非线性_接触分析

接触分析

接触问题是一种高度非线性行为需要较大的计算资源为了进行实为有效的计算理解问题的特性和建立合理的模型是很重要的

接触问题存在两个较大的难点其一在你求解问题之前你不知道接触区域表面之间是接触或分开是未知的突然变化的这随载荷材料边界条件和其它因素而定其二大多的接触问题需要计算摩擦有几种摩擦和模型供你挑选它们都是非线性的摩擦使问题的收敛性变得困难

一般的接触分类

刚体─柔体的接触在刚体─柔体与它接触的变形体相比有大得多的刚的接触问题中接触面的一个或多个被当作刚体度一般情况下一种软材料和一种硬材料接触时问题可以被假定为刚体─柔体的接触许多金属成形问题归为此类接触另一类柔体─柔体的接触是一种更普遍的类型在这种情况下两个接触体都是变形体有近似的刚度

ANSYS接触能力

支持三种接触方式点─点点─面平面─面元适用于某类问题

为了给接触问题建模首先必须认识到模型中的哪些部分可能会相互接触模型的对立应组元是一个结点如果相互作用的其中之一是一个面模型的对应组元是单元例如梁单元壳单元或实体单元至于ANSTS使用的接触单元和使用它们的过程下面分类详述

点─点接触单元

点─点接触单元主要用于模拟点─点的接触行为为了使用点─点的接触单元你需要这类接触问题只能适用于接触面之间有较小相对滑动的情况即使在几

如果两个面上的结点一一对应相对滑动又以忽略不计两个面挠度转动保持小量那么可以用点─点的接触单元来求解面─面的接触问题过盈装配问题是一个用点─点的接触单元来模拟面─与的接触问题的典型例子

点─面接触单元

点─面接触单元主要用于给点─面的接触行为建模例如两根梁的相互接触 如果通过一组结点来定义接触面生成多个单元那么可以通过点─面的接触单元来模面即可以是刚性体也可以是柔性体这类接触问题的一个典型例子是插头到插座里

不需要预先知道确切的接触位置接触面之间也不需要保持一致的并且允许有大的变形和大的相对滑动

Contact48和Contact49都是点─面的接触单元Contact26接触对有不连续的刚性面的问题不推荐采用Contact26因为可能导致接触的丢失在这种情况下Contact48

面─面的接触单元

支持刚体─柔体的面─面的接触单元刚性面被当作面分别用Targe169和3D面来模拟接触单元指定相同的实常的号

与点─面接触单元相比面─面接触单元有好几项优点

支持低阶和高阶单元

支持有大滑动和摩擦的大变形协调刚度阵计算单元提法不对称刚度阵 的选项 提供工程目的采用的更好的接触结果例如法向压力和摩擦应力

没有刚体表面形状的限制刚体表面的光滑性不是必须允许有自然的或网格离散引

起的表面不连续

与点─面接触单元比需要较多的接触单元因而造成需要较小的磁盘空间和CPU时间

允许多种建模控制例如

绑定接触

渐变初始渗透

目标面自动移动到补始接触

平移接触面老虎梁和单元的厚度 支持死活单元 通常用简单的几何形状例如圆抛物 使用这些单元能模拟直线面和曲线面

线球圆锥圆柱采模拟曲面更复杂的刚体形状能使用特殊的前处理技巧来建模 执行接触分析

不同的接触分析类型有不同的过程下面分别讨论

面─面的接触分析

在涉及到两个边界的接触问题中很自然把一个边界作为目标面而把另一个作为接触面对刚体─柔体的接触目标面总是刚性的接触面总是柔性面这两个面合起来叫作接触对使用Conta1722-D接触对使用Targe170和Conta1733-D程序通过相同的实常收号来识别接触对 接触分析的步骤

1 建立模型并划分网格

2 识别接触对

3 定义刚性目标面

4 定义柔性接触面

5 设置单元关键字和实常的

6 定义控制刚性目标面的运动

7 给定必须的边界条件

8 定义求解选项和载荷步

9 求解接触问题

10查看结果

步骤1建立模型并划分网格

在这一步中你需要建立代表接触体几何形状的实体模型与其它分析过程一样设置单元类型实常的材料特性用恰当的单元类型给接触体划分网格

命令AMESH

VMESH

GUIMain Menu>Preprocessor>mesh>Mapped>3 or4 Sided

Main Menu>Pneprocessor>mesh>mapped>4 or 6 sided

步骤二识别接触对

你必须认识到模型在变形期间哪些地方可能发生接触一是你已经识别出潜在的接触面你应该通过目标单元和接触单元来定义它们目标和接触单元跟踪变形阶段的运动构成一个接触对的目标单元和接触单元通过共享的实常号联系起来

接触环区域可以任意定义然而为了更有效的进行计算主要指CPU时间你可能想定义更小的局部化的接触环但能保证它足以描述所需要的接触行为不同的接触对必须通过不同的实常数号来定义即使实常数号没有变化

有时候一个接触面的同一区域可能和多个目标面应该定义多个接触对每个接

步骤三定义刚性目标面

刚性目标面可能是2D的或3─D的2D

一系列直线所有这些都可以用TAPGE169来表示 在3D目标面的形状可以通过三角面圆柱面圆锥面和球面来推述所有TAPGE170应该使用三角面

控制结点Pilot

刚性目标面可能会和pilot结点联系起来它实际上是一个只有一个结点的单元通过这个结点的运动可以控制整个目标面的运动pilot结点作为刚性目标的控

pilot结点可能是目标整个目标面的受力和转动情况可以通过pilot结点表示出来

单元中的一个结点也可能是一个任意位置的结点只有当需要转动或力矩载荷时pilot结点的位置才是重要的如果你定义了pilotANSYSpilot结点上检而忽略其它结点上的任何约束

对于圆圆柱圆锥和球的基本图段ANSYS总是使用条一个结点作为pilot结点 基本原型

圆圆柱圆锥球直线抛物线 你能够使用基本几形状来模拟目标面例如

弧线和三角形不被允许虽然你不能把这些基本原型彼此合在一起或者是把它们和其它的目标形状合在一起以便形成一个同一实常数号的复杂目标面但你可以给每个基本原型指定它自己的实常的号

单元类型和实常数

在生成目标单元之前首先必须定义单元类型TARG169或TARG170

命令ET

GUI:main menu>preprocessor>Element Type> Add/Edit/Delete

随后必须设置目标单元的实常数

命令:Real

GUI:main menn>preprocessor>real 对TARGE169仅需设置实常数和而只有在使用直接生成法建立目标单元时才需要从为指定实常数R1R2另外除了直接生成法你也可以使用ANSYS网格划分工具生成目标单元下面解释这两种方法

使用直接生成法建立刚性目标单元

为了直接生成目标单元使用下面的命令和菜单路径

命令 GUImain menu>preprocessor>modeling-create>Elements>Elem Attributes

随后指定单元形状可能的形状有

straight line (2D)

parabola (2-D)

clockwise arc(2-D)

counterclokwise arc (2-D)

circle(2-D)

Triangle (3-D)

Cylinder (3-D)

Cone (3-D)

Sphere (3-D)

Pilot node (2-D和3-D)

一旦你指定目标单元形状所有以后生成的单元都将保持这个形状除非你指定另外一种形状

然后你就可以使用标准的ANSYS直接生成技术生成结点和单元

命令N

E

GUImain menu>pnoprocessor> modeling- create> nodes

main menu>pnoprocessor> modeling- create>Elements

在建立单元之后你可以通过列示单元来验证单元形状

命令ELIST

GUIutility menu>list>Elements>Nodes+Attributes

使用ANSYS网格划分工具生成刚性目标单元

你也可以使用标准的TSHAP命令的选项

为了生成一个PILOT结点使用下面的命令或GUI路径

命令Kmesh

GUImain menu>proprocessor>meshing-mesh>keypoints

注意PILOT

为了生成一个2─D目标单元使用下面的命令和GUI路径

ANSYS在每条直线上生成一条单一的线在样条曲线上生成抛物线部分在每条圆弧和倒角上生成圆弧部分如果所有的圆弧形成一个封闭的圆ANSYS生成一个单一的圆段 命令LMESH

GUImain menu>pneprocessor>mesling-mesh>lines

为了生成3─D的目标单元使用下面的命令或GUI路径

如果实体模型的表面部分形成了一个完整的球圆柱或圆锥那么ANSYS程序自动生成一个基本的3─D目标单元因为生成较少的单元从而使你分析计算更有效率对任意形状的表面应该使用Amesh命令来生成目标单元在这种情况下网格形状的质量不是重要的而目标单元的形状是否能完成好的模拟刚性面的表面几何形状显得更重要 命令AMESH

GUImain menu>preprocessor>-meshing-mesh>Area

下面的命令或GUI路径将尽可能的生成一个映射网格如果不能进行映射它将生成自由网格

命令MSHKFY2

GUImain menu>preprocessor>-meshling-mesh>-Ares-Target Surf

建模和网格划分的注意点

一个目标面可能由两个或多个面断的区域组成你应该尽可能地通过定义多个目标面来使接触区域局部比每个目标面有一个不同的实常数号刚性目标面上由的离散能足够指述出目标面的形状过粗的网格离散可能导致收敛问题如果刚性面有一个实的凸角求解大的滑动问题时很难获得收敛结果在实体模型上使用线或面的倒

注意不能使用镜面对称技术ARSYSMLSYMM来映射圆圆柱圆锥或球面到对称平面的另一边

检验目标面的接触方向

目标面的结点号顺序是重要的因为它定义了接触主向对当沿着目目标面的右边

对接触问题目标三角形单元号应该使刚性面的外法线方向指向接触面外法线 为了检查法线方向显示单元坐标系

命令/PSYMSESYS1

GUIUtility menu>plotctrls>symbols

如果单元法向不指向接触面选择单元反转表面的法向的方向

REVE 命令ESURF

GUImain menu>preprocossor>create>Element>on free surf

步骤4定义柔性体的接触面

为了定义柔性体的接触面必须使用接触单元CONFA171或CONFA172对2─D或CONTA173或CONTA174对3─D来定义表面

程序通过组成变形体表面的接触单元来定义接触表面接触单元与下面覆盖的变形体单接触单元与下面覆盖的变形体单元必须处于同一阶次低阶或高阶

下面的变形体单元可能是实体单元壳单元梁单元或超单元接触面可能壳或梁单元任何一边

与目标面单元一样你必须定义接触面的单元类型然后选择正确的实常数号最后生成接触单元

单元类型

下面简单描述四种类型的接触单元

CONTA171这是一种2─D2个结点的低附线单元可能位于2─D实体壳或梁单元的表面

CONTA172这是一个2─D的3结点的高阶抛物线形单元可能位于有中结点的2─D实体或梁单元的表面

CONTA173这是一个3─D的4结点的低阶四边形单元可能位于3─D实体或壳单元的表面它可能褪化成一个结点的三角形单元

CONTA174这是一个3─D8结点的高阶四边形单元可能位于有中结点的3─D实体或壳单元的表面它可能褪化成6结点的三角形单元

不能在高阶柔性体单元的表面上分成低阶接触单元反之也不行不能在高阶接触单元上消去中结点

命令ET

GUImain menu>preprocessor>Element type>Add/Edit/Delete

实常数和材料特性

在定义了单元类型之后需要选择正确的实常数的设置每个接触对的接触面和目标面而每个接触对必须有它自己不同的实常数号

ANSYS使用下面柔性体单元的材料特性来计算一个合适的接触或罚刚度如果下面的单元是一个超单元接触单元的材料的设置必须与超单元形成时的原始结构单元相同生成接触单元

我们既可以通过直接生成法生成接触单元也可以在柔性体单元的外表面上自动生成接触单元我们推荐采用自动生成法这种方法更为简单和可靠

可以通过下面三个步骤来自动生成接触单元

1选择结点

选择已划分网格的柔性体表面的结果如果你确定某一部分结点永远不会接触到目标面你可以忽略它以便减少计算时间然而你必须保证设有漏掉可能会接触到目标面的结点

命令NSEL

GUImain menu>preprocessor>create>Element>on>free surf

2 生成接触单元

命令ESURF

GUImain menu>preprocessor>create>Element>on free surf

如果接触单元是附在已用实体单元划分网格的面或体上程序会自动决定接触计算所需的外法向如果下面的单元是梁或壳单元则必须指明哪个表面上表面或下表面是接触面 命令ESURFTOP OR BOTIOM

GUImain menu>preprocessor>create>Element>on free surf

使用上表面生成接触单元则它们的外法向与梁或壳单元的法向相同使用下表面生成接触单元则它们的外法向与梁或壳单元的法向相反如果下面的单元是实体单元则TOP或BOTTOM选项不起作用

3检查接触单元外法线的方向当程序进行是否接触的检查时接触面的外法线方向是重要的对3─D单元按结点程序号以右手定则来决定单元的外法向接面的外法向应否则在开始分析计算时程序可能会认为有面的过度渗透而很难找到初始解在此情况下程序一般会立即停止执行你可以检查单元外法线方向是否正确 命令 GUIUtility menu>plotctrls>symbols

当发现单元的外法线方向不正确时必须通过倒不正确单元的结点号来改变它们

命令

ESURF GUImain menu>preprocossor>Create>Elements on free surf

步骤5设置实常数和单元关键字

程序使用九个实常数和好几个单元关键字来控制面─面接触单元的接触行为 两个乘下的7个用来控 定义目标单元几何形状 定义最大的渗透范围 PMIN 命令R

GUImain menu> preprocessor>real constant

对实常数FKNFTOLNICONTPMAX和PMIN你既可以定义一个正值程序将正值作为比例因子将负值作为真实值程序将下面覆盖原单元的厚度作为ICONFTOLNPINBPMAX和PMIN的参考值例如对ICON0.1表明初始间隙因子是0.1*下面覆盖层单元的厚度然而-0.1表明真实缝隙是0.1如果下面覆盖层单元是超单元则将接触单元的最小长度作为厚度

单元关键字

每种接触单元都饭知好几个关键字对大多的接触问题缺省的关键字是合适的而在某些情况下可能需要改变缺省值来控制接触行为

KEYOPT2 接触算法罚函数+拉格郎日或罚函数

出现超单元时的应力状态DEYOPT3

接触方位点的位置 KEYOPI4

刚度矩阵的选择 KEYOPT6

时间步长控制 KEYOPT7

初始渗透影响 KEYOPT9

接触表面情况 KEYOPT12

命令KEYOPT

ET

GUImain menu>preprocessor>Elemant Type>Add/Edit/Delete

选择接触算法

对面─面的接触单元程序可以使用扩增的拉格朗日算法或罚函数方法通过使用单元KETOPT2

扩张的拉格朗日算法是为了找到精确的拉格朗日乘子而对罚函数修正项进行反复迭代然而在有些分析中扩增的拉格朗日方法可能需要更多的迭代特别是在变形后网格变得太扭曲

FTOLN为搠格朗日算法指定容许的最大渗艉如果程序发现渗透大于此值时即使不平衡力和位移增量已经满足了收敛准则总的求解仍被当作不收敛处理FTLON的缺省值为0.1你可以改变这个值但要注意如果此值太小可能会造成太多的迭代次数或者不收敛 决定接触刚度

所有的接触问题都需要定义接触刚度两个表面之间渗 量的大小取决了接触刚度过大的接触刚度可能会引起总刚矩阵的病态应该选取足够大的但同时又应该让接触刚度足够小以使不会引起总刚

程序会根据变形体单元的材料特性来估计一个缺省的接触刚度值你能够用实常数FKN

来为接触刚度指定一个比例因子或指定一个真正的值比例因子一般在0.01和10之间当

避免过多的迭代次数时

为了取得一个较好的接触刚度值又可需要一些经验你可以按下面的步骤过行

1 开始时取一个较低的值低估些值要比高估些值好因为由一个较低的接触刚度导致的渗透问题要比 过高的接触刚度导致的收敛性困难要容易解决

2 对前几个子步进行计算

3 检查渗透量和每一子步中的平衡迭代次数如果总体收敛困难是由过大的渗透引

起的而不是由不平衡力和位移增量引起的那么可能低估了FKN的值或者是将FTOLN的值取得大小如果总体的收敛困难是由于不平衡力和位移增量达到收敛值需要过多的迭代次数而不是由于过大的渗透量那么FKN的值可能被高估 4 按需要调查FKN或FTOLN的值重新分析

选择摩擦类型

在基本的库仑摩擦模型中两个接触面在开始相互滑动之前在它们的界面上会有达到某一大小的剪应力产生这种状态则作粘合状态stick)库仑摩擦模型定义了一个等效剪

一旦剪应力超过此值后两个表面之间将开始相互滑动这种状态叫作滑动状态应力

Sliding粘合\滑动计算决定什么时候一个点从粘合状态到滑动状态或从滑动状态变到粘合状态roughbonded接触KEYOPT2程序将不管给定的MV

程序提供了一个不管接触压力的故而人为指定最大等效剪应力的选项如果等效剪应力达到此值时滑动发生看图4─1为了指定接触界面上最大许可剪应力设置常数 TAUMAX缺省为1.0E20这种限制剪应力的情况一般用于接触压力非常大的时候以至于用库仑理论计算出的界面剪应力超过了材料的屈服极限一对TAUMAX的一个合理高估σ为yσy

3是材料的mises屈服应力

图41 摩擦模式

对无摩擦rough和bonded接触接触单元刚度矩阵是对称的而涉及到摩擦的接触问题产生一个不对称的刚度而在每次迭代使用不对称的求解器比对称的求解器需要更多的计算时间因此ANSYS程序采用对称化算法通过采用这种算法大多的摩擦接触问题能够使用对称系统的求解器来求解如果摩擦应力在整个位移范围内有相当大的影响并且摩擦应力的大小高度依赖于求解过程对刚度阵的任何对称近似都可能导致收敛性的降低在这种情况下选择不对称求解选项KEYOPT6=1来改善收敛性

选择检查接触与否的位置

然目标面能渗透进入接触面看图42

图42 接触检查点位于高斯积分点上

ANSYS面─接触单元使用GAUSS积分点作为缺省值GAUSS积分点通常会比Newton-Cotes/robattoNewton-cotes/lobatto使用结点本身作为通过KEYOPT4你想使用的方法然而使用结点本身作为积分点仅

4─3

图43 接触检查点位于高斯结点上

然而使用结点作为接触发现点可能会导致其它的收敛性问题例如滑脱我们推荐使用其它的点─面的接触单元CONTA26CONTA48

图44 结点滑脱

调整初始接触条件

在动态分析中刚体运动一般不会引起问题然而在静力分析中当物体没有足够的约束时会产生刚体运动有可能引起错误而终止计算

在仅仅通过接触的出现来约束刚体运动时必须保证在初始几何体中接触对是接触的换句话说你要建立模型以便接触对是刚好接触的然而这样作可能会遇到以下问题 刚体外形常常是复杂的很难决定第一个接触点发生在哪儿

既使实体模型是在初始接触状态在网格划分后余于数值舍入误差两个面的单元网格之间也可能会产生小的缝隙

接触单元的积分点和目标单元之间可能有小的缝隙 同理在目标面和接触面之间可能发生过大的初始渗透在这种情况下接触单元可能导致不收敛或 民接触面之间脱离开接触关系定义初始接触也许是建立接触分析模型时最重要的方面因此程序提供了几种方法来调整接触对的初始接触条件 注意下面的技巧可以在开始分析时独立执行成几个联合起来执行它们是为了消除由于生成网格造成的数值舍入误差而引起的小缝隙或渗透而不是为了改正网格或几何数据的错误

1 使用实常数ICONT来指定一个好的初始接触环初始接触环是指沿着目标面的

调整环的深度如果没有人为指定ICONT的值程序会根据几何尺寸来给

ICONT提供一个小值同时输出一个表时什么值被指定的警告信息对ICONT

一个正值表示相对于下面变形体单元厚度的比例因子一个负值表示接触环的真

正值任何落在调整环敬域内的接触检查点被自动移到目标面上看图4

5(a)值否则看图4─5(b)

5 用ICON进行接触面的调整

调整前 (a)

调整后 (b)

2PMIN当指定PMAX或PMIN

后在开始分析时程序会将目标面移到初始接触状态如果初始渗透大于PMAX

程序会调整目标面的减少渗透接触状态的初始调节仅仅通过平移来实现

对给定载 或给定位移的刚性目标面将会执行初始接触状态的初始调节同样对没有指定边界条件的目标面也可以进行初始接触的调整

当目标面上的节点使用PMAX和 图4

行

注意ANSYS程序独立地处理目标面上节点的自由度例如如果你指定自中度UX值为0那么沿着X方向就没有初始调查然而在Y和Z方向仍然会激活PMAX和PMIN选项

如果目标面不能进入可接受的渗透范围程序会给出一个警告信息你可能需要调整你的初始几何模型

图4─6给出了一个初始接触调整迭代失败的例子目标面的UY被约束住因此初始接触唯一容许的调整是在X方向然而在这个问题中刚性目标面在X方向的任何运动都不会引起初始接触

39图46 一个初始调整失败的例子 =1来消除初始渗透看图4─7

图47 消除初始始渗透

在某些情况下例如过盈装配问题期望有过度的渗为了缓解收敛性困难KEYOTI=20看图4─8当使用这种方法时在第一个载 步中不要给定其它任何载荷也就是说要保证载荷是渐进的KBC0

图48 渐进初始渗透 在开始分析时

程序会给出每个目标面的初始接触状态的输出信息在输出窗口或输

出文件中这个信息有助于决定每个目标面的最大渗透成最小间隙 对于给定的目标面如果没有发现接触可能是目标面离接触面太远超出了Piaball区域或者是接触/目标单元已经被杀死

决定接触状态和Pinball

区域

接触单元相对于目标面的运动和位置决定了接触单元的状态程序检测每个接触单元并给出一种状态

未合的近区接触滑动接触 当目标面进入pinball区域后接触单元就被当作未合上的近区域接触pinball区域是以接触单元的积分点为中心的使用实常数PINB来为pinball指定一个比例因子正值或其实值负值程序将对2-D问题或球对3-D问题

检查接触的计算时间依赖于pinball区域的大小远区接触单元的计算是简单的且计算时间较少近区接触计算将要接触的接触单元是较慢的,并是较复杂当单元已经接触时计算最为复杂

如果刚性面有好几个凸形区域为了克服伪接触定义设置一个合适的pinball区域是有用的名而对大多数问题缺省值是合适的

选择表面作用模式

通过设置kcyopt(12)来选择下面的某种作用模式

法问单边接触

(KEYOPT(12)=0)

.粗糙接触用来模拟无滑动的表面相当粗糙的摩擦接触问题这种设置对应于摩擦系数无限大MU因此用户定义的摩擦系的MU被忽略KEYOPT12

=1

.不分开的接触用来模拟那种一是接触就再不分开的问题这种不分开是指对KEYOPT12

=2

法方接触而言允许有相对滑动.绑定接触 用来模拟那种接触一是发生表面在所省方向都被绑定的问题一旦接触就再也不能脱开也不允许有相对滑动KEYOPT12

=3

用超单元建立接触模型

面一面的接触单元能模拟刚体和另一个有 的运动的线 单性体的接触而线 单性体又

以体用超单元来建模这大大降低了进行接触 代的自由度数记住任荷接触结定都必须是超单元的主自由度

既然超单元仅仅由一组保留的结点自由度组成它没有用来定义接触的表面几何形状因此必须在形成超单元之前在单元表面上 成接触单元来自超单元的信息包括结点连结和组合刚度

但是没有材料特性和应力状态是否轴支称平面应力或平面应变一个限

制是接触单元的材料特性设置必须与形成超单元之前的原始单元的材料特性相同 KEYOPT3对2─D单元CONTA171 CONTA172关键字选项如下所示 KETOPT3=0

KEYOPT3=1

KEYOPT3

KEYOPT3=3对这种情况使用实常数的R2

对单元CONTA174

H单元KETOPI3=0

使用超单元3=1

程序够用KEYOPI11来考虑壳2-D和3-D和梁2-D的厚度缺省时程序不考虑单元厚度用或中面来表示它当设置KFTOPI11=1时则考虑梁或壳的厚度从底面或顶面来计算接触距离建模时要考虑到厚度记住刚性目标面会向任一边移动半个梁或壳单元的厚度当使用壳单元181号时在变形期间厚度的变化也将被考虑

使用时间步长控制

时间步长控制是一个自动时间步长特征这个特征预测什么时间接触单元的状态将发生变化或者需要二分当前的时间步长使用KEYOPT7来选择下列四种行为之一来控制时间步长KEYOPT7=0时不提供控制KEYOPT7=3提供最多的控制

KEYOPI7=0设有控制 的大小不受预测影响当自动时间步长被激

KETOPI7=1如果一次迭代期间有太大的渗透发生或者接触状态突然变化进行时间步长二分

KEYOPI7=2KETOPI7 使用死活单元选项

面─面的接触单元允许激活或杀死单元能够在分析的某一阶段中杀死这个单元而在以后的阶段再重新激活它这个特征对于模拟复杂的金属戍形过程是有用的在此过程的不同分析阶段有多个目标需要和接触面相互作用回弹模拟常常需要在成形过程的后期移走刚性工具

步骤六

控制刚性目标的运动

按照物体的原始外形来建立的且整个表刚性目标面是面的运动是通过pilot结点上的

给定来定义的如果没有定义pilot结点

则通过刚性目标面上的不同结点 为了控制整个目标面的运动在下面的任何情况下都必须使用"pilot"结点

目标面上作用着给定的外力

目标面发生旋转 目标面和其它单元相连例结构质量单元

"pilot"结点的厚度代表着整个刚性面的运动你可以在"pilot"结点上给定边界条件位移初速度集中载 转动等等为了考虑刚体的质量在"pilot"结点上定义一个质量单元 当使用"pilot"结点时记住下面的几点局限性 每个目标面只能有一个Pilot"的结点

.圆圆锥圆柱球的第一个结点结点工是pilot结点你不能另外定

义或改变"pilot"结点

.程序忽略不是"lilot"结点的所有其它结点上的边 条件

.只有pilot结点能与其它单元相连

.当定义了pilot

结点后

不能使用约束方程

CF

或结点来耦合

CP来控制目标面的自由度如果你在刚性面上给定任意载荷或者约束你必须定义pilot结点是在"pilot"结点上加载如果没有使用pilot结点则只能有刚体运动

在每个载 步的开始程序检查每个目标面的边界条件如果下面的条件都满足那么

程序将目标面作为固定处理

在目标面结点上没有明确定义边界条件或给定力

.目标面结点没有和其它单元相连

.没有目标面结上使用约束方程或结点来 合

在每个载体步的末尾程序将会放松被内部设置的约束条件

步骤7给变形体单元加必要的边界条件

现在可以按需要加上任你边界条件加载过程与其它的分析类型相同

步骤8定义求解和载 步选项

接触问题的收敛性随问题不同而不同

下面列式了一些典型的在大多数面面的接触分析中推荐使用的选项 时间步长必须足够 以描述适当的接触 如果时间步 太大则接触力的光滑传递会被破坏设置精确时间步长的可信赖的方法是打开自动时间步长

命令Autots,on

GUIMain Menu>Solution>-load step opts-Time/Frequence>Time&Time step

/Time& substeps

.如果在迭代期间接触状态变化可能发生不连续为了避免收敛太慢使用修改的刚度阵将牛顿一拉普森选项设置成FULL

命令NROPT,FULL,,OFF

GUIMain Menu>Solution>Analysis options

不要使用自下降因子对面一面的问题自适应下降因子通常不会提供任何帮助因此我们建议关掉它

设置合理的平衡迭代次数一个合理的平衡迭代次数通常在25和50之间

命令NEQIT

GUIMain Menu>Solution>-load step opts-Nonlinear>Equilibriwm iter

因为大的时间增量会使 代趋向于变得不稳定使用线性搜索选项来使计算稳定化 命令LNSRCH

GUIMain menu>solution>-load step opts-Nonlinear>lins search

除非在大转动和动态分析中打开时间步长预测器选项

命令PRED

GUImain mean>solarion>-load step opis-nonlinear>predictor

在接触分析中许多不收敛问题是由于使用了太大的接触刚度引起的实常数FKN

检验是否使用了合适的接触刚度 步骤九求解

现在可以对接触问题进行求解求解过程与一般的非线问题求解过程相同 第十步检查结果

接触分析的结果主要包括位移应力应变支 和接触信息接触压力滑动等你可以在一般的后处理器post1或时间历程后处理器post26中查看结果

注意点

1. 为了在post1中查看结果数据库文件所包含的模型必须与用于求解的模型相同

2. 必须存在结果文件

在post1中查看结果

1. 从输出文件中查看分析是否收敛 如果不收敛你可能不想后处理而更在乎为什么不收敛 如果已经收敛继续后处理

2. 进入post1如果你的模型不在当前的数据库中使用恢复命令resume来恢复它 命令/post1 GUImain menu>General postproc

3. 读入所期望的载荷步和子步的结果这可以通过载荷步和子步数也可以通过时间来实现 命令SET GUImain menu>generad postproc

4. 使用下面的任何一个选项来显示结果 选项显示变形形状态 命令PLDISP GUImain menu>general postproc>plot resnlt deformed shape 选项等值显示 命令PLNSOL

PLESOL GUImain menu>general postproc>plot result>contour plot-noded solu 或

element和solu

使用这个选项来显示应力应变或其它项的等值图如果相邻的单元有不同的材料行为例如塑性或多弹性材料特性不同的材料类型或不同的死活属性则在结果显示时应避免结点应力平均错误

也可以将定的接触信息用等值图显示出来对2─D接触分析模型用灰色表示所要求显示的项将沿着接触单元存在的模型的边界以梯型面积表示出来对3─D接触分析模型将用灰色表示而要求的项在接触单元存在的2─D表面上等值显示

还可以等值显示单元表的数据和线性化单元数据 命令PLETAB

PLLS GUImain menu>general postproc>Element Table>Plot Element Table

main menu> General Postproc>Plot Results>-Contour plot-line Elem Res 选项列表显示 命令PRNSOL

PRESOL

PRRSOL

PRETAB

PRITER

NSORT

ESORT

GUIMain menu>General Postproc>List Results>Noded Solution

Main menu>General Postproc>Lost Results>Element Solution

Main menu>General Postproc>List Results>Reaction Solution

在列表显示它们之前可以用NSORT和ESORT来对它们进行排序

选项动画

可以动画显示接触结果随时间的变化 命令ANIME GUIWility menn>Plotctrls >Animate>Contours lner fime

post26中查看结果

你也可以使用post26来查看一个非线性结构对加载历程的响应使用post26可以比较一个变量陡另一个变量的变化关系例如可以画出某个结点位移随给定载的曲线关系某

个结点的塑性应变与时间的关系一个典型的post26后处理过程需要分以下几个步骤 1. 从输出文件中检查是否分析已经收敛 2. 求解已收敛进入post26如果模型不在当前数据库中恢复它

命令/Post26

GUI:Main menu>Timehist Postpro

3. 定义变量

命令NSOL

ESOL

RFORCE

GUIMain menu>Time Hist Postpro>Define Variable

4. 画曲线或列表显示

命令PLVAR

PRVAR

EXTREM

GUIMain menu>Time Hist Postproc>Graph Variable

Main menu>Time Hist Postproc>List Variarle

Main menu>Time Hist Postproc>List Extremes

点─面接触分析

我们能使用点─面接触单元来模拟一个表面和一个结点的接触另外可以通过把表面指定为一组结点从而用点─面接触来代表面─面的接触

ANSYS程序的点─面接触单元允许下列非线性行为

有大变形的面─面接触分析

接触和分开

库仑摩擦滑动

热传递

点─面的接触是一种在工程应用中普遍发生的现象例如夹子金属成形等等工程技术人员对由于结构之间的接触而产生的应力变形为和温度改变是感兴趣的

使用点─面的接触单元

在ANSYS程序中点─面的接触是通过跟踪一个表面接触面上的点相对于另一表面目标面上的线或面的位置来表示的程序使用接触单元来跟踪两个面的相对位置接触单元的形状为三角形四面体或锥形其底面由目标面上的节点组成而顶点为接触面上的节点

图4─9绘出了二组的接触单元COWTA48和三维的接触单元COWTA49

图4─9 (a)2-D接触单元COWTAC48

(b)3-D接触单元─COWTAC49

(c)2-D接触单元─COWTAC26

如果目标面是刚性的2-D的点─面接触分析的步骤

下面列出了典型的点─面接触分析的基本步骤

1. 建模并划分网格

2. 识别接触对

3. 生成接触单元

4. 设置单元关键字和实常数

5. 给定必须的边界条件

6. 定义求解选项

7. 求解

8. 查看结果

第1步

建模划分网格

在这一步中需要建立代表接触体几何形状的模型设置单元类型实常数和材料特性用适当的单元类型划分网格 命令AMESH

VMESH GUIMain menu>Pneprocossor>Mesh>Mapped>3 or 4 Sided

Main menu>Pneprocessor>Mesh>Mapped>4 to 6 sided

应该避免使用有中结点的单元特别是在3维问题中因为这些单元表面节点上有效例如对95号单元来说角结点上有一个负刚度然而是接触关系 建立ANSYS程序的点─面接触算法假定刚度均匀分布在面上的所有结点上因此在接触分析中使用这些单元时能导致收敛困难

仅仅在使用COWTA48的2维分析中才可以在接触面上使用中结点单元但不能在目标面上使用中结点单元当生成48号接触单元的时候目标面上的中节点将被忽略这样将会导致在目标面上不均匀的力传递

第2步识别接触对

你必须认识到在变形过程中哪儿可能发生接触一是你已知认识到潜在接触面通过接触单元来定义它们为了更有效地进行计算主要指CPU时间你可能想定义比较小的局部的接触区域 但要保证你所定义的接触区域能模拟所有必须的接触

由于几何形状和潜在变形的多样化可能有多个目标面和同一个接触面相互作用在这种情况下必须定义多个接触对对每个表面你需要建立一个包含

表面节点的组元

命令CM

GUIUtility>Select>Comp/Assembly>Cneate Component

然后就可以使用这些表面结点在接触面之间形成所有有可能的接触形状如果你能肯定某些面永远不会相互接触那么应该适当的包括更多的结点

第三步生成接触单元

在生成接触单元之前首先必须定义单元类型维)CONTAC49(3维命令ET

GUIMain menu>Pneprocessor>Eloment Type>Add/Edit/Relete

然后再定义接触单元的实常数每个不同的接触面应该有一个不同的实常数号即便实常的值相同因为使用不同的实常数号程序能够较好的区分出是壳的顶面还底面接触或者是能够在不同的接触面进行较好的区分例如在角接触中每条也应该有它自己的实常数号如图4─10所示另一种典型应用是梁的双边接触如图4─11所示

命令R

RMODIF

GUIMain menu>Pneprocessor>Real Constants

接着就是在对应的接触对之间生成接触单元

命令GCGEN

GUIMain menu>Pnprocossor>Cneate>Elements>At Confactsrf

对生成点─面的接触单元的几点提示

一般来说生成的接触单元不需超过所需要的2─3使用限制半径RADC或生成的单元数NUMC选项来限制生成的接触单元数如果生成的接触单元数

超过所需的10或更多则会极大增加计算时间同时也需要大量的硬盘空间

进行接触分析时在接触面上建议使用无中结点的单元

对梁或壳单元需要通过目标面TLAB选项来指定单元数一边是目标面

对于卷曲的非平面目标面使用CONTA49的基本形状(shape)选项来指定单元的基本形状是三角形这个选项能使目标单元较好的模拟目标面的原形 每次在新的接触对之间生成接触单元时都指定一个新的实常数号既使接触单元的实常数值没有改变生成对称或反对称的接触单元

你可以选择生成对称的或反对称的接触单元用一个简单的GCGEN命令定义一对接触面生成一种反对称的接触方式在这种情况下一个面是接触面而另一个是目标面另外你可以使用两个GCGEN命令

将两个面都定义成即是目标面又是接触面

例如考虑两个面A和B在第一个GCGEN命令中将面A指定为接触面面B指定为目标面而在第二个GCGEN命令中将面A指定为目标面而将面B指定为接触面下面是在前处理中生成接触单元的标准命令流输入 NSELSNODE 在接触面上选择一组结点

CMCONTACTNODE 将所造结点生成组元COMTACT

NSELSNODE 大目标面上选择一组新结点

CMTARGETNODE 将所选结点生成组元TARGET

NSELALL

GCGENCONTACTTARGET

GCGENTARGETCONTACT

一般来说对称接触方式是一种更好的方法哪个面是目标面相反反对称接触方式在区分目标面和接触面时需要遵守以下规则

如果一个面的接触部分是平的或凹的而另一个面的接触部分是尖的或凸的

如果两个接触面都是平的则可以任意选择如果两个接触面都凸的如果一个接触部分有尖边而另一个没有则有尖边的面应作为接触面

生成已经开始接触的模型那就是建立开始变形时的模型这样单元实际上已经彼此重叠在一起用这种方法在对结构进行分析时只需使用一个载荷步同时应该打开线性搜索选识从许多过盈分析问题中发现为了得到收敛的结果必须打开此选项

命令LNSRCHON

GUImain menu>Preprocessor>load>No linesr>Line Search

用一个较弱的初始法向刚度实常数KN来生成已经开始接触的模型进行计算然后在以后的载 步中使用新的R命令来逐步增加KN的值到一适当的值在此方法中必须明确定义切向刚度佳而不能使用缺省值

第四步设置单元关键字和实常数

使用点─面的接触单元时程序使用四个单元关键字和几个实常数来控制接触行为

单元关键字

CONTAC48CONTAC49包含或不包括温度 KEYOPT1

2无摩擦弹性库仑摩擦或刚性库仑摩擦 KEYOPT3

7选择接触时间步 命令KEYOPT

ET

GUIMain Mneu>Pneporcessor>Element Type >Add/Delete

摩擦类型

你需要选择一种摩擦类型点─面接触单元支持弹性库仑摩擦和刚性库仑摩擦粘合区被当作一个刚度为KT的弹性区来处理在变形期选择这种摩擦类型是好的刚性库仑行为仅仅允许有而接触面不能粘合如果运动停止或逆转将会遇到收敛性的问题

罚函数与罚函数+拉格朗日方法

协调控制方法保证一个面不会渗透进入另一个面超过某一容许量这可以通过罚函数方法或罚函数+拉格朗日方法来实现在这种方法中将有力加在接触结点上直到接触结点渗透进入目标面

热─结构结触

如果两个温度不同的物体此接触在它们之间将会发生热传递我们能够联合这种点─

对不关心应力的分面的接触单元和热─结构来

合场单元来模拟这种情况下的热传递

析能够用标准的热单元来给系统的固定部分建模其关键字设置如表1─2所示这些单

必须为实常数COND接触传导率定义一个值以模拟接触

元的热─结构

都被激活

界面之间的热量流动

接触预测

CONTAC48和CONTAC49对控制接触时间预测提供了三个选项 没有预测当自动时间步 被找开并允许小的时间步 时大多的静力分析使用此选项如果允许一个足够小的时间步 自动时间步长二分特征将会把步长减小到必要的大小然而二分法并不是一种需要进行时间预测的有效方法对在加载过程中有不连续接触区域的那些问题时间步 预测是必须的

合理的时间步为了保持一个合理的时间/载

增量需要在接触预测中选择此项此项在时间步长预测器正在完好运行的静态分析中或在连续接触滚动接触的瞬态分析中是有用的如果接触点的位置随时间的变化是一个非线性函数那么线性时间步长预测不可能是有效的虽然其它的非线性特征能够小时间步 以使线性时间步长预测能够提供很好的预测效果

最小的时间/载荷增量预测无论什么时候当接触状态发生的改变时预测会取一个最小的时间/载

荷增量

这个选项在碰撞和断续接触的瞬态分析中是有用的或者用于由于线性预测不起作用而导致的第二个选项无用时为了更有效的进行计算仅仅对处于初始接触状态的那些接触单元使用此选项

实常数

使用下面的实常数

KN定义法向接刚度 KT定义最大的渗透容差FACT定义静摩擦与动摩擦的比值TOLS定义一个小的容差以增加目标面的长度 COND定义接触传导率R

GUIMain menu>Preprocessor>Real Constants

法向刚度

对KN设有缺省值KN应该是足够大的以便 我们必须给接触刚度KN提供一个值

不会引起过大的渗透但又不应该大到导致病态条件对大多的接触分析应该按下面的公式来估计KN的值

KN=fEh

f控制接触协调性的因子这个因子通常在0.01和100之间开始时通常取f=1

E: 杨氐模量如果接触发生在两种不同的材料间考虑使用杨氏模量较小者

h特征接触长度这个值取决于问题几何形状的特殊性

在3维外形中h应该等于典型的接触目标长度也就是目标面的平方根或者典型的单元尺寸对大多数柔体柔体的接触问题通常发现处于接触状态的平均单元尺寸几乎等于目标长度当目标长度与典型的单元尺寸当相差很大时应该使用典型的单元尺寸来作为h的值在2维平面应力或应变问题中对平面应变或无厚度输入的平面应力问题让h=1对于有厚度输入的平面应力问题让h等于厚度在2维轴对称分析中让h等于平均接触半径

当估计柔软结构的KN值时特别是在梁或壳的模型中应该在两个接触体上进行一

个简单的迭代分析来计算局部接触刚度如图4─9示

图1─9 计算柔软结构的接触刚度

KN=P/111+1

21 上式中P=作用在接触位置的点载位置1和

2

12=位置1和2的结点位移

在计算KN时使用体系的实际边界条件就是说KN不是赫兹接触刚度它考虑了整个

结构的柔度

粘合刚度

弹性区的大小取决于你使用的粘合刚度的值KT与法向刚度KN一样你可能想使用一个较大的粘合刚度但不要大到影响收敛性一般来说粘合刚度KT应该比法向刚度KN 12或3的量级

如果你想模拟单性库仑摩擦程序将会使用到KT的值程序使用KT=KN/100作为缺省值然而与KN一样如果KT太大可能会经历一个病态条件因此对大多的情况KT的缺省值可能是不适合的

渗透容差

当使用罚函数+

拉格朗日方法时

KEYOPT

2

=1在表面法方向给定的绝对容差被用来决定是否满足渗透协调性如果接触结点渗进目标的距离在TOLN的范TOLN围内则认为满足接触协调性TOLN的值必须是 的而是长度单位TOLN的值一般约为表面单元尺寸的1%如果将TOLN的值定得太小可能要浪费大量的计算时间

静摩擦与动摩擦系的比值

如果KEYOPT3=0不考虑两个表面间的摩擦则实常数KT和FACT

都不需要当KEYOPT3=1或2时需要输入摩擦系数MU它可以被指定为一个温度的函数此时MU的值被作为动摩擦系数而静摩擦系 数是FACT*MU

目标长度

如果两个接触面上的结点是一一对应的或者在靠近对称边界上有接触产生时于接触结点目标面上的两个邻近单元之间来回摆动因而可能会导致求解振荡当发生这种情况时可能会极大地增加求解时间为了克服这个问题可以给实常数TOLS指定一个值这将在目标面的两个邻近单元之间建立一个缓冲区TOLS

的值是一个特征接触长度的百分比那就是说TOLS=0.5将建立一个宽度接触长度的0.5%的缓冲区

热传导率

对热─结构接触的问题为了描述通过接触界面的传导率需要定义一个接触传导率实常数

CONT单位是热量/时间*温度通过接触界面的热传导率通常的接触体自身的传导率因为从微观上说接触表面是不光滑的只有整个接触面的一个小的百分比面积处于真正的接触中因而导致了传导率的降低因此通常不能用接触体的热传导来描述接触界面的

热传导率

对理想热接触

在接触面上没有温度降将使用一个大的CONT

值可以能100KA/L这个量级上K是接触体的传导率A和L是接触单元的面积和长度通常情况下考虑到不理想的热传导应该给COND输入一个小得多的值

第五步加上必要的边界条件

加载过程与其它分析过程相同值得注意的是在分析期间如果两个物体分开那么刚

度矩阵变得奇异和不可求解在静力分析中如果是刚度矩阵变得奇异程度将会给出Piloot ratio的警告信息但程序仍会设法求解最终会出现一个"negatiue main diagonal" 或"Dof Limif exleeded"的信息

为了克服这个问题采用下面的某种建议 建模时使接触体处于恰好接触的位置

使用给定位移来将它移到某个位置 使用很弱的弹簧把两个分开的物体连起来使用动态方法求解

第6步 定义求解选项

接触问题的收敛性与问题的特殊性有关下面列出了一些典型的在大多的点─面的接触分析中推荐采用的选项 使用KEYOPI7时间步长必须是足够小的如果时间步长太大接触力的光滑传递将被破坏设置一精确良的可信方法是打开自动时间步长

命令Autots,on

GUIMain menu>Solution>-Load Stop opts-Time/Frequenc>Time & Time step/Time Substops

和70

命令NEQZT

GUIMain menu>Solution>-Load Stop opis- >Equilibriam iter

除非在大转动分析中打开时间步长预测

命令PRED

GUIMain menu>Solution>Load Stop opts-Nonlinear>Predictor

设置中顿一拉普森选项到FULL同时打开自下降因子命令NROPTFULLON

GUImain menu>solutim>Analysis opfions

在接触分析中许多的不收敛性是由使用了太大的接触刚度实常数KN如果是这样减少接触刚度然重启动此时必须明确定义切向刚度

相反则是使用了一个太小的KN此时在

此时也必须明确定义切向刚下面的几个载 步中逐步增加KN的值然后重启动

度

第7步求解

求解过程与其它分析过程相同

第8步查看结果

我们可以采用一般的后处理器POST1或时间历程后处理器POST26来查看结果

接触单元的输出量包括

单元的现在状态和过去状态的

分开没有接触

接触粘合状态

接触滑动状态

粘合=1滑动=2或-2分开=3或4

两个表面间的距离如果是正值那么两个面是分开的STAT=3或4如果是负值则代表渗透量STAT=1或2

法向力Fn(FN)

滑动力Fs(FS)

使用单元CONTAC26

CONTAC26是ANSYS的点─刚性面接触单元使用CONTAC26时需注意以下几点 这种单元是通过总体X─Y评面上的3个结点来定义的能用于2维平面应力平面应变和轴对称问题

结点2叫作接触结点通常连到有限元模型的表面上

结点J和K组成目标面这用来表示一个刚性面

目标面的形状可以是直线凹形圆弧或凸形圆弧由实常数控制

当目标面的形状是凹形并是不连续时

在接触面上将会有空隙当接触节点移进空隙顺

时就会发生丢失接触的现象

CONTAC26只能使用直接生成法E

GUImain menu>Preprocess>Cneate>Elcment>Thru Nodes

点点的接触

ANSYS点的接触单元我们主要介绍前二种 • • 点的接触单元也可以在接触例如过盈装配问题中 CONTAC122D点点的接触单元

这个单元是通过总体坐标系XY平面内的二个结点来定义的可以用于2D平面应力平面应变和轴对段分析中

程序通过一个相对于总体坐标X轴的输入角Q用度表示来定们接触面接触面不一定垂直于结点IJ的连线并且结点IJ可以位于同一位置CONTAC12的单元坐标系是这样定义的总体坐标的X轴逆时针旋转Q角便得到正的滑动方向法向方法N垂直于S正的法向位移有张开缝隙的作用

我们可以用下面二种方法来定义初始过盈量或缝隙

明确定义实常数INTF这时单元关键字K4必须设置成Real Consttant这是这个选

INTF 项的缺省值

让程序以初始节点位置为基础计算初始过盈量或缝隙这时单元关键字k4必须设置为

初始分开的结点定义了初始张开的缝隙 Initnodelocats

一个实常数初始单元状态START一旦被定义程序将忽略由INTF给定的条件有效的开始条件是

0INTFSTART1缝隙是关闭的且没有滑动

START2START2缝隙是关闭的3缝隙是张开的一个对开始条件的好的估计将有助于问题的收敛 CONTAC12的实常数

THETA 位移过盈量INTF初始过盈量基缝隙 START

粘附刚度KSKSCONTAC12的单元关键字

摩擦类型 K1 刚性库仑 方位角来源于 运动方向 初始接触的位置

使用CONTAC12时的一些注意点

1检查单元坐标系保证使所定义的是一个间隙而不是一个钩子 2保证接触平面的方位角与变形状态中所期望的方位角远配 3在大变形中单元不会改变几何开头开办会标系 4为了加强收敛性使用合适的START条件

5使用合理的时间步长预测选项在关键字K中 CONTAC523D在点点的接触单元

程序通过2个结点来定义CONTAC52这两个结点不能处于同一位置在CONTAC52单元中接触面垂直于结点IJ的连线

在CONTAC52中单元坐标系是这样定义的X轴沿着结点IJ的连线Z轴指向总体坐标系的Z轴Y轴垂直于X轴和Z轴

单元的方法向位移定义为一个的值有使间隙张开的趋势拟使用两种方式来定义初始大小

明确定义实常数GAP这时单元关键字K4必须被设置为RealConstGAP这是这个

正的Gap值表示一个初始张开的负的Gap值表示初始过盈量 选项的缺省值

指示程序以初始结点位置为基础计算初始这时单元关键字K4必须设置成

初始分开的结点定义初始张开的缝隙初始过盈量不能用此选项输InitialNodeLoc

入

一旦定义了实常数START程序将忽略由GAP指定的条件有效的开始条件是 START0间隙状态由GAP来决定

START1间隙是关闭的且没有滑动

START2间隙是关闭的有滑动

START3间隙是打开的

CONTAC52的实常数

法向刚度 KN在法线方向的刚度K 初始间隙大小 GAP

初始条件 START初始单元状态 粘附刚度 KS滑动方向的接触刚度 KS缺省到KN CONTAC52的单元关键字

粘附刚度 K1 弹性库仑摩擦 刚性库仑摩擦 间隙大小基于 K4 实常数GAP 初始点位置 接触时间预测的目标 K7 最小的时间增量 合理的时间增量 使用CONTAC52的一些注意点

1 两个结点不能位于同一位置为了定义接触平面的方位两个结点间必须有一个小的距

离

2 在大变形分析中单元不能改变几何形状和坐标系 3为了增强收敛性使用合适的START条件 4使用合理的时间步长预测选项 在两个面之间生成接触单元

如果使想在网格相同的两个接触面的界面上快速生成点点的接触单元那么EINTF命令是用的

GUIMain>preprocessor>create>Element>At coincid Nd 这个命令将会在距离小于指定容差的结点间生成接触单元

接触分析实例

GUI

方法

在这个实例中我们将对一个弹簧卡子进行接触分析计算将卡头压进卡座和拉出卡座所需要的力

问题描述

此问题属于需要输入厚度的平面应力问题卡头和卡座的底板被认为是刚性的因此在建模时不以考虑

由于模型和载荷都是对称的因此可用模型的右半部来进行计算求解通过二个载荷步实现

问题详细说明 材料性质

EX=2.8e3 (杨氏模量 NUXY=0.3泊松比 MU=0.2 (摩擦系数)

步骤一建立计算所需要的模型

在这一步中建立计算分析所需要的模型包括定义单元类型划分网格给定边界条件并将数据库文件保存为exercise3.db 在此对这一步的过程不作详细叙述

步骤二恢复数据库文件exercise3.db

选择菜单路径 Utility Menu>File>Resume from 步骤三定义接触单元的材料特性

Menu>Preprocessor>Matersal Props>-Constant-Isotropic. 1选择菜单路径Main

Isotropic Matersal Properties (各向同性材料性质对话框出现

2指定材料号为3单击OK另一个Isotropic Material Properties对话框出现 3对摩擦系数MU

键入0.2 4单击OK

步骤四定义接触单元的实常数

1选择菜单路径Main Menu>Preprocessor>Real Constants实常数对话框出现.

下一级对话框出现 2

单击Add

3¡¢ 移动滚动条使之指向CONTAC48然后单击OK出现下一级

对话框

4在实常数号的输入框中键入3在法向刚度的输入框中键入6e3然后单击 Apply

5在实常数号的输入框中键入4在法向刚度的输入框中键入6e3 6单击OK

步骤五

为了建立接触单元创建四个结点组元 1将线号为9和17的线上的结点定义成组元snapins” 2将线号为3的线上的结点定义成组元snapprg” 3将线号为8的线上的结点定义成组元pullins” 4¡¢ 将线号为2的线上的结点定义成组元pullprg”

步骤五

建立接触单元

1¡¢ 设置适当的单元类型材料号和实常数号 2¡¢ 在插入时接触的两个面之间生成对称接触单元

3¡¢ 为了在拉出时接触的两个面之间生成接触单元将实常数号变为4 4¡¢ 在拉出时接触的两个面之间生成对称接触单元

步骤六进入求解器

选择菜单路径Main Menu>Solution 步骤七打开预测器

设置输出控制

1选择菜单路径Main menu>solution-Load Set Opts-Nonlinear>Predictor

2将predictor的状态设置为ON

3选择菜单路径Main Menu>Solution>-Load Step Options- Output Ctrls> DB/Results File. Coutrols for Database and Results File Writing (对数据库和 结果文件写入的控制对话框出现 4单击Every substep且选中它

步骤八

设置载荷步选项

1选择菜单路径Main Menu>Solution>-Load Step Options- Time/Frequenc>time&Substep Time&Substep Option(时间和 时间步选项对话框出现

2对Number of substeps (子步数键入10

3单击automatic time stepping option自动时间步长选项使之为

ON然后单击OK

4¡¢ 将最大的子步数设置为100将最小的子步数设置为5

步骤九

加载

给Y=60的所有结点施加一UY=-30的位移

步骤十

求解

1选择菜单路径Main Menu>Solution>-Solve-Current LS 2检阅状态窗口中的信息然后单击close

3单击Solve Current Load Step(求解当前载荷步对话框中的OK开始求解

步骤十一

对第二个载荷步加载

1¡¢给Y=60的所有结点施加一UY=-27的位移即以第一个载荷步的计算结果 为基础将卡头上拉3个单位 2激活线性搜索

步骤十二

求解第二个载荷步

1选择菜单路径Main Menu>Solution>-Solve-Current LS 2检阅状态窗口中的信息然后单击close

3单击Solve Current Load Step(求解当前载荷步对话框中的OK开始求解 5在LSNUM的输入框中键入4

步骤十四

进行后处理

在这一步中可以进行所想要的后处理在此不进行详述

非线性静态实例分析

命令流方式

你可以用下面显示的ANSYS命令替代GUI选择进行上面这个例题的塑性分析fini /cle /prep7

/title,plastic snap-fit connector

et,1,42,,,3 et,2,42,,,3 mp,ex,1,2.8e3 r,1,5

et,3,48,,,1 k,1,10 k,2,20

k,3,15,18.5 k,4,10,20 k,5,12.5,30 k,6,20,30 l,1,3 l,3,4 l,4,5 l,5,6 l,6,2 l,2,1 al,all

lgen,2,1,3,1 k,11,5 k,12,5,30 l,11,7 l,11,12 l,12,10 lsla,s lsel,invert al,all lsel,all

rectng,0,15,0,10 asba,2,3

agen,2,4,,,0,30,0,,0,1 asel,s,,,4 aatt,1,1,2 asel,all

esize,4 amesh,all fini

/solution nsel,s,loc,y,0 d,all,all

nsel,s,loc,y,60 d,all,uy

nsel,r,loc,x,5 d,all,ux

nsel,all fini

/prep7

mp,mu,3,0.2 r,3,6e3 r,4,6e3

lsel,s,,,9 lsel,a,,,19 nsll,s,1

cm,snapins,node lsel,s,,,3 nsll,s,1

cm,snapprg,node lsel,s,,,8 nsll,s,1

cm,pullins,node lsel,s,,,2 nsll,s,1

cm,pullprg,node lsel,all nsel,all type,3

mat,3,real,3

gcgen,snapins,snapprg gcgen,snapprg,snapins

real,4

gcgen,pullins,pullprg gcgen,pullprg,pullins fini /solu pred,on autot,on

nsubst,10,100,5 outres,all,all

nsel,s,loc,y,60 d,all,uy,-30 nsel,all solve

nsel,s,loc,y,60 d,all,uy,-27 nsel,all lnsr,on solv fini

/post1 set,list set,,,,,0.8 esel,s,type,,3 etable,st,nmisc,1

etable,gap,nmisc,3 etable,length,nmisc,4 esel,s,stab,st,1,2 esort,etab,gap,1 pretab esel,all /dscal,,1

/plops,minm,0 /edge,,1

esel,u,type,,3 set,first pldi /user set,,,,,0.8 plns,s,eqv /cont,,,user fini

/posr26

nsol,2,44,u,y,disp rfor,3,44,f,y rfor,4,59,f,y rfor,5,56,f,y add,6,3,4,5,force add,2,2,,,,,,,-1 xvar,2 plva,6 fini