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ANSYS 非线性分析指南 - 接触分析 (2)  

2010-10-24 06:16:14|  分类: ANSYS 非线性 |  标签: |举报 |字号 订阅

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步骤五: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。

实常数

          9 个实常数中,两个(R1 和 R2)用来定义目标面单元的几何形状,剩下的 个用来控制接触行为。

           R1 和 R2 定义目标单元几何形状

           FKN  定义法向接触刚度因子

           FTOLN 定义最大的渗透范围

           ICONT 定义初始靠近因子

           PINB  定义“Pinball" 区域

    PMINPMAX 定义初始渗透的容许范围

    TAUMAR   指定最大的接触摩擦

    命令:R

    GUI: main menu > preprocessor > real constant

    对实常数 FKNFTOLNICONTPINBPMAX,和 PMIN,既可以定义一个正值也可以定义一个负值,程序将正值作为比例因子,将负值的绝对值作为真实值,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

    每种接触单元都具有好几个关键字,对大多的接触问题,使用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。

    接触算法(罚函数+拉格郎日或罚函数)(KEYOPT2))

    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

    GUI: main 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,通过使用单元关键字 KETOPT2)来指定。

    扩增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,与罚函数的方法相比,拉格朗日方法不易引起病态条件,对接触刚度的灵敏度较小,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时。

    使用拉格朗日算法的同时应使用实常数 FTOLN

    FTOLN  为拉格朗日算法指定容许的最大渗透,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于接触刚度,过大的接触刚度可能会引起总刚矩阵的病态,而造成收敛困难,一般来说,应该选取足够大的接触刚度以保证接触渗透小到可以接受,但同时又应该让接触刚度足够小以使不会引起总刚矩阵的病态问题而保证收敛性。

   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 10 之间,在避免过多的迭代次数的同时,应该尽量使渗透到达极小值。

    为了取得一个较好的接触刚度值,还需要积累一些经验,你可以按下面的步骤进行。

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 的值取得太小;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、  按需要调整 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,这种状态称作粘合状态 (stick) 。库仑摩擦模型定义了一个等效剪应力,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 (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。摩擦系数可以是任一非负值。程序缺省值为表面之间无摩擦,对 rough 或 bonded 接触(KEYOPT2=1 或 3),程序将不管给定的 MV 值而认为摩擦阻力无限大。

程序提供了一个不管接触压力的值,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,41,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,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的一个合理高估为 (σy / 3^0.5)( (σy / 3^0.5) 是材料的 mises 屈服应力)。

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      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

接触检查点位于接触单元的积分点上,在积分点上,接触单元不渗透进入目标面,然而,目标面能渗透进入接触面,看图42

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ANSYS 面接触单元使用 GAUSS 积分点作为缺省值,使用 GAUSS 积分点通常会比使用 Newton-Cotes/robatto 结点积分项产生更精确的结果,Newton-cotes/lobatto 使用结点本身作为积分点,通过 KEYOPT4)来选择你想使用的方法,然而,使用结点本身作为积分点仅应该用于角接触问题(看图 43)。

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       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”(结点滑下目标面的边界),看图 44,对大多数点 - 面的接触问题,推荐使用其它的点 - 面的接触单元


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,在网格划分后由于数值舍入误差;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,接触单元可能会高估接触力,导致不收敛或接触面之间脱离接触关系。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,同时输出一个表示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 (的绝对值) 表示接触环的真正值,任何落在“调整环”区域内的接触检查点被自动移到目标面上,(看图 45(a))建议使用一个小的 ICONT 值,否则,可能会发生大的不连续(看图 45(b)

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                           45   ICON进行接触面的调整
                            (a)   调整前      (b)  调整后


    2、使用实常数 PMIN 和 PMAX 来指定初始容许的渗透范围,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。

    对给定载荷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。

    当目标面上的节点有给的零位移值时,将不会执行使用 PMAX 和 PMIN 的初始调节。

    注意:ANSYS 程序独立地处理目标面上节点的自由度,例如:如果你指定自由度 UX 值为“0,那么,沿着 方向就没有初始调整,然而,在 和 方向仍然会激活 PMAX 和 PMIN 选项。

    初始状态调整是一个迭代过程,程序最多进行 20 次迭代,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给出了一个初始接触调整迭代失败的例子。目标面的 UY 自由度被约束住。因此,对于初始接触唯一容许的调整是在 方向,然而,在这个问题中,刚性目标面在 方向的任何运动都不会引起初始接触。

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3、  设置 KEYOPI9= 1 来消除初始渗透,看图 47

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在某些情况下,例如过盈装配问题,可能有过度的渗透,为了缓解收敛性困难,在第一个载荷步中设置 KEYOTI9=2 来使过度渗透渐进到 0,看图48。当使用这种方法时,在第一个载荷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

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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 Pinball 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

·  STAT=0  未闭合的远区未接触

·  STAT=1  未闭合的近区未接触

·  STAT=2  滑动接触

·  STAT=3  粘合接触

    当目标面进入 pinball 区域后,接触单元就被当作未闭合的近区未接触,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,取绝对值)。缺省时,程序将 pinball 区域定义为一个以 4*变形体单元厚度 为半径的圆(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,远区未接触单元的计算是简单的且计算时间较少,近区未接触计算将要接触的接触单元是较慢的,并较为复杂,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,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 keyopt(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数(MU)被忽略; (KEYOPT12=1)

· 不分开的接触,用来模拟那种一旦接触就再不分开的问题,这种不分开是指对法向接触而言,允许有相对滑动;(KEYOPT12=2

· 绑定接触 用来模拟那种接触一旦发生,表面在所有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 - 面的接触单元能模拟刚体和另一个有运动的线 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迭代的自由度数,记住任何接触结点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,(是否轴对称,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。

    使用 KEYOPT3)来提供接触分析的信息,对 2单元(CONTA171  CONTA172)关键字选项如下所示:

· 不使用超单元(KETOPT3=0

· 轴对称(KEYOPT3=1

· 平面应变或单位厚度的平面应力(KEYOPT3)=2

· 需要厚度输的平面应力(KEYOPT3=3),对这种情况使用实常数的 R2 来指定指定厚度。

    对 3单元(CONTA173CONTA174),关键字选项如下示:

·使用H单元 (KETOPI3=0

·使用超单元(KEYOPI3=1)。


    考虑厚度影响

    程序使用 KEYOPI11)来考虑壳(2D 和 3D)和梁(2D)的厚度。缺省时,程序不考虑单元厚度,用轴线或中面来表示它。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:没有控制,时间步的大小不受预测影响;当自动时间步长被激活且允许一个很小的时间步长时,这个设置是合适的。

·  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,则进行时间步长二分。

·  KEYOPI7=2:对下一个子步,预测一个合理的时间增量。

·  KETOPI7=3:对下一个子步,预测一个最小的时间增量。


    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成形过程是有用的、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。

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