技巧 | 接触非线性应用(二)

2017-10-25 by:CAE仿真在线来源:互联网

在上一期内容中,介绍到接触非线性不收敛的一些原因以及解决办法,这一节我们就着对接触非线性的一些技巧做更多介绍。本文主要通过六个方面介绍接触非线性的应用:

1、设置正确的单位系统

2、网格质量

3、合理使用Worksheet

4、接触的离散化

5、接触探寻方法

6、Pinball半径的选择

1设置正确的单位系统

在Workbench中,在设置单位制度时候,可以根据自己的需求进行多次单位制的更改,然而同一个数据在不同的单位制下都可能由于计数位的不同而导致错误。因为在不同的单位制中,计算中的容差、精度、或者数值等都会发生改变。单位系统造成收敛困难主要是由于接触的长度太短、弹性模量或者力/质量数值太大导致的。因此在这个地方建议大家使用mm-N的单位去处理大多数的接触模型。

2网格质量

在接触非线性应用技巧(二)中我们介绍到网格的奇异性会导致计算的不收敛。在实体仿真计算中出现收敛问题大多都是由于网格质量不好造成的。网格的划分对结构的计算是至关重要的。在网格的质量控制中为了便于收敛计算有四小的技巧:

1)Mesh中网格的标准进行选择;

2)观察网格的尺寸过渡是否平滑;

3)单元类型选择;

4)接触网格加密。

1 、Mesh中网格的标准进行选择

在有限元计算中,在处理线性问题与非线性问题时候,选择不同的网格划分标准,可以使得在处理问题有意外的功效。在Mesh的功能下Quality选项中有一个Error Limits选项。选项下有2种标准:Standard Mechanical和Aggressive Mechanical。在处理线性问题时候可以在Mesh中直接使用Standard Mechanical;在处理非线性问题时候时候建议使用Aggressive Mechanical,能收到不错的收敛效果。

2、网格的尺寸过渡是否平滑

网格尺寸过渡也包括两个方面:

1)弯曲结构

在结构当存在弯曲结构时,需要在弯曲面上布置更多的节点,才能保证计算的连续性和稳定性。当结构在外部载荷作用下发生弯曲变形的时候同样需要在弯曲面上划分较密的网格。

2)网格密度变化的连续性

在网格划分时,需要根据研究的重点对实体上的网格进行局部加密。在设置网格密度时候需要保证网格的变化连续,不能发生较快的变化。当网格变化较快的时候会导致节点上数据的传递出现问题,使得仿真计算不收敛。

3、单元类型选择

在网格划分的时候需要保证使用的单元类型尽量保持一致。使用类似的网格单元,比如说混用SOLID185、SOLID186单元的收敛性就比使用SOLID92与SOLID185单元的效果要好的多。和网格尺寸可以避免这一类问题。对接触面上的网格进行划分,网格过渡要比较缓慢。

4、接触网格加密

有限元计算在接触区域靠接触对之间的节点进行传递。接触区域较密的网格能保证传递的数据的正确性,不会由于同一单元不同节点数值相差较大而导致计算的不收敛。如下图,再做接触分析的时候尽量选择右边较密的这种网格形式。

合理使用Worksheet

使用Contact Tool工具可以快速的了解接触之间的状态,包括渗透量、间隙值还有接触类型等相关数据。

在使用Contact Tool工具时,会根据不同的颜色提示不用的接触状态。

接触的离散化

在接触区域除了网格的加密还需要注意单元离散化的类型。

在上图中有两种单元类型,左图是8节点单元,右图是10节点单元。两种不同的单元类型在计算中有不一样的表现。在本案例中分析面与面之间的接触:

单元类型

特点

8节点单元

1)可以保证接触更有效;

2)对平面接触非常有用;

3)仅仅只能对简单的几何模型进行网格划分;

10节点单元

1)对曲面接触更有效

2)对复杂的结构的非结构网格更优效

3)结果更为平滑

接触探寻方法

在接触选项中,接触的探寻方法不同,求解的结果也有略微的不同;

1、默认的方法(On Gauss Point)

这种接触探寻方式在结构的转角处会出现误差

2、Nodal-Normal From Contact和Nodal-Normal To Target

这两种方法区别在于是是从接触面开始探寻还是目标面开始进行探寻。

这种探寻方法使得在平面图中压力更加平滑,然而需要更长的的收敛时间,比第一种默认的方法时间增加30%,并且在面与面这种接触类型不稳定。

3、Nodal Projection from contact

通过接触节点的投影计算,这种算法耗费的工作量最大,时间时间最长。

Pinball半径的选择

在ANSYS内部关于接触有三种状态:远场、近场、接触。这三种状态是根据接触面与目标面之间距离与Pinball半径进行比较的。对于干扰问题,确保弹球的半径大于最大的干扰。在绑定接触和不分离接触之间的任何区域表面接触或在弹球的半径将认为是在于接触。

Pinball半径是一个在接触结果中最重要的参数、通过Contact Tool工具获得模型之间的最大间隙,设置PINB=最大间隙+最大间隙的十分之一。如果接触Pinball太大了,将引入一些非接触的区域。通常情况下设置较大的Pinball半径会增加非常多的计算时间。

Case 1:

User defined pinball region PINB 0.10000E-02

Case 2:

Default pinball region factor PINB 1.0000

The resulting pinball region 0.17553E-03

	CASE 1	CASE 2
CPU CONTACT SEARCH	2199.251	57.313
CONTACT ELEMENTS	399.591	236.996
OTHER ELEMENTS	328.731	227.731
EQUATION SOLVER	456.250	416.250
TOTAL SYSTEM	3383.140	938.290