概述

接觸問題屬于狀態非線性問題,是一種高度非線性行為,需要較多的計算資源,為了進行更為有效的計算,理解問題的特征和建立合理的模型是很重要的。

接觸問題存在兩個較大的難點:其一,在求解問題之前,不清楚接觸區域的范圍,表面之間是接觸是分離是未知的,并且隨載荷、材料、邊界條件及其他因素而變化;其二,接觸問題長需計算摩擦力,各種摩擦模型都是非線性的,使問題的收斂更加困難。

接觸問題的分類

接觸問題有兩個基本類型:剛體-柔體的接觸,柔體-柔體的接觸。在剛體-柔體的接觸問題中,有的接觸面與它接觸的變形體相比有較大的剛度而當做剛體。一般情況下,一種軟材料和一種硬材料接觸時,問題可以被近似為剛體-柔體的接觸,許多金屬成型問題歸為此類接觸。而柔體-柔體的接觸,更是一種普遍的類型,此時兩個接觸具有近似的剛度,都為變形體。

ANSYS的接觸方式

在ANSYS中通過接觸單元來識別可能的接觸匹對,接觸單元是覆蓋在模型可能接觸面上的一層單元。ANSYS支持3種接觸方式:點-點、點-面、面-面的接觸,每種都有相適用的單元。

1 點-點接觸

 主要用于模擬點-點的接觸行為。為了使用點-點接觸單元,需要預先知道接觸位置,這類問題只適用于接觸面之間有較小滑動的場合。如果兩個接觸面上的節點一一對應,相應滑動又忽略不計,兩個面撓度(轉動)保持較小量,那么就可以用點-點接觸單元來模擬該類問題,過盈裝配問題是用點-點接觸單元模擬面-面接觸的典型例子。

2 點-面接觸主要用于模擬點-面接觸行為。通過節點定義一個接觸面,而面既可以是剛體也可以是柔體。使用這類接觸單元,不必預先知道準確的接觸位置,接觸面之間也不需要保持一致的網格,并且允許有較大的變形和大的相對滑動。一個典型例子就是模擬插頭插入插座。

3 面-面接觸

 將剛性面作為目標面,將柔性面作為接觸面處理。

接觸分析的步驟

1 面-面的接觸分析

 面-面接觸分析模擬剛體-柔體、柔體-柔體的面-面接觸。將剛性面作為接觸面處理,這兩個面合起來稱為解除對。使用單元類型TARGE169和CONTA171或CONTA172來定義二維接觸對,使用單元類型TARGE170和CONTA173或CONTA174來定義三維接觸對,ANSYS通過相同的實常數號來識別接觸對。

步驟一:建立模型并劃分網格

需要建立代表接觸體的實體模型,與其他分析過程一樣,要設置單元類型、實常數、材料特性等,并用恰當的單元類型為接觸體劃分網格。

步驟二:識別接觸對。

ANSYS通過目標單元和接觸單元的定義來判斷潛在的接觸面,目標和接觸單元會跟蹤變形階段的運動。

不同的接觸對必須通過不同的實常數號來定義。由于幾何模型和潛在變形的多樣性,有時候一個接觸面的同一區域可能和多個目標發生接觸關系。此時應該定義多個接觸對(使用多組覆蓋層接觸單元),每個接觸對有不同的實常數號。

步驟三:定義目標面和接觸面。

對于剛體-柔體的接觸問題,將剛性面定為目標面,將柔性面定義為接觸面。在二維情況下,剛性目標面的形狀可以用一系列直線、圓弧和拋物線來描述,或者用他們的任意組合來描述復雜的目標面。在三維情況下,目標面的形狀可以用三角面、圓柱面、圓錐面和球面來描述,對于復雜、任意形狀的目標面,應用三角面來描述。

對于柔體-柔體的接觸問題,應按下列原則來定義目標面和接觸面:凸面定義為接觸面,凹面定義為目標面;細網格定義為接觸面,粗網格定義為目標面;較軟的面定義為接觸面,較硬的面定義為目標面;高階單元面定義為接觸面,低階單元面定義為目標面;較小的面定義為接觸面,較大的面定義為目標面。

為了定義柔性體的接觸面,必須使用接觸單元CONTA171或CONTA172來定義二維表面,用CONTA173或CONTA174定義三維表面,接觸面和目標面的實常數號必須相同。

步驟四:設置實常數和單元選項。

ANSYS使用實常數和單元選項來控制面-面接觸單元的接觸行為。實常數包括:FKN(法向接觸剛度因子)、FTOLN(最大穿透范圍)、ICONT(初始靠近因子)、PINB(pinball 區域)、PMIN和PMAX(初始穿透范圍)、TAUMAX(最大的接觸摩擦)、CNOF(接觸面偏移值)、FKOP(接觸發生時的剛度因子)等。

步驟五:控制剛性目標的運動

剛性目標面是按實體的原始外星來建立的,而整個面的運動是通過“plot”節點給定的位移來定義的。每個目標面只能有一個plot節點。圓、圓弧、圓錐、圓柱、球只能定義第一個節點為plot節點。載荷和邊界條件只能施加在plot節點上,只有plot節點能與其他單元相連。為了控制目標面的運動,在下列任一情況下必須使用plot節點:目標面上作用著給定的外力、目標面發生旋轉、目標面和其他單元相連(例如結構質量單元)。

步驟六:施加必要的邊界條件。

步驟七:定義求解和載荷步選項

接觸問題的收斂性隨問題的不同而不同,下面列出了在大多數面-面接觸分析中都推薦使用的一些選項:

打開自動時間步長,Main Menu——Solution——Load Step Opts——Time/Frequence——Time and Substeps

選擇完全牛頓-拉普森迭代,關閉自適應下降因子,Main Menu——Solution——Analysis Type——Analysis Options

設置合理的平衡迭代次數(25-50),Main Menu——Solution——Loads Step Opts——Nonlinear——Equilibrium iter。

打開時間步長預測器選項,Main Menu——Solution——Loads Step Opts——Nonlinear——Predictor。

使用線性搜索選項來計算穩定化,Main Menu——Solution——Loads Step Opts——Nonlinear——Line search。

步驟八:求解

步驟九:查看結果

接觸分析的結果包括常規的位移、應力、應變,還有接觸壓力、滑動等接觸信息。可以使用POST1或POST26后處理器查看結果。

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