Ansys教程——接触分析

概述

接触问题属于状态非线性问题,是一种高度非线性行为,需要较多的计算资源,为了进行更为有效的计算,理解问题的特征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,在求解问题之前,不清楚接触区域的范围,表面之间是接触是分离是未知的,并且随载荷、材料、边界条件及其他因素而变化;其二,接触问题长需计算摩擦力,各种摩擦模型都是非线性的,使问题的收敛更加困难。

接触问题的分类

接触问题有两个基本类型:刚体-柔体的接触,柔体-柔体的接触。在刚体-柔体的接触问题中,有的接触面与它接触的变形体相比有较大的刚度而当做刚体。一般情况下,一种软材料和一种硬材料接触时,问题可以被近似为刚体-柔体的接触,许多金属成型问题归为此类接触。而柔体-柔体的接触,更是一种普遍的类型,此时两个接触具有近似的刚度,都为变形体。

ANSYS的接触方式

在ANSYS中通过接触单元来识别可能的接触匹对,接触单元是覆盖在模型可能接触面上的一层单元。ANSYS支持3种接触方式:点-点、点-面、面-面的接触,每种都有相适用的单元。

1 点-点接触

 主要用于模拟点-点的接触行为。为了使用点-点接触单元,需要预先知道接触位置,这类问题只适用于接触面之间有较小滑动的场合。如果两个接触面上的节点一一对应,相应滑动又忽略不计,两个面挠度(转动)保持较小量,那么就可以用点-点接触单元来模拟该类问题,过盈装配问题是用点-点接触单元模拟面-面接触的典型例子。

2 点-面接触主要用于模拟点-面接触行为。通过节点定义一个接触面,而面既可以是刚体也可以是柔体。使用这类接触单元,不必预先知道准确的接触位置,接触面之间也不需要保持一致的网格,并且允许有较大的变形和大的相对滑动。一个典型例子就是模拟插头插入插座。

3 面-面接触

 将刚性面作为目标面,将柔性面作为接触面处理。

接触分析的步骤

1 面-面的接触分析

 面-面接触分析模拟刚体-柔体、柔体-柔体的面-面接触。将刚性面作为接触面处理,这两个面合起来称为解除对。使用单元类型TARGE169和CONTA171或CONTA172来定义二维接触对,使用单元类型TARGE170和CONTA173或CONTA174来定义三维接触对,ANSYS通过相同的实常数号来识别接触对。

步骤一:建立模型并划分网格

需要建立代表接触体的实体模型,与其他分析过程一样,要设置单元类型、实常数、材料特性等,并用恰当的单元类型为接触体划分网格。

步骤二:识别接触对。

ANSYS通过目标单元和接触单元的定义来判断潜在的接触面,目标和接触单元会跟踪变形阶段的运动。

不同的接触对必须通过不同的实常数号来定义。由于几何模型和潜在变形的多样性,有时候一个接触面的同一区域可能和多个目标发生接触关系。此时应该定义多个接触对(使用多组覆盖层接触单元),每个接触对有不同的实常数号。

步骤三:定义目标面和接触面。

对于刚体-柔体的接触问题,将刚性面定为目标面,将柔性面定义为接触面。在二维情况下,刚性目标面的形状可以用一系列直线、圆弧和抛物线来描述,或者用他们的任意组合来描述复杂的目标面。在三维情况下,目标面的形状可以用三角面、圆柱面、圆锥面和球面来描述,对于复杂、任意形状的目标面,应用三角面来描述。

对于柔体-柔体的接触问题,应按下列原则来定义目标面和接触面:凸面定义为接触面,凹面定义为目标面;细网格定义为接触面,粗网格定义为目标面;较软的面定义为接触面,较硬的面定义为目标面;高阶单元面定义为接触面,低阶单元面定义为目标面;较小的面定义为接触面,较大的面定义为目标面。

为了定义柔性体的接触面,必须使用接触单元CONTA171或CONTA172来定义二维表面,用CONTA173或CONTA174定义三维表面,接触面和目标面的实常数号必须相同。

步骤四:设置实常数和单元选项。

ANSYS使用实常数和单元选项来控制面-面接触单元的接触行为。实常数包括:FKN(法向接触刚度因子)、FTOLN(最大穿透范围)、ICONT(初始靠近因子)、PINB(pinball 区域)、PMIN和PMAX(初始穿透范围)、TAUMAX(最大的接触摩擦)、CNOF(接触面偏移值)、FKOP(接触发生时的刚度因子)等。

步骤五:控制刚性目标的运动

刚性目标面是按实体的原始外星来建立的,而整个面的运动是通过“plot”节点给定的位移来定义的。每个目标面只能有一个plot节点。圆、圆弧、圆锥、圆柱、球只能定义第一个节点为plot节点。载荷和边界条件只能施加在plot节点上,只有plot节点能与其他单元相连。为了控制目标面的运动,在下列任一情况下必须使用plot节点:目标面上作用着给定的外力、目标面发生旋转、目标面和其他单元相连(例如结构质量单元)。

步骤六:施加必要的边界条件。

步骤七:定义求解和载荷步选项

接触问题的收敛性随问题的不同而不同,下面列出了在大多数面-面接触分析中都推荐使用的一些选项:

打开自动时间步长,Main Menu——Solution——Load Step Opts——Time/Frequence——Time and Substeps

选择完全牛顿-拉普森迭代,关闭自适应下降因子,Main Menu——Solution——Analysis Type——Analysis Options

设置合理的平衡迭代次数(25-50),Main Menu——Solution——Loads Step Opts——Nonlinear——Equilibrium iter。

打开时间步长预测器选项,Main Menu——Solution——Loads Step Opts——Nonlinear——Predictor。

使用线性搜索选项来计算稳定化,Main Menu——Solution——Loads Step Opts——Nonlinear——Line search。

步骤八:求解

步骤九:查看结果

接触分析的结果包括常规的位移、应力、应变,还有接触压力、滑动等接触信息。可以使用POST1或POST26后处理器查看结果。

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