干貨 | 接觸非線性應用——解決ANSYS 接觸不收斂問題的方法

2017-11-07 by:CAE仿真在線來源:互聯網

根據ANSYS的使用者反饋,針對非線性接觸問題上的求解,經常會有客戶出現不收斂的情況,在調試收斂性上花費大量的時間。本文主要針對ANSYS 接觸不收斂問題進行方法上的技巧總結,希望通過本文使大家在ANSYS軟件的使用上有更好的體驗。

ANSYS接觸不收斂的原因有非常多的原因,針對每一種不收斂問題,選擇正確的方法都能使不收斂問題解決變得容易起來。在使用軟件中,ANSYS接觸不收斂原因主要有下面這些原因:

1、接觸算法的不正確選擇;

2、遺漏了相關的接觸對;

3、物體之間接觸剛度過大;

4、求解的載荷步較少;

5、奇異;

6、結構發生了剛體位移;

7、結構發生振蕩現象;

下面針對這些原因的解決辦法進行詳細的講解:

1接觸算法的選取原則

ANSYS內部大體上包括5種算法,Pure Penalty,Augmented Lagrange,MPC,Pure Lagrange,Beam。

算法	應用范圍
Pure Penalty	Workbench默認算法,計算速度快
Augmented Lagrange	ANSYS經典界面默認算法,計算精度較高,收斂性好
Multipoint Constraint (MPC)	經常和Bonded聯合使用,用于大模型的裝配定義,可大大降低計算時間,還或用于不同類型單元之間的連接
Lagrange	常用于模擬接觸面之間零穿透并且存在摩擦的情況,例如模擬橡膠——金屬之間的接觸
Beam	主要計算梁與梁之間的接觸(使用較少)

在大多數情況下,針對非線性接觸問題時候,Augmented Lagrange是最好的收斂算法;當需要研究結構的振蕩問題時,由于考慮零滲透問題,選擇使用Lagrange方法能更好的提高精度,同時由于零滲透的原因使得計算時間變得更長。

針對非線性接觸問題,方法的正確選擇,可以使得收斂困難的問題變得容易收斂。

2遺漏接觸對

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圖1、擠壓變形示意圖

如圖1所示,擠壓一個塑性材料結構,結構在外力的作用中,中端出現了褶皺,形成了自接觸現象。很多時候工程師由于對工程問題的不夠了解,使得相關的接觸對發生了遺漏。這一部分遺漏的接觸對,使得結構發生變形后單元發生了畸變,不僅影響仿真計算結果精度,在很大程度上使得單元發生扭曲造成結構的不收斂現象。

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圖2、解除對的正確建立

除了保證接觸對的正確生成,在另外一個層面上,還需要建立正確的接觸對形式,如圖2所示,第一種法法將每一個面與對應的面生成接觸對,第二種方法將接觸對進行整合,作為一個接觸對。兩種方法雖然在形式上都是正確的,然而使用第一種方法時,結構在兩個接觸對交接處會數值由于偏差,往往使得接觸的收斂變的困難;而第二種方法將接觸的面作為一個單一接觸能避免這種問題的出現,使得接觸的收斂性更好。

3接觸剛度大

ANSYS求解接觸問題的時候,接觸剛度對收斂性影響顯著。大多數情況下缺省設置有效,但對于以彎曲為主的接觸問題,這種缺省設置往往是不能解決問題的。當接觸不好收斂的情況下,通過查看收斂曲線,會發現收斂曲線會平行于收斂準則。如下圖所示,分別使用FKN=0.1和FKN=0.01兩種情況下的接觸對收斂曲線,發現選擇較小的罰剛度值(FKN),可以是接觸收斂更容易。

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當調整接觸剛度后,雖然可以調節結構的收斂性,然而接觸由于剛度的變化使得滲透量變大,因此需要查看結果中結構之間的滲透量,對結果精度進行判斷。

4載荷步少

在求解非線性問題的時候,初始時間步必須不斷的調試,使得結構的收斂曲線會在收斂半徑以內。

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如果對于大變形問題,通常需要更多的子步,用以捕捉模型受力過程,復雜的載荷則需要使用重啟動來多次條件時間步長。

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5奇異

結構發生奇異,收斂困難的原因,很多情況都是在物理意義上,有限元模型不準確造成的。例如:如果使用點載荷去做塑性分析,將沒有辦法獲得收斂結果。因為節點上產生了奇異,局部的奇異會使得整個結構不收斂。這個對于接觸分析也是一樣的。如果使用簡化的結果或者使用太粗的網格,造成的接觸區域是點接觸,那么很有可能使問題不收斂。