1、接觸非線性接觸非線性October 20, 20008-2接觸非線性 5.7版本本章學完后本章學完后, 應應能對如下功能進行描述和論證能對如下功能進行描述和論證:SessionObjective1. 接觸協調條件接觸協調條件2. 剛體對柔體和柔體對柔體接觸剛體對柔體和柔體對柔體接觸3. 節點對節點、節點對面和面對面接觸單元節點對節點、節點對面和面對面接觸單元4. 接觸剛度接觸剛度5. 接觸單元處理接觸單元處理6. 接觸向導接觸向導October 20, 20008-3接觸非線性 5.7版本接觸問題是高度非線性的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并且對于非線性問題的求

2、解具有典型的挑戰意義戰意義.接觸問題提出兩個重要的挑戰接觸問題提出兩個重要的挑戰: 在多數接觸問題中接觸區域是未知的在多數接觸問題中接觸區域是未知的. 表面與表面會突然接觸表面與表面會突然接觸或突然不接觸或突然不接觸, 這會導致系統剛度的突然變化這會導致系統剛度的突然變化. 多數接觸問題包括摩擦多數接觸問題包括摩擦. 摩擦是與路徑有關的現象摩擦是與路徑有關的現象, 這要求精這要求精確的加載歷史確的加載歷史. 摩擦的響應還可能是雜亂的摩擦的響應還可能是雜亂的, 使求解難以收斂使求解難以收斂.October 20, 20008-4接觸非線性 5.7版本 如果接觸模型沒有摩擦如果接觸模型沒有摩擦,

3、接觸區域始終粘在一起接觸區域始終粘在一起, 并且分析是小并且分析是小撓度、小轉動問題撓度、小轉動問題, 那么可以用耦合或約束方程代替接觸那么可以用耦合或約束方程代替接觸. 詳細詳細信息請參看信息請參看ANSYS建模和網格劃分指南建模和網格劃分指南. 使用耦合或約束方程的優點是分析還是線性的使用耦合或約束方程的優點是分析還是線性的.October 20, 20008-5接觸非線性 5.7版本接觸問題一般分為兩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和柔體對柔體.剛體對柔體剛體對柔體: 一個或多個接觸表面作為剛體一個或多個接觸表面作為剛體(一個表面的剛度比一個表面的剛度比另一個表

4、面的剛度要高很多另一個表面的剛度要高很多). 許多金屬成形問題歸入此類許多金屬成形問題歸入此類. 柔體對柔體柔體對柔體: 兩個或所有的接觸體都可變形兩個或所有的接觸體都可變形(所有表面剛度相差所有表面剛度相差不多不多). 螺栓法蘭連接是一個柔體對柔體接觸的例子螺栓法蘭連接是一個柔體對柔體接觸的例子.October 20, 20008-6接觸非線性 5.7版本剛體表面剛體表面變形體變形體October 20, 20008-7接觸非線性 5.7版本花鍵軸過盈配合花鍵軸過盈配合, 兩個零件兩個零件都是柔體都是柔體.October 20, 20008-8接觸非線性 5.7版本F為了阻止接觸表面相互穿過

5、為了阻止接觸表面相互穿過, 這兩個表面間必須建立一個關系這兩個表面間必須建立一個關系. 否否則這兩個表面將相互穿過則這兩個表面將相互穿過.不施加接觸協調條件時發生侵入不施加接觸協調條件時發生侵入目標目標接觸接觸FOctober 20, 20008-9接觸非線性 5.7版本用一個彈簧施加接觸協調條件稱為罰函數法用一個彈簧施加接觸協調條件稱為罰函數法. 彈簧剛度或接觸剛度彈簧剛度或接觸剛度稱為罰參數稱為罰參數.該彈簧的變形量該彈簧的變形量 滿足方程滿足方程: F = k 接觸剛度接觸剛度(k)越大越大, 接觸表面的侵入越接觸表面的侵入越少少. 然而然而, 若該值太大若該值太大, 會導致收斂困會導致

6、收斂困難難.FOctober 20, 20008-10接觸非線性 5.7版本還可用另外一種方法還可用另外一種方法, 即拉格朗日乘子法即拉格朗日乘子法, 增加一個附加自由度增加一個附加自由度(接接觸壓力觸壓力), 以滿足不侵入條件以滿足不侵入條件.FOctober 20, 20008-11接觸非線性 5.7版本將罰函數法和拉格朗日乘子法結合起來施加接觸協調條件合稱為增將罰函數法和拉格朗日乘子法結合起來施加接觸協調條件合稱為增強的拉格朗日法強的拉格朗日法.在迭代的開始在迭代的開始, 接觸協調條件基于懲罰剛度決定接觸協調條件基于懲罰剛度決定. 一旦達到平衡一旦達到平衡, 就檢就檢查許可侵入量查許可侵

7、入量. 這時這時, 如果有必要如果有必要, 接觸壓力增大接觸壓力增大, 繼續進行迭代繼續進行迭代.F許可侵入量許可侵入量October 20, 20008-12接觸非線性 5.7版本增大接觸應力增大接觸應力減少侵入量減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階段在改正階段發生振蕩發生振蕩October 20, 20008-13接觸非線性 5.7版本ANSYS有三種類型的接觸單元有三種類型的接觸單元:節點對節點節點對節點 - 這是指接觸的最終位置事先是知道的這是指接觸的最終位置事先是知道的.節點對面節點對面 - 接觸區域未知接觸區域未知, 并且允許大滑動并且允許大滑動.面對面面對面 -

8、接觸區域未知接觸區域未知, 并且允許大滑動并且允許大滑動 (相對節點對面接觸形式有幾個優點相對節點對面接觸形式有幾個優點).October 20, 20008-14接觸非線性 5.7版本IJIJ兩個最常用的節點對節點接觸單元兩個最常用的節點對節點接觸單元:接觸接觸12單元和單元和接觸接觸52單元都用罰函數法施加接觸協調條件單元都用罰函數法施加接觸協調條件. 這要求這要求輸入一個罰剛度輸入一個罰剛度(在后面我們將詳細討論罰剛度的計算在后面我們將詳細討論罰剛度的計算).接觸接觸12單元單元 - 二維間隙二維間隙接觸接觸52單元單元 - 三維間隙三維間隙October 20, 20008-15接觸非

9、線性 5.7版本 節點對節點接觸單元能夠用于建立點對點接觸模型節點對節點接觸單元能夠用于建立點對點接觸模型. 接觸點始終已接觸點始終已知的管抖動模型是點對點接觸的一個例子知的管抖動模型是點對點接觸的一個例子.如果兩個表面的節點一一對應如果兩個表面的節點一一對應, 相對滑動變形量可以忽略相對滑動變形量可以忽略, 并且兩表并且兩表面的撓度面的撓度(轉動量轉動量)較小較小, 那么這些單元還能用于模擬面對面接觸問題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例子過盈配合問題是面對面接觸問題的一個例子. 如果滿足上述條件如果滿足上述條件, 則此問題用間隙單元是足夠的則此問

10、題用間隙單元是足夠的.注意點對點接觸只能用于低次單元注意點對點接觸只能用于低次單元.October 20, 20008-16接觸非線性 5.7版本接觸接觸12單元和接觸單元和接觸52單元既能用直接生成法創建單元既能用直接生成法創建, 也能在重合節點也能在重合節點處創建單元處創建單元.前處理器前處理器 - 創建創建 - 單元單元 - 在重合節點在重合節點 ( Preprocessor - Create - Elements - At Coincid Nd) 接觸接觸12單元單元 應該在重合節點間創建應該在重合節點間創建. 然而接觸然而接觸52單元要求單元要求1E-6的距的距離來定向單元離來定向單

11、元.October 20, 20008-17接觸非線性 5.7版本補充信息補充信息: 接觸接觸12單元由實常數單元由實常數THETA定向定向. 接觸接觸12單元能用作鉤單元能用作鉤子子或間或間 隙隙, 而接觸而接觸52單元只能用作間隙單元只能用作間隙 (注意通過約束注意通過約束UZ自由度自由度,接觸接觸 52單元能夠用于二維問題單元能夠用于二維問題). 通過設置關鍵選項通過設置關鍵選項(4)和實常數和實常數INTF及及GAP, 接觸接觸12單元和接觸單元和接觸 52單元都允許給出初始過盈或初始間隙單元都允許給出初始過盈或初始間隙. 關于接觸關于接觸12單元和接觸單元和接觸52單元選項和實常數的

12、詳細敘述單元選項和實常數的詳細敘述, 請參看請參看ANSYS單元手冊單元手冊(ANSYS Elements Reference )第四章第四章.October 20, 20008-18接觸非線性 5.7版本節點對表面接觸單元節點對表面接觸單元:接觸接觸48單元單元 - 二維節點對表面二維節點對表面接觸接觸49單元單元三維節點對表面三維節點對表面JIKIJKML這些單元用這些單元用缺省的缺省的罰函數法作為接觸協調條件罰函數法作為接觸協調條件. 作為一個選項作為一個選項,可以可以使用綜合的使用綜合的罰函數和拉格朗日乘子罰函數和拉格朗日乘子.October 20, 20008-19接觸非線性 5.7

13、版本 節點對表面接觸單元節點對表面接觸單元典型用于建立點對面接觸應用模型典型用于建立點對面接觸應用模型, 如兩個梁接如兩個梁接觸觸 (在梁的末端在梁的末端)和鎖扣配合的角部和鎖扣配合的角部. 通過定義多個單元通過定義多個單元, 這些單元還能用于建立面對面接觸模型這些單元還能用于建立面對面接觸模型. 這些表這些表面可以是剛性的或可變形的面可以是剛性的或可變形的. 不用知道接觸面的位置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允許大變形、大相對滑動和接觸表面間的不同網格劃分同網格劃分.注意節點對表面接觸只可以用于低次單元注意節點對表面接觸只可以用于低次單元.October 20

14、, 20008-20接觸非線性 5.7版本 接觸接觸48單元和接觸單元和接觸49單元通過指定節點組元來生成單元通過指定節點組元來生成, 這些節點組定這些節點組定義了目標和接觸表面義了目標和接觸表面. 為接觸和目標表面選擇需要的節點為接觸和目標表面選擇需要的節點, 并創建節點組并創建節點組元元. 給出單元類型和實常數給出單元類型和實常數, 并生成接觸單元并生成接觸單元. 每一個不相連的接觸面應每一個不相連的接觸面應該參照一個不同的實常數設置該參照一個不同的實常數設置.JK接觸節點接觸節點目標節點目標節點IOctober 20, 20008-21接觸非線性 5.7版本主菜單主菜單 前處理器前處理器

15、 創建創建 單元單元 節點對表面節點對表面(Main Menu Preprocessor Create Elements Node to Surf)節點組名稱節點組名稱關于使用節點對表面接觸單元的詳細信息請參看關于使用節點對表面接觸單元的詳細信息請參看 ANSYS結構分析指結構分析指南南 (ANSYS Structural Analysis Guide) .October 20, 20008-22接觸非線性 5.7版本 點對點點對點(接觸接觸12單元和接觸單元和接觸52單元單元)和節點對表面和節點對表面(接觸接觸48單元和接單元和接觸觸49單元單元)接觸單元都要求給出罰剛度接觸單元都要求給出罰

16、剛度. 罰剛度越大罰剛度越大, 接觸表面的侵入量越小接觸表面的侵入量越小. 然而然而, 若此值太大若此值太大,則會由于病則會由于病態條件而引起收斂困難態條件而引起收斂困難. 可以通過一些實驗來確定一個合適的接觸剛度可以通過一些實驗來確定一個合適的接觸剛度, 使求解收斂使求解收斂,而且侵而且侵入量可以接受入量可以接受.October 20, 20008-23接觸非線性 5.7版本 接觸剛度是接觸面的相對剛度的函數接觸剛度是接觸面的相對剛度的函數. 對于塊狀實體對于塊狀實體, 通常通常赫茲接觸剛度赫茲接觸剛度 (Hertz contact stiffness)適適用于罰剛度用于罰剛度, 可以這樣估

17、算可以這樣估算:k = fE 式中式中f 是介于是介于0.110之間的系數之間的系數, E是較軟的接觸材料的彈性模量是較軟的接觸材料的彈性模量. 設設 f=1 通常是一個較好的起始值通常是一個較好的起始值.October 20, 20008-24接觸非線性 5.7版本 對于柔性組分對于柔性組分(梁和殼模型梁和殼模型), 系統的剛度可以比赫茲接觸剛度要低系統的剛度可以比赫茲接觸剛度要低很多很多. 在這種情況下在這種情況下, 你可以將單位載荷施加到預計要接觸的面上你可以將單位載荷施加到預計要接觸的面上, 先運先運 行一個靜態分析來確定模型的局部剛度行一個靜態分析來確定模型的局部剛度. 接觸剛度可以

18、這樣估算接觸剛度可以這樣估算: k = f(P/ ) 上式適用于柔性體接觸上式適用于柔性體接觸, f 是介于是介于1100之間的系數之間的系數. 同樣同樣,設設 f=1 通常是一個較好的起始值通常是一個較好的起始值.October 20, 20008-25接觸非線性 5.7版本ANSYS 支持剛體對柔體和柔體對柔體的面對面接觸單元支持剛體對柔體和柔體對柔體的面對面接觸單元. 這些接觸這些接觸單元使用單元使用“ 目標面目標面”和和“ 接觸面接觸面” 的概念來形成接觸的概念來形成接觸對對.面對面接觸單元使用面對面接觸單元使用增增強強的拉格朗日法的拉格朗日法施加接觸協調條件施加接觸協調條件(默認默認

19、). 作作為一個可選項為一個可選項, 還可以用罰函數法還可以用罰函數法.接觸面接觸面目標面目標面October 20, 20008-26接觸非線性 5.7版本與低次和高次單元都與低次和高次單元都兼兼容容.支持具有大滑動和摩擦的大變形支持具有大滑動和摩擦的大變形.提供更好的接觸結果提供更好的接觸結果 (易于進行接觸壓力和摩擦應力的后處理易于進行接觸壓力和摩擦應力的后處理).能計算殼和梁的厚度及殼厚度的改變能計算殼和梁的厚度及殼厚度的改變.半自動接觸剛度計算半自動接觸剛度計算.“ 控控制制節點節點” 對剛性面的控制對剛性面的控制(關于主控節點后面有更多的敘述關于主控節點后面有更多的敘述).智能智能

20、缺省缺省設置、接觸向導設置、接觸向導 (易于使用易于使用).October 20, 20008-27接觸非線性 5.7版本需要的接觸單元比用節點對面接觸單元需要的接觸單元比用節點對面接觸單元(接觸接觸48單元和接觸單元和接觸49單單元元)要少得多要少得多.12個接觸個接觸48單元單元2個接觸個接觸171單元和單元和 4個目標個目標169單元單元October 20, 20008-28接觸非線性 5.7版本 面對面接觸單元由分別定義目標和接觸表面的獨立的單元類型面對面接觸單元由分別定義目標和接觸表面的獨立的單元類型 組成組成. 接觸接觸對對通過共用一個實常數指定通過共用一個實常數指定. 目標目標

21、169和和170單元單元 - 剛性或可變形的目標表面剛性或可變形的目標表面 接觸接觸171到到 174單元單元 - 二維二維和和三維接觸單元三維接觸單元 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. 這些單元這些單元非常適合面對面接觸應用非常適合面對面接觸應用, 如過盈裝配接觸、進料接觸、鍛造和深如過盈裝配接觸、進料接觸、鍛造和深拉深拉深.October 20, 20008-29接觸非線性 5.7版本接觸副接觸副剛性目標剛性目標接觸單元接觸單元該接觸副由實常數該接觸副由實常數1指定指定.October 20, 20008-30接觸非線性 5

22、.7版本JIIJKIJKII目標目標169單元單元 目標部分有如下類型目標部分有如下類型: 直線、拋物線、圓弧直線、拋物線、圓弧 (順時針或順時針或逆時針逆時針)、圓、或控、圓、或控制制節點節點.October 20, 20008-31接觸非線性 5.7版本目標目標170單元單元 目標部分目標部分有如下類型有如下類型: 三節點三三節點三角形、四節點四邊形角形、四節點四邊形、六節點三角形、八、六節點三角形、八節點四邊形、圓柱、節點四邊形、圓柱、圓錐、球和控制節點圓錐、球和控制節點.October 20, 20008-32接觸非線性 5.7版本接觸接觸171單元單元 是二維、二節點低次直線單元是二

23、維、二節點低次直線單元, 能夠位于二維實體、能夠位于二維實體、殼或梁單元的表面殼或梁單元的表面. 接觸接觸172單元單元 是二維、三節點高次拋物線單元是二維、三節點高次拋物線單元, 能夠位于有中間節能夠位于有中間節點的二維實體單元的表面點的二維實體單元的表面.接觸接觸171單元單元接觸接觸172單元單元October 20, 20008-33接觸非線性 5.7版本接觸接觸174單元單元 是三維、八節點高次四是三維、八節點高次四邊形單元邊形單元, 能夠位于有中間節點的三維能夠位于有中間節點的三維實體單元的表面實體單元的表面. 該單元還能退化成六該單元還能退化成六節點三角形節點三角形.接觸接觸17

24、3單元單元 是三維、四節點低次四邊是三維、四節點低次四邊形單元形單元, 能夠位于三維實體或殼單元的能夠位于三維實體或殼單元的表面表面. 該單元還能退化成三節點三角形該單元還能退化成三節點三角形.October 20, 20008-34接觸非線性 5.7版本 對于面對面接觸單元對于面對面接觸單元, 一個面指定為一個面指定為“ 目標目標”面面, 另一個面為另一個面為“ 接接觸觸 ”面面. 對于剛體對柔體接觸對于剛體對柔體接觸, 剛體表面剛體表面總是總是指定為目標面指定為目標面. 對于柔體對柔體接觸對于柔體對柔體接觸, 接觸面與目標面都與變形體相關聯接觸面與目標面都與變形體相關聯. 接觸單元被約束接

25、觸單元被約束, 不能侵入目標面不能侵入目標面. 然而然而, 目標單元能夠侵入接觸面目標單元能夠侵入接觸面.October 20, 20008-35接觸非線性 5.7版本接觸單元的一般步驟接觸單元的一般步驟:1.創建有限元模型創建有限元模型.2.指定接觸和目標表面指定接觸和目標表面.3.設置單元選項和實常數設置單元選項和實常數.4.創建目標表面單元創建目標表面單元.5.創建接觸表面單元創建接觸表面單元.6.施加邊界條件施加邊界條件.7.定義求解選項和載荷步定義求解選項和載荷步.8.求解求解.9.觀察觀察結果結果.October 20, 20008-36接觸非線性 5.7版本目的是將接觸檢查點增加

26、到最大數目的是將接觸檢查點增加到最大數. 對于剛體對柔體接觸對于剛體對柔體接觸, 目標面目標面總是剛體表面總是剛體表面. 對于柔體對柔體接觸對于柔體對柔體接觸, 目標面和接觸面的選擇會引起目標面和接觸面的選擇會引起不同量的侵入不同量的侵入, 從而影響求解精度從而影響求解精度.目標面目標面接觸面接觸面目標面會侵入接觸面目標面會侵入接觸面October 20, 20008-37接觸非線性 5.7版本 如果凸面與平面或凹面接觸如果凸面與平面或凹面接觸, 那么平面或凹面應該是目標面那么平面或凹面應該是目標面. 如果一個表面網格粗糙如果一個表面網格粗糙, 而另一個表面網格較細而另一個表面網格較細, 那么

27、網格粗糙的表那么網格粗糙的表面應該是目標面面應該是目標面. 如果一個表面比另一個表面的剛度大如果一個表面比另一個表面的剛度大, 那么剛度大的表面應該是目那么剛度大的表面應該是目標面標面. 如果一個表面劃分為高次單元如果一個表面劃分為高次單元, 而另一個表面劃分為低次單元而另一個表面劃分為低次單元, 那么那么劃分為低次單元的表面應該是目標面劃分為低次單元的表面應該是目標面. 如果一個表面比另一個表面大如果一個表面比另一個表面大, 那么更大的表面應該是目標面那么更大的表面應該是目標面.October 20, 20008-38接觸非線性 5.7版本步驟步驟 1. 創建實體模型并劃分網格創建實體模型并

28、劃分網格.步驟步驟 2. 指定接觸面和目標面指定接觸面和目標面. 在在這這 個例子中個例子中, 一個表面被認為一個表面被認為 是剛性的是剛性的, 這樣這樣, 目標面和接目標面和接 觸面的指定就很清楚觸面的指定就很清楚. 接觸面接觸面 超彈性密封嵌入超彈性密封嵌入剛性剛性目標面目標面 October 20, 20008-39接觸非線性 5.7版本步驟步驟 3. 設置單元選項和實常數設置單元選項和實常數. 重要重要! 接觸接觸對對由實常數號由實常數號來確來確定定. 目標目標單元和接觸單元單元和接觸單元必須共用相同的必須共用相同的實常數號實常數號 (在后面在后面, 我們將詳細討我們將詳細討論所有的單

29、元選項和實常數論所有的單元選項和實常數. 缺省缺省的單元選項和實常數設置可以應的單元選項和實常數設置可以應用于許多問題用于許多問題).October 20, 20008-40接觸非線性 5.7版本步驟步驟 3.設置單元選項和實常數設置單元選項和實常數. 應該設置罰剛度比例系數應該設置罰剛度比例系數(FKN)和拉格朗日乘子侵入比例系數和拉格朗日乘子侵入比例系數(FTOLN). FKN 通常介于通常介于0.0110之間之間. 對于體積變形問題對于體積變形問題, 用值用值1.0(默認默認), 對對于以彎曲變形為主的問題于以彎曲變形為主的問題, 用值用值 0.1.FTOLN 默認為默認為0.1. 可以

30、改變此值可以改變此值, 但若容差太小但若容差太小, 會使迭代數過多會使迭代數過多或不收斂或不收斂.October 20, 20008-41接觸非線性 5.7版本步驟步驟 4. 創建接觸面單元創建接觸面單元.在此步中在此步中, 所用的方法將依賴于目標面是剛性的還是可以變形的所用的方法將依賴于目標面是剛性的還是可以變形的. 對于對于剛性目標面剛性目標面,用用:直接生成直接生成(用創建單元命令用創建單元命令E) 或或自動劃分網格自動劃分網格(用劃分線命令用劃分線命令(LMESH)及劃分面命令及劃分面命令(AMESH)對于對于可變形目標面可變形目標面,用用: 創建創建 單元單元 面對面面對面(ESUR

31、F)(Create Elements Surface-to-Surface (ESURF)October 20, 20008-42接觸非線性 5.7版本步驟步驟 4. 創建目標面單元創建目標面單元.對于對于剛性目標面剛性目標面的直接生成的直接生成, 在創建目標單元之前在創建目標單元之前, 需要設置附加需要設置附加的單元屬性的單元屬性(TSHAP).TSHAP 定義定義目標單元的形狀目標單元的形狀October 20, 20008-43接觸非線性 5.7版本步驟步驟 4. 創建目標面單元創建目標面單元. 剛性目標面剛性目標面 的自動網格劃分的自動網格劃分不要求不要求 TSHAP. ANSYS 將

32、從實體將從實體模型確定目標單元的合適形狀模型確定目標單元的合適形狀. 劃分關鍵點劃分關鍵點 (KMESH) - 主控節點主控節點劃分線劃分線 (LMESH) - 二維剛性目標面二維剛性目標面劃分面劃分面 (AMESH) - 三維剛性目標面三維剛性目標面October 20, 20008-44接觸非線性 5.7版本步驟步驟 4. 創建目標面單元創建目標面單元. 要在要在可變形可變形 的網格上自動創建目標單元的網格上自動創建目標單元, 需先選擇可變形表面的需先選擇可變形表面的節點節點, 然后在變形體上創建目標單元然后在變形體上創建目標單元: 前處理器前處理器 創建創建 單元單元 面對面面對面(Pr

33、eprocessor Create Elements Surf to Surf )ANSYS 將根據它下面的實體網格確定目標單元的形狀和外法向將根據它下面的實體網格確定目標單元的形狀和外法向.創建表面創建表面單元單元(ESURF)October 20, 20008-45接觸非線性 5.7版本步驟步驟 4. 創建目標面單元創建目標面單元. 檢查外法向檢查外法向 (如果用自動網格劃分如果用自動網格劃分,則則非常重要非常重要): 打開單元坐標系符號打開單元坐標系符號(element coordinate system symbol)開關開關, 畫單元畫單元. 用命令用命令ESURF修修改改 (節點號

34、節點號逆轉逆轉). 必須在此必須在此ESURF操作之前激操作之前激活目標單元屬性活目標單元屬性.直線直線逆時針圓弧逆時針圓弧主控節點主控節點October 20, 20008-46接觸非線性 5.7版本步驟步驟 5. 創建接觸面單元創建接觸面單元.設置接觸單元屬性設置接觸單元屬性, 選擇可變形表面的節點選擇可變形表面的節點, 并在變形體上創建并在變形體上創建接觸單元接觸單元 (與在變形網格上對目標單元的處理相同與在變形網格上對目標單元的處理相同):前處理器前處理器 創建創建 單元單元 面對面面對面(Preprocessor Create Elements Surf to Surf)這些接觸單元

35、與其下面的實體單元同階這些接觸單元與其下面的實體單元同階(低階或高階低階或高階).創建表面創建表面單元單元(ESURF)October 20, 20008-47接觸非線性 5.7版本步驟步驟 5. 5. 創建接觸面單元創建接觸面單元. .注意對于在殼或梁單元上創建目標或接觸單元注意對于在殼或梁單元上創建目標或接觸單元, 有一個在梁或有一個在梁或殼單元的頂面或底面創建單元的選項殼單元的頂面或底面創建單元的選項.能夠控制單元位置能夠控制單元位置October 20, 20008-48接觸非線性 5.7版本步驟步驟 6. 在有限元模型上施加邊在有限元模型上施加邊界條件界條件. 注意注意: 如果目標面

36、是剛性面如果目標面是剛性面, 目目標面將會自動固定標面將會自動固定(在后面在后面, 我們將討論剛性面選項以及我們將討論剛性面選項以及如何控制剛性面的運動如何控制剛性面的運動). 剛性面剛性面自動約束自動約束October 20, 20008-49接觸非線性 5.7版本步驟步驟 7. 定義求解選項和載荷步定義求解選項和載荷步.對于求解接觸問題對于求解接觸問題, 極力推薦使用求解控制極力推薦使用求解控制. 下面給出的指導方針下面給出的指導方針十分典型十分典型, 是有求解控制的是有求解控制的默認設置默認設置.在迭代過程中在迭代過程中, 如果接觸狀態改變如果接觸狀態改變, 會發生間斷會發生間斷. 為了

37、避免收斂緩為了避免收斂緩慢慢, 使用不帶自適應下降的完全牛頓使用不帶自適應下降的完全牛頓-拉斐遜拉斐遜(full Newton-Raphson)求解求解. 為了使接觸力平滑傳遞為了使接觸力平滑傳遞, 時間步尺寸必須足夠小時間步尺寸必須足夠小. 確保一個精確的確保一個精確的時間步的可靠方法是使用自動時間步時間步的可靠方法是使用自動時間步.October 20, 20008-50接觸非線性 5.7版本步驟步驟 7. 定義求解選項和載荷步定義求解選項和載荷步.設置適當的子步數目設置適當的子步數目: 開始的子步尺寸開始的子步尺寸(NSBSTP)對于裝配接觸可以較大對于裝配接觸可以較大, 對于大滑對于大

38、滑動接觸應較小動接觸應較小. 對于劇烈的間斷對于劇烈的間斷, 子步的最大數子步的最大數(NSBMX)應該較大應該較大. 子部的最小子部的最小數數(NSBMIN)應該較小應該較小.注意注意: 為了建立初始接觸條件為了建立初始接觸條件, 在第一個子步的二分之前在第一個子步的二分之前, 要完成所有要完成所有的平衡迭代的平衡迭代.October 20, 20008-51接觸非線性 5.7版本步驟步驟 7. 定義求解選項和載荷步定義求解選項和載荷步.方程求解器選擇方程求解器選擇:稀疏矩陣求解器稀疏矩陣求解器(Sparse Solver)是是缺省缺省的的, 并且對于中等大并且對于中等大小的接觸模型小的接觸

39、模型, 這是最好的選擇這是最好的選擇(在在100,000 個自由度以下個自由度以下). 對于困難的滑動問題對于困難的滑動問題, 此求解器還有不對稱選項此求解器還有不對稱選項. PCG求解器求解器 用于大型接觸模型用于大型接觸模型 (超過超過100,000 個自由度個自由度). 此此選項只能用于對稱系統選項只能用于對稱系統.October 20, 20008-52接觸非線性 5.7版本步驟步驟 7. 定義求解選項和載荷步定義求解選項和載荷步.不用自適應下降不用自適應下降 . 對于面對面接觸問題對于面對面接觸問題, 自適應下降對于收斂自適應下降對于收斂不能提供任何幫助不能提供任何幫助.使用一個合理

40、的平衡迭代數目使用一個合理的平衡迭代數目, 通常是通常是25.因為對于大時間增量因為對于大時間增量, 迭代計算會變得不穩定迭代計算會變得不穩定, 用線性搜索用線性搜索(line search)來穩定計算來穩定計算.將預將預測測器打開器打開, 大轉動或動態分析大轉動或動態分析除外除外.October 20, 20008-53接觸非線性 5.7版本步驟步驟 7. 定義求解選項和載荷步定義求解選項和載荷步.由于罰剛度太大或侵入容差太小由于罰剛度太大或侵入容差太小, 在一個接觸分析里會多次發生收在一個接觸分析里會多次發生收斂失敗斂失敗. 對于懲罰剛度一定要按如下建議選取對于懲罰剛度一定要按如下建議選取

41、.注意注意: 對于小應變、小位移和小滑動問題，要關上大變形效應開關對于小應變、小位移和小滑動問題，要關上大變形效應開關 (NLGEOM,OFF). 這樣設置將加快接觸搜索速度這樣設置將加快接觸搜索速度.步驟步驟 8.問題求解問題求解.October 20, 20008-54接觸非線性 5.7版本步驟步驟 9. 觀察結果觀察結果.一個接觸分析的結果主要包括位移、應力、應變和接觸信息一個接觸分析的結果主要包括位移、應力、應變和接觸信息. 接觸壓力、摩擦應力、總應力、接觸侵入、接觸間隙距離、滑動距接觸壓力、摩擦應力、總應力、接觸侵入、接觸間隙距離、滑動距離和接觸狀態都可以直接從通用后處理器或時間歷程

42、后處理器中得離和接觸狀態都可以直接從通用后處理器或時間歷程后處理器中得到到.October 20, 20008-55接觸非線性 5.7版本步驟步驟 9. 觀察結果觀察結果. 畫接觸壓力畫接觸壓力:October 20, 20008-56接觸非線性 5.7版本對于多數接觸問題對于多數接觸問題, 接觸向導提供了一個構造接觸接觸向導提供了一個構造接觸對對的簡單方法的簡單方法. 接觸向導將引導你去創建接觸副接觸向導將引導你去創建接觸副.前處理器前處理器 創建創建 接觸接觸對對 接觸向導接觸向導 (Preprocessor Create Contact Pair Contact Wizard)Octob

43、er 20, 20008-57接觸非線性 5.7版本使用接觸向導的使用接觸向導的好好處處: 自動定義單元類型和實常數設置自動定義單元類型和實常數設置 快速得到接觸選項和參數快速得到接觸選項和參數 接觸接觸對對觀察工具觀察工具 快速顯示和反轉接觸法向快速顯示和反轉接觸法向如果還沒有對模型的任何部分進行網格劃分如果還沒有對模型的任何部分進行網格劃分, 就不能激活接觸向就不能激活接觸向導導. 在啟用接觸向導創建柔體對柔體接觸模型之前在啟用接觸向導創建柔體對柔體接觸模型之前, 要先對所有的將要先對所有的將用作接觸面的模型部件劃分網格用作接觸面的模型部件劃分網格. 要創建剛體對柔體接觸模型要創建剛體對柔

44、體接觸模型, 只只要對將用作柔體接觸面的模型部件劃分網格要對將用作柔體接觸面的模型部件劃分網格.October 20, 20008-58接觸非線性 5.7版本只要簡單地跟隨接觸向導走過接觸只要簡單地跟隨接觸向導走過接觸對對創建步驟即可創建步驟即可. 首先首先, 你將指定你將指定目標面目標面, 然后再指定接觸面然后再指定接觸面.October 20, 20008-59接觸非線性 5.7版本所有的接觸單元選項和所有的接觸單元選項和實常數都能通過接觸向實常數都能通過接觸向導得到導得到.October 20, 20008-60接觸非線性 5.7版本在最后一步在最后一步, 接觸向導將創建接觸單元和相應的

45、實常數接觸向導將創建接觸單元和相應的實常數.創建的實常數設置是一創建的實常數設置是一致的致的.如果目標法向不正確如果目標法向不正確, 能能夠逆轉夠逆轉.October 20, 20008-61接觸非線性 5.7版本接觸向導還允許你觀看、列表和刪除接觸副接觸向導還允許你觀看、列表和刪除接觸副, 并且可以快速顯示和并且可以快速顯示和逆轉法線方向逆轉法線方向.October 20, 20008-62接觸非線性 5.7版本October 20, 20008-63接觸非線性 5.7版本目的目的: 對一個位移控制加載的軸對稱咬接裝配問題進行分析對一個位移控制加載的軸對稱咬接裝配問題進行分析.偏移量偏移量

46、= 0.4”咬接裝配咬接裝配軸對稱模型軸對稱模型垂直約束垂直約束October 20, 20008-64接觸非線性 5.7版本練習步驟練習步驟:1.恢復數據庫恢復數據庫snap.db. 該數據庫包括網格和固定該數據庫包括網格和固定的邊界條件的邊界條件.2.利用接觸向導創建目標和接觸單元利用接觸向導創建目標和接觸單元(如圖所示如圖所示,數數據庫中設置了線組據庫中設置了線組).哪一邊應該是目標哪一邊應該是目標,清楚嗎清楚嗎?正確地設置罰剛度比例系數正確地設置罰剛度比例系數 (FKN). 提示提示: 該問該問題是以彎曲為主還是以體積變形為主題是以彎曲為主還是以體積變形為主? 接觸接觸目標目標Octo

47、ber 20, 20008-65接觸非線性 5.7版本練習步驟練習步驟:3.在直線在直線45上施加上施加 0.4”的的 Y向位移向位移.4.打開幾何非線性開關打開幾何非線性開關 (NLGEOM,ON). 5.設設“ 時間時間(time)” 等于等于 0.4, 并為自動時間步給出子步數并為自動時間步給出子步數(20,500,10). 6.給出輸出控制給出輸出控制 (要求輸出每一子步結果要求輸出每一子步結果).7.求解求解, 并查看輸出和監控文件并查看輸出和監控文件.October 20, 20008-66接觸非線性 5.7版本練習步驟練習步驟:8.對接觸結果進行后處理對接觸結果進行后處理, 查看

48、接觸壓力和應力結查看接觸壓力和應力結果果. 作應力結果動畫作應力結果動畫.9.在時間歷程后處理器里畫載荷變形曲線在時間歷程后處理器里畫載荷變形曲線. 在此問在此問題中為什么得到了負的反作用力題中為什么得到了負的反作用力? October 20, 20008-67接觸非線性 5.7版本補充作業補充作業:如果有時間如果有時間, 重新啟動分析重新啟動分析, 并將并將 Y向偏移向偏移量增加到量增加到 0.55”, 使咬接裝配的第二個齒咬使咬接裝配的第二個齒咬合合. 查看結果以及此問題的收斂過程查看結果以及此問題的收斂過程.如果有時間如果有時間, 顛倒目標面和接觸面的指定顛倒目標面和接觸面的指定,重重新

49、運行此分析新運行此分析. 答案變化明顯嗎答案變化明顯嗎?October 20, 20008-68接觸非線性 5.7版本回答問題回答問題:在此問題中在此問題中, 哪一邊應該是目標面哪一邊應該是目標面, 哪一邊應該是接觸面是不明顯的哪一邊應該是接觸面是不明顯的. 在在這種情況下這種情況下, 要求用對稱接觸要求用對稱接觸(兩邊都指定為目標面和接觸面兩邊都指定為目標面和接觸面). 對于這個對于這個問題問題, 網格粗糙些的一邊選為目標面網格粗糙些的一邊選為目標面 (盡管有人會爭論盡管有人會爭論, 指定為接觸面的指定為接觸面的表面更簡單些表面更簡單些, 應該定為目標面應該定為目標面).該問題以彎曲變形為主

50、該問題以彎曲變形為主, 設設 FKN = 0.1.出現負的反作用力出現負的反作用力, 是因為此求解是由位移控制的是因為此求解是由位移控制的. 在加載歷史的不同在加載歷史的不同點點, 施加的位移引起了負的反作用力施加的位移引起了負的反作用力.October 20, 20008-69接觸非線性 5.7版本回答問題回答問題:對于第一個載荷步對于第一個載荷步 (0 到到 0.4), 交換目標面和接觸面的指定交換目標面和接觸面的指定, 結果變化不結果變化不明顯明顯.對于第二個載荷步對于第二個載荷步 (0.4 到到 0.55), 這兩種情況的力位移曲線有變化這兩種情況的力位移曲線有變化. 這表示這表示,

51、對該問題要求用對稱接觸對該問題要求用對稱接觸.October 20, 20008-70接觸非線性 5.7版本/BATCHRESUME,snap,db/PREP7ET,2,169ET,3,171R,1,0.1,0.1CMSEL,S,TARGET NSLL,S,1TYPE,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,

52、-0.55SOLVEFINI/EXITOctober 20, 20008-71接觸非線性 5.7版本October 20, 20008-72接觸非線性 5.7版本本本節節學完后學完后, 將能對如下功能進行描述和論證將能對如下功能進行描述和論證:SessionObjective1. 面對面單元選項面對面單元選項2. 剛性面剛性面3. 確定接觸剛度確定接觸剛度4. 摩擦摩擦5. 剛體剛體位移位移6. 對稱接觸對不對稱接觸對稱接觸對不對稱接觸(自接觸自接觸 )7. 初始干涉初始干涉8. 排錯排錯October 20, 20008-73接觸非線性 5.7版本本章的剩余部分將討論本章的剩余部分將討論各種

53、各樣的面對面接觸各種各樣的面對面接觸單元選項單元選項(關鍵選項關鍵選項)和和實常數實常數, 它們將控制面它們將控制面對面接觸單元的行為對面接觸單元的行為.October 20, 20008-74接觸非線性 5.7版本我們還將討論一般會遇到的接我們還將討論一般會遇到的接觸問題的建模技術和對策觸問題的建模技術和對策. 包包括剛性面、摩擦、剛體括剛性面、摩擦、剛體位移位移、 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錯排錯.October 20, 20008-75接觸非線性 5.7版本在一個接觸問題中在一個接觸問題中, 對于使用剛性面對于使用剛性面, 還有還有其它其它的建模考慮的建模

54、考慮. 包括包括: 控控制制節點節點 剛性面的網格劃分剛性面的網格劃分 改變目標面的形狀改變目標面的形狀 將其它單元與剛性面相連接將其它單元與剛性面相連接October 20, 20008-76接觸非線性 5.7版本控制節點控制節點 剛性面能夠與剛性面能夠與“ 控控制制節點節點”聯系起來聯系起來, 該節點的運動能夠控制目該節點的運動能夠控制目標面的運動標面的運動. 加在整個面上的力、位移和加在整個面上的力、位移和/或轉動能夠用控或轉動能夠用控制制節點節點給出給出. 可以將控可以將控制制節點看作整個剛性面的手柄節點看作整個剛性面的手柄. 如果定義了一個控如果定義了一個控制制節點節點, ANSYS

55、將只檢查控將只檢查控制制節點的邊界條件節點的邊界條件, 忽略目標面上其它節點的約束忽略目標面上其它節點的約束.控控制制節點既節點既可可對關鍵點進行網格劃分生成對關鍵點進行網格劃分生成, 也能作為目標單元也能作為目標單元, 使使用相同的單元屬性直接生成用相同的單元屬性直接生成.October 20, 20008-77接觸非線性 5.7版本旋轉的剛性面旋轉的剛性面控制節點控制節點 控制控制節點能夠在任何位置定義節點能夠在任何位置定義. 這允這允許剛性面的一般轉動許剛性面的一般轉動. 只有只有控制控制節點能夠與其它單元聯系起節點能夠與其它單元聯系起來來. 要計算剛體的質量要計算剛體的質量, 可以在可

56、以在控制控制節節點上定義一個質量單元點上定義一個質量單元(質量質量21單元單元). 每一個目標面只能有一個每一個目標面只能有一個控制控制節點節點.October 20, 20008-78接觸非線性 5.7版本約束剛性面約束剛性面如果滿足以下條件如果滿足以下條件, 剛性面則剛性面則缺省缺省為為自動約束自動約束(auto constrained, KEYOPT(2)=0) : 沒有明確定義邊界條件沒有明確定義邊界條件. 目標面與其它單元沒有聯系目標面與其它單元沒有聯系. 沒有定義耦合或約束方程沒有定義耦合或約束方程.在這種情況下在這種情況下, 剛性剛性目標面的所有自由度目標面的所有自由度都被約束都

57、被約束.October 20, 20008-79接觸非線性 5.7版本約束剛體目標約束剛體目標 如果選擇了如果選擇了自動約束自動約束(KEYOPT(2)=0)選項選項, 在每一個載荷步的末尾在每一個載荷步的末尾, 程序內部將對剛性面重新設置約束程序內部將對剛性面重新設置約束. 當重起動求解時當重起動求解時, 請仔細檢查模請仔細檢查模型型. 如果選擇如果選擇用戶定義用戶定義 (KEYOPT(2)=1)選項選項, ANSYS認為剛性面上所有認為剛性面上所有合理的邊界條件應由用戶定義合理的邊界條件應由用戶定義.October 20, 20008-80接觸非線性 5.7版本劃分復雜目標面劃分復雜目標面

58、 一個剛性目標可以是基本目標元素一個剛性目標可以是基本目標元素(圓柱、圓錐、球圓柱、圓錐、球等等)的組合的組合. 對于任意表面對于任意表面, 網格形狀的質量并不重要網格形狀的質量并不重要. 重要的是目標單元是否重要的是目標單元是否很好地代表了幾何體很好地代表了幾何體. 目標表面過分粗糙的離散化會導致收斂方目標表面過分粗糙的離散化會導致收斂方面的問題面的問題.October 20, 20008-81接觸非線性 5.7版本劃分復雜目標面的建議劃分復雜目標面的建議如果剛性目標能由基本元素代替如果剛性目標能由基本元素代替, 就用基本元素就用基本元素(需要更少的單需要更少的單元元, 更有效更有效). 對

59、于復雜表面對于復雜表面, 盡可能對網格進行映射劃分盡可能對網格進行映射劃分.如果表面的一邊沒有曲率如果表面的一邊沒有曲率, 則在該邊只劃分一個單元則在該邊只劃分一個單元.對于平面或接近平面的對于平面或接近平面的, 用低次目標單元用低次目標單元. 如果目標表面是彎如果目標表面是彎曲的曲的, 用高次單元用高次單元.October 20, 20008-82接觸非線性 5.7版本下面是對于一個剛性面下面是對于一個剛性面, 低次單元和高次單元兩種劃分方式都用了低次單元和高次單元兩種劃分方式都用了的例子的例子. 低次單元的計算量少低次單元的計算量少, 但是需要更多的單元但是需要更多的單元. 高次單元的計高

60、次單元的計算量大算量大, 但是但是, 需要的單元少需要的單元少.低次低次高次高次October 20, 20008-83接觸非線性 5.7版本改變剛性面的形狀改變剛性面的形狀 對于具有低次或高次目標元素對于具有低次或高次目標元素(不是基本元素不是基本元素)的已劃分網格的目的已劃分網格的目標面標面, 目標節點能夠旋轉到局部坐標系目標節點能夠旋轉到局部坐標系. 這允許目標面在一個分析這允許目標面在一個分析中改變形狀中改變形狀. 例如例如, 希望用剛性圓柱面進行擴徑希望用剛性圓柱面進行擴徑. 此圓柱面可以劃分為高次四邊此圓柱面可以劃分為高次四邊形形, 將目標節點從直角坐標系旋轉到圓柱坐標系將目標節點