第18章接触问题有限元分析技术.docx

1、第18章接触问题有限元分析技术第18章 接触问题的有限元分析技术第1节 基本知识接触问题是一种高度非线性行为，需要较大的计算资源，为了进行准确而有效的计算，理解问题的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，在求解问题之前，不知道接触区域，表面之间是接触或分开是未知的、突然变化的，这些随载荷、材料、边界条件和其它因素而定；其二，大多数的接触问题需要计算摩擦，有几种摩擦和模型可供挑选，它们都是非线性的，摩擦使问题的收敛性变得困难。一、接触问题分类接触问题分为两种基本类型：刚体柔体的接触和半柔体柔体的接触。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

2、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，问题可以被假定为刚体柔体的接触，许多金属成形问题归为此类接触；另一类，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（有近似的刚度）。ANSYS支持三种接触方式：点点、点面和平面面。每种接触方式使用的接触单元适用于某类问题。二、接触单元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，模型的对立应组元是一个节点。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，例如梁单元，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匹对，接触单元是覆

3、盖在分析模型接触面之上的一层单元。下面分类详述ANSYS使用的接触单元和使用它们的过程。1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，为了使用点点的接触单元，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）。如果两个面上的节点一一对应，相对滑动又以忽略不计，两个面挠度（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与的接触问题的典型例子。2点面接触单元点面接触单元主要用于给点面的接触行为建模，例如两根梁的相互接触。如果通过一组节点来定义接触面，生成多个单元，那么可以通过点面的接

4、触单元来模拟面面的接触问题，面即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。Contact48和Contact49都是点面的接触单元，Contact26用来模拟柔性点刚性面的接触，对有不连续的刚性面的问题，不推荐采用Contact26因为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。3面面的接触单元ANSYS支持刚体柔体的面面的接触单元，刚性面被当作“目标”面，分别用Targe169和Targe170来模拟2

5、D和3D的“目标”面，柔性体的表面被当作“接触”面，用Conta171，Conta172，Conta173，Conta174来模拟。一个目标单元和一个接单元叫作一个“接触对”程序通过一个共享的实常号来识别“接触对”，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。与点面接触单元相比，面面接触单元有如下优点：（1）支持低阶和高阶单元。（2）支持有大滑动和摩擦的大变形。（3）为工程分析提供更好的接触分析结果，例如法向压力和摩擦应力。（4）没有刚体表面形状的限制，刚体表面的光滑性不是必须的，允许由自然的或网格离散引起的表面不连续。（5）与点面接触单元比，面面接触需要较多的接触单元。（6

6、）允许多种建模控制，例如，绑定接触、渐变初始渗透、目标面自动移动到补始接触、平移接触面（老虎梁和单元的厚度）、支持死活单元等。使用这些单元，能模拟直线（面）和曲线（面），通常用简单的几何形状例如圆、抛物线、球、圆锥、圆柱采模拟曲面，更复杂的刚体形状能使用特殊的前处理技巧来建模。三、接触分析的步骤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”面总是刚性的，“接触”面总是柔性面，这两个面合起来叫作“接触对”使用Targe169和Conta171或Conta172来定义2-D接触对，使用Targe170和Conta173或Conta

7、174来定义3-D接触对，程序通过相同的实常数号来识别“接触对”。执行一个典型的面面接触分析的基本步骤如下：（1）建立模型，划分网格。（2）识别接触对。（3）定义刚性目标面。（4）定义柔性接触面。（5）设置单元关键点和实常数。（6）定义控制刚性目标面的运动。（7）给定必须的边界条件。（8）定义求解选项和载荷步。（9）求解接触问题。（10）查看结果。第2节 接触分析的有限元分析实例图18-1 装配模型示意图案例接触问题的有限元分析问题如图18-1所示，为圆柱和套筒的装配示意图。圆柱体半径为0.4米，长3米，套筒长为2米，内径为0.3米，宽和高均为1米，将圆柱装配到套筒孔内，且圆柱体端面距套筒两端

8、面各为0.5米，套筒左端面固定。分析圆柱插入套筒中的接触应力和圆柱体从套筒拔出过程中的应力、接触压力。条件弹性模量为2.8106 N/m2，泊松比为0.25，摩擦系数为0.2。解题过程由于圆柱比套筒孔略大，因此它们之间会由于接触而产生应力和应变。由于分析对象是对称的，可以取模型的四分之一进行分析。1准备工作（1）清空数据库并开始一个新的分析 选取UtilityMenuFileClear & Start New，弹出Clears database and Start New对话框，单击OK按钮，弹出Verify对话框，单击OK按钮完成清空数据库。（2）指定新的工作文件名 指定工作文件名。选取Ut

9、ilityMenu FileChange Jobname，弹出Change Jobname对话框，在Enter New Jobname项输入工作文件名，本例中输入的工作文件名为“contact”，单击OK按钮完成工作文件名的定义。（3）指定新的标题 指定分析标题。选取UtilityMenuFileChange Title，弹出Change Title对话框，在Enter New Title项输入标题名，本例中输入“contact problem”为标题名，然后单击OK按钮完成分析标题的定义。2定义单元类型运行主菜单Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edi

10、t/Delete命令，弹出Element Types对话框，单击Add按钮新建单元类型，弹出Library of Element Types对话框，先选择单元大类为Solid，接着选择Brick 8nod 185（Solid185），单击OK按钮，完成单元类型选择，单击Close按钮完成设置，如图18-2所示。图18-2 定义单元类型3定义材料属性运行主菜单Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models命令，系统显示材料属性设置对话框，在材料属性对话框中依次选择Structure、Linear、Elastic、Isotropic，完成选择后

11、，弹出材料属性输入对话框，分别输入弹性模量2.8e6，泊松比0.25，如图18-3所示，单击OK按钮完成材料属性输入并返回材料属性设置对话框。完成材料属性设置后，单击对话框右上方“X”按钮离开材料属性设置。图18-3 定义材料属性4创建接触模型（1）创建六面体和圆柱 指定选择菜单路径Main MenuPreprocessorModeling CreateVolumesBlockBy Dimensions，弹出Create Block by Dimensions对话框，输入X1=-0.5，Y1=-0.5，Z1=2，X2=0.5，Y2=0.5，Z2=4，如图18-4所示。指定选择菜单路径Main

12、MenuPreprocessorModelingCreateVolumesCylinderBy Dimensions，弹出Create Cylinder by Dimensions对话框，输入RAD1=0.15，Z1=2，Z2=4，其它输入框默认，如图18-5所示。等轴侧显示图形。图18-4 创建Block实体 图18-5 创建Cylinder实体（2）布尔减操作 运行主菜单Main MenuPreprocessorModelingOperateBooleans SubtractVolumes命令，在弹出的拾取对话框中先拾取全部，单击OK按钮，再拾取圆柱体（或输入体的编号2），单击OK按钮完成

13、布尔减操作。（3）创建圆柱实体 指定选择菜单路径Main MenuPreprocessorModeling CreateVolumesCylinderBy Dimensions，弹出Create Cylinder by Dimensions对话框如图18-5所示，输入RAD1=0.2，Z1=1.5，Z2=4.5，其它输入框默认。（4）设置工作平面 执行菜单Utility MenuWorkPlaneOffset WP by Increment弹出Offset WP菜单，在“XY，YZ，ZX Angles”项输入0，-90，0，单击OK按钮完成工作平面设置。（5）体分解操作 指定选择菜单路径Mai

14、n MenuPreprocessorModelingOperate BooleansDivideVolu by Workplane，弹出拾取对话框，按Pick All按钮完成体分解。（6）删除体操作 指定选择菜单路径Main MenuPreprocessorModelingDelete Volumes and Below，弹出拾取对话框，在图形中拾取图形上部的套筒和圆柱（或输入体号2，6），单击OK按钮完成删除操作，如图18-6所示。图18-6 第一次体分解结果（7）设置工作平面 执行菜单Utility MenuWorkPlaneOffset WP by Increment弹出Offset W

15、P菜单，在“XY，YZ，ZX Angles”项输入0，0，-90，单击OK按钮完成工作平面设置。（8）体分解操作 指定选择菜单路径Main MenuPreprocessorModelingOperate BooleansDivideVolu by Workplane，弹出拾取对话框，按Pick All按钮完成体分解。（9）删除体操作 指定选择菜单路径Main MenuPreprocessorModelingDelete Volumes and Below，弹出拾取对话框，在图形中拾取图形右侧的套筒和圆柱（或输入体号1，6），单击OK按钮完成删除操作。完成接触模型创建，如图18-7所示。图18-

16、7 第二次体分解结果5划分体网格（1）设置线显示方式 运行菜单Utility MenuPlotCtrlsNumbering弹出Plot Numbering Controls选择对话框，显示线编号，单击OK按钮完成。运行菜单Utility MenuPlotLines模型显示为线，如图18-8所示。图18-8 模型显示为线（2）划分网格 运行主菜单Main MenuPreprocessorMeshingMeshTool命令，出现MeshTool菜单，按Size Control项中Lines后Set按钮，弹出拾取线对话框，拾取图18-8中的线16，19，29，36，按Apply按钮，弹出单元尺寸定义

17、对话框在No. of Element divisions项中输入6，按Apply按钮结束第一种单元尺寸定义；返回拾取线对话框，拾取图18-8中的线37，按OK按钮，弹出单元尺寸定义对话框在No. of Element divisions项中输入12，按OK按钮结束单元尺寸定义；Mesh项选择Volume，Shape项选择Hex，选择Sweep（扫掠划分器）；单击Sweep按钮划分网格，在出现的Volume Sweep对话框中单击Pick All按钮，系统将自动完成网格划分。划分网格结果如图18-9所示。图18-9 划分网格结果6创建接触对（1）接触模型显示为面 运行菜单Utility Menu

18、PlotCtrlsNumbering弹出Plot Numbering Controls选择对话框，取消线编号显示，面显示设置为On，单击OK按钮。选进入前处理器，模型显示为面，选择菜单路径UtilityMenuPlotAreas。（2）创建接触对 选择菜单路径Main MenuPreprocessorModelingCreateContact Pair，弹出图18-10所示的接触管理器。图18-10 接触管理器单击接触管理器左上角的按钮，弹出图18-11所示的定义接触对目标面对话框。设置选项如下。 Target Surface：目标面的对象，选择Areas。 Target Type：目标类型，

19、选择Flexible即柔性目标面。单击Pick Target按钮，用鼠标拾取套筒的内圆弧（或输入面号14），单击Apply按钮，返回图13-11。图18-11 定义接触对目标面对话框单击Next按钮弹出图18-12所示的定义接触对接触面对话框。设置下列选项。 Contact Surface：接触面的对象，选择Areas。 Contact Element Type：接触面类型，选择Surface-to-Surface，即面-面接触。单击Pick Contact按钮，用鼠标拾取圆柱的圆弧（或输入面号11），单击Apply按钮，返回图18-12。图18-12 定义接触对接触面对话框单击Next按钮弹

20、出如图18-13所示的接触绑定设置对话框。设置如下， Include initial penetration：包括初始渗透。 Friction：Material ID选择1，Coefficient of Friction项输入摩擦系数0.2。单击Optional settings按钮弹出定义接触属性设置对话框。在Basic标签中，设置Normal Penalty Stiffness为0.1；进入Ficition标签，设置Stiffness matrix为unsymmtric，如图18-14所示，按OK按钮返回图18-13。按Create按钮创建接触对，结果如图18-15。按Finish按钮，关

21、闭接触管理器。选择菜单路径Utility MenuSelectEverything。图18-13 接触对设置对话框图18-14 接触属性设置-摩擦属性选项卡设置图18-15 创建的接触对7施加约束和载荷（1）施加对称约束 执行菜单Utility MenuPlotAreas显示模型为面。运行主菜单Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementSymmetry B.C.On Areas，出现拾取菜单，依次选择对称约束面（或输入6，12，20，24），单击OK按钮完成对称约束定义。（2）施加面约束 执运行主菜单Main MenuSol

22、utionDefine LoadsApplyStructural DisplacementOn Areas，出现约束定义对话框，选择套筒左面（或输入面编号26），按OK按钮，出现如图18-16所示对话框，选择All DOF约束所有自由度，其它项默认，再单击OK按钮，完成约束定义。图18-16 施加约束（3）施加载荷步1 运行主菜单Main MenuSolutionAnalysis TypeSoln Controls命令，弹出Solution Comtrol对话框，在Analysis Options下拉列表中选择Large Displacement Static，在Time at end of

23、loadstep文本框中输入100，在Automatic time stepping下拉列表中选择Off，在Number of substep文本框中输入1，其它项默认，如图18-17所示，再单击OK按钮完成载荷步1的定义。图18-17 定义施加载荷步1（4）求解载荷步1 运行主菜单Main MenuSolutionCurrent LS命令，出现Solve Current Load Step对话框，单击/STAT Command窗口菜单/STAT CommandFileClose关闭/STAT Command窗口，然后单击Solve Current Load Step菜单中OK按钮确定，计算机

24、开始进行求解，求解完成后出现Solution is done提示表示求解完成，单击Close按钮完成求解。注：求解开始时会出现警告信息，单击Yes按钮即可。（5）施加节点位移 执行菜单路径Utility MenuSelectEntities，弹出选择工具条，设置如图18-18示，按Apply按钮选择圆柱左端面节点，按Plot显示选择节点，单击OK按钮完成选择。执行菜单Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructural DisplacementOn Nodes,出现拾取菜单，单击Pick All按钮，在弹出的对话框的Lab2 DOFs to be const

25、rained项中选择UZ，在VALVE Displacement Valve文本框中输入3，单击OK按钮完成节点位移施加，如图18-19示。图18-18 选择施加位移节点 图18-19 施加节点位移（6）施加载荷步2 运行主菜单Main MenuSolutionAnalysis TypeSoln Controls命令，弹出Solution Comtrol对话框，在Analysis Options下拉列表中选择Large Displacement Static，在Time at end of loadstep文本框中输入200，在Automatic time stepping下拉列表中选择On，

26、在Number of substep文本框中输入100，在Max no. substeps输入500，在Min no. substeps输入10，Frequency下拉列表中选择Wrote N number of substeps，N=-5，其它项默认，如图18-20所示，再单击OK按钮完成载荷步2的定义。（7）求解载荷步2 运行主菜单Main MenuSolutionCurrent LS命令，出现Solve Current Load Step对话框，单击/STAT Command窗口菜单/STAT CommandFileClose关闭/STAT Command窗口，然后单击Solve Cur

27、rent Load Step菜单中OK按钮确定，计算机开始进行非线性求解，几分钟后，求解完成后出现Solution is done提示表示求解完成，单击Close按钮完成求解。选择菜单路径Utility MenuSelectEverything。注：求解开始时会出现警告信息，单击Yes按钮即可。选择菜单路径Main MenuFinish退出求解器。图18-20 定义施加载荷步28查看分析结果（1）设置图形扩展模式 执行菜单路径Utility MenuPlotCtrlsSymmetry ExpansionPeriodic/Cyclic Symmetry，弹出的菜单中接受默认选择，单击OK按钮完成

28、图形扩展。（2）读入第一载荷步的计算结果 运行主菜单Main MenuGeneral PostprocRead ResultsBy Load Step，在弹出的对话框中，LSTEP Load step number文本框中输入1，其它默认选择，单击OK按钮完成载荷步1的数据读入。（3）显示合应力云图 运行主菜单Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsContour PlotNodal Solu（orElement Solu）命令，选择StressVon Mises stress合应力，单击OK按钮，节点应力云图如图18-21所示。图18-21 显示第一载荷步应

29、力云图（2）读入第二载荷步的计算结果 运行主菜单Main MenuGeneral PostprocRead ResultsBy Load Step，在弹出的对话框中，LSTEP Load step number文本框中输入2，其它默认选择，单击OK按钮完成载荷步2的数据读入。（3）显示某时刻合应力云图 运行主菜单Main MenuGeneral PostprocRead ResultsBy Time/Freq，弹出Read Result by Time Frequency对话框，如图18-22所示。在time Valve of time or freq文本框输入170，单击OK按钮。运行主菜单

30、Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsContour PlotNodal Solu（orElement Solu）命令，选择StressVon Mises stress合应力，单击OK按钮，节点应力云图如图18-23所示。图18-22 读入某时刻分析结果图18-23 显示某时刻合应力云图（3）显示拔销过程中应力图 运行主菜单Main MenuTimeHist Postproc，弹出Time History Variables对话框如图18-24所示，单击工具栏中的“+”按钮，弹出Add Time-History Variables对话框，选择如图18-25所

31、示，单击OK按钮，弹出拾取对话框，选择图形中圆柱左端部任意一节点，单击OK按钮返回图18-24。在Time History Variables对话框中单击Graph Data按钮（工具栏中第三个按钮），在屏幕上绘出节点应力随时间变化曲线，如图18-26所示。同理，可以得到圆柱向外拔的过程中，压力、支反力随时间变化的曲线。图18-24 Time History Variables对话框图18-25 选择拔销过程应力 图18-26 显示应力时间曲线图第3节 本章小结1面-面接触 建模和网格划分应注意的问题。一个目标面可能由两个或多个面的区域组成，应该尽可能地通过定义多个目标面来描述目标面的形状，过粗的网格离散可能导致不收敛问题。如果刚性面有一个实的凸角，求解大的滑动问题时很难获