05ANSYS130Workbench结构非线性培训接触简介

3-1Workbench–Mechanical结构非线性第三章接触简介WorkbenchMechanical-IntroductiontoContact3-2TrainingManual章节概述•本章介绍实体接触:–假定用户在这章前已掌握第2章非线性结构.•介绍的具体课题是:A.接触基本概念B.接触公式C.刚度和渗透D.作业3AE.Pinball区域F.对称与反对称G.接触结果后处理H.作业3B•本章描述的性能通常适用于ANSYSStructural或以上的licenseWorkbenchMechanical-IntroductiontoContact3-3TrainingManualA.基本概念接触:•两独立表面相互接触并相切，则称之为接触.•一般物理意义上,接触的表面包含如下特性:–不会渗透.–可传递法向压缩力和切向摩擦力.–通常不传递法向拉伸力.•可自由分离和互相移动.•接触是状态改变非线性.也就是说,系统刚度取决于接触状态,即是否局部接触或分离.WorkbenchMechanical-IntroductiontoContact3-4TrainingManual接触区域协调性:•物理上，接触体间不相互渗透.因此,程序必须建立两表面间的相互关系以阻止分析中的相互穿透.–程序阻止渗透,称为强制接触协调性.–WorkbenchMechanical提供几种不同接触公式来在接触界面强制协调性.FTargetContact当接触协调性不被强制时会发生渗透.F...基本概念WorkbenchMechanical-IntroductiontoContact3-5TrainingManual•对非线性接触实体表面,可使用罚函数或增强拉格朗日公式:–两种方法都是基于罚函数方程:–这里对于一个有限的接触力Fnormal,存在一个接触刚度的knormal的概念，接触刚度越高，穿透量xpenetration越小，如下图所示–对于理想无限大的knormal,零穿透.这对于基于罚函数方法没有可能，但是只要xpenetration足够小或可忽略，求解的结果就是精确的。B.接触公式FnxpnpenetrationormalnormalxkFWorkbenchMechanical-IntroductiontoContact3-6TrainingManual•PurePenalty和AugmentedLagrange方法的区别就是后者加大了接触力（压力）的计算:•因为额外因子l,增强的Lagrange方法对于接触刚度knormal的大小变得不敏感npenetrationormalnormalxkFlnpenetrationormalnormalxkF罚函数法:增强拉格朗日法:...接触公式WorkbenchMechanical-IntroductiontoContact3-7TrainingManual•另外可利用方法是拉格朗日乘子公式:–增强拉格朗日方法增加了额外的自由度(接触压力)来满足接触协调性.因此,接触力(接触压力)作为一额外自由度显示求解，而不涉及接触刚度和穿透。•用压力自由度得到0或接近0的穿透量•不需要法向接触刚度（零弹性滑动）•需要直接求解器，这要消耗更多的计算代价FDOFFnormal...接触公式WorkbenchMechanical-IntroductiontoContact3-8TrainingManual•接触扰动出现在NormalLagrange方法中–如果不允许渗透(左图),那么接触状态是开放或闭合(如阶跃函数).有时这导致收敛变得更加困难，因为接触点总是在open/closed中间来回振荡，这就称为接触扰动（chattering）–如果允许一个微小的渗透(右图),收敛变得更加容易，因为接触状态不再是一个阶跃变化.ClosedOpenGapPenetrationContactStatus法向拉格朗日法ClosedOpenGapPenetrationContactStatus罚函数法Penetration...接触公式WorkbenchMechanical-IntroductiontoContact3-9TrainingManual•另外值得一提的是算法不同，接触探测不同:–PurePenalty和AugmentedLagrange公式使用积分点探测.这导致更多的探测点。(在左侧的例子中有10个)–NormalLagrange和MPC公式使用节点探测(目标法向).这导致更少的探测点。(在右侧的例子中有6个)–节点探测在处理边接触时会稍微好一些，但是，通过局部网格细化，积分点探测也会达到同样的效果积分点探测节点探测...接触公式WorkbenchMechanical-IntroductiontoContact3-10TrainingManual•对于特定的“绑定”和“不分离”两个面间的接触类型,可用多点约束(MPC)算法.–MPC内部添加约束方程来“联结”接触面间的位移–这种方法不基于罚函数法或Lagrange乘子法.它是直接有效的关联绑定接触面方式。–MPC算法基础的绑定接触也支持大变形效应...接触公式WorkbenchMechanical-IntroductiontoContact3-11TrainingManual…切向行为•前面所提到的选项是针对法向接触的.如果定义了“friction”或“rough/bonded”接触,类似的情况会出现在切向方向.–同不穿透条件类似，如果在切向上，两个实体是“粘结在一起的”，这两个实体不应该相互滑动–切向总是用“罚函数”算法–切向接触刚度和滑动距离是类似的参数:这里，xsliding在粘着时理想值为零,尽管penalty方法中允许少量滑动.–不同于法向接触刚度,切向接触刚度不能由用户直接改变.slidingtangentialtangentialxkF如果“粘着”:WorkbenchMechanical-IntroductiontoContact3-12TrainingManual…接触公式总结•WorkbenchMechanical接触公式总结见下表:1切向接触刚度不能由用户直接输入–“NormalLagrange”法是因为拉格朗日乘子公式用于法线方向而罚函数方法用于切线方向而得名的.FormulationNormalTangentialNormalStiffnessTangentialStiffnessTypeAugmentedLagrangeAugmentedLagrangePenaltyYesYes1AnyPurePenaltyPenaltyPenaltyYesYes1AnyMPCMPCMPC--Bonded,NoSeparationNormalLagrangeLagrangeMultiplierPenalty-Yes1AnyWorkbenchMechanical-IntroductiontoContact3-13TrainingManual…公式对比•下表列出不同接触算法的比较，用“+”表优势，“-”表劣势:–一些例如对称接触或接触探测的主题稍后介绍+Goodconvergencebehavior(fewequilibriumiterations)-Mayrequireadditionalequilibriumiterationsifpenetrationistoolarge-Mayrequireadditionalequilibriumiterationsifchatteringispresent+Goodconvergencebehavior(fewequilibriumiterations)-SensitivetoselectionofnormalcontactstiffnessLesssensitivetoselectionofnormalcontactstiffness+Nonormalcontactstiffnessisrequired+Nonormalcontactstiffnessisrequired-ContactpenetrationispresentanduncontrolledContactpenetrationispresentbutcontrolledtosomedegree+Usually,penetrationisnear-zero+Nopenetration+Usefulforanytypeofcontactbehavior+Usefulforanytypeofcontactbehavior+Usefulforanytypeofcontactbehavior-OnlyBonded&NoSeparationbehaviors+EitherIterativeorDirectSolverscanbeused+EitherIterativeorDirectSolverscanbeused-OnlyDirectSolvercanbeused+EitherIterativeorDirectSolverscanbeused+Symmetricorasymmetriccontactavailable+SymmetricorasymmetriccontactavailableAsymmetriccontactonlyAsymmetriccontactonly+Contactdetectionatintegrationpoints+ContactdetectionatintegrationpointsContactdetectionatnodesContactdetectionatnodesMPCNormalLagrangeAugmentedLagrangePurePenaltyWorkbenchMechanical-IntroductiontoContact3-14TrainingManual•尽管Workbench-Mechanical默认为“PurePenalty”,但在大变形问题的无摩擦或摩擦接触中建议使用“AugmentedLagrange”.–增强拉格朗日公式增加了额外的控制自动减少渗透•“法向刚度”是之前解释的接触罚刚度knormal,只用于“PurePenalty”或“AugmentedLagrange”–这是一个相对因子.一般变形问题建议使用1.0.对弯曲支配情况，如果收敛困难的话，小于0.1的值可能是有用的.–接触刚度在求解中可自动调整.如果收敛困难,刚度自动减小.C.接触刚度和渗透WorkbenchMechanical-IntroductiontoContact3-15TrainingManual•法向接触刚度knormal是影响精度和收敛行为最重要的参数.–刚度越大，结果越精确，收敛变得越困难.–如果接触刚度太大，模型会振动，接触面会相互弹开。N次迭代n+1次迭代FFFcontactFn+2次迭代...接触刚度和渗透WorkbenchMechanical-IntroductiontoContact3-16TrainingManual•法向刚度WB-Mechanical系统默认自动设定。–用户可以输入“法向刚度因子NormalStiffnessFactor”(FKN)它是计算刚度代码的乘子.因子越小，接触刚度就越小。•默认FKN=10(对于绑定和不分离的接触)•默认FKN=1.0(其他形式接触)•接触问题法向刚度选择一般准则:–体积为主的问题:用“ProgramControlled”或手动输入“NormalStiffnessFactor”为“1”–弯曲为主的问题:手动输入“NormalStiffnessFactor”为“0.01”到“0.1”之间的数值。•用户也可在每次平衡迭代或子步间更新接触刚度....接触刚度和渗透WorkbenchMechanical-IntroductiontoContact3-17TrainingManual•如下例子显示接触刚度的影响:•从上表容易看出,接触刚度因子越小，穿透量越大.