技巧 | 接觸非線性應用(二)

2017-10-25 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

在上一期內(nèi)容中,介紹到接觸非線性不收斂的一些原因以及解決辦法,這一節(jié)我們就著對接觸非線性的一些技巧做更多介紹。本文主要通過六個方面介紹接觸非線性的應用:

1、設置正確的單位系統(tǒng)

2、網(wǎng)格質(zhì)量

3、合理使用Worksheet

4、接觸的離散化

5、接觸探尋方法

6、Pinball半徑的選擇

1設置正確的單位系統(tǒng)

在Workbench中,在設置單位制度時候,可以根據(jù)自己的需求進行多次單位制的更改,然而同一個數(shù)據(jù)在不同的單位制下都可能由于計數(shù)位的不同而導致錯誤。因為在不同的單位制中,計算中的容差、精度、或者數(shù)值等都會發(fā)生改變。單位系統(tǒng)造成收斂困難主要是由于接觸的長度太短、彈性模量或者力/質(zhì)量數(shù)值太大導致的。因此在這個地方建議大家使用mm-N的單位去處理大多數(shù)的接觸模型。

2網(wǎng)格質(zhì)量

在接觸非線性應用技巧(二)中我們介紹到網(wǎng)格的奇異性會導致計算的不收斂。在實體仿真計算中出現(xiàn)收斂問題大多都是由于網(wǎng)格質(zhì)量不好造成的。網(wǎng)格的劃分對結構的計算是至關重要的。在網(wǎng)格的質(zhì)量控制中為了便于收斂計算有四小的技巧:

1)Mesh中網(wǎng)格的標準進行選擇;

2)觀察網(wǎng)格的尺寸過渡是否平滑;

3)單元類型選擇;

4)接觸網(wǎng)格加密。

1 、Mesh中網(wǎng)格的標準進行選擇

在有限元計算中,在處理線性問題與非線性問題時候,選擇不同的網(wǎng)格劃分標準,可以使得在處理問題有意外的功效。在Mesh的功能下Quality選項中有一個Error Limits選項。選項下有2種標準:Standard Mechanical和Aggressive Mechanical。在處理線性問題時候可以在Mesh中直接使用Standard Mechanical;在處理非線性問題時候時候建議使用Aggressive Mechanical,能收到不錯的收斂效果。

2、網(wǎng)格的尺寸過渡是否平滑

網(wǎng)格尺寸過渡也包括兩個方面:

1)彎曲結構

在結構當存在彎曲結構時,需要在彎曲面上布置更多的節(jié)點,才能保證計算的連續(xù)性和穩(wěn)定性。當結構在外部載荷作用下發(fā)生彎曲變形的時候同樣需要在彎曲面上劃分較密的網(wǎng)格。

2)網(wǎng)格密度變化的連續(xù)性

在網(wǎng)格劃分時,需要根據(jù)研究的重點對實體上的網(wǎng)格進行局部加密。在設置網(wǎng)格密度時候需要保證網(wǎng)格的變化連續(xù),不能發(fā)生較快的變化。當網(wǎng)格變化較快的時候會導致節(jié)點上數(shù)據(jù)的傳遞出現(xiàn)問題,使得仿真計算不收斂。

3、單元類型選擇

在網(wǎng)格劃分的時候需要保證使用的單元類型盡量保持一致。使用類似的網(wǎng)格單元,比如說混用SOLID185、SOLID186單元的收斂性就比使用SOLID92與SOLID185單元的效果要好的多。和網(wǎng)格尺寸可以避免這一類問題。對接觸面上的網(wǎng)格進行劃分,網(wǎng)格過渡要比較緩慢。

4、接觸網(wǎng)格加密

有限元計算在接觸區(qū)域靠接觸對之間的節(jié)點進行傳遞。接觸區(qū)域較密的網(wǎng)格能保證傳遞的數(shù)據(jù)的正確性,不會由于同一單元不同節(jié)點數(shù)值相差較大而導致計算的不收斂。如下圖,再做接觸分析的時候盡量選擇右邊較密的這種網(wǎng)格形式。

合理使用Worksheet

使用Contact Tool工具可以快速的了解接觸之間的狀態(tài),包括滲透量、間隙值還有接觸類型等相關數(shù)據(jù)。

在使用Contact Tool工具時,會根據(jù)不同的顏色提示不用的接觸狀態(tài)。

接觸的離散化

在接觸區(qū)域除了網(wǎng)格的加密還需要注意單元離散化的類型。

在上圖中有兩種單元類型,左圖是8節(jié)點單元,右圖是10節(jié)點單元。兩種不同的單元類型在計算中有不一樣的表現(xiàn)。在本案例中分析面與面之間的接觸:

單元類型

特點

8節(jié)點單元

1)可以保證接觸更有效;

2)對平面接觸非常有用;

3)僅僅只能對簡單的幾何模型進行網(wǎng)格劃分;

10節(jié)點單元

1)對曲面接觸更有效

2)對復雜的結構的非結構網(wǎng)格更優(yōu)效

3)結果更為平滑

接觸探尋方法

在接觸選項中,接觸的探尋方法不同,求解的結果也有略微的不同;

1、默認的方法(On Gauss Point)

這種接觸探尋方式在結構的轉(zhuǎn)角處會出現(xiàn)誤差

2、Nodal-Normal From Contact和Nodal-Normal To Target

這兩種方法區(qū)別在于是是從接觸面開始探尋還是目標面開始進行探尋。

這種探尋方法使得在平面圖中壓力更加平滑,然而需要更長的的收斂時間,比第一種默認的方法時間增加30%,并且在面與面這種接觸類型不穩(wěn)定。

3、Nodal Projection from contact

通過接觸節(jié)點的投影計算,這種算法耗費的工作量最大,時間時間最長。

Pinball半徑的選擇

在ANSYS內(nèi)部關于接觸有三種狀態(tài):遠場、近場、接觸。這三種狀態(tài)是根據(jù)接觸面與目標面之間距離與Pinball半徑進行比較的。對于干擾問題,確保彈球的半徑大于最大的干擾。在綁定接觸和不分離接觸之間的任何區(qū)域表面接觸或在彈球的半徑將認為是在于接觸。

Pinball半徑是一個在接觸結果中最重要的參數(shù)、通過Contact Tool工具獲得模型之間的最大間隙,設置PINB=最大間隙+最大間隙的十分之一。如果接觸Pinball太大了,將引入一些非接觸的區(qū)域。通常情況下設置較大的Pinball半徑會增加非常多的計算時間。

Case 1:

User defined pinball region PINB 0.10000E-02

Case 2:

Default pinball region factor PINB 1.0000

The resulting pinball region 0.17553E-03

	CASE 1	CASE 2
CPU CONTACT SEARCH	2199.251	57.313
CONTACT ELEMENTS	399.591	236.996
OTHER ELEMENTS	328.731	227.731
EQUATION SOLVER	456.250	416.250
TOTAL SYSTEM	3383.140	938.290