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1、第八章第八章 接触非线性接触非线性September 30, 19981接触分析本章目标本章目标本章学完后本章学完后, 应应能对如下功能进行描述和论证能对如下功能进行描述和论证:SessionObjective1. 接触协调条件接触协调条件2. 刚体对柔体和柔体对柔体接触刚体对柔体和柔体对柔体接触3. 节点对节点、节点对面和面对面接触单元节点对节点、节点对面和面对面接触单元4. 接触刚度接触刚度5. 接触单元处理接触单元处理6. 接触向导接触向导October 20, 20002接触分析接触问题接触问题接触问题接触问题接触问题是高度非线性的接触问题是高度非线性的, 并且对于非线性问题的求解具有
2、典型的挑并且对于非线性问题的求解具有典型的挑战意义战意义.接触问题提出两个重要的挑战接触问题提出两个重要的挑战: 在多数接触问题中接触区域是未知的在多数接触问题中接触区域是未知的. 表面与表面会突然接触表面与表面会突然接触或突然不接触或突然不接触, 这会导致系统刚度的突然变化这会导致系统刚度的突然变化. 多数接触问题包括摩擦多数接触问题包括摩擦. 摩擦是与路径有关的现象摩擦是与路径有关的现象, 这要求精这要求精确的加载历史确的加载历史. 摩擦的响应还可能是杂乱的摩擦的响应还可能是杂乱的, 使求解难以收敛使求解难以收敛.October 20, 20003接触分析关于耦合和约束方程的注释关于耦合和
3、约束方程的注释关于耦合和约束方程的注释关于耦合和约束方程的注释如果接触模型没有摩擦如果接触模型没有摩擦, 接触区域始终粘在一起接触区域始终粘在一起, 并且分析是小并且分析是小挠度、小转动问题挠度、小转动问题, 那么可以用耦合或约束方程代替接触那么可以用耦合或约束方程代替接触. 详细详细信息请参看信息请参看ANSYS建模和网格划分指南建模和网格划分指南.使用耦合或约束方程的优点是分析还是线性的使用耦合或约束方程的优点是分析还是线性的.October 20, 20004接触分析接触分类接触分类接触分类接触分类接触问题一般分为两类接触问题一般分为两类: 刚体对柔体和柔体对柔体刚体对柔体和柔体对柔体.
4、刚体对柔体刚体对柔体: 一个或多个接触表面作为刚体一个或多个接触表面作为刚体(一个表面的刚度比一个表面的刚度比另一个表面的刚度要高很多另一个表面的刚度要高很多). 许多金属成形问题归入此类许多金属成形问题归入此类. 柔体对柔体柔体对柔体: 两个或所有的接触体都可变形两个或所有的接触体都可变形(所有表面刚度相差所有表面刚度相差不多不多). 螺栓法兰连接是一个柔体对柔体接触的例子螺栓法兰连接是一个柔体对柔体接触的例子.October 20, 20005接触分析刚体对柔体接触刚体对柔体接触刚体对柔体接触刚体对柔体接触刚体表面刚体表面变形体变形体October 20, 20006接触分析柔体对柔体接触
5、柔体对柔体接触柔体对柔体接触柔体对柔体接触花键轴过盈配合花键轴过盈配合, 两个零件两个零件都是柔体都是柔体.October 20, 20007接触分析接触协调条件接触协调条件接触协调条件接触协调条件F为了阻止接触表面相互穿过为了阻止接触表面相互穿过, 这两个表面间必须建立一个关系这两个表面间必须建立一个关系. 否否则这两个表面将相互穿过则这两个表面将相互穿过.不施加接触协调条件时发生侵入不施加接触协调条件时发生侵入目标目标接触接触FOctober 20, 20008接触分析接触协调条件接触协调条件接触协调条件接触协调条件用一个弹簧施加接触协调条件称为罚函数法用一个弹簧施加接触协调条件称为罚函数
6、法. 弹簧刚度或接触刚度弹簧刚度或接触刚度称为罚参数称为罚参数.该弹簧的变形量该弹簧的变形量 满足方程满足方程: F = k 接触刚度接触刚度(k)越大越大, 接触表面的侵入越接触表面的侵入越少少. 然而然而, 若该值太大若该值太大, 会导致收敛会导致收敛困难困难.FOctober 20, 20009接触分析接触协调条件接触协调条件接触协调条件接触协调条件还可用另外一种方法还可用另外一种方法, 即拉格朗日乘子法即拉格朗日乘子法, 增加一个附加自由度增加一个附加自由度(接接触压力触压力), 以满足不侵入条件以满足不侵入条件.FOctober 20, 200010接触分析接触协调条件接触协调条件接
7、触协调条件接触协调条件将罚函数法和拉格朗日乘子法结合起来施加接触协调条件合称为增将罚函数法和拉格朗日乘子法结合起来施加接触协调条件合称为增强的拉格朗日法强的拉格朗日法.在迭代的开始在迭代的开始, 接触协调条件基于惩罚刚度决定接触协调条件基于惩罚刚度决定. 一旦达到平衡一旦达到平衡, 就就检查许可侵入量检查许可侵入量. 这时这时, 如果有必要如果有必要, 接触压力增大接触压力增大, 继续进行迭代继续进行迭代.F许可侵入量许可侵入量October 20, 200011接触分析增大接触应力增大接触应力减少侵入量减少侵入量由于平衡由于平衡改正侵入量改正侵入量在改正阶段在改正阶段发生振荡发生振荡增大的拉
8、格朗日增大的拉格朗日增大的拉格朗日增大的拉格朗日October 20, 200012接触分析接触单元接触单元接触单元接触单元ANSYS有三种类型的接触单元有三种类型的接触单元:节点对节点节点对节点 - 这是指接触的最终位置事先是知道的这是指接触的最终位置事先是知道的.节点对面节点对面 - 接触区域未知接触区域未知, 并且允许大滑动并且允许大滑动.面对面面对面 -接触区域未知接触区域未知, 并且允许大滑动并且允许大滑动 (相对节点对面接触形式有几个优点相对节点对面接触形式有几个优点).October 20, 200013接触分析节点对节点接触单元节点对节点接触单元节点对节点接触单元节点对节点接触
9、单元IJIJ两个最常用的节点对节点接触单元两个最常用的节点对节点接触单元:接触接触12单元和单元和接触接触52单元都用罚函数法施加接触协调条件单元都用罚函数法施加接触协调条件. 这要求这要求输入一个罚刚度输入一个罚刚度(在后面我们将详细讨论罚刚度的计算在后面我们将详细讨论罚刚度的计算).接触接触12单元单元 - 二维间隙二维间隙接触接触52单元单元 - 三维间三维间隙隙October 20, 200014接触分析节点对节点接触单元节点对节点接触单元节点对节点接触单元节点对节点接触单元节点对节点接触单元能够用于建立点对点接触模型节点对节点接触单元能够用于建立点对点接触模型. 接触点始终已接触点始
10、终已知的管抖动模型是点对点接触的一个例子知的管抖动模型是点对点接触的一个例子.如果两个表面的节点一一对应如果两个表面的节点一一对应, 相对滑动变形量可以忽略相对滑动变形量可以忽略, 并且两表并且两表面的挠度面的挠度(转动量转动量)较小较小, 那么这些单元还能用于模拟面对面接触问那么这些单元还能用于模拟面对面接触问题题. 过盈配合问题是面对面接触问题的一个例子过盈配合问题是面对面接触问题的一个例子. 如果满足上述条件如果满足上述条件, 则此问题用间隙单元是足够的则此问题用间隙单元是足够的.注意点对点接触只能用于低次单元注意点对点接触只能用于低次单元.October 20, 200015接触分析节
11、点对节点接触过程节点对节点接触过程节点对节点接触过程节点对节点接触过程接触接触12单元和接触单元和接触52单元既能用直接生成法创建单元既能用直接生成法创建, 也能在重合节点也能在重合节点处创建单元处创建单元.前处理器前处理器 - 创建创建 - 单元单元 - 在重合节点在重合节点 ( Preprocessor - Create - Elements - At Coincid Nd) 接触接触12单元单元 应该在重合节点间创建应该在重合节点间创建. 然而接触然而接触52单元要求单元要求1E-6的距的距离来定向单元离来定向单元.October 20, 200016接触分析节点对节点接触过程节点对节点
12、接触过程节点对节点接触过程节点对节点接触过程补充信息补充信息:接触接触12单元由实常数单元由实常数THETA定向定向. 接触接触12单元能用作钩单元能用作钩子子或间或间 隙隙, 而接触而接触52单元只能用作间隙单元只能用作间隙 (注意通过约束注意通过约束UZ自由度自由度,接触接触 52单元能够用于二维问题单元能够用于二维问题).通过设置关键选项通过设置关键选项(4)和实常数和实常数INTF及及GAP, 接触接触12单元和接触单元和接触 52单元都允许给出初始过盈或初始间隙单元都允许给出初始过盈或初始间隙.关于接触关于接触12单元和接触单元和接触52单元选项和实常数的详细叙述单元选项和实常数的详
13、细叙述, 请参看请参看ANSYS单元手册单元手册(ANSYS Elements Reference )第四章第四章.October 20, 200017接触分析节点对表面接触单元节点对表面接触单元节点对表面接触单元节点对表面接触单元节点对表面接触单元节点对表面接触单元:接触接触48单元单元 - 二维节点对表面二维节点对表面接触接触49单元单元三维节点对表面三维节点对表面JIKIJKML这些单元用这些单元用缺省的缺省的罚函数法作为接触协调条件罚函数法作为接触协调条件. 作为一个选项作为一个选项,可以可以使用综合的使用综合的罚函数和拉格朗日乘子罚函数和拉格朗日乘子.October 20, 2000
14、18接触分析节点对表面接触单元节点对表面接触单元节点对表面接触单元节点对表面接触单元节点对表面接触单元节点对表面接触单元典型用于建立点对面接触应用模型典型用于建立点对面接触应用模型, 如两个梁接如两个梁接触触 (在梁的末端在梁的末端)和锁扣配合的角部和锁扣配合的角部.通过定义多个单元通过定义多个单元, 这些单元还能用于建立面对面接触模型这些单元还能用于建立面对面接触模型. 这些表这些表面可以是刚性的或可变形的面可以是刚性的或可变形的.不用知道接触面的位置不用知道接触面的位置. 允许大变形、大相对滑动和接触表面间的不允许大变形、大相对滑动和接触表面间的不同网格划分同网格划分.注意节点对表面接触只
15、可以用于低次单元注意节点对表面接触只可以用于低次单元.October 20, 200019接触分析节点对表面接触处理节点对表面接触处理节点对表面接触处理节点对表面接触处理接触接触48单元和接触单元和接触49单元通过指定节点组元来生成单元通过指定节点组元来生成, 这些节点组定这些节点组定义了目标和接触表面义了目标和接触表面.为接触和目标表面选择需要的节点为接触和目标表面选择需要的节点, 并创建节点组并创建节点组元元.给出单元类型和实常数给出单元类型和实常数, 并生成接触单元并生成接触单元. 每一个不相连的接触面应每一个不相连的接触面应该参照一个不同的实常数设置该参照一个不同的实常数设置.JK接触
16、节点接触节点目标节点目标节点IOctober 20, 200020接触分析节点对表面接触处理节点对表面接触处理节点对表面接触处理节点对表面接触处理主菜单主菜单 前处理器前处理器 创建创建 单元单元 节点对表面节点对表面(Main Menu Preprocessor Create Elements Node to Surf)节点组名称节点组名称关于使用节点对表面接触单元的详细信息请参看关于使用节点对表面接触单元的详细信息请参看 ANSYS结构分析指结构分析指南南 (ANSYS Structural Analysis Guide) .October 20, 200021接触分析接触刚度接触刚度接触
17、刚度接触刚度点对点点对点(接触接触12单元和接触单元和接触52单元单元)和节点对表面和节点对表面(接触接触48单元和接单元和接触触49单元单元)接触单元都要求给出罚刚度接触单元都要求给出罚刚度.罚刚度越大罚刚度越大, 接触表面的侵入量越小接触表面的侵入量越小. 然而然而, 若此值太大若此值太大,则会由于则会由于病态条件而引起收敛困难病态条件而引起收敛困难.可以通过一些实验来确定一个合适的接触刚度可以通过一些实验来确定一个合适的接触刚度, 使求解收敛使求解收敛,而且而且侵入量可以接受侵入量可以接受.October 20, 200022接触分析选择接触刚度选择接触刚度选择接触刚度选择接触刚度接触刚
18、度是接触面的相对刚度的函数接触刚度是接触面的相对刚度的函数.对于块状实体对于块状实体, 通常通常赫兹接触刚度赫兹接触刚度 (Hertz contact stiffness)适适用于罚刚度用于罚刚度, 可以这样估算可以这样估算:k = fE式中式中f 是介于是介于0.110之间的系数之间的系数, E是较软的接触材料的弹性模量是较软的接触材料的弹性模量. 设设 f=1 通常是一个较好的起始值通常是一个较好的起始值.October 20, 200023接触分析选择接触刚度选择接触刚度选择接触刚度选择接触刚度对于柔性组分对于柔性组分(梁和壳模型梁和壳模型), 系统的刚度可以比赫兹接触刚度要低系统的刚度
19、可以比赫兹接触刚度要低很多很多.在这种情况下在这种情况下, 你可以将单位载荷施加到预计要接触的面上你可以将单位载荷施加到预计要接触的面上, 先运先运 行一个静态分析来确定模型的局部刚度行一个静态分析来确定模型的局部刚度. 接触刚度可以这样估算接触刚度可以这样估算: k = f(P/ )上式适用于柔性体接触上式适用于柔性体接触, f 是介于是介于1100之间的系数之间的系数. 同样同样,设设 f=1 通常是一个较好的起始值通常是一个较好的起始值.October 20, 200024接触分析面对面接触单元面对面接触单元面对面接触单元面对面接触单元ANSYS 支持刚体对柔体和柔体对柔体的面对面接触单
20、元支持刚体对柔体和柔体对柔体的面对面接触单元. 这些接触这些接触单元使用单元使用“ 目标面目标面”和和“ 接触面接触面” 的概念来形成接触的概念来形成接触对对.面对面接触单元使用面对面接触单元使用增增强强的拉格朗日法的拉格朗日法施加接触协调条件施加接触协调条件(默认默认). 作为一个可选项作为一个可选项, 还可以用罚函数法还可以用罚函数法.接触面接触面目标面目标面October 20, 200025接触分析面对面接触的优点面对面接触的优点面对面接触的优点面对面接触的优点与低次和高次单元都兼容与低次和高次单元都兼容.支持具有大滑动和摩擦的大变形支持具有大滑动和摩擦的大变形.提供更好的接触结果提供
21、更好的接触结果 (易于进行接触压力和摩擦应力的后处理易于进行接触压力和摩擦应力的后处理).能计算壳和梁的厚度及壳厚度的改变能计算壳和梁的厚度及壳厚度的改变.半自动接触刚度计算半自动接触刚度计算.“ 控制节点控制节点” 对刚性面的控制对刚性面的控制(关于主控节点后面有更多的叙述关于主控节点后面有更多的叙述).智能缺省设置、接触向导智能缺省设置、接触向导 (易于使用易于使用).October 20, 200026接触分析面对面接触的优点面对面接触的优点面对面接触的优点面对面接触的优点需要的接触单元比用节点对面接触单元需要的接触单元比用节点对面接触单元(接触接触48单元和接触单元和接触49单单元元)
22、要少得多要少得多.12个接触个接触48单元单元2个接触个接触171单元和单元和 4个目标个目标169单元单元October 20, 200027接触分析面对面接触单元由分别定义目标和接触表面的独立的单元类型面对面接触单元由分别定义目标和接触表面的独立的单元类型 组成组成. 接触接触对对通过共用一个实常数指定通过共用一个实常数指定. 目标目标169和和170单元单元 - 刚性或可变形的目标表面刚性或可变形的目标表面 接触接触171到到 174单元单元 - 二维二维和和三维接触单元三维接触单元面对面接触单元象皮肤一样覆盖在下面的有限元模型上面对面接触单元象皮肤一样覆盖在下面的有限元模型上. 这些单
23、元这些单元非常适合面对面接触应用非常适合面对面接触应用, 如过盈装配接触、进料接触、锻造和深如过盈装配接触、进料接触、锻造和深拉深拉深.面对面接触单元面对面接触单元面对面接触单元面对面接触单元October 20, 200028接触分析面对面接触单元面对面接触单元面对面接触单元面对面接触单元接触副接触副刚性目标刚性目标接触单元接触单元该接触副由实常数该接触副由实常数1指定指定.October 20, 200029接触分析二维目标单元二维目标单元二维目标单元二维目标单元JIIJKIJKII目标目标169单元单元 目标部分有如下类型目标部分有如下类型: 直线、抛物线、圆弧直线、抛物线、圆弧 (顺时
24、针或顺时针或逆时针逆时针)、圆、或控、圆、或控制制节点节点.October 20, 200030接触分析三维目标单元三维目标单元三维目标单元三维目标单元目标目标170单元单元 目标部分目标部分有如下类型有如下类型: 三节点三节点三角形、四节点四边形、三角形、四节点四边形、六节点三角形、八节点六节点三角形、八节点四边形、圆柱、圆锥、四边形、圆柱、圆锥、球和控制节点球和控制节点.October 20, 200031接触分析二维面对面接触单元二维面对面接触单元二维面对面接触单元二维面对面接触单元接触接触171单元单元 是二维、二节点低次直线单元是二维、二节点低次直线单元, 能够位于二维实体、能够位于
25、二维实体、壳或梁单元的表面壳或梁单元的表面. 接触接触172单元单元 是二维、三节点高次抛物线单元是二维、三节点高次抛物线单元, 能够位于有中间节能够位于有中间节点的二维实体单元的表面点的二维实体单元的表面.接触接触171单元单元接触接触172单元单元October 20, 200032接触分析三维面对面接触单元三维面对面接触单元三维面对面接触单元三维面对面接触单元接触接触174单元单元 是三维、八节点高次四边是三维、八节点高次四边形单元形单元, 能够位于有中间节点的三维实能够位于有中间节点的三维实体单元的表面体单元的表面. 该单元还能退化成六节该单元还能退化成六节点三角形点三角形.接触接触1
26、73单元单元 是三维、四节点低次四边是三维、四节点低次四边形单元形单元, 能够位于三维实体或壳单元的能够位于三维实体或壳单元的表面表面. 该单元还能退化成三节点三角形该单元还能退化成三节点三角形.October 20, 200033接触分析面对面接触处理面对面接触处理面对面接触处理面对面接触处理对于面对面接触单元对于面对面接触单元, 一个面指定为一个面指定为“ 目标目标”面面, 另一个面为另一个面为“ 接接触触 ”面面. 对于刚体对柔体接触对于刚体对柔体接触, 刚体表面刚体表面总是总是指定为目标面指定为目标面. 对于柔体对柔体接触对于柔体对柔体接触, 接触面与目标面都与变形体相关联接触面与目标
27、面都与变形体相关联.接触单元被约束接触单元被约束, 不能侵入目标面不能侵入目标面. 然而然而, 目标单元能够侵入接触目标单元能够侵入接触面面.October 20, 200034接触分析面对面接触处理面对面接触处理面对面接触处理面对面接触处理接触单元的一般步骤接触单元的一般步骤:1.创建有限元模型创建有限元模型.2.指定接触和目标表面指定接触和目标表面.3.设置单元选项和实常数设置单元选项和实常数.4.创建目标表面单元创建目标表面单元.5.创建接触表面单元创建接触表面单元.6.施加边界条件施加边界条件.7.定义求解选项和载荷步定义求解选项和载荷步.8.求解求解.9.观察观察结果结果.Octob
28、er 20, 200035接触分析指定接触和目标表面指定接触和目标表面指定接触和目标表面指定接触和目标表面目的是将接触检查点增加到最大数目的是将接触检查点增加到最大数. 对于刚体对柔体接触对于刚体对柔体接触, 目标面目标面总是刚体表面总是刚体表面. 对于柔体对柔体接触对于柔体对柔体接触, 目标面和接触面的选择会引目标面和接触面的选择会引起不同量的侵入起不同量的侵入, 从而影响求解精度从而影响求解精度.目标面目标面接触面接触面目标面会侵入接触面目标面会侵入接触面October 20, 200036接触分析目标目标目标目标/ /接触面的指导方针接触面的指导方针接触面的指导方针接触面的指导方针如果凸
29、面与平面或凹面接触如果凸面与平面或凹面接触, 那么平面或凹面应该是目标面那么平面或凹面应该是目标面.如果一个表面网格粗糙如果一个表面网格粗糙, 而另一个表面网格较细而另一个表面网格较细, 那么网格粗糙的表那么网格粗糙的表面应该是目标面面应该是目标面.如果一个表面比另一个表面的刚度大如果一个表面比另一个表面的刚度大, 那么刚度大的表面应该是目那么刚度大的表面应该是目标面标面.如果一个表面划分为高次单元如果一个表面划分为高次单元, 而另一个表面划分为低次单元而另一个表面划分为低次单元, 那么那么划分为低次单元的表面应该是目标面划分为低次单元的表面应该是目标面.如果一个表面比另一个表面大如果一个表面
30、比另一个表面大, 那么更大的表面应该是目标面那么更大的表面应该是目标面.October 20, 200037接触分析面对面接触处理面对面接触处理面对面接触处理面对面接触处理步骤步骤 1. 创建实体模型并划分网格创建实体模型并划分网格.步骤步骤 2. 指定接触面和目标面指定接触面和目标面. 在在这这 个例子中个例子中, 一个表面被认为一个表面被认为 是刚性的是刚性的, 这样这样, 目标面和目标面和接接 触面的指定就很清楚触面的指定就很清楚. 接触面接触面 超弹性密封嵌入超弹性密封嵌入刚性刚性目标面目标面 October 20, 200038接触分析面对面接触处理面对面接触处理面对面接触处理面对面
31、接触处理步骤步骤 3. 设置单元选项和实常数设置单元选项和实常数. 重要重要! 接触接触对对由实常数号由实常数号来确来确定定. 目标目标单元和接触单元单元和接触单元必须共用相同的必须共用相同的实常数号实常数号 (在后面在后面, 我们将详细讨我们将详细讨论所有的单元选项和实常数论所有的单元选项和实常数. 缺省缺省的单元选项和实常数设置可以应的单元选项和实常数设置可以应用于许多问题用于许多问题).October 20, 200039接触分析面对面接触处理面对面接触处理面对面接触处理面对面接触处理步骤步骤 3.设置单元选项和实常数设置单元选项和实常数. 应该设置罚刚度比例系数应该设置罚刚度比例系数(
32、FKN)和拉格朗日乘子侵入比例系数和拉格朗日乘子侵入比例系数(FTOLN). FKN 通常介于通常介于0.0110之间之间. 对于体积变形问题对于体积变形问题, 用值用值1.0(默认默认), 对于以弯曲变形为主的问题对于以弯曲变形为主的问题, 用值用值 0.1.FTOLN 默认为默认为0.1. 可以改变此值可以改变此值, 但若容差太小但若容差太小, 会使迭代数过多会使迭代数过多或不收敛或不收敛.October 20, 200040接触分析面对面接触处理面对面接触处理面对面接触处理面对面接触处理步骤步骤 4. 创建接触面单元创建接触面单元.在此步中在此步中, 所用的方法将依赖于目标面是刚性的还是
33、可以变形的所用的方法将依赖于目标面是刚性的还是可以变形的. 对于对于刚性目标面刚性目标面,用用:直接生成直接生成(用创建单元命令用创建单元命令E) 或或自动划分网格自动划分网格(用划分线命令用划分线命令(LMESH)及划分面命令及划分面命令(AMESH)对于对于可变形目标面可变形目标面,用用: 创建创建 单元单元 面对面面对面(ESURF)(Create Elements Surface-to-Surface (ESURF)October 20, 200041接触分析面对面接触处理面对面接触处理面对面接触处理面对面接触处理步骤步骤 4. 创建目标面单元创建目标面单元.对于对于刚性目标面刚性目标
34、面的直接生成的直接生成, 在创建目标单元之前在创建目标单元之前, 需要设置附需要设置附加的单元属性加的单元属性(TSHAP).TSHAP 定义定义目标单元的形状目标单元的形状October 20, 200042接触分析面对面接触处理面对面接触处理面对面接触处理面对面接触处理步骤步骤 4. 创建目标面单元创建目标面单元. 刚性目标面刚性目标面 的自动网格划分的自动网格划分不要求不要求 TSHAP. ANSYS 将从实体模将从实体模型确定目标单元的合适形状型确定目标单元的合适形状. 划分关键点划分关键点 (KMESH) - 主控节点主控节点划分线划分线 (LMESH) - 二维刚性目标面二维刚性目
35、标面划分面划分面 (AMESH) - 三维刚性目标面三维刚性目标面October 20, 200043接触分析面对面接触处理面对面接触处理面对面接触处理面对面接触处理步骤步骤 4. 创建目标面单元创建目标面单元. 要在要在可变形可变形 的网格上自动创建目标单元的网格上自动创建目标单元, 需先选择可变形表面的需先选择可变形表面的节点节点, 然后在变形体上创建目标单元然后在变形体上创建目标单元: 前处理器前处理器 创建创建 单元单元 面对面面对面(Preprocessor Create Elements Surf to Surf )ANSYS 将根据它下面的实体网格确定目标单元的形状和外法向将根据
36、它下面的实体网格确定目标单元的形状和外法向.创建表面创建表面单元单元(ESURF)October 20, 200044接触分析面对面接触处理面对面接触处理面对面接触处理面对面接触处理步骤步骤 4. 创建目标面单元创建目标面单元. 检查外法向检查外法向 (如果用自动网格划分如果用自动网格划分,则非常重要则非常重要): 打开单元坐标系符号打开单元坐标系符号(element coordinate system symbol)开关开关, 画单元画单元.用命令用命令ESURF修修改改 (节点号节点号逆转逆转).必须在此必须在此ESURF操作之前激操作之前激活目标单元属性活目标单元属性.直线直线逆时针圆弧
37、逆时针圆弧主控节点主控节点October 20, 200045接触分析面对面接触处理面对面接触处理面对面接触处理面对面接触处理步骤步骤 5. 创建接触面单元创建接触面单元.设置接触单元属性设置接触单元属性, 选择可变形表面的节点选择可变形表面的节点, 并在变形体上创建并在变形体上创建接触单元接触单元 (与在变形网格上对目标单元的处理相同与在变形网格上对目标单元的处理相同):前处理器前处理器 创建创建 单元单元 面对面面对面(Preprocessor Create Elements Surf to Surf)这些接触单元与其下面的实体单元同阶这些接触单元与其下面的实体单元同阶(低阶或高阶低阶或高
38、阶).创建表面创建表面单元单元(ESURF)October 20, 200046接触分析面对面接触处理面对面接触处理面对面接触处理面对面接触处理步骤步骤 5. 5. 创建接触面单元创建接触面单元. .注意对于在壳或梁单元上创建目标或接触单元注意对于在壳或梁单元上创建目标或接触单元, 有一个在梁或有一个在梁或壳单元的顶面或底面创建单元的选项壳单元的顶面或底面创建单元的选项.能够控制单元位置能够控制单元位置October 20, 200047接触分析面对面接触处理面对面接触处理面对面接触处理面对面接触处理步骤步骤 6. 在有限元模型上施加边在有限元模型上施加边界条件界条件. 注意注意: 如果目标面
39、是刚性面如果目标面是刚性面, 目目标面将会自动固定标面将会自动固定(在后面在后面, 我们将讨论刚性面选项以及我们将讨论刚性面选项以及如何控制刚性面的运动如何控制刚性面的运动). 刚性面刚性面自动约束自动约束October 20, 200048接触分析面对面接触处理面对面接触处理面对面接触处理面对面接触处理步骤步骤 7. 定义求解选项和载荷步定义求解选项和载荷步.对于求解接触问题对于求解接触问题, 极力推荐使用求解控制极力推荐使用求解控制. 下面给出的指导方针下面给出的指导方针十分典型十分典型, 是有求解控制的是有求解控制的默认设置默认设置.在迭代过程中在迭代过程中, 如果接触状态改变如果接触状
40、态改变, 会发生间断会发生间断. 为了避免收敛缓为了避免收敛缓慢慢, 使用不带自适应下降的完全牛顿使用不带自适应下降的完全牛顿-拉斐逊拉斐逊(full Newton-Raphson)求解求解. 为了使接触力平滑传递为了使接触力平滑传递, 时间步尺寸必须足够小时间步尺寸必须足够小. 确保一个精确的确保一个精确的时间步的可靠方法是使用自动时间步时间步的可靠方法是使用自动时间步.October 20, 200049接触分析面对面接触处理面对面接触处理面对面接触处理面对面接触处理步骤步骤 7. 定义求解选项和载荷步定义求解选项和载荷步.设置适当的子步数目设置适当的子步数目:开始的子步尺寸开始的子步尺寸
41、(NSBSTP)对于装配接触可以较大对于装配接触可以较大, 对于大滑动对于大滑动接触应较小接触应较小.对于剧烈的间断对于剧烈的间断, 子步的最大数子步的最大数(NSBMX)应该较大应该较大.子部的最小子部的最小数数(NSBMIN)应该较小应该较小.注意注意: 为了建立初始接触条件为了建立初始接触条件, 在第一个子步的二分之前在第一个子步的二分之前, 要完成所要完成所有的平衡迭代有的平衡迭代.October 20, 200050接触分析面对面接触处理面对面接触处理面对面接触处理面对面接触处理步骤步骤 7. 定义求解选项和载荷步定义求解选项和载荷步.方程求解器选择方程求解器选择:稀疏矩阵求解器稀疏
42、矩阵求解器(Sparse Solver)是是缺省缺省的的, 并且对于中等大并且对于中等大小的接触模型小的接触模型, 这是最好的选择这是最好的选择(在在100,000 个自由度以下个自由度以下). 对于困难的滑动问题对于困难的滑动问题, 此求解器还有不对称选项此求解器还有不对称选项.PCG求解器求解器 用于大型接触模型用于大型接触模型 (超过超过100,000 个自由度个自由度). 此选项只能用于对称系统此选项只能用于对称系统.October 20, 200051接触分析面对面接触处理面对面接触处理面对面接触处理面对面接触处理步骤步骤 7. 定义求解选项和载荷步定义求解选项和载荷步.不用自适应下
43、降不用自适应下降 . 对于面对面接触问题对于面对面接触问题, 自适应下降对于收敛自适应下降对于收敛不能提供任何帮助不能提供任何帮助.使用一个合理的平衡迭代数目使用一个合理的平衡迭代数目, 通常是通常是25.因为对于大时间增量因为对于大时间增量, 迭代计算会变得不稳定迭代计算会变得不稳定, 用线性搜索用线性搜索(line search)来稳定计算来稳定计算.将预将预测测器打开器打开, 大转动或动态分析大转动或动态分析除外除外.October 20, 200052接触分析面对面接触处理面对面接触处理面对面接触处理面对面接触处理步骤步骤 7. 定义求解选项和载荷步定义求解选项和载荷步.由于罚刚度太大
44、或侵入容差太小由于罚刚度太大或侵入容差太小, 在一个接触分析里会多次发生收在一个接触分析里会多次发生收敛失败敛失败. 对于惩罚刚度一定要按如下建议选取对于惩罚刚度一定要按如下建议选取.注意注意: 对于小应变、小位移和小滑动问题，要关上大变形效应开关对于小应变、小位移和小滑动问题，要关上大变形效应开关 (NLGEOM,OFF). 这样设置将加快接触搜索速度这样设置将加快接触搜索速度.步骤步骤 8.问题求解问题求解.October 20, 200053接触分析面对面接触处理面对面接触处理面对面接触处理面对面接触处理步骤步骤 9. 观察结果观察结果.一个接触分析的结果主要包括位移、应力、应变和接触信
45、息一个接触分析的结果主要包括位移、应力、应变和接触信息. 接触压力、摩擦应力、总应力、接触侵入、接触间隙距离、滑动距接触压力、摩擦应力、总应力、接触侵入、接触间隙距离、滑动距离和接触状态都可以直接从通用后处理器或时间历程后处理器中得离和接触状态都可以直接从通用后处理器或时间历程后处理器中得到到.October 20, 200054接触分析面对面接触处理面对面接触处理面对面接触处理面对面接触处理步骤步骤 9. 观察结果观察结果. 画接触压力画接触压力:October 20, 200055接触分析接触向导接触向导接触向导接触向导对于多数接触问题对于多数接触问题, 接触向导提供了一个构造接触接触向导
46、提供了一个构造接触对对的简单方法的简单方法. 接触向导将引导你去创建接触副接触向导将引导你去创建接触副.前处理器前处理器 创建创建 接触接触对对 接触向导接触向导 (Preprocessor Create Contact Pair Contact Wizard)October 20, 200056接触分析接触向导接触向导接触向导接触向导使用接触向导的使用接触向导的好好处处:自动定义单元类型和实常数设置自动定义单元类型和实常数设置快速得到接触选项和参数快速得到接触选项和参数接触接触对对观察工具观察工具快速显示和反转接触法向快速显示和反转接触法向如果还没有对模型的任何部分进行网格划分如果还没有对模
47、型的任何部分进行网格划分, 就不能激活接触向就不能激活接触向导导. 在启用接触向导创建柔体对柔体接触模型之前在启用接触向导创建柔体对柔体接触模型之前, 要先对所有的将要先对所有的将用作接触面的模型部件划分网格用作接触面的模型部件划分网格. 要创建刚体对柔体接触模型要创建刚体对柔体接触模型, 只要对将用作柔体接触面的模型部件划分网格只要对将用作柔体接触面的模型部件划分网格.October 20, 200057接触分析接触向导接触向导接触向导接触向导只要简单地跟随接触向导走过接触只要简单地跟随接触向导走过接触对对创建步骤即可创建步骤即可. 首先首先, 你将指定你将指定目标面目标面, 然后再指定接触
48、面然后再指定接触面.October 20, 200058接触分析接触向导接触向导接触向导接触向导所有的接触单元选项和所有的接触单元选项和实常数都能通过接触向实常数都能通过接触向导得到导得到.October 20, 200059接触分析接触向导接触向导接触向导接触向导在最后一步在最后一步, 接触向导将创建接触单元和相应的实常数接触向导将创建接触单元和相应的实常数.创建的实常数设置是一创建的实常数设置是一致的致的.如果目标法向不正确如果目标法向不正确, 能能够逆转够逆转.October 20, 200060接触分析接触向导接触向导接触向导接触向导接触向导还允许你观看、列表和删除接触副接触向导还允许
49、你观看、列表和删除接触副, 并且可以快速显示和并且可以快速显示和逆转法线方向逆转法线方向.October 20, 200061接触分析注意注意注意注意October 20, 200062接触分析练习练习练习练习目的目的: 对一个位移控制加载的轴对称咬接装配问题进行分析对一个位移控制加载的轴对称咬接装配问题进行分析.偏移量偏移量 = 0.4”咬接装配咬接装配轴对称模型轴对称模型垂直约束垂直约束October 20, 200063接触分析练习练习练习练习练习步骤练习步骤:1.恢复数据库恢复数据库snap.db. 该数据库包括网格和固定该数据库包括网格和固定的边界条件的边界条件.2.利用接触向导创建
50、目标和接触单元利用接触向导创建目标和接触单元(如图所示如图所示,数据库中设置了线组数据库中设置了线组).哪一边应该是目标哪一边应该是目标,清楚清楚吗吗?正确地设置罚刚度比例系数正确地设置罚刚度比例系数 (FKN). 提示提示: 该问题是以弯曲为主还是以体积变形为主该问题是以弯曲为主还是以体积变形为主? 接触接触目标目标October 20, 200064接触分析练习练习练习练习练习步骤练习步骤:3.在直线在直线45上施加上施加 0.4”的的 Y向位移向位移.4.打开几何非线性开关打开几何非线性开关 (NLGEOM,ON). 5.设设“ 时间时间(time)” 等于等于 0.4, 并为自动时间步
51、给出子步数并为自动时间步给出子步数(20,500,10). 6.给出输出控制给出输出控制 (要求输出每一子步结果要求输出每一子步结果).7.求解求解, 并查看输出和监控文件并查看输出和监控文件.October 20, 200065接触分析练习练习练习练习练习步骤练习步骤:8.对接触结果进行后处理对接触结果进行后处理, 查看接触压力和应力结查看接触压力和应力结果果. 作应力结果动画作应力结果动画.9.在时间历程后处理器里画载荷变形曲线在时间历程后处理器里画载荷变形曲线. 在此问在此问题中为什么得到了负的反作用力题中为什么得到了负的反作用力? October 20, 200066接触分析练习练习练
52、习练习补充作业补充作业:如果有时间如果有时间, 重新启动分析重新启动分析, 并将并将 Y向偏向偏移量增加到移量增加到 0.55”, 使咬接装配的第二个齿咬使咬接装配的第二个齿咬合合. 查看结果以及此问题的收敛过程查看结果以及此问题的收敛过程.如果有时间如果有时间, 颠倒目标面和接触面的指定颠倒目标面和接触面的指定,重重新运行此分析新运行此分析. 答案变化明显吗答案变化明显吗?October 20, 200067接触分析练习练习练习练习回答问题回答问题: 在此问题中在此问题中, 哪一边应该是目标面哪一边应该是目标面, 哪一边应该是接触面是不明显的哪一边应该是接触面是不明显的. 在这种情况下在这种
53、情况下, 要求用对称接触要求用对称接触(两边都指定为目标面和接触面两边都指定为目标面和接触面). 对于对于这个问题这个问题, 网格粗糙些的一边选为目标面网格粗糙些的一边选为目标面 (尽管有人会争论尽管有人会争论, 指定为接指定为接触面的表面更简单些触面的表面更简单些, 应该定为目标面应该定为目标面).该问题以弯曲变形为主该问题以弯曲变形为主, 设设 FKN = 0.1.出现负的反作用力出现负的反作用力, 是因为此求解是由位移控制的是因为此求解是由位移控制的. 在加载历史的不同在加载历史的不同点点, 施加的位移引起了负的反作用力施加的位移引起了负的反作用力.October 20, 200068接
54、触分析练习练习练习练习回答问题回答问题: 对于第一个载荷步对于第一个载荷步 (0 到到 0.4), 交换目标面和接触面的指定交换目标面和接触面的指定, 结果变化不结果变化不明显明显.对于第二个载荷步对于第二个载荷步 (0.4 到到 0.55), 这两种情况的力位移曲线有变化这两种情况的力位移曲线有变化. 这表示这表示, 对该问题要求用对称接触对该问题要求用对称接触.October 20, 200069接触分析练习答案练习答案练习答案练习答案/BATCHRESUME,snap,db/PREP7ET,2,169ET,3,171R,1,0.1,0.1CMSEL,S,TARGET NSLL,S,1TY
55、PE,2 MAT,1REAL,1ESURFCMSEL,S,CONTACTNSLL,S,1TYPE,3ESURFALLSFINISH/SOLUTIONANTYPE,STATICNLGEOM,ONSOLC,ONTIME,0.4NSUBST,20,500,10OUTRES,ALL,ALLDL,45,UY,-0.4SOLVEDL,45,UY,-0.55SOLVEFINI/EXITOctober 20, 200070接触分析接触非线性接触非线性建模和求解策略建模和求解策略建模和求解策略建模和求解策略October 20, 200071接触分析本节目标本节目标本节目标本节目标本本节节学完后学完后, 将能对
56、如下功能进行描述和论证将能对如下功能进行描述和论证:SessionObjective1. 面对面单元选项面对面单元选项2. 刚性面刚性面3. 确定接触刚度确定接触刚度4. 摩擦摩擦5. 刚体刚体位移位移6. 对称接触对不对称接触对称接触对不对称接触(自接触自接触 )7. 初始干涉初始干涉8. 排错排错October 20, 200072接触分析面对面选项面对面选项面对面选项面对面选项本章的剩余部分将讨论本章的剩余部分将讨论各种各样的面对面接触各种各样的面对面接触单元选项单元选项(关键选项关键选项)和和实常数实常数, 它们将控制面它们将控制面对面接触单元的行为对面接触单元的行为.October
57、20, 200073接触分析面对面选项面对面选项面对面选项面对面选项我们还将讨论一般会遇到的接我们还将讨论一般会遇到的接触问题的建模技术和对策触问题的建模技术和对策. 包包括刚性面、摩擦、刚体括刚性面、摩擦、刚体位移位移、 初始干涉、表面相互作用模型初始干涉、表面相互作用模型和和排错排错.October 20, 200074接触分析刚性面刚性面刚性面刚性面在一个接触问题中在一个接触问题中, 对于使用刚性面对于使用刚性面, 还有还有其它其它的建模考虑的建模考虑. 包括包括: 控控制制节点节点 刚性面的网格划分刚性面的网格划分 改变目标面的形状改变目标面的形状 将其它单元与刚性面相连接将其它单元与
58、刚性面相连接October 20, 200075接触分析刚性面刚性面刚性面刚性面控制节点控制节点刚性面能够与刚性面能够与“ 控控制制节点节点”联系起来联系起来, 该节点的运动能够控制目该节点的运动能够控制目标面的运动标面的运动. 加在整个面上的力、位移和加在整个面上的力、位移和/或转动能够用控或转动能够用控制制节点节点给出给出. 可以将控可以将控制制节点看作整个刚性面的手柄节点看作整个刚性面的手柄.如果定义了一个控如果定义了一个控制制节点节点, ANSYS将只检查控将只检查控制制节点的边界条件节点的边界条件, 忽略目标面上其它节点的约束忽略目标面上其它节点的约束.控控制制节点既节点既可可对关键
59、点进行网格划分生成对关键点进行网格划分生成, 也能作为目标单元也能作为目标单元, 使使用相同的单元属性直接生成用相同的单元属性直接生成.October 20, 200076接触分析刚性面刚性面刚性面刚性面旋转的刚性面旋转的刚性面控制节点控制节点控制控制节点能够在任何位置定义节点能够在任何位置定义. 这允这允许刚性面的一般转动许刚性面的一般转动.只有只有控制控制节点能够与其它单元联系起节点能够与其它单元联系起来来. 要计算刚体的质量要计算刚体的质量, 可以在可以在控制控制节节点上定义一个质量单元点上定义一个质量单元(质量质量21单元单元).每一个目标面只能有一个每一个目标面只能有一个控制控制节点
60、节点.October 20, 200077接触分析刚性面刚性面刚性面刚性面约束刚性面约束刚性面如果满足以下条件如果满足以下条件, 刚性面则刚性面则缺省缺省为为自动约束自动约束(auto constrained, KEYOPT(2)=0) : 没有明确定义边界条件没有明确定义边界条件. 目标面与其它单元没有联系目标面与其它单元没有联系. 没有定义耦合或约束方程没有定义耦合或约束方程.在这种情况下在这种情况下, 刚性刚性目标面的所有自由度目标面的所有自由度都被约束都被约束.October 20, 200078接触分析刚性面刚性面刚性面刚性面约束刚体目标约束刚体目标如果选择了如果选择了自动约束自动约
61、束(KEYOPT(2)=0)选项选项, 在每一个载荷步的末尾在每一个载荷步的末尾, 程序内部将对刚性面重新设置约束程序内部将对刚性面重新设置约束. 当重起动求解时当重起动求解时, 请仔细检查模请仔细检查模型型.如果选择如果选择用户定义用户定义 (KEYOPT(2)=1)选项选项, ANSYS认为刚性面上所有认为刚性面上所有合理的边界条件应由用户定义合理的边界条件应由用户定义.October 20, 200079接触分析刚性面刚性面刚性面刚性面划分复杂目标面划分复杂目标面一个刚性目标可以是基本目标元素一个刚性目标可以是基本目标元素(圆柱、圆锥、球圆柱、圆锥、球等等)的组合的组合. 对于任意表面对
62、于任意表面, 网格形状的质量并不重要网格形状的质量并不重要. 重要的是目标单元是重要的是目标单元是否很好地代表了几何体否很好地代表了几何体. 目标表面过分粗糙的离散化会导致收敛目标表面过分粗糙的离散化会导致收敛方面的问题方面的问题.October 20, 200080接触分析刚性面刚性面刚性面刚性面划分复杂目标面的建议划分复杂目标面的建议如果刚性目标能由基本元素代替如果刚性目标能由基本元素代替, 就用基本元素就用基本元素(需要更少的需要更少的单元单元, 更有效更有效). 对于复杂表面对于复杂表面, 尽可能对网格进行映射划分尽可能对网格进行映射划分.如果表面的一边没有曲率如果表面的一边没有曲率,
63、 则在该边只划分一个单元则在该边只划分一个单元.对于平面或接近平面的对于平面或接近平面的, 用低次目标单元用低次目标单元. 如果目标表面是弯如果目标表面是弯曲的曲的, 用高次单元用高次单元.October 20, 200081接触分析刚性面刚性面刚性面刚性面下面是对于一个刚性面下面是对于一个刚性面, 低次单元和高次单元两种划分方式都用了低次单元和高次单元两种划分方式都用了的例子的例子. 低次单元的计算量少低次单元的计算量少, 但是需要更多的单元但是需要更多的单元. 高次单元的计高次单元的计算量大算量大, 但是但是, 需要的单元少需要的单元少.低次低次高次高次October 20, 200082
64、接触分析改变刚性面的形状改变刚性面的形状对于具有低次或高次目标元素对于具有低次或高次目标元素(不是基本元素不是基本元素)的已划分网格的目的已划分网格的目标面标面, 目标节点能够旋转到局部坐标系目标节点能够旋转到局部坐标系. 这允许目标面在一个分析这允许目标面在一个分析中改变形状中改变形状. 例如例如, 希望用刚性圆柱面进行扩径希望用刚性圆柱面进行扩径. 此圆柱面可以划分为高次四边此圆柱面可以划分为高次四边形形, 将目标节点从直角坐标系旋转到圆柱坐标系将目标节点从直角坐标系旋转到圆柱坐标系, 并在刚性目标面并在刚性目标面上施加径向位移上施加径向位移, 就可以对圆柱扩径就可以对圆柱扩径.刚性面刚性
65、面刚性面刚性面October 20, 200083接触分析接触算法接触算法接触算法接触算法选择一个接触算法选择一个接触算法 关键关键字字选项选项(2)增增强强的拉格朗日的拉格朗日法法(关键字选项关键字选项(2)=0)是是缺省缺省选项选项, 推荐推荐于于一般应一般应用用. 它对罚刚度不太敏感它对罚刚度不太敏感, 但是也要求给出一个侵入容差但是也要求给出一个侵入容差.能够用罚函数法能够用罚函数法(关键关键字字选项选项 (2)=1)这个选项这个选项. 它推荐应用于单它推荐应用于单元非常扭曲、大摩擦系数和元非常扭曲、大摩擦系数和/或用增大的拉格朗日法收敛行为不或用增大的拉格朗日法收敛行为不好的问题好的
66、问题.October 20, 200084接触分析确定罚刚度确定罚刚度确定罚刚度确定罚刚度对于面对面接触单元对于面对面接触单元, ANSYS基于单元类型、材料性质和它下面的基于单元类型、材料性质和它下面的单元尺寸确定接触刚度单元尺寸确定接触刚度. 可以用实常数可以用实常数FKN给出接触刚度的一个比给出接触刚度的一个比例系数或绝对值例系数或绝对值.惩罚刚度惩罚刚度(FKN)应该足够大应该足够大, 使接触侵入量小使接触侵入量小. 同时也同时也应足够小应足够小, 使问题没有病态矩阵使问题没有病态矩阵.FKN值通常在值通常在 0.0110之间之间. 对于体积变形问题对于体积变形问题, 用值用值1.0
67、(默认默认), 对于弯曲问题对于弯曲问题, 用值用值 0.1.October 20, 200085接触分析确定侵入容差确定侵入容差确定侵入容差确定侵入容差侵入容差侵入容差(FTOLN)是与接触单元下面的实体单元是与接触单元下面的实体单元深度深度(h)相乘的比例系数相乘的比例系数.若此值太小若此值太小, 会引起收敛困难会引起收敛困难. 绝对不要用太小绝对不要用太小的容差的容差! 增大罚刚度增大罚刚度(FKN)将减少侵入将减少侵入. 将将FKN值增大值增大100倍会相应地减少侵入倍会相应地减少侵入, 但是接但是接 触压力只改变触压力只改变5%.October 20, 200086接触分析确定罚刚度
68、确定罚刚度确定罚刚度确定罚刚度确定一个好的刚度值需要做些实验确定一个好的刚度值需要做些实验. 下面的处理可以作为指南下面的处理可以作为指南:1. 开始用一个较小的开始用一个较小的 FKN值值.2. 运行最终载荷的一部分的分析运行最终载荷的一部分的分析.3. 检查侵入和每一子步的平衡迭代数检查侵入和每一子步的平衡迭代数. 如果收敛受侵入容差的驱使如果收敛受侵入容差的驱使, 可能是可能是FKN 值估计不足或值估计不足或 FTOLN 值太小值太小. 如果需要多次迭代才能使残余力收如果需要多次迭代才能使残余力收敛敛, 而不是侵入而不是侵入, FKN值可能估计得太高值可能估计得太高.4. 调整调整 FK
69、N 或或 FTOLN值值, 运行整个分析运行整个分析.注意注意:从一个载荷步到另一个载荷步从一个载荷步到另一个载荷步, FKN 和和 FTOLN 值都能修改值都能修改, 并且能在重并且能在重起动分析中调整起动分析中调整.October 20, 200087接触分析摩擦摩擦摩擦摩擦在接触模型中包括摩擦在接触模型中包括摩擦, 就允许在两个接触体间产生剪力就允许在两个接触体间产生剪力. 在库在库仑摩擦模型中仑摩擦模型中, 在两个表面开始相对滑动之前在两个表面开始相对滑动之前, 这两个表面承受这两个表面承受的剪应力要上升到一个定值的剪应力要上升到一个定值. 此阶段称为粘着此阶段称为粘着. 当滑动发生时
70、当滑动发生时, 库仑摩擦模型定义平衡的摩擦应力库仑摩擦模型定义平衡的摩擦应力 :式中式中, p是单位接触压力是单位接触压力, 是摩擦系数是摩擦系数(用材料性质用材料性质MU定义定义). 一旦剪应力超过此定值一旦剪应力超过此定值, 这两个表面将相对滑动这两个表面将相对滑动. 此阶段就是滑此阶段就是滑动动. 摩擦系数摩擦系数 可以是任意非负值可以是任意非负值. October 20, 200088接触分析摩擦摩擦摩擦摩擦| | max p滑动滑动粘着粘着ANSYS 提供一个实常数提供一个实常数TAUMAX, 用于定义等效剪应力的最大值用于定义等效剪应力的最大值. 这样这样, 不管接触压力值是多大不
71、管接触压力值是多大, 只要等效剪应力达到最大值只要等效剪应力达到最大值TAUMAX, 就会发生滑动就会发生滑动.该剪应力极限值通常用于接触压力会该剪应力极限值通常用于接触压力会变得非常大的情况变得非常大的情况. TAUMAX的一个的一个合理的上限估计值是合理的上限估计值是:式中式中 y 是表面附近材料的范是表面附近材料的范米赛斯屈米赛斯屈服应力服应力. TAUMAX的最好值通常来源于的最好值通常来源于经验数据经验数据.October 20, 200089接触分析摩擦摩擦摩擦摩擦包含摩擦的接触问题会产生不对称的刚度矩阵包含摩擦的接触问题会产生不对称的刚度矩阵. 然而然而, 使用不对称的使用不对称
72、的方程求解器比对称求解器的计算费用更高方程求解器比对称求解器的计算费用更高. 由于这个原因由于这个原因, ANSYS用用一种对称算法进行计算一种对称算法进行计算. 利用此算法利用此算法, 可以解决多数包含摩擦的接触可以解决多数包含摩擦的接触问题问题. 如果遇到了一个收敛缓慢的问题如果遇到了一个收敛缓慢的问题, 可以用不对称求解选项可以用不对称求解选项 (关键选项关键选项(6)=1). 在这种情况下在这种情况下, 应该用应该用稀疏矩阵求解器稀疏矩阵求解器 (优选的优选的)或或波前法求波前法求解器解器.October 20, 200090接触分析接触检查点接触检查点接触检查点接触检查点ANSYS面
73、对面单元默认用高斯积分点作为接触检查点面对面单元默认用高斯积分点作为接触检查点.高斯点高斯点接触面接触面接触面接触面ANSYS 允许通过设置关键允许通过设置关键字字选项选项(4)=1将接触检查点移到节点将接触检查点移到节点. 为了保证收敛和精度为了保证收敛和精度, 建议保持默认设置建议保持默认设置.October 20, 200091接触分析高斯点的优点高斯点的优点高斯点的优点高斯点的优点对于高次单元对于高次单元, 节点力连续节点力连续.高斯点不能高斯点不能“ 滑离滑离”目标面的边缘目标面的边缘.垂直于高斯点只定义了唯一的侵入垂直于高斯点只定义了唯一的侵入, 不要求目标面的平滑程不要求目标面的
74、平滑程度度.接触检查点更多接触检查点更多.Gauss pointOctober 20, 200092接触分析接触检查点接触检查点接触检查点接触检查点如果有一个包括角部接触的问题如果有一个包括角部接触的问题, 使用高斯点作为接触检查点会导使用高斯点作为接触检查点会导致角部的过分侵入致角部的过分侵入. 这时也不用将接触检查点移到节点这时也不用将接触检查点移到节点, 可以将可以将面对面接触单元与节点对面接触单元混合起来用面对面接触单元与节点对面接触单元混合起来用. 面对面单元面对面单元节点对面单元用于在角部建立节点对面单元用于在角部建立接触模型接触模型October 20, 200093接触分析对称
75、接触与不对称接触对称接触与不对称接触对称接触与不对称接触对称接触与不对称接触在前面在前面, 我们讨论了将一个表面指定为我们讨论了将一个表面指定为目标面目标面, 另一个表面指定为另一个表面指定为接触面接触面. 让所有的接触单元在一个表面上让所有的接触单元在一个表面上, 所有的目标单元在另所有的目标单元在另一个表面上一个表面上, 这称为这称为不对称接触不对称接触.不对称接触通常是建立面对面接触模型的最有效的方法不对称接触通常是建立面对面接触模型的最有效的方法. 然而然而, 在有些情况下在有些情况下, 不对称接触的执行不能令人满意不对称接触的执行不能令人满意.October 20, 200094接触
76、分析不对称接触不对称接触不对称接触不对称接触凸表面凸表面网格细致表面网格细致表面柔软表面柔软表面高次表面高次表面小表面小表面凹凹/平平 表面表面网格粗糙表面网格粗糙表面刚硬表面刚硬表面低次表面低次表面大表面大表面接触接触 面面:目标目标 面面:记住记住, 接触单元不能侵入目标单元接触单元不能侵入目标单元, 而目标单元能够侵入接触单元而目标单元能够侵入接触单元. 下面是不对称接触处理的准则下面是不对称接触处理的准则:上面准则确定的目的是使接触检查点的数目最大上面准则确定的目的是使接触检查点的数目最大.October 20, 200095接触分析对称接触对称接触对称接触对称接触对称接触不如不对称接
77、触有效对称接触不如不对称接触有效. 然而然而, 许多分析需要用它许多分析需要用它 (典型用于典型用于减少侵入减少侵入). 对称接触增加了接触检查点的数目对称接触增加了接触检查点的数目.对称接触的准则对称接触的准则:目标面和接触面没有明显的区别目标面和接触面没有明显的区别.目标面和接触面的网格都粗糙目标面和接触面的网格都粗糙.注意用对称接触时注意用对称接触时, 后处理更困难后处理更困难. 接触压力是两个接触单元接触压力是两个接触单元对对的平的平均值均值. October 20, 200096接触分析自接触自接触自接触自接触对于自接触对于自接触, 使用不对称接触使用不对称接触更有效更有效, 但是难
78、于预测接触面但是难于预测接触面和目标面和目标面. 对于自接触对于自接触, 用对用对称接触时称接触时, 只要简单地将目标只要简单地将目标单元和接触单元放在相同的表单元和接触单元放在相同的表面上即可面上即可.中间的超弹性环中间的超弹性环与自身接触与自身接触October 20, 200097接触分析刚体位移刚体位移刚体位移刚体位移在静态分析中在静态分析中, 开始不连接在一起的两个开始不连接在一起的两个(或多个或多个)物体物体, 在建立接触前在建立接触前, 会产生刚体运动会产生刚体运动.F在这个力控制的例子中在这个力控制的例子中, 圆柱圆柱上没有施加位移约束上没有施加位移约束. 此圆柱此圆柱的约束由
79、圆柱和平板之间的接的约束由圆柱和平板之间的接触建立触建立.October 20, 200098接触分析刚体位移刚体位移刚体位移刚体位移如果在求解中的任一如果在求解中的任一时刻时刻, 两个物体没有联系两个物体没有联系, 刚度矩阵就会奇异刚度矩阵就会奇异. ANSYS将会发出一个将会发出一个负主元负主元警告信息警告信息. 由于物体初始时没有联系由于物体初始时没有联系, 要要克服刚体克服刚体位移位移有几个选项有几个选项: 在在“ 恰好碰上恰好碰上” 的位置建立几何模型的位置建立几何模型 动力学动力学 位移控制位移控制 软弹簧软弹簧 用不分离接触用不分离接触 (关键选项关键选项 (12), 在后面讨论
80、在后面讨论) 调整初始接触条件调整初始接触条件October 20, 200099接触分析刚体位移刚体位移刚体位移刚体位移“ 恰好碰上恰好碰上”这要求知道这要求知道“ 恰好碰上恰好碰上” 的位置在哪里的位置在哪里. 如果表面是曲面或者不规则如果表面是曲面或者不规则, 则难以确定则难以确定.F由于有限元网格的数值修整由于有限元网格的数值修整, 物物体之间会存在小间隙或侵入体之间会存在小间隙或侵入. 这这可能引起不收敛或接触物体的可能引起不收敛或接触物体的分离分离.October 20, 2000100接触分析刚体位移刚体位移刚体位移刚体位移动力学动力学在动力分析中在动力分析中, 惯性作用可以阻止
81、刚体运动惯性作用可以阻止刚体运动. 克服刚体运动的一克服刚体运动的一种种选选择择是动态地求解问题是动态地求解问题. 将需要加上质量和阻尼将需要加上质量和阻尼, 使求解从静态转换到使求解从静态转换到动态动态. October 20, 2000101接触分析刚体位移刚体位移刚体位移刚体位移位移控制位移控制该技术用强加的位移使两物体进入接触状态该技术用强加的位移使两物体进入接触状态. 然后然后, 可以通过一个空可以通过一个空载荷步载荷步, 使该问题从位移控制求解转换到力控制求解使该问题从位移控制求解转换到力控制求解.强加的小位移强加的小位移October 20, 2000102接触分析刚体位移刚体位
82、移刚体位移刚体位移位移控制位移控制载荷步载荷步 1 用一个强加的小位移使物体进入初始接触状态用一个强加的小位移使物体进入初始接触状态.载荷步载荷步 2从位移控制转换到力控制从位移控制转换到力控制. 删除强加的位移删除强加的位移, 加上反作用力加上反作用力, 并并用一个子步求解用一个子步求解(由于此系统没有变化由于此系统没有变化, 该载荷步应该经过一次该载荷步应该经过一次或两次迭代就收敛或两次迭代就收敛).载荷步载荷步 3 继续进行载荷历史加载继续进行载荷历史加载.October 20, 2000103接触分析刚体位移刚体位移刚体位移刚体位移软弹簧软弹簧该技术使用接地软弹簧来阻止刚体运动该技术使
83、用接地软弹簧来阻止刚体运动.F与系统刚度相比与系统刚度相比, 弹簧刚度应该可弹簧刚度应该可以忽略以忽略. 弹簧与地相连弹簧与地相连, 可以将地可以将地上节点的反作用力与总的反作用力上节点的反作用力与总的反作用力相比相比, 以确保弹簧对求解没有影响以确保弹簧对求解没有影响.October 20, 2000104接触分析刚体位移刚体位移刚体位移刚体位移尽管尽管“ 恰好碰上恰好碰上”、动力学、动力学、位移控制和软弹簧都是有效的分析技位移控制和软弹簧都是有效的分析技术术, 实施起来可能都有困难实施起来可能都有困难.“ 恰好碰上恰好碰上” - 由于有限元网格的数值修整由于有限元网格的数值修整, 能够存在
84、小间隙或小能够存在小间隙或小侵入侵入. 动力学动力学 - 在一个在一个“ 静态静态”模型中模型中, 要缓冲掉不想要的动态影响并不要缓冲掉不想要的动态影响并不总是那么容易总是那么容易.位移控制位移控制 - 对于复杂加载对于复杂加载, 施加哪个位移并不总是那么明显施加哪个位移并不总是那么明显.October 20, 2000105接触分析刚体位移刚体位移刚体位移刚体位移软弹簧软弹簧 - 初始载荷必须足够小初始载荷必须足够小, 从而引起弹簧的小变形从而引起弹簧的小变形, 这样接触这样接触单元才能认识侵入单元才能认识侵入. 需要做些实验需要做些实验, 使目标单元不使目标单元不“ 穿过穿过” 接触表接触
85、表面面.因此因此, 还可以用实常数还可以用实常数ICONT或或PMIN和和PMAX去去调整初始接触条件调整初始接触条件, 以阻止刚体以阻止刚体位移位移.ICONT 将接触面上在调整带内的节点移到目标面上将接触面上在调整带内的节点移到目标面上. PMIN和和PMAX 实际地将刚性面移进目标实际地将刚性面移进目标.October 20, 2000106接触分析刚体位移刚体位移刚体位移刚体位移调整初始接触条件调整初始接触条件 (ICONT)实常数实常数 ICONT 能用于围绕目标面给出一个能用于围绕目标面给出一个“ 调整带调整带”. 调整调整带内任何接触点都被移到目标面上带内任何接触点都被移到目标面
86、上. 只建议进行较小的修正只建议进行较小的修正, 若若ICONT值太大值太大, 则会发生间断则会发生间断. 如果不给出实常数如果不给出实常数 ICONT, ANSYS 根据模型的大小提供一个根据模型的大小提供一个 较小的较小的 ICONT默认值默认值.October 20, 2000107接触分析刚体位移刚体位移刚体位移刚体位移调整初始接触条件调整初始接触条件 (ICONT)接触面调整接触面调整, 调整前与调整后如下图所示调整前与调整后如下图所示:October 20, 2000108接触分析刚体位移刚体位移刚体位移刚体位移调整初始接触条件调整初始接触条件 (PMIN 和和 PMAX)实常数实
87、常数 PMIN 和和 PMAX 给出初始侵入范围给出初始侵入范围. ANSYS 实际地将整个实际地将整个目标面目标面 (以及附着的变形体以及附着的变形体) 移到由移到由PMIN和和PMAX给出的侵入范围给出的侵入范围内内. 如果目标面有预加的零约束如果目标面有预加的零约束, 则不执行使用则不执行使用 PMIN 和和 PMAX 的初始的初始调整调整.初始调整是一个迭代过程初始调整是一个迭代过程. ANSYS 最多进行最多进行20次迭代次迭代, 将目标面将目标面移到移到 PMIN 和和 PMAX 范围内范围内. October 20, 2000109接触分析刚体位移刚体位移刚体位移刚体位移调整初始
88、接触条件调整初始接触条件 (PMIN 和和 PMAX)接触面接触面调整前和调整后调整前和调整后的接触面的接触面October 20, 2000110接触分析球形球形球形球形(pinball)(pinball)区区区区接触单元接触单元相对于相对于目标单元的的位置和运动决定接触状态目标单元的的位置和运动决定接触状态. ANSYS跟踪每一个单元跟踪每一个单元, 并对它赋予一个可以进行后处理的状态并对它赋予一个可以进行后处理的状态.接触状态接触状态相应的相应的CPU费用费用0 - 远区域开接触远区域开接触 便宜便宜1 - 近区域开接触近区域开接触 中等中等2 - 滑动闭接触滑动闭接触 昂贵昂贵3 -
89、粘着闭接触粘着闭接触 昂贵昂贵October 20, 2000111接触分析pinballpinball区区区区当接触单元进入当接触单元进入pinball区时区时, 认为它认为它处于近区域接触处于近区域接触. pinball区是围绕接区是围绕接触单元的圆触单元的圆(二维二维)或球或球(三维三维).可以用实常数可以用实常数PINB调整球调整球形形区区(此方法对于初始侵入大的问题是必此方法对于初始侵入大的问题是必要的要的).ANSYS默认定义弹球区为下面单元的默认定义弹球区为下面单元的4 深度深度(刚体对柔体刚体对柔体)或或 2 深深度度 (柔体对柔体柔体对柔体).弹球弹球October 20,
90、2000112接触分析防止伪接触防止伪接触防止伪接触防止伪接触关键字选项关键字选项(8)=1仅用于当实常数仅用于当实常数PINB不能处理此问不能处理此问题时题时, 因为此选项会导致丢失真实的因为此选项会导致丢失真实的侵入侵入.关键关键字字选项选项 (8)防止初始时或变形时防止初始时或变形时过分侵入的伪接触过分侵入的伪接触.用于包括自接触问题的对称接触用于包括自接触问题的对称接触. Contact is erroneously detected No contact is detectedOctober 20, 2000113接触分析初始过盈初始过盈初始过盈初始过盈对于建立初始过盈接触问题对于建
91、立初始过盈接触问题(如冷缩装配如冷缩装配):几何模型包括初始过盈几何模型包括初始过盈.通过实常数通过实常数CNOF给出接触面偏移包括初始过盈给出接触面偏移包括初始过盈.包括初始过盈的几何模型和实常数包括初始过盈的几何模型和实常数CNOF的组合应用的组合应用.为了克服由大初始侵入引起的收敛困难为了克服由大初始侵入引起的收敛困难, ANSYS允许初始侵入在允许初始侵入在第一个载荷步中按斜坡变化第一个载荷步中按斜坡变化.October 20, 2000114接触分析初始过盈初始过盈初始过盈初始过盈CNOF 实常数实常数CNOF是接触面偏移是接触面偏移. + CNOF增加过盈增加过盈. - CNOF减
92、少过盈或产生间减少过盈或产生间 隙隙.CNOF能与几何侵入组合应能与几何侵入组合应用用.October 20, 2000115接触分析初始过盈初始过盈初始过盈初始过盈初始初始穿透穿透控制控制 KEYOPT(9)=0 - 包括几何包括几何穿透穿透和和CNOF.1 - 忽略几何忽略几何穿透穿透和和CNOF.2 - 包括几何包括几何穿透穿透和和CNOF. 在第一个载荷步中初始在第一个载荷步中初始穿透穿透斜坡变化斜坡变化.3 - 忽略几何忽略几何穿透穿透, 包括包括CNOF4 - 忽略几何忽略几何穿透穿透, 包括包括CNOF.在第一个载荷步中初始在第一个载荷步中初始穿透穿透斜坡变化斜坡变化.Octob
93、er 20, 2000116接触分析初始过盈斜坡变化初始过盈斜坡变化如果有大初始过盈如果有大初始过盈, 通常不能阶跃通常不能阶跃施加施加. 然而然而, 用关键选项用关键选项(9)的设的设置使初始过盈在第一个载荷步中斜置使初始过盈在第一个载荷步中斜坡施加坡施加(确定球确定球形形区足够大区足够大!). 对对于此斜坡功能于此斜坡功能, 在第一个载荷步内在第一个载荷步内不要施加其它载荷不要施加其它载荷.初始过盈初始过盈初始过盈初始过盈October 20, 2000117接触分析调整初始接触条件调整初始接触条件, 以及偏移接触面技术也能组合应用以及偏移接触面技术也能组合应用. 例如例如, 对于对于精度
94、不高的输入网格和初始节点坐标精度不高的输入网格和初始节点坐标, 也许想要一个十分精确的初始也许想要一个十分精确的初始穿透穿透. 要达到这个目标要达到这个目标:1.用用 ICONT 将接触点移到目标面上将接触点移到目标面上.2.用用 CNOF 给出一个初始给出一个初始穿透穿透.3.用用关键选项关键选项(9)判定判定穿透穿透.用用ICONT后的接触面后的接触面目标面目标面最终接触面最终接触面CNOF原始接触面原始接触面初始过盈初始过盈初始过盈初始过盈October 20, 2000118接触分析表面相互作用模型表面相互作用模型表面相互作用模型表面相互作用模型关键选项关键选项 (12) 能够用于建立
95、不同的接触表面相互作用模型能够用于建立不同的接触表面相互作用模型:0 - 标准标准: 单面接触行为单面接触行为(默认默认).1 - 粗糙接触粗糙接触: 接触建立后接触建立后, 没有滑动没有滑动, 这相当于无限大摩擦系数这相当于无限大摩擦系数.2 - 不分离接触不分离接触: 接触建立后接触建立后, 目标面和接触面绑在一起目标面和接触面绑在一起(允许滑动允许滑动).3 绑定绑定接触接触: 接触建立后接触建立后, 目标面和接触面目标面和接触面“ 胶结胶结”在一起在一起. October 20, 2000119接触分析表面相互作用模型表面相互作用模型表面相互作用模型表面相互作用模型关键选项关键选项(1
96、2) 描述描述(表面相互作用表面相互作用)继续继续:4 - “ 总是总是”不分离接触不分离接触: 球球形形区内部任何接触检查点或那些进入接区内部任何接触检查点或那些进入接触状态的点沿法向绑结触状态的点沿法向绑结 (允许滑动允许滑动).5 - “ 总是总是” 绑定绑定接触接触: 对于剩余分析对于剩余分析, 球球形形区内任何接触检查点或区内任何接触检查点或那些进入接触状态的点那些进入接触状态的点被绑定被绑定.6 - “ 初始接触初始接触”绑定绑定: 仅仅在初始接触时在初始接触时绑定绑定, 初始接触开表面将保初始接触开表面将保持打开的状态持打开的状态. 与与 CEINTF相似相似, 但是能用于非线性
97、问题但是能用于非线性问题.October 20, 2000120接触分析表面相互作用模型表面相互作用模型表面相互作用模型表面相互作用模型接触开放弹簧接触开放弹簧 FKOP对于建立不分离或对于建立不分离或绑定绑定接触模型接触模型, 也许需要设置实常数也许需要设置实常数 FKOP. 该常数为开放接触提供了一个刚度值该常数为开放接触提供了一个刚度值. 对于不分离接触对于不分离接触, 可以用开放间隙刚度系数去阻止由于间隙而产可以用开放间隙刚度系数去阻止由于间隙而产生的刚体运动生的刚体运动.对于对于绑定绑定接触接触, FKOP 阻止接触面的分离阻止接触面的分离.FKOP 默认为默认为 1.0, 用于建立
98、粘结模型用于建立粘结模型. 用一个较小值用一个较小值 (1e-5)去去建立软弹簧模型建立软弹簧模型.October 20, 2000121接触分析计算厚度影响计算厚度影响计算厚度影响计算厚度影响如果已经创建了一个梁或壳单元模型如果已经创建了一个梁或壳单元模型, 接触表面能够移动接触表面能够移动, 用于计用于计算梁或壳的厚度算梁或壳的厚度. 关键选项关键选项 (11) 包括或排除梁和壳厚度的影响包括或排除梁和壳厚度的影响.0 - 在中面接触在中面接触(默认默认).1 - 在指定表面的顶部或底部在指定表面的顶部或底部.注意注意: 当用壳当用壳181单元时单元时, 在变形过程中的厚度改变也可以考虑在
99、变形过程中的厚度改变也可以考虑.October 20, 2000122接触分析时间步控制时间步控制时间步控制时间步控制时间步控制是一个自动时间步特征时间步控制是一个自动时间步特征. 该控制用于当接触单元的状态即该控制用于当接触单元的状态即将改变时将改变时, 预报并缩减当前的时间步预报并缩减当前的时间步. 关键选项关键选项(7)控制时间步的预报控制时间步的预报 .0 -无控制无控制: 不影响时间步尺寸不影响时间步尺寸. 当自动时间步开关打开时当自动时间步开关打开时, 对于静态问题对于静态问题通常是充分的通常是充分的. 1 - 自动缩减自动缩减: 如果接触状态改变较大如果接触状态改变较大, 时间步
100、二分时间步二分. 对于动态问题对于动态问题, 自自动缩减通常是充分的动缩减通常是充分的.2 - 合理的合理的: 比自动缩减费用更昂贵的算法比自动缩减费用更昂贵的算法.3 - 最小值最小值: 该选项为下一个子步预报时间增量的最小值该选项为下一个子步预报时间增量的最小值(计算费用十分昂计算费用十分昂贵贵, 建议不用建议不用). October 20, 2000123接触分析故障排除故障排除故障排除故障排除输出文件信息输出文件信息输出文件将打印一个接触概要输出文件将打印一个接触概要, 说明说明模型中的所有接触模型中的所有接触对对.* 注意 * 由实常数设置 1 识别的刚体-可变形体的接触对已经建立.
101、 请验证目标节点的约束,该约束可以由ANSYS自动施加.接触刚度系数 FKN 1.0000 缺省穿透容差系数 FTOLN 0.10000 将用缺省初始闭合值ICONT球形区系数 PINB 1.0000 缺省最大摩擦应力 TAUMAX 0.10000E+21*October 20, 2000124接触分析故障排除故障排除故障排除故障排除输出文件信息输出文件信息对于每一个接触对于每一个接触对对, 输出文件还将反馈初始接触闭合情况输出文件还将反馈初始接触闭合情况.* 注意 * 检查出由实常数设置1 指定的接触单元603 和目标单元1 之间的最小初始间隙为3.914707351E-02 . * 注意
102、*你可以将由实常数设置1指定的整个目标面移到: x= 3.902639615E-02, y= -3.071443974E-03, z= 0,使其接触.* 警告 * 已经为实常数设置1 选择了一个初始闭合系数(ICONT) 3.E-02 .October 20, 2000125接触分析排错排错排错排错刚体对柔体和柔体对柔体接触能够在相同的模型里定义刚体对柔体和柔体对柔体接触能够在相同的模型里定义. 一定要用独一定要用独立的实常数定义接触立的实常数定义接触对对. 输出文件信息对检查你的接触输出文件信息对检查你的接触对对有帮助有帮助. 一定要检查接触和目标单元的外法向一定要检查接触和目标单元的外法向
103、. 接触发生在接触和目标单元正接触发生在接触和目标单元正的外法向侧的外法向侧.不正确不正确正确正确October 20, 2000126接触分析排错排错排错排错确信目标和接触表面定义延伸得足够确信目标和接触表面定义延伸得足够 广广, 可以覆盖整个分析过可以覆盖整个分析过程中运动的全部范围程中运动的全部范围.确信正确地离散了刚性目标面确信正确地离散了刚性目标面. 过分粗糙的离散化会引起收敛困过分粗糙的离散化会引起收敛困难难.确信用确信用ICONT或或PMIN和和PMAX, 使合理的表面副初始处于接触使合理的表面副初始处于接触状态状态, 从而消除刚体运动模式从而消除刚体运动模式.October 2
104、0, 2000127接触分析排错排错排错排错在大滑动问题中在大滑动问题中, 尖角会引起收敛困难尖角会引起收敛困难. 用线或面倒角使尖角圆滑用线或面倒角使尖角圆滑.外法向外法向圆滑的半径圆滑的半径刚性目标面刚性目标面October 20, 2000128接触分析排错排错排错排错接触面接触面目标面目标面This can result in non-physical behavior接触法向变化范围大的过盈配合问接触法向变化范围大的过盈配合问题会导致非物理行为题会导致非物理行为. 在这种情况在这种情况下下, 试用转换目标和接触面的方法试用转换目标和接触面的方法. 或者或者, 试用移去有问题的接触单试
105、用移去有问题的接触单元的方法元的方法.October 20, 2000129接触分析排错排错排错排错重设求解选项、子步数、平衡迭代数及不对称求解器等重设求解选项、子步数、平衡迭代数及不对称求解器等.最后最后, FKN 和和 FTOLN 需要正确设置需要正确设置:FKN 通常将在通常将在 0.0110之间之间. 对于体积变形问题对于体积变形问题, 用值用值1.0(默默认认), 对于弯曲为主的问题对于弯曲为主的问题, 用值用值0.1. 不要不要 将将FTOLN设得太小设得太小, 穿透穿透容差太紧容差太紧, 会导致发散会导致发散.October 20, 2000130接触分析注意注意注意注意Octo
106、ber 20, 2000131接触分析练习练习练习练习练习目标练习目标:分析一个二维平面应变赫兹接触问题分析一个二维平面应变赫兹接触问题. 该问题用力控制加该问题用力控制加 载载, 具有大塑性应变具有大塑性应变.刚性面刚性面可变形网格可变形网格控制节点控制节点October 20, 2000132接触分析练习练习练习练习材料性质材料性质: 铜铜EX = 16E6 帕帕泊松比泊松比 = 0.33应变应变应力应力0.00062510,0000.002515,0000.00521,0000.01029,0000.01532,6000.02034,7000.04036,2500.10039,0000.
107、20040,250所提供的数据为真实应力应所提供的数据为真实应力应变变 .October 20, 2000133接触分析练习练习练习练习练习步骤练习步骤:1.恢复数据库恢复数据库hertz.db. 该数据库包括可变形的有限元网格和该数据库包括可变形的有限元网格和固定边界条件固定边界条件.2.查看为可变形网格选择的单元类型查看为可变形网格选择的单元类型. 为什么选择具有缩减积为什么选择具有缩减积分的平面分的平面182单元单元?3.用多线性各向同性硬化用多线性各向同性硬化(MISO)材料模型材料模型, 为铜为铜(材料材料1)输入应输入应力应变曲线力应变曲线. 为什么选择为什么选择MISO? 4.输
108、入摩擦系数输入摩擦系数( = 0.3), 也用材料也用材料1.October 20, 2000134接触分析练习练习练习练习练习步骤练习步骤:5.不用接触向导不用接触向导, 用实常数设置号用实常数设置号2, 创建目标和接触单元创建目标和接触单元. 哪一哪一边应该是目标边应该是目标? 正确设置惩罚刚度比例系数正确设置惩罚刚度比例系数(FKN). 该问题是该问题是以弯曲为主还是以体积变形为主以弯曲为主还是以体积变形为主?6.设置实常数设置实常数 PMAX 和和 PMIN , 将刚性目标面移进初始接触状将刚性目标面移进初始接触状态态 (PMAX = 0.1 , PMIN=0.01). 为什么这是必要
109、的为什么这是必要的?7.在关键点在关键点23(KMESH)创建一个主控节点创建一个主控节点, 为刚性面加载为刚性面加载. 8.在在控制控制节点的节点的 -Y方向施加方向施加 20,000 lb/in .October 20, 2000135接触分析练习练习练习练习练习步骤练习步骤:9.打开几何非线性开关打开几何非线性开关(NLGEOM,ON). 10.为自动时间步为自动时间步(20,500,10)指定子步数指定子步数. 11.指定输出控制指定输出控制 (要求每一子步要求每一子步).12.运行求解运行求解, 并查看输出和监控文件并查看输出和监控文件.October 20, 2000136接触分析
110、练习练习练习练习练习步骤练习步骤: 13. 后处理接触结果后处理接触结果, 查看接触压力以及摩擦应力查看接触压力以及摩擦应力. 画出范画出范米塞斯应米塞斯应力和累积的等效塑性应变力和累积的等效塑性应变. 应变值在提供的材料数据以外吗应变值在提供的材料数据以外吗?由于由于我们用了缩减积分单元我们用了缩减积分单元, 确信要比较人为的能量和应变能确信要比较人为的能量和应变能.加载下的剪应力加载下的剪应力October 20, 2000137接触分析练习练习练习练习补充作业补充作业如果有时间如果有时间, 重起动分析重起动分析, 并将施加的载荷并将施加的载荷渐变渐变到零到零. 查看永查看永久变形和铜板内
111、部的残余应力久变形和铜板内部的残余应力.去掉载荷的去掉载荷的范范米塞斯应力米塞斯应力October 20, 2000138接触分析练习练习练习练习回答问题回答问题: 由于这是一个同时包括塑性和接触的大应变求解由于这是一个同时包括塑性和接触的大应变求解, 为了达到最高的求解为了达到最高的求解效率效率, 选择具有缩减积分的平面选择具有缩减积分的平面182单元单元.由于该问题是按比例加载的大应变求解由于该问题是按比例加载的大应变求解, 所以选择了多线性各向同性硬所以选择了多线性各向同性硬化化 .刚性面刚性面总是总是目标面目标面.该问题以体积变形为主该问题以体积变形为主, 设设 FKN = 1.0.O
112、ctober 20, 2000139接触分析练习练习练习练习回答问题回答问题: 由于这两个物体初始没有联系由于这两个物体初始没有联系, 要关心刚体运动问题要关心刚体运动问题. 设置设置 PMAX 和和 PMIN 为此问题建立初始接触条件为此问题建立初始接触条件.应变值在为材料提供的数据值以外应变值在为材料提供的数据值以外. ANSYS 推算最后数据点以外理推算最后数据点以外理想的塑性想的塑性.October 20, 2000140接触分析求解练习求解练习求解练习求解练习THICK=0.25 RADIUS=0.75 CONTACT=0.3 LENGTH=1.0 /PREP7ET,1,182,1,
113、2ET,2,169ET,3,171R,2,0,0,1,0.1 RMORE,0.1,0.01!*!* Material Properties!*MP,EX,1,16E6MP,NUXY,1,0.33MP,MU,1,0.3TB,MISO,1,0,9 TBPT,0.000625,10000TBPT,0.0025,15000TBPT,0.005,21000TBPT,0.01,29000TBPT,0.015,32600TBPT,0.02,34700TBPT,0.04,36250TBPT,0.10,39000TBPT,0.20,40250K,1K,2,CONTACTK,3,LENGTHKGEN,2,1,3,
114、1,THICK,3A,1,2,5,4A,2,3,6,5TYPE,1MAT,1LESIZE,4,10LESIZE,2,10LESIZE,6,10LESIZE,1,12LESIZE,3,12LESIZE,5,12,5LESIZE,7,12,1/5AMESH,ALLARSYM,X,ALLNUMMRG,ALLASEL,NONELSEL,NONEWPAVE,THICK+RADIUSCSWPLA,11,1K,20,RADIUS,180K,21,RADIUS,-90K,22,RADIUS,0K,23,0,0 L,20,21L,21,22TYPE,2REAL,2LMESH,ALLKMESH,23KSEL,S,
115、KP,23NSLK,S*GET,N_LOAD,NODE,NUM,MAXALLSCSYS,0NSEL,S,LOC,Y,THICKTYPE,3ESURF!*!* Boundary Conditions!*NSEL,S,LOC,Y,0D,ALL,UYNSEL,S,LOC,X,0NSEL,R,LOC,Y,0D,ALL,UXNSEL,ALLFINISH/SOLUANTYPE,STATICNLGEOM,ONSOLC,ONNSUBST,20,500,10OUTRES,ALL,ALLF,N_LOAD,FY,-20000SOLVEF,N_LOAD,FY,0SOLVEFINI/EXITOctober 20, 2000141接触分析THANK YOU感谢聆听，批评指导2020
