ansys非线性接触分析 下载本文

内容发布更新时间 : 2024/6/11 8:09:36星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

第五章 接触分析

5.1 概述

接触问题是一种高度非线性行为,需要较多的计算机资源。为了进行切实有效的计算,理解问题的物理特性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,在用户求解问题之前,用户通常不知道接触区域。随载荷、材料、边界条件和其它因素的不同,表面之间可以接触或者分开,这往往在很大程度上是难以预料的,并且还可能是突然变化的。其二,大多数的接触问题需要考虑摩擦作用,有几种摩擦定律和模型可供挑选,它们都是非线性的。摩擦效应可能是无序的,所以摩擦使问题的收敛性成为一个难点。

注意 --如果在模型中,不考虑摩擦,且物体之间的总是保持接触,则可以应用约束方程或自由度藕合来代替接触。约束方程仅在小应变分析( NLGEOM ,off)中可用。见《ANSYS Modeling and Meshing Guide》中的§12,Coupling and Constraint Equations。

除了上面两个难点外,许多接触问题还必须涉及到多物理场影响,如接触区域的热传导、电流等。

5.1.1 显式动态接触分析能力

除了本章讨论的隐式接触分析外,ANSYS还在ANSYS/LS-DYNA中提供了显式接触分析功能。显式接触分析对于短时间接触-碰撞问题比较理想。关于ANSYS/LS-DYNA的更多的信息参见《ANSYS/LS-DYNA User\》。

5.2 一般接触分类

接触问题分为两种基本类型: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,接触面的一个或多个被当作刚体,(与它接触的变形体相比,有大得多的刚度)。一般情况下,一种软材料和一种硬材料接触时,可以假定为刚体─柔体的接触,许多金属成形问题归为此类接触。柔体─柔体的接触是一种更普遍的类型,在这种情况下,两个接触体都是变形体(有相似的刚度)。柔体─柔体接触的一个例子是栓接法兰。

5.3 ANSYS接触分析功能

ANSYS支持三种接触方式:点─点,点─面,面─面接触。每种接触方式使用不同的接触单元集,并适用于某一特定类型的问题。

为了给接触问题建模,首先必须认识到模型中的哪些部分可能会相互接触。如果相互作用的其中之一是一点,模型的对应组元是一个节点。如果相互作用的其中之一是一个面,模型的对应组元是单元,如梁单元、壳单元或实体单元。有限元模型通过指定的接触单元来识别可能的接触对,接触单元是覆盖在分析模型接触面之上的一层单元,至于ANSYS使用的接触单元和使用它们的过程,后面会分类详述,然后论述ANSYS接触单元和他们的功能。参见《ANSYS Elements Reference》和《ANSYS Theory Reference》。

表5-1 ANSYS接触分析功能

点点面 面 - COCONTAC171,172 TARGET 169 NTAC 173, 174 TARGET 170 -点 CO C -面 CO NTAC 12 COCOCOONTA NTAC NTAC NTAC NTAC 52 78 Y Y 126 48 49 点-点 点-面 面-面 2-D 3-D 滑动 曲面 圆柱间隙 纯Lagrange乘子 增加Lagrange乘子 接触刚度 自动网格工具 低阶 Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y 大 Y 大 Y Y Y 小 Y Y 小 Y Y 大 小 大 大 Y Y Y 用EY 半EY 用NY Y 用GY Y 用GY Y Y 半自动 ESURF Y 户定义 自动 户定义 户定义 户定义 INTF INTF one CGEN CGEN Y Y 半自动 ESURF Y

高阶 刚体-柔体 柔体-柔体 热接触 Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y 5.3.1 面─面的接触单元

ANSYS支持刚体─柔体和柔体─柔体的面─面的接触单元。这些单元应用“目标”面和“接触”面来形成接触对。

分别用TARGE169或TARGE170来模拟2D和3D目标面。 用CONTA171、CONTA172、CONTA173、CONTA174来模拟接触面。

为了建立一个“接触对”,给目标单元和接触单元指定相同的实常数号。参

见§5.4。

这些面-面接触单元非常适合于过盈装配安装接触或嵌入接触,锻造,深拉问题。与点─面接触单元相比,面─面接触单元有许多优点:

支持面上的低阶和高阶单元(即角节点或有中节点的单元); 支持有大滑动和摩擦的大变形。计算一致刚度阵,可用不对称刚度阵选项;

提供为工程目的需要的更好的接触结果,如法向压力和摩擦应力; 没有刚体表面形状的限制,刚体表面的光滑性不是必须的,允许有自然的或网格离散引起的表面不连续;

与点─面接触单元比,需要较少的接触单元,因而只需较小的磁盘空间和CPU时间,并具有高效的可视化;

允许多种建模控制,例如:

绑定接触,不分离接触,粗糙接触; 渐变初始穿透;

目标面自动移动到初始接触;

平移接触面(考虑梁和单元的厚度),用户定义的接触偏移;

死活能力;

支持热-力耦合分析。

使用这些单元来做为刚性目标面,能模拟2D和3D中的直线(面)和曲线(面),通常用简单的几何形状例如圆、抛物线、球、圆锥、圆柱来模拟曲面。更复杂的刚体形状或普通可变形体,可以应用特殊的前处理技巧来建模,参见§5.4。 面-面接触单元不能很好地应用于点-点或点-面接触问题,如管道或铆头装配。在这种情况下,应当应用点-点或点-面接触单元。用户也可以在大多数接触区域应用面-面接触单元,而在少数接触角点应用点-点接触单元。 面-面接触单元只支持一般的静态或瞬态分析,屈曲、模态、谱分析或子结构分析。不支持谐响应分析、缩减或模态叠加瞬态分析,或缩减或模态叠加谐响应分析。

本章后面将分别讨论ANSYS不同接触分析类型的能力。

5.3.2 点─面接触单元

点─面接触单元主要用于给点─面接触行为建模,例如两根梁的相互接触(梁端或尖角节点),铆头装配部件的角点。

如果通过一组节点来定义接触面,生成多个单元,那么可以通过点─面接触单元来模拟面─面的接触问题。面既可以是刚性体也可以是柔性体。这类接触问题的一个典型例子是插头插到插座里。

使用这类接触单元,不需要预先知道确切的接触位置,接触面之间也不需要保持一致的网格。并且允许有大的变形和大的相对滑动,虽然这一功能也可以模拟小的滑动。

CONTACT48 和 CONTACT49单元是点─面的接触单元。这2种单元支持大滑动、大变形、以及接触部件间不同的网格。用户也可以用这2种单元来进行热-机械耦合分析,其中热在接触实体之间的传导非常重要。

应用 CONTACT26 单元用来模拟柔性点─刚性面的接触。对有不光滑刚性面的问题,不推荐采用 CONTACT26 单元,因为在这种环境下,可能导致接触的丢失。在这种情况下,CONTACT48 通过使用伪单元算法,能提供较好的建模能力(参见《ANSYS Theory Reference》),但如果目标面严重不连续,依然可能失败。

5.3.3 点─点接触单元

点─点接触单元主要用于模拟点─点的接触行为。为了使用点─点接触单元,用户需要预先知道接触位置,这类接触问题只能适用于接触面之间有较小相对滑动的情况(即使在几何非线性情况下)。其中一个例子是传统的管道装配模型,其中接触点总是在管端和约束之间。

点─点接触单元也可以用于模拟面─面的接触问题,如果两个面上的节点一一对应,相对滑动又可以忽略不计,两个面位移(转动)保持小量,那么可以用点─点的接触单元来求解面─面的接触问题,过盈装配问题是一个用点─点的接触单元来模拟面─面接触问题的典型例子。

另一个点─点接触单元的应用是表面应力的精确分析,如透平机叶片的分析。

ANSYS的 CONTA178 单元是大多数点-点接触问题的最好选择。它比其他单元提供了范围更广的选项和求解类型。CONTAC12 和 CONTAC52 单元保留的理由,在很大程度上是为了与已有模型的向下兼容。

5.4 面─面的接触分析

用户可以应用面-面接触单元来模拟刚体-柔体或柔体之间的接触。从菜单(Preprocessor>Create>Contact Pair>Contact Wizard)进入接触向导,为大多数接触问题建立接触对提供了简单的方法。接触向导将指导用户建立接触对的整个过程。每个对话框中的HELP按钮对其应用及选项作了详细说明。 在用户未对模型的任何区域分网之前,接触向导不能应用。如果用户希望建立刚体-柔体模型,则在进入接触向导前,仅对用作柔体接触面的部分分网(不对刚体目标面分网)。如用户希望建立柔体-柔体接触模型,则应在进入接触向导前,对所有用作接触面的部件进行分网(包括目标面)。

下面诸节将论述不用接触向导来建立接触面和目标面的方法。

5.4.1 应用面-面接触单元

在涉及到两个边界的接触问题中,很自然把一个边界作为“目标”面,而把另一个作为“接触”面。对刚体─柔体的接触,目标面总是刚性面,接触面总是柔性面。对柔体─柔体的接触,目标面和接触面都与变形体关联。这两个面合起来叫作“接触对”。使用TARGE169与CONTA171(或CONTA172)单元来定义2-D接触对。使用TARGE170与CONTA173(或CONTA174)单元来定义3-D接触对。程序通过相同的实常数号来识别每一个接触对。

5.4.2 接触分析的步骤