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ANSYS 非线性分析指南 - 接触分析 (5)  

2010-10-29 09:47:06|  分类: ANSYS 非线性 |  标签: |举报 |字号 订阅

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第四步:设置单元关键字和实常数

    使用点 - 面接触单元时,程序使用四个单元关键字和几个实常数来控制接触行为

单元关键字:

CONTAC48 CONTAC49 (高版本中为 178 和 179 号单元) 使用下面的单元关键字:

KEYOPT1):选择正确的自由度(包含或不包括温度)

KEYOPT2):选择罚函数的方法或罚函数+拉格朗日方法

KEYOPT3):选择摩擦类型;无摩擦弹性库仑摩擦或刚性库仑摩擦。

KEYOPT7):选择接触时间步预测控制

命令:KEYOPT

          ET

GUIMain Mneu > Pneporcessor > Element Type > Add/Delete

摩擦类型

    你需要选择一种摩擦类型,点 - 面接触单元支持弹性库仑摩擦和刚性库仑摩擦,弹性库仑摩擦允许存在粘合和滑动状态,粘合区被当作一个刚度为 KT 的弹性区来处理,在变形期间当接触面是粘合而不是滑动的时候,选择这种摩擦类型是好的,刚性库仑行为仅仅允许有滑动摩擦,而接触面不能粘合,仅仅在处理两个面持续的相对滑动时,才选择这种摩擦类型,如果运动停止或逆转,将会遇到收敛性的问题。

罚函数与罚函数+拉格朗日方法

    协调控制方法保证一个面不会渗透进入另一个面超过某一容许量,这可以通过罚函数方法或罚函数+拉格朗日方法来实现,在这种方法中,将有力加在接触结点上,直到接触结点渗透进入目标面。

热 - 结构接触

如果两个温度不同的物体彼此接触,在它们之间将会发生热传递。我们能够联合这种点 - 面接触单元和热 - 结构耦合场单元来模拟这种情况下的热传递,(对不关心应力的分析,可以用标准的热单元来给系统的固定部分建模。),其关键字设置见 ANSYS 的帮助文件,这些单元的热 - 结构自由度都被激活。(必须为实常数 COND(接触传导率)定义一个值,以模拟接触界面之间的热量流动。)

接触预测

    CONTAC48 CONTAC49 对控制接触时间预测提供了三个选项。

·没有预测:当自动时间步长被打开并允许小的时间步长时,大多数静力分析使用此选项;如果允许一个足够小的时间步长自动时间步长二分特征将会把步长减小到必要的大小。然而,二分法并不是一种进行时间预测的有效方法,对在加载过程中,有不连续接触区域的那些问题,时间步长预测是必须的。

·合理的时间步长:为了保持一个合理的时间/载荷增量,需要在接触预测中选择此项。此项在时间步长预测器完好运行的静态分析中,或在连续接触(滚动接触)的瞬态分析中是有用的。如果接触点的位置随时间的变化是一个非线性函数,那么线性时间步长预测不可能是有效的,虽然其它的非线性特征能够减小时间步长以使线性时间步长预测能够提供很好的预测效果。

·最小的时间/载荷增量预测,无论什么时候,当接触状态发生改变时,预测会取一个最小的时间/荷增量,这个选项在碰撞和断续接触的瞬态分析中是有用的,或者在线性预测不起作用而导致第二个选项无用时,为了更有效的进行计算,仅仅对处于初始接触状态的那些接触单元使用此选项。

实常数

    CONTAC48 CONTAC49 使用下面的实常数

·  KN  定义法向接刚度。

·  KT  定义粘合接触刚度

·  TOLN  定义最大的渗透容差

·  FACT  定义静摩擦与动摩擦的比值

·  TOLS  定义一个小的容差以增加目标面的长度。

·  COND  定义接触传导率

命令:R

GUIMain menu > Preprocessor > Real Constants

法向刚度

    我们必须给接触刚度 KN 提供一个值(对 KN 设有缺省值)。KN 应该是足够大的,以便不会引起过大的渗透;但又不应该大到导致病态条件,对大多数接触分析,应该按下面的公式来估计 KN 的值。

KN = fEh

f:控制接触协调性的因子,这个因子通常在 0.01 100 之间,开始时通常取 f=1

E:  杨氐模量,如果接触发生在两种不同的材料间,考虑使用杨氏模量较小者)

h:特征接触长度,这个值取决于问题几何形状的特殊性

3 维外形中,h 应该等于典型的接触目标长度(也就是目标面面积的平方根)或者典型的单元尺寸;对大多数柔体 - 柔体的接触问题,通常发现处于接触状态的平均单元尺寸几乎等于目标长度。当目标长度与典型的单元尺寸当相差很大时,应该使用典型的单元尺寸来作为 的值,在 2  维平面应力或应变问题中,对平面应变或无厚度输入的平面应力问题,让 h=1,对于有厚度输入的平面应力问题,让 h 等于厚度,在 2  维轴对称分析中,让 h 等于平均接触半径

当估计柔软结构的 KN 值时(特别是在梁或壳的模型中),应该在两个接触体上进行一个简单的迭代分析来计算局部接触刚度,如图:49 所示:

                                 ANSYS 非线性分析指南 - 接触分析 (5) - htbbzzg - htbbzzg的博客
  

               KN = P/111+121

    上式中:  P = 作用在接触位置的点载(位置 1 2

              △1,△2 = 位置 和 的结点位移

    在计算 KN 时,使用体系的实际边界条件,(就是说 KN 不是赫兹接触刚度,它考虑了整个结构的柔度)。

 

粘合刚度

        弹性区的大小取决于所使用的粘合刚度的值(KT)。与法向刚度 KN 一样,你可能想使用一个较大的粘合刚度,但不要大到影响收敛性。一般来说,粘合刚度 KT 应该比法向刚度 KN 小 12 3 个量级。

      如果你想模拟单性库仑摩擦,程序将会使用到 KT 的值。程序使用 KT=KN/100 作为缺省值,然而与 KN 一样,如果 KT 太大,可能会经历一个病态条件。因此,对大多数情况,KT  的缺省值可能是不适合的。

 

渗透容差:

       当使用罚函数+拉格朗日方法时(KEYOPT2=1),在表面法线方向给定的绝对容差(TOLN),被用来决定是否满足渗透协调性,如果接触结点渗进目标的距离在 TOLN 的范围内,则认为满足接触协调性。TOLN 的值必须是实际的,而且是长度单位。TOLN 的值一般约为表面单元尺寸的 1%,如果将 TOLN 的值定得太小,可能要浪费大量的计算时间。

 

静摩擦与动摩擦系的比值。

       如果 KEYOPT3= 0,不考虑两个表面间的摩擦,则实常数 KT FACT 都不需要。当 KEYOPT3= 1 2 时,需要输入摩擦系数 MU,它可以被指定为温度的函数;此时,MU 的值被作为动摩擦系数,而静摩擦系 数是 FACT*MU

 

目标长度

       如果两个接触面上的结点是一一对应的,或者在靠近对称边界上有接触产生时,接触结点在目标面上的两个邻近单元之间来回摆动,可能会导致求解振荡。发生这种情况时,可能会极大地增加求解时间,为了克服这个问题,可以给实常数 TOLS 指定一个值,这将在目标面的两个邻近单元之间建立一个“缓冲区”;TOLS 的值是一个特征接触长度的百分比,就是说:TOLS = 0.5 将建立一个宽度为接触长度的 0.5% 的缓冲区。

 

热传导率

      对热 - 结构接触的问题为了描述通过接触界面的传导率,需要定义一个接触传导率(实常数 CONT),单位是 "热量/(时间*温度)"。通过接触界面的热传导率通常小于接触体自身的传导率,因为从微观上说接触表面是不光滑的,只有整个接触面的一个小的百分比面积处于真正的接触中,因而导致了传导率的降低。因此,通常不能用接触体的热传导率来描述接触界面的热传导率。对理想热接触(在接触面上没有温度降),将使用一个大的 CONT  值,可能处于 100KA/L 这个量级上,K 是接触体的传导率,A L 是接触单元的面积和长度;通常情况下考虑到不理想的热传导,应该给 COND 输入一个小得多的值。

 

第五步,加上必要的边界条件

       加载过程与其它分析过程相同。值得注意的是:在分析期间如果两个物体分开,那么刚度矩阵会变得奇异和不可求解(在静力分析中)。如果是刚度矩阵变得奇异程度将会给出“Piloot ratio”的警告信息,但程序仍会设法求解,最终会出现一个"negatiue main diagonal"  "Dof Limit exleeded" 的信息。

    为了克服这个问题,采用下面的某种建议:

· 建模时,使接触体处于恰好接触的位置

· 使用给定位移来将它移到某个位置

· 使用很弱的弹簧把两个分开的物体连起来,使用动态方法求解。

 

6  定义求解选项

    接触问题的收敛性与问题的特殊性有关,下面列出了一些典型的,在大多数点 - 面接触分析中推荐采用的选项。

·使用 KEYOPI7)来设置合适的时间步长

·时间步长必须足够小,如果时间步长太大,接触力的光滑传递将被破坏。设置合适的时间步长的可信方法是打开自动时间步长

命令:Autots,on

GUIMain menu > Solution > Load Stop opts > Time/Frequenc > Time & Time step/Time Substops

·设置一个合适的平衡迭代次数,合理的平衡迭代次数通常在 25 70 之间。

命令:NEQZT

GUIMain menu > Solution > Load Stop opis > Equilibriam iter

·除了大转动分析的情况,打开时间步长预测

命令:PRED

GUIMain menu > Solution > Load Stop opts > Nonlinear > Predictor

·设置牛顿一拉普森选项为“FULL”,同时打开自适应下降因子

命令:NROPTFULLON

GUImain menu > solutim > Analysis opfions

·在接触分析中,许多的不收敛性是由使用了太大的接触刚度(实常数 KN)造成的,如果是这样,减少接触刚度然后重启动(此时必须明确定义切向刚度)。

·相反,如果在接触分析中发生太大渗透,则是使用了一个太小的 KN 值,此时,在下面的几个载荷步中逐步增加 KN 的值然后重启动,(此时也必须明确定义切向刚度)。

 

7步:求解

    求解过程与其它分析过程相同。

 

8步:查看结果

      可以采用一般后处理器 POST1 或时间历程后处理器 POST26 来查看结果。

接触单元的输出量包括:

·单元的现在状态和过去状态的,分别为:

    分开(没有接触)

    接触粘合状态

    接触滑动状态

    粘合=1,滑动=2-2,分开=34

·两个表面间的距离,如果是正值,那么两个面是分开的(STAT = 3 4)如果是负值则代表渗透量(STAT = 1 2

·法向力 Fn (FN)

·滑动力 Fs (FS)

 

使用单元 CONTAC26 (新版本中已不用)

    CONTAC26 ANSYS 的点─刚性面接触单元,使用 CONTAC26 时,需注意以下几点:

·这种单元是通过总体 XY 平面上的 3 个结点来定义的,能用于 2 维平面应力,平面应变和轴对称问题;

·结点 I 叫作接触结点,通常连到有限元模型的表面上;

·结点 J K 组成目标面,这用来表示一个刚性面;

·目标面的形状可以是直线,凹形圆弧,或凸形圆弧(由实常数控制);

·当目标面的形状是凹形并是不连续时,在接触面上将会有空隙,当接触节点移进空隙时,就会发生丢失接触的现象。

在生成 CONTAC26 单元时,只能使用直接生成法

命令:E

GUImain menu > Preprocess > Create > Element > Thru Nodes

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