coordinate

24、 system symbol)開關(guān), 畫單元. 用命令ESURF修改 (節(jié)點(diǎn)號逆轉(zhuǎn)). 必須在此ESURF操作之前激活目標(biāo)單元屬性.,October 20, 2000,8-46,接觸非線性 5.7版本,面對面接觸處理,步驟 5. 創(chuàng)建接觸面單元. 設(shè)置接觸單元屬性, 選擇可變形表面的節(jié)點(diǎn), 并在變形體上創(chuàng)建接觸單元 (與在變形網(wǎng)格上對目標(biāo)單元的處理相同): 前處理器 創(chuàng)建 單元 面對面 (Preprocessor Create Elements Surf to Surf),這些接觸單元與其下面的實(shí)體單元同階(低階或高階).,創(chuàng)建表面單元(ESURF),October 20, 2000,8-47

25、,接觸非線性 5.7版本,面對面接觸處理,步驟 5. 創(chuàng)建接觸面單元. 注意對于在殼或梁單元上創(chuàng)建目標(biāo)或接觸單元, 有一個(gè)在梁或殼單元的頂面或底面創(chuàng)建單元的選項(xiàng).,能夠控制單元位置,October 20, 2000,8-48,接觸非線性 5.7版本,面對面接觸處理,步驟 6. 在有限元模型上施加邊界條件. 注意: 如果目標(biāo)面是剛性面, 目標(biāo)面將會自動固定(在后面, 我們將討論剛性面選項(xiàng)以及如何控制剛性面的運(yùn)動).,剛性面 自動約束,October 20, 2000,8-49,接觸非線性 5.7版本,面對面接觸處理,步驟 7. 定義求解選項(xiàng)和載荷步. 對于求解接觸問題, 極力推薦使用求解控制.

26、下面給出的指導(dǎo)方針十分典型, 是有求解控制的默認(rèn)設(shè)置. 在迭代過程中, 如果接觸狀態(tài)改變, 會發(fā)生間斷. 為了避免收斂緩慢, 使用不帶自適應(yīng)下降的完全牛頓-拉斐遜(full Newton-Raphson)求解. 為了使接觸力平滑傳遞, 時(shí)間步尺寸必須足夠小. 確保一個(gè)精確的時(shí)間步的可靠方法是使用自動時(shí)間步.,October 20, 2000,8-50,接觸非線性 5.7版本,面對面接觸處理,步驟 7. 定義求解選項(xiàng)和載荷步. 設(shè)置適當(dāng)?shù)淖硬綌?shù)目: 開始的子步尺寸(NSBSTP)對于裝配接觸可以較大, 對于大滑動接觸應(yīng)較小. 對于劇烈的間斷, 子步的最大數(shù)(NSBMX)應(yīng)該較大. 子部的最小數(shù)(

27、NSBMIN)應(yīng)該較小. 注意: 為了建立初始接觸條件, 在第一個(gè)子步的二分之前, 要完成所有的平衡迭代.,October 20, 2000,8-51,接觸非線性 5.7版本,面對面接觸處理,步驟 7. 定義求解選項(xiàng)和載荷步. 方程求解器選擇: 稀疏矩陣求解器(Sparse Solver)是缺省的, 并且對于中等大小的接觸模型, 這是最好的選擇(在100,000 個(gè)自由度以下). 對于困難的滑動問題, 此求解器還有不對稱選項(xiàng). PCG求解器 用于大型接觸模型 (超過100,000 個(gè)自由度). 此選項(xiàng)只能用于對稱系統(tǒng).,October 20, 2000,8-52,接觸非線性 5.7版本,面對面

28、接觸處理,步驟 7. 定義求解選項(xiàng)和載荷步. 不用自適應(yīng)下降 . 對于面對面接觸問題, 自適應(yīng)下降對于收斂不能提供任何幫助. 使用一個(gè)合理的平衡迭代數(shù)目, 通常是25. 因?yàn)閷τ诖髸r(shí)間增量, 迭代計(jì)算會變得不穩(wěn)定, 用線性搜索(line search)來穩(wěn)定計(jì)算. 將預(yù)測器打開, 大轉(zhuǎn)動或動態(tài)分析除外.,October 20, 2000,8-53,接觸非線性 5.7版本,面對面接觸處理,步驟 7. 定義求解選項(xiàng)和載荷步. 由于罰剛度太大或侵入容差太小, 在一個(gè)接觸分析里會多次發(fā)生收斂失敗. 對于懲罰剛度一定要按如下建議選取. 注意: 對于小應(yīng)變、小位移和小滑動問題，要關(guān)上大變形效應(yīng)開關(guān) (NL

29、GEOM,OFF). 這樣設(shè)置將加快接觸搜索速度. 步驟 8.問題求解.,October 20, 2000,8-54,接觸非線性 5.7版本,面對面接觸處理,步驟 9. 觀察結(jié)果. 一個(gè)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、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)都可以直接從通用后處理器或時(shí)間歷程后處理器中得到.,October 20, 2000,8-55,接觸非線性 5.7版本,面對面接觸處理,步驟 9. 觀察結(jié)果. 畫接觸壓力:,October 20, 2000,8-56,接觸非線性 5.7版本,接觸向?qū)?對于多數(shù)接觸問題, 接觸向?qū)峁┝艘粋€(gè)構(gòu)

30、造接觸對的簡單方法. 接觸向?qū)⒁龑?dǎo)你去創(chuàng)建接觸副.,前處理器 創(chuàng)建 接觸對 接觸向?qū)?(Preprocessor Create Contact Pair Contact Wizard),October 20, 2000,8-57,接觸非線性 5.7版本,接觸向?qū)?使用接觸向?qū)У暮锰? 自動定義單元類型和實(shí)常數(shù)設(shè)置 快速得到接觸選項(xiàng)和參數(shù) 接觸對觀察工具 快速顯示和反轉(zhuǎn)接觸法向 如果還沒有對模型的任何部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分, 就不能激活接觸向?qū)? 在啟用接觸向?qū)?chuàng)建柔體對柔體接觸模型之前, 要先對所有的將用作接觸面的模型部件劃分網(wǎng)格. 要?jiǎng)?chuàng)建剛體對柔體接觸模型, 只要對將用作柔體接觸面的模型部件劃分

31、網(wǎng)格.,October 20, 2000,8-58,接觸非線性 5.7版本,接觸向?qū)?只要簡單地跟隨接觸向?qū)ё哌^接觸對創(chuàng)建步驟即可. 首先, 你將指定目標(biāo)面, 然后再指定接觸面.,October 20, 2000,8-59,接觸非線性 5.7版本,接觸向?qū)?所有的接觸單元選項(xiàng)和實(shí)常數(shù)都能通過接觸向?qū)У玫?,October 20, 2000,8-60,接觸非線性 5.7版本,接觸向?qū)?在最后一步, 接觸向?qū)?chuàng)建接觸單元和相應(yīng)的實(shí)常數(shù).,創(chuàng)建的實(shí)常數(shù)設(shè)置是一致的.,如果目標(biāo)法向不正確, 能夠逆轉(zhuǎn).,October 20, 2000,8-61,接觸非線性 5.7版本,接觸向?qū)?接觸向?qū)н€允許你觀看

32、、列表和刪除接觸副, 并且可以快速顯示和逆轉(zhuǎn)法線方向.,October 20, 2000,8-62,接觸非線性 5.7版本,注意,October 20, 2000,8-63,接觸非線性 5.7版本,練習(xí),目的: 對一個(gè)位移控制加載的軸對稱咬接裝配問題進(jìn)行分析.,偏移量 = 0.4”,咬接裝配,軸對稱模型,垂直約束,October 20, 2000,8-64,接觸非線性 5.7版本,練習(xí),練習(xí)步驟: 1.恢復(fù)數(shù)據(jù)庫snap.db. 該數(shù)據(jù)庫包括網(wǎng)格和固定的邊界條件. 2.利用接觸向?qū)?chuàng)建目標(biāo)和接觸單元(如圖所示,數(shù)據(jù)庫中設(shè)置了線組).哪一邊應(yīng)該是目標(biāo),清楚嗎?正確地設(shè)置罰剛度比例系數(shù) (FKN)

33、. 提示: 該問題是以彎曲為主還是以體積變形為主?,接觸,目標(biāo),October 20, 2000,8-65,接觸非線性 5.7版本,練習(xí),練習(xí)步驟: 3.在直線45上施加 0.4”的 Y向位移. 4.打開幾何非線性開關(guān) (NLGEOM,ON). 5.設(shè)“ 時(shí)間(time)” 等于 0.4, 并為自動時(shí)間步給出子步數(shù)(20,500,10). 6.給出輸出控制 (要求輸出每一子步結(jié)果). 7.求解, 并查看輸出和監(jiān)控文件.,October 20, 2000,8-66,接觸非線性 5.7版本,練習(xí),練習(xí)步驟: 8.對接觸結(jié)果進(jìn)行后處理, 查看接觸壓力和應(yīng)力結(jié)果. 作應(yīng)力結(jié)果動畫. 9.在時(shí)間歷程后處

34、理器里畫載荷變形曲線. 在此問題中為什么得到了負(fù)的反作用力?,October 20, 2000,8-67,接觸非線性 5.7版本,練習(xí),補(bǔ)充作業(yè): 如果有時(shí)間, 重新啟動分析, 并將 Y向偏移量增加到 0.55”, 使咬接裝配的第二個(gè)齒咬合. 查看結(jié)果以及此問題的收斂過程. 如果有時(shí)間, 顛倒目標(biāo)面和接觸面的指定,重新運(yùn)行此分析. 答案變化明顯嗎?,October 20, 2000,8-68,接觸非線性 5.7版本,練習(xí),回答問題: 在此問題中, 哪一邊應(yīng)該是目標(biāo)面, 哪一邊應(yīng)該是接觸面是不明顯的. 在這種情況下, 要求用對稱接觸(兩邊都指定為目標(biāo)面和接觸面). 對于這個(gè)問題, 網(wǎng)格粗糙些的一

35、邊選為目標(biāo)面 (盡管有人會爭論, 指定為接觸面的表面更簡單些, 應(yīng)該定為目標(biāo)面). 該問題以彎曲變形為主, 設(shè) FKN = 0.1. 出現(xiàn)負(fù)的反作用力, 是因?yàn)榇饲蠼馐怯晌灰瓶刂频? 在加載歷史的不同點(diǎn), 施加的位移引起了負(fù)的反作用力.,October 20, 2000,8-69,接觸非線性 5.7版本,練習(xí),回答問題: 對于第一個(gè)載荷步 (0 到 0.4), 交換目標(biāo)面和接觸面的指定, 結(jié)果變化不明顯.對于第二個(gè)載荷步 (0.4 到 0.55), 這兩種情況的力位移曲線有變化. 這表示, 對該問題要求用對稱接觸.,October 20, 2000,8-70,接觸非線性 5.7版本,練習(xí)答案,

36、/BATCH RESUME,snap,db /PREP7 ET,2,169 ET,3,171 R,1,0.1,0.1 CMSEL,S,TARGET NSLL,S,1 TYPE,2 MAT,1 REAL,1 ESURF CMSEL,S,CONTACT NSLL,S,1 TYPE,3 ESURF ALLS FINISH,/SOLUTION 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 /EXIT,Octobe

37、r 20, 2000,8-71,接觸非線性 5.7版本,接觸非線性建模和求解策略,October 20, 2000,8-72,接觸非線性 5.7版本,本節(jié)目標(biāo),本節(jié)學(xué)完后, 將能對如下功能進(jìn)行描述和論證:,Session Objective,1.面對面單元選項(xiàng) 2.剛性面 3.確定接觸剛度 4.摩擦 5.剛體位移 6.對稱接觸對不對稱接觸(自接觸 ) 7.初始干涉 8.排錯(cuò),October 20, 2000,8-73,接觸非線性 5.7版本,面對面選項(xiàng),本章的剩余部分將討論各種各樣的面對面接觸單元選項(xiàng)(關(guān)鍵選項(xiàng))和實(shí)常數(shù), 它們將控制面對面接觸單元的行為.,October 20, 2000,8

38、-74,接觸非線性 5.7版本,面對面選項(xiàng),我們還將討論一般會遇到的接觸問題的建模技術(shù)和對策. 包括剛性面、摩擦、剛體位移、 初始干涉、表面相互作用模型和排錯(cuò).,October 20, 2000,8-75,接觸非線性 5.7版本,剛性面,在一個(gè)接觸問題中, 對于使用剛性面, 還有其它的建模考慮. 包括: 控制節(jié)點(diǎn) 剛性面的網(wǎng)格劃分 改變目標(biāo)面的形狀 將其它單元與剛性面相連接,October 20, 2000,8-76,接觸非線性 5.7版本,剛性面,控制節(jié)點(diǎn) 剛性面能夠與“ 控制節(jié)點(diǎn)”聯(lián)系起來, 該節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動能夠控制目標(biāo)面的運(yùn)動. 加在整個(gè)面上的力、位移和/或轉(zhuǎn)動能夠用控制節(jié)點(diǎn)給出. 可以將控

39、制節(jié)點(diǎn)看作整個(gè)剛性面的手柄. 如果定義了一個(gè)控制節(jié)點(diǎn), ANSYS將只檢查控制節(jié)點(diǎn)的邊界條件, 忽略目標(biāo)面上其它節(jié)點(diǎn)的約束. 控制節(jié)點(diǎn)既可對關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)格劃分生成, 也能作為目標(biāo)單元, 使用相同的單元屬性直接生成.,October 20, 2000,8-77,接觸非線性 5.7版本,剛性面,旋轉(zhuǎn)的剛性面,控制節(jié)點(diǎn) 控制節(jié)點(diǎn)能夠在任何位置定義. 這允許剛性面的一般轉(zhuǎn)動. 只有控制節(jié)點(diǎn)能夠與其它單元聯(lián)系起來. 要計(jì)算剛體的質(zhì)量, 可以在控制節(jié)點(diǎn)上定義一個(gè)質(zhì)量單元(質(zhì)量21單元). 每一個(gè)目標(biāo)面只能有一個(gè)控制節(jié)點(diǎn).,October 20, 2000,8-78,接觸非線性 5.7版本,剛性面,約束剛性

40、面 如果滿足以下條件, 剛性面則缺省為自動約束(auto constrained, KEYOPT(2)=0) : 沒有明確定義邊界條件. 目標(biāo)面與其它單元沒有聯(lián)系. 沒有定義耦合或約束方程.,在這種情況下, 剛性目標(biāo)面的所有自由度都被約束.,October 20, 2000,8-79,接觸非線性 5.7版本,剛性面,約束剛體目標(biāo) 如果選擇了自動約束(KEYOPT(2)=0)選項(xiàng), 在每一個(gè)載荷步的末尾, 程序內(nèi)部將對剛性面重新設(shè)置約束. 當(dāng)重起動求解時(shí), 請仔細(xì)檢查模型. 如果選擇用戶定義 (KEYOPT(2)=1)選項(xiàng), ANSYS認(rèn)為剛性面上所有合理的邊界條件應(yīng)由用戶定義.,October

41、 20, 2000,8-80,接觸非線性 5.7版本,剛性面,劃分復(fù)雜目標(biāo)面 一個(gè)剛性目標(biāo)可以是基本目標(biāo)元素(圓柱、圓錐、球等)的組合. 對于任意表面, 網(wǎng)格形狀的質(zhì)量并不重要. 重要的是目標(biāo)單元是否很好地代表了幾何體. 目標(biāo)表面過分粗糙的離散化會導(dǎo)致收斂方面的問題.,October 20, 2000,8-81,接觸非線性 5.7版本,剛性面,劃分復(fù)雜目標(biāo)面的建議 如果剛性目標(biāo)能由基本元素代替, 就用基本元素(需要更少的單元, 更有效). 對于復(fù)雜表面, 盡可能對網(wǎng)格進(jìn)行映射劃分. 如果表面的一邊沒有曲率, 則在該邊只劃分一個(gè)單元. 對于平面或接近平面的, 用低次目標(biāo)單元. 如果目標(biāo)表面是彎曲

42、的, 用高次單元.,October 20, 2000,8-82,接觸非線性 5.7版本,剛性面,下面是對于一個(gè)剛性面, 低次單元和高次單元兩種劃分方式都用了的例子. 低次單元的計(jì)算量少, 但是需要更多的單元. 高次單元的計(jì)算量大, 但是, 需要的單元少.,低次,高次,October 20, 2000,8-83,接觸非線性 5.7版本,改變剛性面的形狀 對于具有低次或高次目標(biāo)元素(不是基本元素)的已劃分網(wǎng)格的目標(biāo)面, 目標(biāo)節(jié)點(diǎn)能夠旋轉(zhuǎn)到局部坐標(biāo)系. 這允許目標(biāo)面在一個(gè)分析中改變形狀. 例如, 希望用剛性圓柱面進(jìn)行擴(kuò)徑. 此圓柱面可以劃分為高次四邊形, 將目標(biāo)節(jié)點(diǎn)從直角坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)到圓柱坐標(biāo)系, 并

43、在剛性目標(biāo)面上施加徑向位移, 就可以對圓柱擴(kuò)徑.,剛性面,October 20, 2000,8-84,接觸非線性 5.7版本,接觸算法,選擇一個(gè)接觸算法 關(guān)鍵字選項(xiàng)(2) 增強(qiáng)的拉格朗日法(關(guān)鍵字選項(xiàng)(2)=0)是缺省選項(xiàng), 推薦于一般應(yīng)用. 它對罰剛度不太敏感, 但是也要求給出一個(gè)侵入容差. 能夠用罰函數(shù)法(關(guān)鍵字選項(xiàng) (2)=1)這個(gè)選項(xiàng). 它推薦應(yīng)用于單元非常扭曲、大摩擦系數(shù)和/或用增大的拉格朗日法收斂行為不好的問題.,October 20, 2000,8-85,接觸非線性 5.7版本,確定罰剛度,對于面對面接觸單元, ANSYS基于單元類型、材料性質(zhì)和它下面的單元尺寸確定接觸剛度. 可

44、以用實(shí)常數(shù)FKN給出接觸剛度的一個(gè)比例系數(shù)或絕對值. 懲罰剛度(FKN)應(yīng)該足夠大, 使接觸侵入量小. 同時(shí)也應(yīng)足夠小, 使問題沒有病態(tài)矩陣. FKN值通常在 0.0110之間. 對于體積變形問題, 用值1.0 (默認(rèn)), 對于彎曲問題, 用值 0.1.,October 20, 2000,8-86,接觸非線性 5.7版本,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)相乘的比例系數(shù). 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值增大100倍會相應(yīng)地減少侵入, 但是接 觸壓力只改變5%.,October 20, 2

45、000,8-87,接觸非線性 5.7版本,確定罰剛度,確定一個(gè)好的剛度值需要做些實(shí)驗(yàn). 下面的處理可以作為指南: 1.開始用一個(gè)較小的 FKN值. 2.運(yùn)行最終載荷的一部分的分析. 3.檢查侵入和每一子步的平衡迭代數(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余力收斂, 而不是侵入, FKN值可能估計(jì)得太高. 4.調(diào)整 FKN 或 FTOLN值, 運(yùn)行整個(gè)分析. 注意:從一個(gè)載荷步到另一個(gè)載荷步, FKN 和 FTOLN 值都能修改, 并且能在重起動分析中調(diào)整.,October 20, 2000,8-88,接觸非線性 5.7版本,摩

46、擦,在接觸模型中包括摩擦, 就允許在兩個(gè)接觸體間產(chǎn)生剪力. 在庫侖摩擦模型中, 在兩個(gè)表面開始相對滑動之前, 這兩個(gè)表面承受的剪應(yīng)力要上升到一個(gè)定值. 此階段稱為粘著. 當(dāng)滑動發(fā)生時(shí), 庫侖摩擦模型定義平衡的摩擦應(yīng)力 : 式中, p是單位接觸壓力, 是摩擦系數(shù)(用材料性質(zhì)MU定義). 一旦剪應(yīng)力超過此定值, 這兩個(gè)表面將相對滑動. 此階段就是滑動. 摩擦系數(shù) 可以是任意非負(fù)值.,October 20, 2000,8-89,接觸非線性 5.7版本,摩擦,|,max,p,滑動,粘著,ANSYS 提供一個(gè)實(shí)常數(shù)TAUMAX, 用于定義等效剪應(yīng)力的最大值. 這樣, 不管接觸壓力值是多大, 只要等效剪應(yīng)

47、力達(dá)到最大值TAUMAX, 就會發(fā)生滑動.,該剪應(yīng)力極限值通常用于接觸壓力會變得非常大的情況. TAUMAX的一個(gè)合理的上限估計(jì)值是:,式中 y 是表面附近材料的范米賽斯屈服應(yīng)力. TAUMAX的最好值通常來源于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù).,October 20, 2000,8-90,接觸非線性 5.7版本,摩擦,包含摩擦的接觸問題會產(chǎn)生不對稱的剛度矩陣. 然而, 使用不對稱的方程求解器比對稱求解器的計(jì)算費(fèi)用更高. 由于這個(gè)原因, ANSYS用一種對稱算法進(jìn)行計(jì)算. 利用此算法, 可以解決多數(shù)包含摩擦的接觸問題. 如果遇到了一個(gè)收斂緩慢的問題, 可以用不對稱求解選項(xiàng) (關(guān)鍵選項(xiàng)(6)=1). 在這種情況下, 應(yīng)

48、該用稀疏矩陣求解器 (優(yōu)選的)或波前法求解器.,October 20, 2000,8-91,接觸非線性 5.7版本,接觸檢查點(diǎn),ANSYS面對面單元默認(rèn)用高斯積分點(diǎn)作為接觸檢查點(diǎn).,高斯點(diǎn),接觸面,接觸面,ANSYS 允許通過設(shè)置關(guān)鍵字選項(xiàng)(4)=1將接觸檢查點(diǎn)移到節(jié)點(diǎn). 為了保證收斂和精度, 建議保持默認(rèn)設(shè)置.,October 20, 2000,8-92,接觸非線性 5.7版本,高斯點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn),對于高次單元, 節(jié)點(diǎn)力連續(xù).,高斯點(diǎn)不能“ 滑離”目標(biāo)面的邊緣.,垂直于高斯點(diǎn)只定義了唯一的侵入, 不要求目標(biāo)面的平滑程度.,接觸檢查點(diǎn)更多.,October 20, 2000,8-93,接觸非線性 5

49、.7版本,接觸檢查點(diǎn),如果有一個(gè)包括角部接觸的問題, 使用高斯點(diǎn)作為接觸檢查點(diǎn)會導(dǎo)致角部的過分侵入. 這時(shí)也不用將接觸檢查點(diǎn)移到節(jié)點(diǎn), 可以將面對面接觸單元與節(jié)點(diǎn)對面接觸單元混合起來用.,面對面單元,節(jié)點(diǎn)對面單元用于在角部建立接觸模型,October 20, 2000,8-94,接觸非線性 5.7版本,對稱接觸與不對稱接觸,在前面, 我們討論了將一個(gè)表面指定為目標(biāo)面, 另一個(gè)表面指定為接觸面. 讓所有的接觸單元在一個(gè)表面上, 所有的目標(biāo)單元在另一個(gè)表面上, 這稱為不對稱接觸. 不對稱接觸通常是建立面對面接觸模型的最有效的方法. 然而, 在有些情況下, 不對稱接觸的執(zhí)行不能令人滿意.,Octob

50、er 20, 2000,8-95,接觸非線性 5.7版本,不對稱接觸,凸表面 網(wǎng)格細(xì)致表面 柔軟表面 高次表面 小表面,凹/平 表面 網(wǎng)格粗糙表面 剛硬表面 低次表面 大表面,接觸 面:,目標(biāo) 面:,記住, 接觸單元不能侵入目標(biāo)單元, 而目標(biāo)單元能夠侵入接觸單元. 下面是不對稱接觸處理的準(zhǔn)則:,上面準(zhǔn)則確定的目的是使接觸檢查點(diǎn)的數(shù)目最大.,October 20, 2000,8-96,接觸非線性 5.7版本,對稱接觸,對稱接觸不如不對稱接觸有效. 然而, 許多分析需要用它 (典型用于減少侵入). 對稱接觸增加了接觸檢查點(diǎn)的數(shù)目. 對稱接觸的準(zhǔn)則: 目標(biāo)面和接觸面沒有明顯的區(qū)別. 目標(biāo)面和接觸面的

51、網(wǎng)格都粗糙. 注意用對稱接觸時(shí), 后處理更困難. 接觸壓力是兩個(gè)接觸單元對的平均值.,October 20, 2000,8-97,接觸非線性 5.7版本,自接觸,對于自接觸, 使用不對稱接觸更有效, 但是難于預(yù)測接觸面和目標(biāo)面. 對于自接觸, 用對稱接觸時(shí), 只要簡單地將目標(biāo)單元和接觸單元放在相同的表面上即可.,中間的超彈性環(huán) 與自身接觸,October 20, 2000,8-98,接觸非線性 5.7版本,剛體位移,在靜態(tài)分析中, 開始不連接在一起的兩個(gè)(或多個(gè))物體, 在建立接觸前, 會產(chǎn)生剛體運(yùn)動.,F,在這個(gè)力控制的例子中, 圓柱上沒有施加位移約束. 此圓柱的約束由圓柱和平板之間的接觸建

52、立.,October 20, 2000,8-99,接觸非線性 5.7版本,剛體位移,如果在求解中的任一時(shí)刻, 兩個(gè)物體沒有聯(lián)系, 剛度矩陣就會奇異. ANSYS將會發(fā)出一個(gè)負(fù)主元警告信息. 由于物體初始時(shí)沒有聯(lián)系, 要克服剛體位移有幾個(gè)選項(xiàng): 在“ 恰好碰上” 的位置建立幾何模型 動力學(xué) 位移控制 軟彈簧 用不分離接觸 (關(guān)鍵選項(xiàng) (12), 在后面討論) 調(diào)整初始接觸條件,October 20, 2000,8-100,接觸非線性 5.7版本,剛體位移,“ 恰好碰上” 這要求知道“ 恰好碰上” 的位置在哪里. 如果表面是曲面或者不規(guī)則, 則難以確定.,F,由于有限元網(wǎng)格的數(shù)值修整, 物體之間會

53、存在小間隙或侵入. 這可能引起不收斂或接觸物體的分離.,October 20, 2000,8-101,接觸非線性 5.7版本,剛體位移,動力學(xué) 在動力分析中, 慣性作用可以阻止剛體運(yùn)動. 克服剛體運(yùn)動的一種選擇是動態(tài)地求解問題. 將需要加上質(zhì)量和阻尼, 使求解從靜態(tài)轉(zhuǎn)換到動態(tài).,October 20, 2000,8-102,接觸非線性 5.7版本,剛體位移,位移控制 該技術(shù)用強(qiáng)加的位移使兩物體進(jìn)入接觸狀態(tài). 然后, 可以通過一個(gè)空載荷步, 使該問題從位移控制求解轉(zhuǎn)換到力控制求解.,強(qiáng)加的小位移,October 20, 2000,8-103,接觸非線性 5.7版本,剛體位移,位移控制 載荷步 1

54、 用一個(gè)強(qiáng)加的小位移使物體進(jìn)入初始接觸狀態(tài). 載荷步 2 從位移控制轉(zhuǎn)換到力控制. 刪除強(qiáng)加的位移, 加上反作用力, 并用一個(gè)子步求解(由于此系統(tǒng)沒有變化, 該載荷步應(yīng)該經(jīng)過一次或兩次迭代就收斂). 載荷步 3 繼續(xù)進(jìn)行載荷歷史加載.,October 20, 2000,8-104,接觸非線性 5.7版本,剛體位移,軟彈簧 該技術(shù)使用接地軟彈簧來阻止剛體運(yùn)動.,F,與系統(tǒng)剛度相比, 彈簧剛度應(yīng)該可以忽略. 彈簧與地相連, 可以將地上節(jié)點(diǎn)的反作用力與總的反作用力相比, 以確保彈簧對求解沒有影響.,October 20, 2000,8-105,接觸非線性 5.7版本,剛體位移,盡管“ 恰好碰上”、動

55、力學(xué)、位移控制和軟彈簧都是有效的分析技術(shù), 實(shí)施起來可能都有困難. “ 恰好碰上” - 由于有限元網(wǎng)格的數(shù)值修整, 能夠存在小間隙或小侵入. 動力學(xué) - 在一個(gè)“ 靜態(tài)”模型中, 要緩沖掉不想要的動態(tài)影響并不總是那么容易. 位移控制 - 對于復(fù)雜加載, 施加哪個(gè)位移并不總是那么明顯.,October 20, 2000,8-106,接觸非線性 5.7版本,剛體位移,軟彈簧 - 初始載荷必須足夠小, 從而引起彈簧的小變形, 這樣接觸單元才能認(rèn)識侵入. 需要做些實(shí)驗(yàn), 使目標(biāo)單元不“ 穿過” 接觸表面. 因此, 還可以用實(shí)常數(shù)ICONT或PMIN和PMAX去調(diào)整初始接觸條件, 以阻止剛體位移. IC

56、ONT 將接觸面上在調(diào)整帶內(nèi)的節(jié)點(diǎn)移到目標(biāo)面上. PMIN和PMAX 實(shí)際地將剛性面移進(jìn)目標(biāo).,October 20, 2000,8-107,接觸非線性 5.7版本,剛體位移,調(diào)整初始接觸條件 (ICONT) 實(shí)常數(shù) ICONT 能用于圍繞目標(biāo)面給出一個(gè)“ 調(diào)整帶”. 調(diào)整帶內(nèi)任何接觸點(diǎn)都被移到目標(biāo)面上. 只建議進(jìn)行較小的修正, 若ICONT值太大, 則會發(fā)生間斷. 如果不給出實(shí)常數(shù) ICONT, ANSYS 根據(jù)模型的大小提供一個(gè) 較小的 ICONT默認(rèn)值.,October 20, 2000,8-108,接觸非線性 5.7版本,剛體位移,調(diào)整初始接觸條件 (ICONT) 接觸面調(diào)整, 調(diào)整前

57、與調(diào)整后如下圖所示:,October 20, 2000,8-109,接觸非線性 5.7版本,剛體位移,調(diào)整初始接觸條件 (PMIN 和 PMAX) 實(shí)常數(shù) PMIN 和 PMAX 給出初始侵入范圍. ANSYS 實(shí)際地將整個(gè)目標(biāo)面 (以及附著的變形體) 移到由PMIN和PMAX給出的侵入范圍內(nèi). 如果目標(biāo)面有預(yù)加的零約束, 則不執(zhí)行使用 PMIN 和 PMAX 的初始調(diào)整. 初始調(diào)整是一個(gè)迭代過程. ANSYS 最多進(jìn)行20次迭代, 將目標(biāo)面移到 PMIN 和 PMAX 范圍內(nèi).,October 20, 2000,8-110,接觸非線性 5.7版本,剛體位移,調(diào)整初始接觸條件 (PMIN 和

58、PMAX),接觸面,調(diào)整前和調(diào)整后的接觸面,October 20, 2000,8-111,接觸非線性 5.7版本,球形(pinball)區(qū),接觸單元相對于目標(biāo)單元的的位置和運(yùn)動決定接觸狀態(tài). ANSYS跟蹤每一個(gè)單元, 并對它賦予一個(gè)可以進(jìn)行后處理的狀態(tài). 接觸狀態(tài)相應(yīng)的CPU費(fèi)用 0 - 遠(yuǎn)區(qū)域開接觸 便宜 1 - 近區(qū)域開接觸 中等 2 - 滑動閉接觸 昂貴 3 - 粘著閉接觸 昂貴,October 20, 2000,8-112,接觸非線性 5.7版本,pinball區(qū),當(dāng)接觸單元進(jìn)入pinball區(qū)時(shí), 認(rèn)為它處于近區(qū)域接觸. pinball區(qū)是圍繞接觸單元的圓(二維)或球(三維).,可

59、以用實(shí)常數(shù)PINB調(diào)整球形區(qū)(此方法對于初始侵入大的問題是必要的). ANSYS默認(rèn)定義彈球區(qū)為下面單元的4深度(剛體對柔體)或 2深度 (柔體對柔體).,彈球,October 20, 2000,8-113,接觸非線性 5.7版本,防止偽接觸,關(guān)鍵字選項(xiàng)(8)=1 僅用于當(dāng)實(shí)常數(shù)PINB不能處理此問題時(shí), 因?yàn)榇诉x項(xiàng)會導(dǎo)致丟失真實(shí)的侵入. 關(guān)鍵字選項(xiàng) (8)防止初始時(shí)或變形時(shí)過分侵入的偽接觸. 用于包括自接觸問題的對稱接觸.,Contact is erroneously detected,No contact is detected,October 20, 2000,8-114,接觸非線性 5.7版本,初始過盈,對于建立初始過盈接觸問題(如冷縮裝配): 幾何模型包括初始過盈. 通過實(shí)常數(shù)CNOF給出接觸面偏移包括初始過盈. 包括初始過盈的幾