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作者:阿贤懂科研 发表于 2022-1-18 09:51:35
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接触问题是一种高度非线性行为,其分析主要存在两个难点:其一是分析过程中我们并不知道接触区域怎么变化,接触区域受材料,载荷,边界条件等影响,其变化可能是瞬间变化的。其二就是大多数接触问题是需要考虑摩擦的,大家都知道摩擦这玩意现在应该还没有什么鼻祖级的理论来描述吧。
接触问题按照接触体是刚性和柔性可分为刚——柔接触(如:金属成型)和柔——柔接触(如:栓接法兰);按照接触方式可分为:点——点接触点——面接触面——面接触。这里线可以理解为二维或者三维的面。

基本概念
接触对:一个物体的表面被认为是接触面,另外一个物体的表面被认为是目标面,接触面和目标面就构成了一个接触对,构成接触对的接触单元和目标单元是通过共享实常数组联系起来的。因此不同的接触对必须定义不同的实常数组,即使实常数没有变化,也需要定义不同组号,因为如果一个问题中有多个接触区域,如果不定义不同的实常数就无法识别出接触区与和目标区的配对关系,接触定义就会混乱,这也是很容易犯的一个错误,因此有几个接触对,最好是定义几个接触和目标单元以及其实常数,即使所采用的接触单元一致。

接触面和目标面的选择原则
1、如凸面可能与一个平面或凹面接触,则平面或凹面应当为目标面。
2、如两个面的网格疏密不同,则较密网格的面应为接触面,而较粗网格的面为目标面。
3、如一个面比另一个面刚,则较柔的面应为接触面﹐而较刚的面为目标面。
4、如果高阶和低阶单元位于不同的面,则高阶为接触面,低阶为目标面。
如果一个面明显的比另一个面大,则较大的面应指定为目标面。

接触检测点与位置:接触面和目标面是否处于接触状态,需要通过一系列接触检测点的状态才能确定,而接触检测点位于何处可由单元KEYOPT定义。
接触检测点位于接触单元的积分点上,积分点有节点积分高斯积分两种(如下图示)。接触单元的积分点不能侵入目标面,但是原则上目标面可以侵入接触面。一般情况:高斯积分点通常会比节点本身做积分点使方案产生更精确的结果。节点本身做积分点,节点等效力可能不准确,且在角接触问题中会产生“滑脱”(如下图示)而造成收敛困难。


侵入距离:侵入距离是指沿着接触面上积分点法向到目标面的距离,如下图示。
pinball运算:Pinball 区域是以接触单元积分点为中心的圆或球,描述接触单元周围“远”或“近"场边界(如下图示),可影响接触状态的确定和其他许多接触特性。根据PINBALL半径来判断接触是处于分离、滑动、黏合哪一个状态。
对于大多数问题,缺省值是比较合适的。


接触刚度:接触问题大多需要定义接触刚度,它决定了两个表面之间侵入量的大小。接触刚度过大可能会引起病态的总刚度阵,接触刚度过小可能会引起接触侵入过大,造成伪接触,这两种情况都会造成收敛困难。因此接触刚度的大小我们要预先根据具体问题有一个初步的估计值,这里的估计值可以根据经验给出,也可以开始选取一个较小的值进行试算并分析平衡迭代次数,迭代次数多就说明不易收敛,进一步进行调整。
接触方向:接触面的外法线方向与目标面的外法线方向必须互指,即接触面的外法线方向必须指向目标面,同时目标面的外法线方向也必须指向接触面,否则在开始分析计算时,程序可能会认为有过度侵入,而很难找到初始解,一般情况下程序会立即停止执行。法线方向可用命令/PSYMB显示单元坐标系进行检查(/PSYMB,ESYs,1),如果单元法向不指向对应面,选择该单元并采用命令ESURF反转表面法线的方向(ESURF,,REVE),或采用命令ENORM重新定义单元方向(ENORM)。
接触面行为:面一面接触单元支持多种力学表面作用模式,通过KEYOPT(12)选择接触面行为。
KEYOPT(12)=0代表标准接触模式,即法向单向接触。在接触分离时,法向压力等于0。
KEYOPT(12)=1代表理想粗糙接触模式,用来模拟无滑动,表面完全粗糙的摩擦接触问题,这种模式对应摩擦系数无限大,因此忽略输入的摩擦系数MU。
KEYOPT(12)=2代表不分离接触模式,接触面和目标面一旦接触,在其后的分析中就连在一起,但容许相对滑动。
KEYOPT(12)=3代表绑定接触模式,目标面和接触面一旦接触,随后就在所有方向上绑定。
KEYOPT(12)=4代表不分离接触模式,接触积分点初始在Pinball 区域内或一旦接触,就总是沿接触面的法线方向将目标面和接触面连在一起,但容许滑动。
KEYOPT(12)=5代表绑定接触模式,接触积分点初始在Pinball 区域内或一旦接触,就总是沿接触面的法向和切线方向将目标面和接触面绑定在一起。
KEYOPT(12)=6代表绑定接触模式,初始处于接触的接触积分点保持与目标面接触,而初始处于分离状态的接触积分点,在整个分析期间保持分离状态。这个选项与在初始接触的区域应用CEINTF类似。

初始接触条件:在建立接触对时,我们必须注意接触对模型必须刚好接触,有时候,建模时刚好接触,但实际因网格划分的数值舍入,的那元网格间可能会产生小的间隙或者侵入。解决该问题,ANSYS提供了多种解决方法,其中最方便的是通过实常数CNOF定义接触面偏移,ANSYS可以自动的提供刚好闭合间隙或者减小初始侵入值的CNOF,通过KEYOPT()5设置如下:KEYOPT(5)=1;闭合间隙;KEYOPT(5)=2:减少初始侵人;KEYOPT(5)=3;闭合间隙或减少初始侵入。此外,还有其它的调节方式,其基本原理就是调节接触面和目标面进行偏移,详细说明大家更具需求查看ANSYS帮助文件。

刚性目标面和导向节点:刚性目标面一般可采用命令TSHAP创建目标单元。二维情况下,刚性目标面的形状可以是一系列直线,圆弧和抛物线描述(用TARGE169单元表示)。在3D情况下﹐目标面的形状可以通过三角面、圆柱面、圆锥面和球面描述(用TARGE170单元表示)。刚性目标面可用“导向节点(Pilot Node)”控制整个目标面的运动,导向节点实际上是一个只有一个节点的单元,因此可以把导向节点作为刚性目标的控制器。整个目标面的力或力矩、转动或位移只通过导向节点表述,导向节点可能是目标单元中的一个节点,也可能是一个任意位置的节点。只有当需要转动或力矩荷载时,导向节点的位置才重要。如果用户定义了导向节点,则ANSYS程序只在导向节点上检查边界条件,而忽略其他节点上的任何约束。为控制整个目标面的边界条件和运动,在下列情况时必须使用导向节点1)目标面上作用着给定的外力;(2)目标面发生旋转;3)目标面和其他单元相连,如结构质量单元MASS21等;(4)目标面的运动有平衡条件调节。
目标单元与接触单元的生成:生成目标单元有ESURF法、直接生成法(又分TSHAP法和常规法)和网格工具法,而生成接触单元有EINTF或 ESURF法、直接生成法(仅有常规法)和网格工具法。EINTF是生成两节点单元的命令,而ESURF是在既有面或单元上覆生成单元的命令。TSHAP是生成刚性目标面的工具命令,常规法是先定义节点(N命令)再创建单元(E命令)的方法。网格工具法是利用分网工具的工具命令,常规法是先定义节点(N命令)再创建单元(E命令)的方法。网格工具法是利用分网工具(KMESH,LMESH、AMESH 命令)等生成目标单元或接触单元。这几种方法各有特色,一般采用ESURF法。对柔性目标面一般采用命令ESURF沿现有网格的边界生成目标单元,而对刚性目标面一般采用直接法中的命令TSHAP。命令TSHAP可通过实常数R1和R2定义目标单元(TARGE169 和TARGE170)的形状。接触单元一般采用命令EINTF或ESURF生成,直接生成法中的常规法显然应用不便,而采用网格工具生成接触单元也不如ESURF方便。
接触单元生死选项:在一些复杂的接触过程分析,我们会控制什么时候接触起作用,什么时候接触不起作用。这时候就要定义接触单元的生死。面面接触的接触单元和目标单元允许激活或杀死,而且也跟随其下覆单元的死活状态。该选项可用于模拟复杂的金属成型过程,在不同的分析阶段,有多个刚性目标面需要和接触面相互作用,回弹模拟常常需要在成型过程的后期移走刚性工具。该选项不能用于不分离或绑定接触。
接触摩擦模型:目前,ANSYS主要提供库伦摩擦,静摩擦系数和动摩擦系数三种定义摩擦的模型,引入摩擦,刚度矩阵是非对称的,就会用到不对称的求解器,因此计算时间往往会更多。

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