ANSYS--MPC应用

ANSYS,Inc.Proprietary©2004ANSYS,Inc.MPC应用TableofContents1.介绍2.MPC用于SOLID-SOLID,SHELL-SHELL的连接3.MPC用于SOLID-SHELL的连接4.MPC用于SOLID-BEAM和SHELL-BEAM的连接5.MPC用于FE模型与载荷点的连接ANSYS,Inc.Proprietary©2004ANSYS,Inc.MPC应用1.介绍：什么是MPC?•MPC的含义：多点约束LROTZUYUYCE2,,3,1,,2,1,,1,0,2,)(20)2()1()2()()1()()3()2()1()3()2()3()1(ROTZSinLUYUYLROTZSinUYLROTZSinUYMPC对于小转动)(20)3()2()1(ROTZLUYUY431LL2梁实体)1(UY)2(UY)3(ROTZ)(01ijCuCujLjjiANSYS,Inc.Proprietary©2004ANSYS,Inc.MPC应用1.介绍：为什么需要MPC?•连接不同的网格：–如果几何在拓扑上是不连接的，可以分别划分网格，然后用MPC进行连接各FE模型：几何用MPC连接不同的网格应力分布ANSYS,Inc.Proprietary©2004ANSYS,Inc.MPC应用•连接不同的单元类型：–如果在连接区域使用了不同的单元类型，由于节点自由度不同，连通性是不一致的。使用MPC可以使FE模型的连通性一致。几何用MPC连接实体与壳体变形1.介绍：用MPC作什么?ANSYS,Inc.Proprietary©2004ANSYS,Inc.MPC应用•施加远处的载荷：–如果载荷点不在FE模型上，使用MPC可以实现载荷点与FE模型的连接：用MPC连接载荷点和FE模型应力分布1.介绍：用MPC作什么?ANSYS,Inc.Proprietary©2004ANSYS,Inc.MPC应用1.介绍：为什么不用已有的接触算法？•结果可能依赖于接触刚度：–现有的bonded接触算法使用了惩罚方法(penaltymethod)，由于接触刚度(引起病态条件)和穿透，可能会影响结果的精度。•即使对小变形问题也需要大量迭代才能达到满意的平衡。–即使是线性问题，通常也需要迭代。•在模态分析中，有时会出现虚假的自然频率。–这是因为使用了接触刚度。•只处理平移自由度–对于接触面与目标面的距离非零的情况；–不能处理Shell与beam装配的情况。ANSYS,Inc.Proprietary©2004ANSYS,Inc.MPC应用1.介绍：为什么不用已有的接触算法？•只适于小应变的情况–因为现有的CE方法总是使用初始的节点定位；•RBE3约束单元只支持低阶单元–10节点四面体单元是最常使用的单元；•在RBE3的主节点上，不允许施加位移约束。ANSYS,Inc.Proprietary©2004ANSYS,Inc.MPC应用1.介绍：新的MPC方法的优点•MPC方程由软件内部创建：–不需要用户手工定义MPC方程，用户只需将连接视为“绑定”(bonded)接触，ANSYS将自动生成MPC。•接触表面的节点自由度将被自动消除：–这可以提高求解效率。•不需要输入接触刚度：–不再需要通过多次尝试来保证求解精度；•对于小变形问题，它表现为“真线性接触”特性：–求解系统方程时不需要迭代；•对于大变形问题，在每一步迭代时更新MPC方程。ANSYS,Inc.Proprietary©2004ANSYS,Inc.MPC应用1.介绍：新的MPC方法的优点•不仅可以约束平移自由度，而且可以约束转动自由度：–可以改善求解精度，并使solid-shell,shell-shell,solid-beam及shell-beam之间的连接更合理。•对于接触对定义，也很容易生成内部的MPC：–对于了解如何定义接触的用户，也没有什么新东西。•与MSC/Nastran(RBE3型)不同–自动考虑形状函数，不需要权因子；–不仅可以施加力，也可以施加位移约束。ANSYS,Inc.Proprietary©2004ANSYS,Inc.MPC应用过程:1)将连接视为接触面，使用命令或ContactWizard来定义接触面和目标面：2)设置接触单元选项(keyoptions)：KEYOPT(2)=2激活MPC方法KEYOPT(4)=2基于节点KEYOPT(12)=5或6设置为“绑定(bonded)”接触3)Runtheanalysis注意：如果接触面和目标面的网格相似，MPC方法给出与连续网格相同的结果。如果接触面和目标面的网格相差较大，MPC方法给出的界面处的应力梯度将受到影响，网格越接近，结果越好。2.将MPC连接用于SOLID-SOLID,SHELL-SHELLANSYS,Inc.Proprietary©2004ANSYS,Inc.MPC应用2.将MPC连接用于SOLID-SOLID,SHELL-SHELL精度测试15E520*5.62EI3PL33Solid45结果E=2e5Nu=0F=62.5101精确解：位移应力使用MPC于不同网格的连接使用MPC于相似网格ANSYS,Inc.Proprietary©2004ANSYS,Inc.MPC应用模型-1:网格非常类似：SMAX=1.71模型-2:网格非常不同：SMAX=1.71模型-3:一致网格：SMAX=1.712.将MPC连接用于SOLID-SOLID,SHELL-SHELLANSYS,Inc.Proprietary©2004ANSYS,Inc.MPC应用如果存在几何穿透：1)设置PINBALL以捕获接触2)使用KEYOPT(9)=1以忽略穿透模型-2:穿透以及KEYOPT(9)=1SMAX=1.71KEYOPT(9)=0KEYOPT(9)=12.将MPC连接用于SOLID-SOLID,SHELL-SHELLANSYS,Inc.Proprietary©2004ANSYS,Inc.MPC应用如果几何上有间隙：1)设置PINBALL以捕获接触2)使用KEYOPT(9)=1以忽略穿透Mx-2:间隙以及KEYOPT(9)=1SMAX=1.73KEYOPT(9)=0KEYOPT(9)=12.将MPC连接用于SOLID-SOLID,SHELL-SHELLANSYS,Inc.Proprietary©2004ANSYS,Inc.MPC应用3bbbD20d10g110M3211.741.7411.74精确解：应力集中HexTets2.将MPC连接用于SOLID-SOLID,SHELL-SHELLANSYS,Inc.Proprietary©2004ANSYS,Inc.MPC应用一致的实体网格MPC用于不同的实体网格MPC连接用于SOLID-SOLID(静力分析)位移位移应力应力2.将MPC连接用于SOLID-SOLID,SHELL-SHELLANSYS,Inc.Proprietary©2004ANSYS,Inc.MPC应用一致的实体网格MPC用于不同的实体网格MPC连接用于SOLID-SOLID(模态分析)0.04%0.09%0.08%0.05%0.07%0.05%2.将MPC连接用于SOLID-SOLID,SHELL-SHELLANSYS,Inc.Proprietary©2004ANSYS,Inc.MPC应用MPC用于不同网格连接，无偏移一致的壳体网格MPC用于不同网格连接，有偏移MPC连接用于SHELL-SHELL(静力分析)位移Stress位移Stress2.将MPC连接用于SOLID-SOLID,SHELL-SHELLANSYS,Inc.Proprietary©2004ANSYS,Inc.MPC应用MPC用于不同网格连接，无偏移一致的壳体网格MPC用于不同网格连接，有偏移MPC连接用于SHELL-SHELL(模态分析)1111.352203.863227.264272.385323.396361.170.02%0.04%0.02%0.01%0.07%0.17%1111.372203.953227.344272.425323.636361.851111.372203.953227.344272.425323.636361.850.02%0.04%0.02%0.01%0.07%0.17%2.将MPC连接用于SOLID-SOLID,SHELL-SHELLANSYS,Inc.Proprietary©2004ANSYS,Inc.MPC应用MPC连接用于SHELL-SHELL(边界对边界)Contact175Target1702.将MPC连接用于SOLID-SOLID,SHELL-SHELLANSYS,Inc.Proprietary©2004ANSYS,Inc.MPC应用使用MPC方法的绑定接触单个零件的结果Part-1Part-2Part-3to5Part-6to8示例：2.将MPC连接用于SOLID-SOLID,SHELL-SHELLANSYS,Inc.Proprietary©2004ANSYS,Inc.MPC应用实体网格于壳体网格不需要对齐过程：1)将连接处理为接触，对实体使用Target170，对壳体使用Contact175。2)设置接触单元Contact175选项(keyoptions):KEYOPT(2)=2激活MPC方法KEYOPT(12)=5或6设置为绑定接触3)设置目标单元Target170选项：KEYOPT(5)=0自动约束类型探测(default)KEYOPT(5)=1实体-实体约束(没有旋转自由度被约束)KEYOPT(5)=2壳体-壳体约束(同时约束平移和旋转自由度)KEYOPT(5)=3壳体-实体约束(壳体边界同时约束平移和旋转自由度；实体表面上只约束平移)4)执行分析2.将MPC连接用于SOLID-SHELLANSYS,Inc.Proprietary©2004ANSYS,Inc.MPC应用精度测试15E520*5.62EI3PL33E=2e5Nu=0F=62.5101精确解位移应力用MPC连接Solid-shell一致实体网格2.将MPC连接用于SOLID-SHELLANSYS,Inc.Proprietary©2004ANSYS,Inc.MPC应用壳体单元(厚度t)实体单元接触单元(以前的)最初的FEA模型目标单元TARG170(在实体顶部)MPC方程(仅平移自由度)虚拟shell–solid表面Shellthickness新虚拟壳体单元SHELL181新接触单元CONTA175方法1:solid-solid约束虚拟壳体用SHSD,ID生成KEYOPT(5)=12.将MPC连接用于SOLID-SHELLANSYS,Inc.Proprietary©2004ANSYS,Inc.MPC应用新虚拟壳体单元SHELL181方法2:shell-shell约束MPC方程(平移+转动自由度)壳体边界–虚拟壳体FTOLN影响距离壳体单元(厚度t)实体单元接触单元(以前的)初始FEA模型目标单元TARG170(在实体顶部)虚拟壳体由SHSD,ID产生KEYOPT(5)=22.将MPC连接用于SOLID-SHELLANSYS,Inc.Proprietary©2004ANSYS,Inc.MPC应用MPC方程壳体边界–实体表面FTOLN影响距离方法3:shell-solid约束壳体单元(厚度t)实体单元接触单元(以前的)初始FEA模型目标单元TARG170(在实体顶部)KEYOPT(5)=3不需要虚拟壳体2.将MPC连接用于SOLID-SHELLANSYS,Inc.Proprietary©2004ANSYS,Inc.MPC应用MPC方程壳体边界–实体表面FTOLN影响距离方法3shell-solid约束总结：对大多数应用，可以用默认的KEYOPT(5)=0或3。许多测试情况表明，使用KEYOPT(5)=2可以得到最好的结果。MPC方程(仅平移