第八章 接触分析

1、接触非线性接触非线性October 20, 20008-2接触非线性 5.7版本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, 20008-3接触非线性 5.7版本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典型的挑并且对于非线性问题的求

2、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, 20008-4接触非线性 5.7版本 如果接触模型没有摩擦如果接触模型没有摩擦,

3、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, 20008-5接触非线性 5.7版本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.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

4、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, 20008-6接触非线性 5.7版本刚体表面刚体表面变形体变形体October 20, 20008-7接触非线性 5.7版本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, 20008-8接触非线性 5.7版本F为了阻止接触表面相互穿过

5、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, 20008-9接触非线性 5.7版本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, 会导致收敛困会导致

6、收敛困难难.FOctober 20, 20008-10接触非线性 5.7版本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, 20008-11接触非线性 5.7版本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, 就检就检查许可侵入量查许可侵

7、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, 20008-12接触非线性 5.7版本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October 20, 20008-13接触非线性 5.7版本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 -

8、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, 20008-14接触非线性 5.7版本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 - 三维间隙三维间隙October 20, 20008-15接触非

9、线性 5.7版本 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题那么这些单元还能用于模拟面对面接触问题. 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

10、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, 20008-16接触非线性 5.7版本接触接触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

11、元.October 20, 20008-17接触非线性 5.7版本补充信息补充信息: 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

12、详细叙述单元选项和实常数的详细叙述, 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, 20008-18接触非线性 5.7版本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, 20008-19接触非线性 5.7

13、版本 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

14、, 20008-20接触非线性 5.7版本 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接触节点接触节点目标节点目标节点IOctober 20, 20008-21接触非线性 5.7版本主菜单主菜单 前处理器前处理器

15、 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, 20008-22接触非线性 5.7版本 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

16、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,则会由于病则会由于病态条件而引起收敛困难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,而且侵而且侵入量可以接受入量可以接受.October 20, 20008-23接触非线性 5.7版本 接触刚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

17、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, 20008-24接触非线性 5.7版本 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

18、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, 20008-25接触非线性 5.7版本ANSYS 支持刚体对柔体和柔体对柔体的面对面接触单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

19、). 作作为一个可选项为一个可选项, 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, 20008-26接触非线性 5.7版本与低次和高次单元都与低次和高次单元都兼兼容容.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.“ 控控制制节点节点” 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).智能智能

20、缺省缺省设置、接触向导设置、接触向导 (易于使用易于使用).October 20, 20008-27接触非线性 5.7版本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)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, 20008-28接触非线性 5.7版本 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

21、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.October 20, 20008-29接触非线性 5.7版本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, 20008-30接触非线性 5

22、.7版本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, 20008-31接触非线性 5.7版本目标目标170单元单元 目标部分目标部分有如下类型有如下类型: 三节点三三节点三角形、四节点四边形角形、四节点四边形、六节点三角形、八、六节点三角形、八节点四边形、圆柱、节点四边形、圆柱、圆锥、球和控制节点圆锥、球和控制节点.October 20, 20008-32接触非线性 5.7版本接触接触171单元单元 是二维、二节点低次直线单元是二

23、维、二节点低次直线单元, 能够位于二维实体、能够位于二维实体、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, 20008-33接触非线性 5.7版本接触接触174单元单元 是三维、八节点高次四是三维、八节点高次四边形单元边形单元, 能够位于有中间节点的三维能够位于有中间节点的三维实体单元的表面实体单元的表面. 该单元还能退化成六该单元还能退化成六节点三角形节点三角形.接触接触17

24、3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, 20008-34接触非线性 5.7版本 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面都与变形体相关联. 接触单元被约束接

25、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面目标单元能够侵入接触面.October 20, 20008-35接触非线性 5.7版本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.October 20, 20008-36接触非线性 5.7版本目的是将接触检查点增加

26、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起目标面和接触面的选择会引起不同量的侵入不同量的侵入, 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, 20008-37接触非线性 5.7版本 如果凸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

27、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, 20008-38接触非线性 5.7版本步骤步骤 1. 创建实体模型并划分网格创建实体模型并

28、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, 目标面和接目标面和接 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, 20008-39接触非线性 5.7版本步骤步骤 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

29、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, 20008-40接触非线性 5.7版本步骤步骤 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(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), 对对于以弯曲变形为主的问题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

30、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, 20008-41接触非线性 5.7版本步骤步骤 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(ESUR

31、F)(Create Elements Surface-to-Surface (ESURF)October 20, 20008-42接触非线性 5.7版本步骤步骤 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, 需要设置附加需要设置附加的单元属性的单元属性(TSHAP).TSHAP 定义定义目标单元的形状目标单元的形状October 20, 20008-43接触非线性 5.7版本步骤步骤 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

32、从实体将从实体模型确定目标单元的合适形状模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, 20008-44接触非线性 5.7版本步骤步骤 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(Pr

33、eprocessor 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, 20008-45接触非线性 5.7版本步骤步骤 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,则则非常重要非常重要): 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

34、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逆时针圆弧主控节点主控节点October 20, 20008-46接触非线性 5.7版本步骤步骤 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

35、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阶).创建表面创建表面单元单元(ESURF)October 20, 20008-47接触非线性 5.7版本步骤步骤 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, 20008-48接触非线性 5.7版本步骤步骤 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

36、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, 20008-49接触非线性 5.7版本步骤步骤 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态改变, 会发生间断会发生间断. 为了

37、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, 20008-50接触非线性 5.7版本步骤步骤 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(NSBSTP)对于装配接触可以较大对于装配接触可以较大, 对于大滑对于大

38、滑动接触应较小动接触应较小. 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, 要完成所有要完成所有的平衡迭代的平衡迭代.October 20, 20008-51接触非线性 5.7版本步骤步骤 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

39、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). 此此选项只能用于对称系统选项只能用于对称系统.October 20, 20008-52接触非线性 5.7版本步骤步骤 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

40、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, 20008-53接触非线性 5.7版本步骤步骤 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

41、.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, 20008-54接触非线性 5.7版本步骤步骤 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

42、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, 20008-55接触非线性 5.7版本步骤步骤 9. 观察结果观察结果. 画接触压力画接触压力:October 20, 20008-56接触非线性 5.7版本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)Octob

43、er 20, 20008-57接触非线性 5.7版本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

44、体接触模型, 只只要对将用作柔体接触面的模型部件划分网格要对将用作柔体接触面的模型部件划分网格.October 20, 20008-58接触非线性 5.7版本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, 然后再指定接触面然后再指定接触面.October 20, 20008-59接触非线性 5.7版本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, 20008-60接触非线性 5.7版本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

45、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, 20008-61接触非线性 5.7版本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, 20008-62接触非线性 5.7版本October 20, 20008-63接触非线性 5.7版本目的目的: 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

46、= 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, 20008-64接触非线性 5.7版本练习步骤练习步骤: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,数数据库中设置了线组据库中设置了线组).哪一边应该是目标哪一边应该是目标,清楚吗清楚吗?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: 该问该问题是以弯曲为主还是以体积变形为主题是以弯曲为主还是以体积变形为主? 接触接触目标目标Octo

47、ber 20, 20008-65接触非线性 5.7版本练习步骤练习步骤: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, 20008-66接触非线性 5.7版本练习步骤练习步骤:8.对接触结果进行后处理对接触结果进行后处理, 查看

48、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, 20008-67接触非线性 5.7版本补充作业补充作业: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向偏移向偏移量增加到量增加到 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

49、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, 20008-68接触非线性 5.7版本回答问题回答问题: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. 在在这种情况下这种情况下, 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). 对于这个对于这个问题问题, 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, 指定为接触面的指定为接触面的表面更简单些表面更简单些, 应该定为目标面应该定为目标面).该问题以弯曲变形为主

50、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, 20008-69接触非线性 5.7版本回答问题回答问题: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,

51、对该问题要求用对称接触对该问题要求用对称接触.October 20, 20008-70接触非线性 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接触非线性 5.7版本October 20, 20008-72接触非线性 5.7版本本本节节学完后学完后, 将能对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, 20008-73接触非线性 5.7版本本章的剩余部分将讨论本章的剩余部分将讨论各种

53、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 20, 20008-74接触非线性 5.7版本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, 20008-75接触非线性 5.7版本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

54、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刚性面相连接October 20, 20008-76接触非线性 5.7版本控制节点控制节点 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

55、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, 20008-77接触非线性 5.7版本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

56、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节点.October 20, 20008-78接触非线性 5.7版本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

57、被约束.October 20, 20008-79接触非线性 5.7版本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, 20008-80接触非线性 5.7版本划分复杂目标面划分复杂目标面

58、 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否重要的是目标单元是否很好地代表了几何体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方目标表面过分粗糙的离散化会导致收敛方面的问题面的问题.October 20, 20008-81接触非线性 5.7版本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(需要更少的单需要更少的单元元, 更有效更有效). 对

59、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, 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, 20008-82接触非线性 5.7版本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

60、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, 20008-83接触非线性 5.7版本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