ansys接触非线性.ppt

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第八章,接触非线性,2,本章目标,本章学完后,应能对如下功能进行描述和论证:

SessionObjective,1.接触协调条件2.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4.接触刚度5.接触单元处理6.接触向导,3,接触问题,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战意义.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.表面与表面会突然接触或突然不接触,这会导致系统刚度的突然变化.多数接触问题包括摩擦.摩擦是与路径有关的现象,这要求精确的加载历史.摩擦的响应还可能是杂乱的,使求解难以收敛.,4,关于耦合和约束方程的注释,如果接触模型没有摩擦,接触区域始终粘在一起,并且分析是小挠度、小转动问题,那么可以用耦合或约束方程代替接触.详细信息请参看ANSYS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.,5,接触分类,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:

一个或多个接触表面作为刚体（一个表面的刚度比另一个表面的刚度要高很多）.许多金属成形问题归入此类.柔体对柔体:

两个或所有的接触体都可变形（所有表面刚度相差不多）.螺栓法兰连接是一个柔体对柔体接触的例子.,6,刚体对柔体接触,刚体表面,变形体,7,柔体对柔体接触,花键轴过盈配合,两个零件都是柔体.,8,接触协调条件,F,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.否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,目标,接触,F,9,接触协调条件,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称为罚参数.,该弹簧的变形量满足方程:

F=k接触刚度（k）越大,接触表面的侵入越少.然而,若该值太大,会导致收敛困难.,F,10,接触协调条件,还可用另外一种方法,即拉格朗日乘子法,增加一个附加自由度（接触压力）,以满足不侵入条件.,F,11,接触协调条件,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.在迭代的开始,接触协调条件基于惩罚刚度决定.一旦达到平衡,就检查许可侵入量.这时,如果有必要,接触压力增大,继续进行迭代.,F,许可侵入量,12,增大接触应力减少侵入量,由于平衡改正侵入量,在改正阶段发生振荡,增大的拉格朗日,13,接触单元,ANSYS有三种类型的接触单元:

节点对节点-这是指接触的最终位置事先是知道的.节点对面-接触区域未知,并且允许大滑动.面对面-接触区域未知,并且允许大滑动（相对节点对面接触形式有几个优点）.,14,节点对节点接触单元,I,J,I,J,两个最常用的节点对节点接触单元:

接触12单元和接触52单元都用罚函数法施加接触协调条件.这要求输入一个罚刚度（在后面我们将详细讨论罚刚度的计算）.,接触12单元-二维间隙,接触52单元-三维间隙,15,节点对节点接触单元,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,相对滑动变形量可以忽略,并且两表面的挠度（转动量）较小,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.如果满足上述条件,则此问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.,16,节点对节点接触过程,接触12单元和接触52单元既能用直接生成法创建,也能在重合节点处创建单元.前处理器-创建-单元-在重合节点（Preprocessor-Create-Elements-AtCoincidNd）,接触12单元应该在重合节点间创建.然而接触52单元要求1E-6的距离来定向单元.,17,节点对节点接触过程,补充信息:

接触12单元由实常数THETA定向.接触12单元能用作钩子或间隙,而接触52单元只能用作间隙（注意通过约束UZ自由度,接触52单元能够用于二维问题）.通过设置关键选项（4）和实常数INTF及GAP,接触12单元和接触52单元都允许给出初始过盈或初始间隙.关于接触12单元和接触52单元选项和实常数的详细叙述,请参看ANSYS单元手册（ANSYSElementsReference）第四章.,18,节点对表面接触单元,节点对表面接触单元:

接触48单元-二维节点对表面,接触49单元三维节点对表面,J,I,K,I,J,K,M,L,这些单元用缺省的罚函数法作为接触协调条件.作为一个选项,可以使用综合的罚函数和拉格朗日乘子.,19,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,如两个梁接触（在梁的末端）和锁扣配合的角部.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.这些表面可以是刚性的或可变形的.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同网格划分.注意节点对表面接触只可以用于低次单元.,20,节点对表面接触处理,接触48单元和接触49单元通过指定节点组元来生成,这些节点组定义了目标和接触表面.为接触和目标表面选择需要的节点,并创建节点组元.给出单元类型和实常数,并生成接触单元.每一个不相连的接触面应该参照一个不同的实常数设置.,J,K,接触节点,目标节点,I,21,节点对表面接触处理,主菜单前处理器创建单元节点对表面（MainMenuPreprocessorCreateElementsNodetoSurf）,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ANSYS结构分析指南（ANSYSStructuralAnalysisGuide）.,22,接触刚度,点对点（接触12单元和接触52单元）和节点对表面（接触48单元和接触49单元）接触单元都要求给出罚刚度.罚刚度越大,接触表面的侵入量越小.然而,若此值太大,则会由于病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,使求解收敛,而且侵入量可以接受.,23,选择接触刚度,接触刚度是接触面的相对刚度的函数.对于块状实体,通常赫兹接触刚度（Hertzcontactstiffness）适用于罚刚度,可以这样估算:

k=fE式中f是介于0.110之间的系数,E是较软的接触材料的弹性模量.设f=1通常是一个较好的起始值.,24,选择接触刚度,对于柔性组分（梁和壳模型）,系统的刚度可以比赫兹接触刚度要低很多.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,先运行一个静态分析来确定模型的局部刚度.接触刚度可以这样估算:

k=f（P/D）上式适用于柔性体接触,f是介于1100之间的系数.同样,设f=1通常是一个较好的起始值.,25,面对面接触单元,ANSYS支持刚体对柔体和柔体对柔体的面对面接触单元.这些接触单元使用“目标面”和“接触面”的概念来形成接触对.,面对面接触单元使用增强的拉格朗日法施加接触协调条件（默认）.作为一个可选项,还可以用罚函数法.,接触面,目标面,26,面对面接触的优点,与低次和高次单元都兼容.支持具有大滑动和摩擦的大变形.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）.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.“控制节点”对刚性面的控制（关于主控节点后面有更多的叙述）.智能缺省设置、接触向导（易于使用）.,27,面对面接触的优点,需要的接触单元比用节点对面接触单元（接触48单元和接触49单元）要少得多.,12个接触48单元,2个接触171单元和4个目标169单元,28,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.接触对通过共用一个实常数指定.目标169和170单元-刚性或可变形的目标表面接触171到174单元-二维和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.这些单元非常适合面对面接触应用,如过盈装配接触、进料接触、锻造和深拉深.,面对面接触单元,29,面对面接触单元,接触副,刚性目标,接触单元,该接触副由实常数1指定.,30,二维目标单元,J,I,I,J,K,I,J,K,I,I,目标169单元目标部分有如下类型:

直线、抛物线、圆弧（顺时针或逆时针）、圆、或控制节点.,31,三维目标单元,目标170单元目标部分有如下类型:

三节点三角形、四节点四边形、六节点三角形、八节点四边形、圆柱、圆锥、球和控制节点.,32,二维面对面接触单元,接触171单元是二维、二节点低次直线单元,能够位于二维实体、壳或梁单元的表面.接触172单元是二维、三节点高次抛物线单元,能够位于有中间节点的二维实体单元的表面.,接触171单元,接触172单元,33,三维面对面接触单元,接触174单元是三维、八节点高次四边形单元,能够位于有中间节点的三维实体单元的表面.该单元还能退化成六节点三角形.,接触173单元是三维、四节点低次四边形单元,能够位于三维实体或壳单元的表面.该单元还能退化成三节点三角形.,34,面对面接触处理,对于面对面接触单元,一个面指定为“目标”面,另一个面为“接触”面.对于刚体对柔体接触,刚体表面总是指定为目标面.对于柔体对柔体接触,接触面与目标面都与变形体相关联.接触单元被约束,不能侵入目标面.然而,目标单元能够侵入接触面.,35,面对面接触处理,接触单元的一般步骤:

1.创建有限元模型.2.指定接触和目标表面.3.设置单元选项和实常数.4.创建目标表面单元.5.创建接触表面单元.6.施加边界条件.7.定义求解选项和载荷步.8.求解.9.观察结果.,36,指定接触和目标表面,目的是将接触检查点增加到最大数.对于刚体对柔体接触,目标面总是刚体表面.对于柔体对柔体接触,目标面和接触面的选择会引起不同量的侵入,从而影响求解精度.,目标面,接触面,目标面会侵入接触面,37,目标/接触面的指导方针,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.如果一个表面网格粗糙,而另一个表面网格较细,那么网格粗糙的表面应该是目标面.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标面.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,那么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,那么更大的表面应该是目标面.,38,面对面接触处理,步骤1.创建实体模型并划分网格.步骤2.指定接触面和目标面.在这个例子中,一个表面被认为是刚性的,这样,目标面和接触面的指定就很清楚.,接触面,超弹性密封嵌入,刚性目标面,39,面对面接触处理,步骤3.设置单元选项和实常数.重要!

接触对由实常数号来确定.目标单元和接触单元必须共用相同的实常数号（在后面,我们将详细讨论所有的单元选项和实常数.缺省的单元选项和实常数设置可以应用于许多问题）.,40,面对面接触处理,步骤3.设置单元选项和实常数.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（FTOLN）.FKN通常介于0.0110之间.对于体积变形问题,用值1.0（默认）,对于以弯曲变形为主的问题,用值0.1.FTOLN默认为0.1.可以改变此值,但若容差太小,会使迭代数过多或不收敛.,41,面对面接触处理,步骤4.创建接触面单元.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.对于刚性目标面,用:

直接生成（用创建单元命令E）或自动划分网格（用划分线命令（LMESH）及划分面命令（AMESH）对于可变形目标面,用:

创建单元面对面（ESURF）（CreateElementsSurface-to-Surface（ESURF）,42,面对面接触处理,步骤4.创建目标面单元.对于刚性目标面的直接生成,在创建目标单元之前,需要设置附加的单元属性（TSHAP）.,TSHAP定义目标单元的形状,43,面对面接触处理,步骤4.创建目标面单元.刚性目标面的自动网格划分不要求TSHAP.ANSYS将从实体模型确定目标单元的合适形状.划分关键点（KMESH）-主控节点划分线（LMESH）-二维刚性目标面划分面（AMESH）-三维刚性目标面,44,面对面接触处理,步骤4.创建目标面单元.要在可变形的网格上自动创建目标单元,需先选择可变形表面的节点,然后在变形体上创建目标单元:

前处理器创建单元面对面（PreprocessorCreateElementsSurftoSurf）,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.,创建表面单元（ESURF）,45,面对面接触处理,步骤4.创建目标面单元.检查外法向（如果用自动网格划分,则非常重要）:

打开单元坐标系符号（elementcoordinatesystemsymbol）开关,画单元.用命令ESURF修改（节点号逆转）.必须在此ESURF操作之前激活目标单元属性.,46,面对面接触处理,步骤5.创建接触面单元.设置接触单元属性,选择可变形表面的节点,并在变形体上创建接触单元（与在变形网格上对目标单元的处理相同）:

前处理器创建单元面对面（PreprocessorCreateElementsSurftoSurf）,这些接触单元与其下面的实体单元同阶（低阶或高阶）.,创建表面单元（ESURF）,47,面对面接触处理,步骤5.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,有一个在梁或壳单元的顶面或底面创建单元的选项.,能够控制单元位置,48,面对面接触处理,步骤6.在有限元模型上施加边界条件.注意:

如果目标面是刚性面,目标面将会自动固定（在后面,我们将讨论刚性面选项以及如何控制刚性面的运动）.,刚性面自动约束,49,面对面接触处理,步骤7.定义求解选项和载荷步.对于求解接触问题,极力推荐使用求解控制.下面给出的指导方针十分典型,是有求解控制的默认设置.在迭代过程中,如果接触状态改变,会发生间断.为了避免收敛缓慢,使用不带自适应下降的完全牛顿-拉斐逊（fullNewton-Raphson）求解.为了使接触力平滑传递,时间步尺寸必须足够小.确保一个精确的时间步的可靠方法是使用自动时间步.,50,面对面接触处理,步骤7.定义求解选项和载荷步.设置适当的子步数目:

开始的子步尺寸（NSBSTP）对于装配接触可以较大,对于大滑动接触应较小.对于剧烈的间断,子步的最大数（NSBMX）应该较大.子部的最小数（NSBMIN）应该较小.注意:

为了建立初始接触条件,在第一个子步的二分之前,要完成所有的平衡迭代.,51,面对面接触处理,步骤7.定义求解选项和载荷步.方程求解器选择:

稀疏矩阵求解器（SparseSolver）是缺省的,并且对于中等大小的接触模型,这是最好的选择（在100,000个自由度以下）.对于困难的滑动问题,此求解器还有不对称选项.PCG求解器用于大型接触模型（超过100,000个自由度）.此选项只能用于对称系统.,52,面对面接触处理,步骤7.定义求解选项和载荷步.不用自适应下降.对于面对面接触问题,自适应下降对于收敛不能提供任何帮助.使用一个合理的平衡迭代数目,通常是25.因为对于大时间增量,迭代计算会变得不稳定,用线性搜索（linesearch）来稳定计算.将预测器打开,大转动或动态分析除外.,53,面对面接触处理,步骤7.定义求解选项和载荷步.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敛失败.对于惩罚刚度一定要按如下建议选取.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（NLGEOM,OFF）.这样设置将加快接触搜索速度.步骤8.问题求解.,54,面对面接触处理,步骤9.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.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后处理器中得到.,55,面对面接触处理,步骤9.观察结果.画接触压力:

56,接触向导,对于多数接触问题,接触向导提供了一个构造接触对的简单方法.接触向导将引导你去创建接触副.,前处理器创建接触对接触向导（PreprocessorCreateContactPairContactWizard）,57,接触向导,使用接触向导的好处:

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接触对观察工具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,就不能激活接触向导.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,只要对将用作柔体接触面的模型部件划分网格.,58,接触向导,只要简单地跟随接触向导走过接触对创建步骤即可.首先,你将指定目标面,然后再指定接触面.,59,接触向导,所有的接触单元选项和实常数都能通过接触向导得到.,60,接触向导,在最后一步,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致的.,如果目标法向不正确,能够逆转.,61,接触向导,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逆转法线方向.,62,注意,63,练习,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.,偏移量=0.4”,咬接装配,轴对称模型,垂直约束,64,练习,练习步骤:

1.恢复数据库snap.db.该数据库包括网格和固定的边界条件.2.利用接触向导创建目标和接触单元（如图所示,数据库中设置了线组）.哪一边应该是目标,清楚吗?

正确地设置罚刚度比例系数（FKN）.提示:

该问题是以弯曲为主还是以体积变形为主?

接触,目标,65,练习,练习步骤:

3.在直线45上施加0.4”的Y向位移.4.打开几何非线性开关（NLGEOM,ON）.5.设“时间（time）”等于0.4,并为自动时间步给出子步数（20,500,10）.6.给出输出控制（要求输出每一子步结果）.7.求解,并查看输出和监控文件.,66,练习,练习步骤:

8.对接触结果进行后处理,查看接触压力和应力结果.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.在此问题中为什么得到了负的反作用力?

67,练习,补充作业:

如果有时间,重新启动分析,并将Y向偏移量增加到0.55”,使咬接装配的第二个齿咬合.查看结果以及此问题的收敛过程.如果有时间,颠倒目标面和接触面的指定,重新运行此分析.答案变化明显吗?

68,练习,回答问题:

在此问题中,哪一边应该是目标面,哪一边应该是接触面是不明显的.在这种情况下,要求用对称接触（两边都指定为目标面和接触面）.对于这个问题,网格粗糙些的一边选为目标面（尽管有人会争论,指定为接触面的表面更简单些,应该定为目标面）.该问题以弯曲变形为主,设FKN=0.1.出现负的反作用力,是因为此求解是由位移控制的.在加载历史的不同点,施加的位移引起了负的反作用力.,69,练习,回答问题:

对于第一个载荷步（0到0.4）,交换目标面和接触面的指定,结果变化不明显.对于第二个载荷步（0.4到0.55）,这两种情况的力位移曲线有变化.这表示,对该问题要求用对称接触.,70,练习答案,/BATCHRESUME,snap,db/PREP7ET,2,169ET,3,171R,1,0.1,0.1CMSEL,S,TARGETNSLL,S,1TYPE,2MAT,1REAL,1ESURFCMSEL,S,CONTACTNSLL,S,1TYPE,3ESURFALLSFINISH,/SOLUTIONANTYPE,STATICNLGEOM,ONSOLC,ONTIME,0.4NSUBST,20,500,10OUTRES,ALL,ALLDL,45,UY,-0.4SOLVEDL,45,UY,-0.55SOLVEFINI/EXIT,71,接触非线性建模和求解策略,72,本节目标,本节学完后,将能对如下功能进行描述和论证:

SessionObjective,1.面对面单元选项2.刚性面3.确定接触刚度4.摩擦5.刚体位移6.对称接触对不对称接触（自接触）7.初始干涉8.排错,73,面对面选项,本章的剩余部分将讨论各种各样的面对面接触单元选项（关键选项）和实常数,它们将控制面对面接触单元的行为.,74,面对面选项,我们还将讨论一般会遇到的接触问题的建模技术和对策.包括刚性面、摩擦、刚体位移、初始干涉、表面相互作用模型和排错.,75,刚性面,在一个接触问题中,对于使用刚性面,还有其它的建模考虑.包括:

控制节点刚性面的网格划分改变目标面的形状将其它单元与刚性面相连接,76,刚性面,控制节点刚性面能够与“控制节点”联系起来,该节点的运动能够控制目标面的运动.加在整个面上的力、位移和/或转动能够用控制节点给出.可以将控制节点看作整个刚性面的手柄.如果定义了一个控制节点,ANSYS将只检查控制节点的边界条件,忽略目标面上其它节点的约束.控制节点既可对关键点进行网格划分生成,也能作为目标单元,使用相同的单元属性直接生成.,77,刚性面,旋转的刚性面,控制节点控制节点能够在任何位置定义.这允许刚性面的一般转动.只有控制节点能够与其它单元联系起来.要计算刚体的质量,可以在控制节点上定义一个质量单元（质量21单元）.每一个目标面只能有一个控制节点.,78,刚性面,约束刚性面如果满足以下条件,刚性面则缺省为自动约束（autoconstrained,KEYOPT

（2）=0）:

没有明确定义边界条件.目标面与其它单元没有联系.没有定义耦合或约束方程.,在这种情况下,刚性目标面的所有自由度都被约束.,79,刚性面,约束刚体目标如果选择了自动约束（KEYOPT

（2）=0）选项,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.当重起动求解时,请仔细检查模型.如果选择用户定义（KEYOPT

（2）=1）选项,ANSYS认为刚性面上所有合理的边界条件应由用户定义.,80,刚性面,划分复杂目标面一个刚性目标可以是基本目标元素（圆柱、圆锥、球等）的组合.对于任意表面,网格形状的质量并不重要.重要的是目标单元是否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面的问题.,81,刚性面,划分复杂目标面的建议如果刚性目标能由基本元素代替,就用基本元素（需要更少的单元,更有效）.对于复杂表面,尽可能对网格进行映射划分.如果表面的一边没有曲率,则在该边只划分一个单元.对于平面或接近平面的,用低次目标单元.如果目标表面是弯曲的,用高次单元.,82,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的例子.低次单元的计算量少,但是需要更多的单元.高次单元的计算量大,但是,需要的单元少.,低次,高次,83,改变刚性面的形状对于具有低次或高次目标元素（不是基本元素）的已划分网格的目标面,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中改变形状.例如,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形,将目标节点从直角坐标系旋转到圆柱坐标系,并在刚性目标面上施加径向位移,就可以对圆柱扩径.,刚性面,84,接触算法,选择一个接触算法关键字选项

（2）增强的拉格朗日法（关键字选项

（2）=0）是缺省选项,推荐于一般应用.它对罚刚度不太敏感,但是也要求给出一个侵入容差.能够用罚函数法（关键字选项

（2）=1）这个选项.它推荐应用于单元非常扭曲、大摩擦系数和/或用增大的拉格朗日法收敛行为不好的问题.,85,确定罚刚度,对于面对面接触单元,ANSYS基于单元类型、材料性质和它下面的单元尺寸确定接触刚度.可以用实常数FKN给出接触刚度的一个比例系数或绝对值.惩罚刚度（FKN）应该足够大,使接触侵入量小.同时也应足够小,使问题没有病态矩阵.FKN值通常在0.0110之间.对于体积变形问题,用值1.0（默认）,对于弯曲问题,用值0.1.,86,确定侵入容差,侵入容差（FTOLN）是与接触单元下面的实体单元深度（h）相乘的比例系数.若此值太小,会引起收敛困难.绝对不要用太小的容差!

增大罚刚度（FKN）将减少侵入.将FKN值增大100倍会相应地减少侵入,但是接触压力只改变5%.,87,确定罚刚度,确定一个好的刚度值需要做些实验.下面的处理可以