ANSYS接触分析.

第八章接触非线性October20,20008-2接触非线性–5.7版本本章目标本章学完后,应能对如下功能进行描述和论证:SessionObjective1.接触协调条件2.刚体对柔体和柔体对柔体接触3.节点对节点、节点对面和面对面接触单元4.接触刚度5.接触单元处理6.接触向导October20,20008-3接触非线性–5.7版本接触问题接触问题是高度非线性的,并且对于非线性问题的求解具有典型的挑战意义.接触问题提出两个重要的挑战:•在多数接触问题中接触区域是未知的.表面与表面会突然接触或突然不接触,这会导致系统刚度的突然变化.•多数接触问题包括摩擦.摩擦是与路径有关的现象,这要求精确的加载历史.摩擦的响应还可能是杂乱的,使求解难以收敛.October20,20008-4接触非线性–5.7版本关于耦合和约束方程的注释•如果接触模型没有摩擦,接触区域始终粘在一起,并且分析是小挠度、小转动问题,那么可以用耦合或约束方程代替接触.详细信息请参看ANSYS建模和网格划分指南.•使用耦合或约束方程的优点是分析还是线性的.October20,20008-5接触非线性–5.7版本接触分类接触问题一般分为两类:刚体对柔体和柔体对柔体.刚体对柔体:一个或多个接触表面作为刚体(一个表面的刚度比另一个表面的刚度要高很多).许多金属成形问题归入此类.柔体对柔体:两个或所有的接触体都可变形(所有表面刚度相差不多).螺栓法兰连接是一个柔体对柔体接触的例子.October20,20008-6接触非线性–5.7版本刚体对柔体接触刚体表面变形体October20,20008-7接触非线性–5.7版本柔体对柔体接触花键轴过盈配合,两个零件都是柔体.October20,20008-8接触非线性–5.7版本接触协调条件F为了阻止接触表面相互穿过,这两个表面间必须建立一个关系.否则这两个表面将相互穿过.不施加接触协调条件时发生侵入目标接触FOctober20,20008-9接触非线性–5.7版本接触协调条件用一个弹簧施加接触协调条件称为罚函数法.弹簧刚度或接触刚度称为罚参数.该弹簧的变形量满足方程:F=k接触刚度(k)越大,接触表面的侵入越少.然而,若该值太大,会导致收敛困难.FOctober20,20008-10接触非线性–5.7版本接触协调条件还可用另外一种方法,即拉格朗日乘子法,增加一个附加自由度(接触压力),以满足不侵入条件.FOctober20,20008-11接触非线性–5.7版本接触协调条件将罚函数法和拉格朗日乘子法结合起来施加接触协调条件合称为增强的拉格朗日法.在迭代的开始,接触协调条件基于惩罚刚度决定.一旦达到平衡,就检查许可侵入量.这时,如果有必要,接触压力增大,继续进行迭代.F许可侵入量October20,20008-12接触非线性–5.7版本增大接触应力减少侵入量由于平衡改正侵入量在改正阶段发生振荡增大的拉格朗日October20,20008-13接触非线性–5.7版本接触单元ANSYS有三种类型的接触单元:节点对节点-这是指接触的最终位置事先是知道的.节点对面-接触区域未知,并且允许大滑动.面对面-接触区域未知,并且允许大滑动(相对节点对面接触形式有几个优点).October20,20008-14接触非线性–5.7版本节点对节点接触单元IJIJ两个最常用的节点对节点接触单元:接触12单元和接触52单元都用罚函数法施加接触协调条件.这要求输入一个罚刚度(在后面我们将详细讨论罚刚度的计算).接触12单元-二维间隙接触52单元-三维间隙October20,20008-15接触非线性–5.7版本节点对节点接触单元•节点对节点接触单元能够用于建立点对点接触模型.接触点始终已知的管抖动模型是点对点接触的一个例子.•如果两个表面的节点一一对应,相对滑动变形量可以忽略,并且两表面的挠度(转动量)较小,那么这些单元还能用于模拟面对面接触问题.过盈配合问题是面对面接触问题的一个例子.如果满足上述条件,则此问题用间隙单元是足够的.•注意点对点接触只能用于低次单元.October20,20008-16接触非线性–5.7版本节点对节点接触过程接触12单元和接触52单元既能用直接生成法创建,也能在重合节点处创建单元.前处理器-创建-单元-在重合节点(Preprocessor-Create-Elements-AtCoincidNd)接触12单元应该在重合节点间创建.然而接触52单元要求1E-6的距离来定向单元.October20,20008-17接触非线性–5.7版本节点对节点接触过程补充信息:•接触12单元由实常数THETA定向.接触12单元能用作钩子或间隙,而接触52单元只能用作间隙(注意通过约束UZ自由度,接触52单元能够用于二维问题).•通过设置关键选项(4)和实常数INTF及GAP,接触12单元和接触52单元都允许给出初始过盈或初始间隙.•关于接触12单元和接触52单元选项和实常数的详细叙述,请参看ANSYS单元手册(ANSYSElementsReference)第四章.October20,20008-18接触非线性–5.7版本节点对表面接触单元节点对表面接触单元:接触48单元-二维节点对表面接触49单元三维节点对表面JIKIJKML这些单元用缺省的罚函数法作为接触协调条件.作为一个选项,可以使用综合的罚函数和拉格朗日乘子.October20,20008-19接触非线性–5.7版本节点对表面接触单元•节点对表面接触单元典型用于建立点对面接触应用模型,如两个梁接触(在梁的末端)和锁扣配合的角部.•通过定义多个单元,这些单元还能用于建立面对面接触模型.这些表面可以是刚性的或可变形的.•不用知道接触面的位置.允许大变形、大相对滑动和接触表面间的不同网格划分.•注意节点对表面接触只可以用于低次单元.October20,20008-20接触非线性–5.7版本节点对表面接触处理•接触48单元和接触49单元通过指定节点组元来生成,这些节点组定义了目标和接触表面.•为接触和目标表面选择需要的节点,并创建节点组元.•给出单元类型和实常数,并生成接触单元.每一个不相连的接触面应该参照一个不同的实常数设置.JK接触节点目标节点IOctober20,20008-21接触非线性–5.7版本节点对表面接触处理主菜单前处理器创建单元节点对表面(MainMenuPreprocessorCreateElementsNodetoSurf)节点组名称关于使用节点对表面接触单元的详细信息请参看ANSYS结构分析指南(ANSYSStructuralAnalysisGuide).October20,20008-22接触非线性–5.7版本接触刚度•点对点(接触12单元和接触52单元)和节点对表面(接触48单元和接触49单元)接触单元都要求给出罚刚度.•罚刚度越大,接触表面的侵入量越小.然而,若此值太大,则会由于病态条件而引起收敛困难.•可以通过一些实验来确定一个合适的接触刚度,使求解收敛,而且侵入量可以接受.October20,20008-23接触非线性–5.7版本选择接触刚度•接触刚度是接触面的相对刚度的函数.•对于块状实体,通常赫兹接触刚度(Hertzcontactstiffness)适用于罚刚度,可以这样估算:k=fE•式中f是介于0.1~10之间的系数,E是较软的接触材料的弹性模量.设f=1通常是一个较好的起始值.October20,20008-24接触非线性–5.7版本选择接触刚度•对于柔性组分(梁和壳模型),系统的刚度可以比赫兹接触刚度要低很多.•在这种情况下,你可以将单位载荷施加到预计要接触的面上,先运行一个静态分析来确定模型的局部刚度.接触刚度可以这样估算:k=f(P/)•上式适用于柔性体接触,f是介于1~100之间的系数.同样,设f=1通常是一个较好的起始值.October20,20008-25接触非线性–5.7版本面对面接触单元ANSYS支持刚体对柔体和柔体对柔体的面对面接触单元.这些接触单元使用“目标面”和“接触面”的概念来形成接触对.面对面接触单元使用增强的拉格朗日法施加接触协调条件(默认).作为一个可选项,还可以用罚函数法.接触面目标面October20,20008-26接触非线性–5.7版本面对面接触的优点•与低次和高次单元都兼容.•支持具有大滑动和摩擦的大变形.•提供更好的接触结果(易于进行接触压力和摩擦应力的后处理).•能计算壳和梁的厚度及壳厚度的改变.•半自动接触刚度计算.•“控制节点”对刚性面的控制(关于主控节点后面有更多的叙述).•智能缺省设置、接触向导(易于使用).October20,20008-27接触非线性–5.7版本面对面接触的优点需要的接触单元比用节点对面接触单元(接触48单元和接触49单元)要少得多.12个接触48单元2个接触171单元和4个目标169单元October20,20008-28接触非线性–5.7版本•面对面接触单元由分别定义目标和接触表面的独立的单元类型组成.接触对通过共用一个实常数指定.•目标169和170单元-刚性或可变形的目标表面•接触171到174单元-二维和三维接触单元•面对面接触单元象皮肤一样覆盖在下面的有限元模型上.这些单元非常适合面对面接触应用,如过盈装配接触、进料接触、锻造和深拉深.面对面接触单元October20,20008-29接触非线性–5.7版本面对面接触单元接触副刚性目标接触单元该接触副由实常数1指定.October20,20008-30接触非线性–5.7版本二维目标单元JIIJKIJKII目标169单元目标部分有如下类型:直线、抛物线、圆弧(顺时针或逆时针)、圆、或控制节点.October20,20008-31接触非线性–5.7版本三维目标单元目标170单元目标部分有如下类型:三节点三角形、四节点四边形、六节点三角形、八节点四边形、圆柱、圆锥、球和控制节点.October20,20008-32接触非线性–5.7版本二维面对面接触单元接触171单元是二维、二节点低次直线单元,能够位于二维实体、壳或梁单元的表面.接触172单元是二维、三节点高次抛物线单元,能够位于有中间节点的二维实体单元的表面.接触171单元接触172单元October20,20008-33接触非线性–5.7版本三维面对面接触单元接触174单元是三维、八节点高次四边形单元,能够位于有中间节点的三维实体单元的表面.该单元还能退化成六节点三角形.接触173单元是三维、四节点低次四边形单元,能够位于三维实体或壳单元的表面.该单元还能退化成三节点三角形.October20,20008-34接触非线性–5.7版本面对面接触处理•对于面对面接触单元,一个面指定为“目标”面,另一个面为“接触”面.•对于刚体对柔体接触,刚体表面总是指定为目标面.对于柔体对柔体接触,接触面与目标面都与变形体相关联.•接触单元被约束,不能侵入目标面.然而,目标单元能够侵入接触面.October20,20008-35接触非线性–5.7版本面对面接触处理接触单元的一般步骤:1.创建有限元模型.2.指定接触和目标表面.3.设置单元选项和实常数.4.创建目标表面单元.5.创建接触表面单元.6.施加边界条件.7.定义求解选项和载荷步.8.求解.9.观察结果.October20,20008-36接触非线性–5.7版本指定接触和目标表面目的是将接触检查点增加到最大数.对于刚体对柔体接触,目标面总是刚体表面.对于柔体对柔体接触,目标面和接触面的选择会引起不同量的侵入,从而影响求解精度.目标面接触面目标面会侵入接触面October20,20008-37接触非线性–5.7版本目标/接触面的指导方针•如果凸面与平面或凹面接触,那么平面或凹面应该是目标面.•如果一个表面网格粗糙,而另一个表面网格较细,那么网格粗糙的表面应该是目标面.•如果一个表面比另一个表面的刚度大,那么刚度大的表面应该是目标面.•如果一个表面划分为高次单元,而另一个表面划分为低次单元,那