ansys培训教程接触

ANSYS TRAINING 接触分析 ANSYS TRAINING 接触介绍 什么是接触 ? 当两个分离的表面互相碰触并互切 时 , 就称它们处于 接触状态 . 在一般的物理意义中 , 处于接触 状态的表面有下列特点 : 不互相穿透 . 能够传递法向压力和切向摩擦力 . 通常不传递法向拉力 . 因此 , 它们相互间可以自由地分开并远 离 . ANSYS TRAINING 接触介绍 本章将通过以下主题介绍非线性接触分析 : A. 基本概念 B. 利用接触向导 C. 求解 D. 后处理 E. 练习 F. 装配接触 目的是通过 “ 简单 ” (容易收敛 )模型 , 介绍接触 分析过程 . ANSYS TRAINING 接触介绍 A. 基本概念 接触是 状态改变 非线性 . 也就是说 , 系统的刚 度依赖于接触状态 : 状态 = 开 状态 = 闭合和粘 结 状态 = 闭合和滑动 ANSYS TRAINING 接触介绍 . 基本概念 接触是高度非线性 , 因为随着接触状态的改变 , 接触表面的法向和切向刚度都有显著的变化 . 刚度方面大的突变通常会导致严重的收敛困难 . u F 开接触 闭接触 ANSYS TRAINING 接触介绍 . 基本概念 其它使接触分析复杂化的因素包括 : 典型地 , 在分析开始时 , 接触区域 未知 . 大多数接触问题包括 摩擦 . 摩擦是路径相关的 (能量耗散 )现象 , 需要用较小的时间步和 精确的载荷历史 . 摩擦响应可能是混沌的 , 使求解收敛困难 . 除了和其他部件接触 , 部件可能是 无约束 的 . 在建立接触之前 , 这样的部件初始为无约束自由体 , 整体 刚度为零 . 静态分析中 , 无约束自由体在数学上是不稳定的 , 求解 “ 溢 出 ” . ANSYS TRAINING 接触介绍 . 基本概念 幸好 , 目前的 ANSYS 接触技术能够相当容易地分 析类型广泛的接触模型 . 许多模型只需很少的用户参与就能成功地求解 . 对于那些显示出收敛行为比较困难的模型 , 有丰 富的接触单元选项来帮助克服这样的困难 . 在 高级接触和螺栓预紧 培训手册中讨论了这些更高级的 内容 . ANSYS TRAINING 接触介绍 . 基本概念 接触分类 接触问题通常分为两类 : 刚性体 -柔性体 和 柔性体 -柔性体 . 刚性体 - 柔性体 一个或更多的接触表面看作刚性体 (一个表面与其它表面 相比 , 刚度显然要大得多 ). 许多金属成形问题可归为此类 . 不计算刚性体内的应力 柔性体 - 柔性体 两个或所有的接触体都可变形 (所有表面的刚度相近 ). 螺栓结合凸缘连接就是柔性体 - 柔性体接触的例子 . ANSYS TRAINING 接触介绍 . 基本概念 刚性体 -柔性体接触 刚性表面 变形体 ANSYS TRAINING 接触介绍 . 基本概念 柔性体 -柔性体接触 花键轴过盈配合 , 两个零件 都是柔体 . ANSYS TRAINING 接触介绍 . 基本概念 接触协调 实际接触体相互不穿透 . 因此 , 程序必须在这两 个面间建立一种关系 , 防止它们在有限元分析中 相互穿过 . 当程序防止相互穿透时 , 称之为 强制接触协调 . F 目标面 接触面 当没有强制接触协调时 , 发生穿透 . F ANSYS TRAINING 接触介绍 . 基本概念 接触协调 罚函数法 强制接触协调的 罚函数法 , 用一个接触 “ 弹簧 ” 在两个面间建立关系 . 弹簧刚度称为 惩罚参数 , 或者更通俗一点 , 就是 接触 刚度 . 当面分开时 (开状态 ), 弹簧 不起作用 ；当面开始穿透时 (闭合 ), 弹簧起作用 . 弹簧偏移量 满足平衡方程 : F = k 式中 k 是接触刚度 . F ANSYS TRAINING 接触介绍 . 基本概念 接触协调 罚函数法 数学上要求有限的穿透量 在交界面处产生接触 力 平衡需要此接触力 . 因此 , 为了平衡 , 必须大于零 . 然而 , 实际的接触体相互不穿透 . 因此 , 为了最高的精度 , 目的是使发生在接触界 面处的穿透量最小 . 最小的穿透给出最大的精度 . 这意味着 , 理想的接触刚度应该是个非常大的 值 然而 , 太大的接触刚度会引起收敛困难 . ANSYS TRAINING 接触介绍 . 基本概念 如果接触刚度太大 , 一个微小的穿透将会产生一个过大的 接触力 , 在下一次迭代中可能会将接触面推开 . 用太大的接触刚度通常会导致收敛振荡 , 并且常会发散 . 迭代 n 迭代 n+1 F F F接触 F 迭代 n+2 ANSYS TRAINING 接触介绍 . 基本概念 接触协调 lagrange乘子法 另外一种方法 , lagrange乘子 法 , 增加一个附加 自由度 (接触压力 )，来满足不可穿透条件 . F ANSYS TRAINING 接触介绍 . 基本概念 接触协调 增广 lagrange法 多数 ANSYS 接触单元可以将罚函数法和 lagrange乘子法结合起来强制接触协调 . 称之 为 增广 lagrange法 . 在迭代的开始 , 接触协调基于罚刚度确定 . 一 旦达到平衡 , 检查 穿透容差 . 此时 , 如果有 必要 , 接触压力增加 , 迭代继续 . F 穿透容差 ANSYS TRAINING 接触介绍 . 基本概念 面 - 面接触单元 ANSYS 中最常用的接触单元是 面 -面单元 . Targe169(2D) 和 170(3D) 刚性或可变形的目标面 Conta171(2D)、 172(2D)、 173(3D)、 174（ 3D） 可变形的接触面 这些单元非常适合面 -面接触的情况 , 如过盈装 配接触 , 啮合接触 , 锻造和深拉 . ANSYS TRAINING 接触介绍 . 基本概念 面 -面接触单元 这些接触单元采用 接触对 概念 , 接触对由 目标面 和 接触面 组成 . 面 -面接触单元象皮肤一样覆盖在下面的有限元模型上 . 用独立的单元类型定义目标面和接触面 . 接触对通过 共用实常数组 来识别 . 接触面上的接触单元 (实常数 = N ) 目标面上的目标单元 (实常数 = N ) ANSYS TRAINING 接触介绍 . 基本概念 面 -面接触单元 ANSYS 支持 刚性体 -柔性体 和 柔性体 -柔性体 的面 -面 接触模型 . 柔性体 -柔性体接触模型有 可变形的 目标面 , 只要目 标单元覆盖在可变形的单元上 , 就创建了目标面 . 刚性体 -柔性体接触模型有 刚性目标面 , 该目标面不覆 盖在任何可变形的单元上 . 刚性目标单元 接触单元 下层网格 ANSYS TRAINING 接触介绍 . 基本概念 面 -面接触单元 面 -面接触单元用 增广 lagrange法 强制接触协 调 ( 缺省 ). 广义 lagrange 法采用接触刚度和穿透容差 . 对于 “ 简单 ” 接触模型 , 正常情况需要给出接 触对的三个特征 : 接触刚度值 . 穿透容差值 . 还需要确定接触对中哪一个面应该是 目标面 , 哪一 个面应该是 接触面 . ANSYS TRAINING 接触介绍 . 基本概念 接触刚度 接触刚度 是影响精度和收敛行为的最重要的参数 . 已经知道较大的刚度精度高 , 但收敛困难 . 必须仔细地确定一个适当的接触刚度值 . “最好的 ” 值经常是与问题相关的 . 程序提供的缺省值可能不适合 . 可能要求做一些试验去确定一个适当的值 , 使产生的收 敛解具有可以接受的精度 . ANSYS TRAINING 接触介绍 . 基本概念 接触刚度 对于面 -面接触单元 , 用一个系数 (FKN)给出接触刚度 . 也就是说 , 程序通过对下层单元的刚度乘以该系数来确定 接触刚度 . k接触 t = FKN x f(k下层 ) 对于面 -面接触单元 , 接触刚度的单位是单位面积的刚度 , 或 (F/L)/(L2). 接触刚度的一个较好值经常通过使接触刚度等于下层单元 的刚度获得 . 作为起始估计 , 尝试 : 对于接触中的大块实体 , FKN = 1.0. 对于柔性较大 (弯曲为主 )的部件 , FKN = 0.1. ANSYS TRAINING 接触介绍 . 基本概念 接触刚度 有时 , 一个模型的不同区域可能需要有不同 的接触刚度 . 大块实体接触 ; 试用 FKN = 1.0 柔性接触 ; 试用 FKN = 0.1 ANSYS TRAINING 接触介绍 . 基本概念 接触刚度 需要确定结果对接触刚度是否敏感 . 选择一个好的刚度值可能需要一些试验 ,下面的 步骤可以用于静态、非路径相关分析的指南 : 1.改变接触单元选项 , 允许接触刚度在重启动期间可以 修改 , KEYOPT(10)=1. 2.开始时采用一个 “ 软的 ” FKN 可以帮助克服收敛困难 . 3.运行分析 , 直到最终载荷 . 4.检查对分析比较重要的一些结果 (如等效应力 ,接触压 力等 ). ANSYS TRAINING 接触介绍 . 基本概念 接触刚度 5.增大 FKN 并 重启动 求解 . 6.再检查结果 . 7.重复步骤 5和 6, 直到达到所预期的收敛 . SEQV FKN 寻找 FKN 值 , 超过此值 , 结果 不发生显著的改变 . ANSYS TRAINING 接触介绍 . 基本概念 接触刚度 作为一个例子 , 对于一个轴上套环的过盈配合分析 , FKN 是变化的，等效 von Mises应力的最大值被监控 . 在这种特殊情况下 , FKN 1.0 经证明可以给出足够的精度 . F K N M a x . S E Q V 0 . 0 0 1 4 , 0 0 0 0 . 0 1 2 0 , 0 0 0 0 . 1 6 5 , 0 0 0 1 9 1 , 0 0 0 10 9 2 , 9 0 0 100 9 3 , 0 0 0 ANSYS TRAINING 接触介绍 . 基本概念 穿透容差 穿透容差 也影响收敛和精度 , 尽管影响程度没 有接触刚度大 . 当穿透容差严格时 , 精度可以改善 , 但是更难以收 敛 . 和接触刚度一样 , 以 系数 (FTOLN)的方式确 定穿透容差 . 程序通过将下层单元的深度 (h)乘以所给 出的系数确定穿透容差 . 穿透容差 = FTOLN x h ANSYS TRAINING 接触介绍 . 基本概念 穿透容差 不要用一个软 FKN 和一个紧 FTOLN. 如果接触刚度达到强制协调的最好效果 , 通常会得到最 好的收敛行为 . 用合理的刚度值 FKN. 用合理的 FTOLN 值 “ 协调 ” 穿透 . 太小的 FTOLN 值将导致收敛困难 . 千万别用太小的容差值 ! 增大惩罚刚度 (FKN)将减少穿 透 . 尽管增大 FKN 100倍通常相应地会减少穿透 , 然而其它重 要项 , 如接触压力 , 可能至少会改变 5%. ANSYS TRAINING 接触介绍 . 基本概念 指定接触面和目标面 程序通过一组离散的接触点 (单元高斯点 )定义 接触 面 . 程序将 目标面 定义为连续面 . 两个面可以在高斯点之间相互穿透而不识别接触 , 这会引起误差 . 目标面 接触面 在高斯点之间 ,目标面可 以穿透接触面 . ANSYS TRAINING 接触介绍 . 基本概念 指定接触面和目标面 通过仔细地指定目标面和接触面 , 可以减少不能 识别的穿透 . 然而 , 对于刚 -柔接触 , 目标面和接触面的选择 是不能改变的 . 刚性面必须 总是 目标面 . 钢轴 (刚性 )必须是目标 橡胶罩 (柔性 )必须是接触面 ANSYS TRAINING 指定接触和目标面 对于柔 -柔接触 , 通过使接触点数达到最大可以获得最好 的精度 . 当指定柔 -柔接触时，接触面和目标面的选择可以按如下准 则进行 : 如果一个面网格粗 , 另一个面网格细 , 粗网格面应该是目标面 . 考虑如果颠倒此指定 , 会发生什么现象 : 接触介绍 . 基本概念 x x x x 如果更细的网格是目标面 , 它将跨过高斯点“下垂” , 象图示那样穿透 . ANSYS TRAINING 接触介绍 . 基本概念 指定接触和目标面 指定接触和目标面的其它准则 : 如果一个凸面与一个平面或凹面进入接触 , 平面和凹面 应该是目标面 . 如果一个面比另一个面更硬 , 较硬的面应该是目标面 . 如果一个面是高阶 , 另一个面是低阶 , 低阶面应该是 目标面 . 如果一个面比另外一个面更大 , 较大的面应该是目标面 . ANSYS TRAINING 接触介绍 . 基本概念 刚性目标面 -导向节点 缺省时 , 程序自动约束刚性目标面 . 也就是说 , 自动地将目标面的位移和转动 设定 为零 . 要模拟刚性目标的更复杂行为 , 可以创建一个特 殊的单节点目标单元 , 称为 导向节点 . 该单元通过具有相同的实常数属性与目标面联系起来 . 对于整个刚性面 , 导向节点起 手柄 的作用 . 可以对导向节点指定非零的位移 ,转动 ,力和 /或力矩模拟 目标面的刚体运动 . 注意如果存在导向节点 , 程序将 不 自动约束刚性面 . ANSYS TRAINING 接触介绍 . 基本概念 导向节点 导向节点可以在任意位置指 定 . 这允许刚性目标面的 一般转动 . 仅仅导向节点可以与其它单 元发生联系 . 例如 , 要考 虑刚性体的质量 ,在导向节 点处定义一个质量单元 (MASS21). 每个刚性目标面只能有一个 导向节点 . 刚性面转动 导向节点 (在 转动的中心 ) ANSYS TRAINING 接触介绍 . 接触向导 导向节点 刚性目标面可以与 “ 导向节点 ” 联系起来 , 导向节点的 运动控制目标面的运动 . 可以在导向节点上为整个目标 面确定力 , 位移和 /或转动 .可以认为导向节点是整个刚 性面的手柄 . 如果定义一个导向节点 , ANSYS 仅在导向节点上检验边 界条件而忽略目标面上其它节点的约束 . 导向节点可以通过对关键点划分网格生成 , 或通过采用 和目标单元相同的单元属性直接生成 . ANSYS TRAINING 接触介绍 . 接触向导 导向节点 (续 ) 接触向导不能为刚性目标面创建 导向节点 . 要创建一个导向节点 , 必须用划分网格或直接生成的办法 : 首先 , 为目标单元设置单元属性 (材料属性 ,实常数和单 元类型 ). 记住对接触对的余下部分要用相同的实常数号 . 然后对关键点划分网格 , 此关键点位于导向节点所要求 的位置 . 已经知道导向节点可以在任何位置 -它不需要实际地附于其它目 标单元 . 另一种办法 , 直接生成 , 为目标单元形状设置一个附 加属性 (TSHAP,PILO), 然后在所要求的节点处创建单元 . ANSYS TRAINING 接触介绍 B. 接触向导 面 -面接触单元可以用标准的单元生成过程创建 : 建立单元 TYPE, REAL 和 MAT 数据 , 设置单元属 性 , 指定目标和接触面 , 然后划分网格或用 ESURF 命令操作 . 这个过程在创建接触对时 “ 费心劳神 ” . 值得庆幸的是 , 有个更好的办法 . ANSYS TRAINING 接触介绍 . 接触向导 接触向导 为大多数接触问题提供了一个简单的办 法来构造接触对 .接触向导将引导创建接触对的过 程 . Preprocessor Create Contact Pair Contact Wizard ANSYS TRAINING 接触介绍 . 接触向导 接触向导的好处 : 自动定义单元类型和实常数设置 迅速接近接触选项和参数 接触对浏览工具 迅速显示和反转接触法向 只有对模型的部分 划分网格 后 , 才能用接触向导 . 在启动向导创建柔 -柔接触模型之前 , 对用作接触对的 模型的所有部件划分网格 . 要创建刚 -柔接触模型 , 只需对用作柔性接触面的模型 的部件划分网格 . ANSYS TRAINING 接触介绍 . 接触向导 如何对连接器模型添加一个接触对 . 首先 , 指定 刚性或柔性 目标类型 (如果选择可用 ), 并拾取目标面 . 可以根 据模型中现有的实体 , 拾取节点、节点组、线或面 . ANSYS TRAINING 接触介绍 . 接触向导 然后 , 拾取接触面 . 同样 , 根据模型中现有的实体 , 可以再次拾取节点、 节点组、线或面 . ANSYS TRAINING 接触介绍 . 接触向导 点击 Optional setting 按钮 , 确定一般接触行为的技术条件， 收敛工具、摩擦影响、目标约束、热界面参数和其它各种参 数 . ANSYS TRAINING 接触介绍 . 接触向导 最后 , 点击 Creat 按钮创建该接触对的接触和目标单元 . 用于该接触对的实常 数号是相同的 . 接触对中的单元自动画出 , 打开单元坐标 系 (ESYS)符号 , 来显示单元的外法向方 向 . 如果有错误法向 , 现在就可以将它们 翻转过来 . ANSYS TRAINING 在接触对创建之后，任何时候都可以用此向导去查 看并列表接触单元 . 接触介绍 . 接触向导 ANSYS TRAINING 也可以用此向导修改与接触对相联系的实常数和 材料常数 . 接触介绍 . 接触向导 ANSYS TRAINING 接触介绍 . 接触向导 另一种方法 , REAL 和 Material 常数也可以通过 传统的前处理 GUI或 R,和 MP,命令被修改 . 具体请参看命令手册 . 或 R, 或 MP, ANSYS TRAINING 接触介绍 . 接触向导 还可以用此向导删除接触对 . ANSYS TRAINING 面 -面接触单元提供了三个自由度选项 : 结构 : UX, UY, 和 UZ 结构和热 : UX, UY, UZ 和 TEMP 热 : TEMP (对纯热接触问题 ) 当用此向导创建接触对时 , 接触单元自由度选项 自动基于下层单元的自由度设置 . 不需要调整 . 面 -面接触单元的自由度也可以通过命令设置 : Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete 接触介绍 . 接触向导 ANSYS TRAINING 接触介绍 . 接触向导 Basic 表 包含所有与接触行为和收敛相关的一般参数 . 指定参数是缺省的缩放系 数或常数 ANSYS TRAINING 接触介绍 . 接触向导 Friction 表 包含接触界面上所有和静态和动态摩擦有关的参数 ; 也允许在接触界面上定义最大摩擦应力 . MU = MUK*(1+(FACT-1)exp(-dc*VREL) 式中 : MU = 摩擦系数 MUK = 动态摩擦系数 VREL = 两接触面间的相对滑动速率 FACT = 静态与动态摩擦系数的比 . dc = 衰变指数比率 ANSYS TRAINING 接触向导高级功能 Initial Adjustment 表 包括先前的穿透和表面补偿参数 (具体指导请参看 培训 课程 .) ANSYS TRAINING 接触向导高级功能 MISC 表 防止伪接触 , 梁 /壳厚度效应和接触检测点的位置 , 高斯点或节点 (在 培训课程中详细讨论 ) ANSYS TRAINING 接触向导高级功能 Rigid target 表 指定约束和高阶目标单元选项 (在 培训课程 中详细讨论 ) ANSYS TRAINING 接触向导高级功能 Thermal 表 所有的热接触参数 , 包括表面辐射场附近的接触传导性 , 摩擦生热因 素 (在 培训课程中详细讨论 ) ANSYS TRAINING 接触介绍 C. 求解 自动求解控制 , 包括面 -面接触单元的缺省选项设置 , 对于大多数接触分析通常都能相当稳定的求解 . 如果遇到收敛困难 , 一般是由如下三个原因中的一个或 几个引起的 : 接触刚度值太大 . 穿透容差值太紧 . 最小时间步长太大 . 要改善收敛 , 试着按如下次序修改你的模型 : 减小 FKN. 增大 FTOLN. 减小最小时间步长 (或增大最大子步数 ). ANSYS TRAINING 接触介绍 . 求解 如果修改了 FKN, FTOLN以及时间步长 , 模型还 不收敛 , 则可能需要用高级接触选项 . 在 培训手册中讨论 . 如果模型包括摩擦 , 因为摩擦是一种路径相关 的现象 , 所以为了准确 , 需要用小的时间步长 . 注意在接触求解中 , 所有的平衡迭代在第一个 子步的二分前进行 , 以帮助建立初始接触条件 . ANSYS TRAINING 接触介绍 D. 后处理 接触模型的结果将包括许多与接触有关的附加项 . 一些更 常用的项包括 : STAT 接触状态 PENE 穿透 GAP 间隙 PRES 接触压力 SFRI 摩擦应力 这些项与 接触 单元 (不是目标单元 )联系在一起 , 并且在 GUI 中很容易得到 . 用通用后处理器 , 可以按节点 (平均 )或单元 (不平均 )等值线图对 这些项进行显示 . 对于接触分析 , 动画图特别有帮助 . 用时间 -历程后处理器 , 可以将这些项作为时间 -历程变量画出来 . ANSYS TRAINING 接触介绍 . 后处理 接触状态 是指定接触单元当前状态的一个整数 : STAT = 0: 开但不邻近接触 . STAT = 1: 开 , 但邻近接触 . STAT = 2: 闭合并滑动 . STAT = 3: 闭合并粘着 .