ANSYS高级接触和螺栓预紧培训手册

高级接触和螺栓预紧培训手册AdvancedContact&BoltPretension6.0TrainingManualOctober15,2001Inventory#0015672高级接触和螺栓预紧目录1.介绍1-12.接触概述2-1A.典型应用2-2B.接触分类2-73.接触刚度3-1A.基本内容3-2B.指定一个值3-6练习1–平面密封圈3-10C.附录–计算刚度值3-114.摩擦4-1练习2–平面密封圈(第二部分)4-18练习3–线性制动器4-185.自动时间步5-1练习4–平面密封圈(第三部分)5-116.面－面接触单元6-1A.概述6-4B.高级选项6-6练习5–“不分离”行为6-30练习6–初始穿透6-38练习7–初始接触环6-50练习8–初始穿透范围6-53练习9–单纯热接触6-72C.刚性表面注意事项6-73D.不通过向导创建单元6-82练习10–建立接触对6-101E.疑难解答6-1027.点－点接触单元7-1练习11–面－面接触模拟7-128.点－面接触单元8-1练习12–梁端部接触8-169.螺栓预紧单元9-1A.PRETS179单元9-4B.典型过程9-7练习13–螺栓固定板9-19介绍第一章AdvancedContact&BoltPretension6.0TrainingManualOctober15,2001Inventory#0015671-4介绍欢迎!•欢迎参加高级接触和螺栓预紧培训课程!•本课程包括现在还无法用接触向导、缺省接触设置和自动求解控制设置进行求解的接触模型，另外还包括螺栓预紧分析。•本课程面向已经熟悉非线性迭代分析的内容和过程，并已经学习了如何进行简单接触分析（基本结构非线性中的主题）的ANSYS用户。AdvancedContact&BoltPretension6.0TrainingManualOctober15,2001Inventory#0015671-5介绍…欢迎•本课程是三个ANSYS非线性培训课程中的第二课:–基本结构非线性(2天)–高级接触和螺栓预紧(1天)–高级结构非线性(2天)AdvancedContact&BoltPretension6.0TrainingManualOctober15,2001Inventory#0015671-6介绍课程目标•为讲述高级非线性接触分析过程，包括以下主题:–接触分类–接触刚度–摩擦–面－面、点－点、点－面接触单元–螺栓预紧AdvancedContact&BoltPretension6.0TrainingManualOctober15,2001Inventory#0015671-7介绍课程内容•用户手中的培训手册是本幻灯片的完成拷贝。•练习的详细内容和指导在练习题附录中。•练习题所需文件可向指导教师索取。AdvancedContact&BoltPretension6.0TrainingManualOctober15,2001Inventory#0015671-8介绍所含主题2.接触概述3.接触刚度4.摩擦5.自动时间步6.面－面接触单元7.点－点接触单元8.点－面接触单元9.螺栓预紧接触概述第二章AdvancedContact&BoltPretension6.0TrainingManualOctober15,2001Inventory#0015672-10接触概述A.典型应用•接触是一种常见的物理现象，也是ANSYS用户最常使用的非线性特性。•接触用于分析各种类型的模型，典型应用包括:–动力冲击–板成形–螺栓连接–零件装配–紧配合–纯压缩边界条件•所有这些应用及其它许多应用都可用ANSYS接触功能来模拟。AdvancedContact&BoltPretension6.0TrainingManualOctober15,2001Inventory#0015672-11接触概述...典型应用•韧性棒冲击刚性表面冲击瞬间最大变形(无摩擦)最大变形(有摩擦)AdvancedContact&BoltPretension6.0TrainingManualOctober15,2001Inventory#0015672-12接触概述...典型应用•超弹性振动缓冲器的表面接触、起皱和自接触。AdvancedContact&BoltPretension6.0TrainingManualOctober15,2001Inventory#0015672-13接触概述...典型应用•板成形(深冲)模具配置深冲后最终板材AdvancedContact&BoltPretension6.0TrainingManualOctober15,2001Inventory#0015672-14接触概述...典型应用•轮齿接触AdvancedContact&BoltPretension6.0TrainingManualOctober15,2001Inventory#0015672-15接触概述B.接触分类•ANSYS软件采用接触单元来:–跟踪接触位置–保证接触协调性(防止接触表面互相穿透)–在接触表面之间传递接触应力(正压力和摩擦)•在ANSYS中用户可以采用三种不同的单元来模拟接触:–面－面接触单元–点－面接触单元–点－点接触单元•不同的单元类型具有完全不同的单元特性和分析过程。AdvancedContact&BoltPretension6.0TrainingManualOctober15,2001Inventory#0015672-16接触概述...接触分类•另外，接触体可以是刚性的或柔性的，于是形成两类基本模型:–刚－柔•一个表面是完全刚性的–除刚体运动外无应变、应力和变形•只在一个表面特别刚硬并且不关心刚硬物体的应力时有效–柔－柔•接触体都由可变形单元组成•三种类型的单元都支持刚－柔和柔－柔接触模型。AdvancedContact&BoltPretension6.0TrainingManualOctober15,2001Inventory#0015672-17接触概述...接触分类•面－面接触单元用于任意形状的两个表面接触时–不必事先知道接触的准确位置–两个面可以具有不同的网格–支持大的相对滑动–支持大应变和大转动面－面接触可以模拟金属成形，如轧制过程AdvancedContact&BoltPretension6.0TrainingManualOctober15,2001Inventory#0015672-18接触概述...接触分类•点－面接触单元用于某一点和任意形状的面接触–可使用多个点－面接触单元模拟棱边和面的接触–不必事先知道接触的准确位置–两个面可以具有不同的网格–支持大的相对滑动–支持大应变和大转动点－面接触可以模拟棱边(如线)和面之间的接触AdvancedContact&BoltPretension6.0TrainingManualOctober15,2001Inventory#0015672-19接触概述...接触分类•点－点接触单元用于模拟单点和另一个确定点之间的接触.–建立模型时必须事先知道确切的接触位置.–多个点－点接触单元可模拟两个具有多个单元表面间的接触•每个表面的网格必须是相同的.•相对滑动变形必须很小.•只对小的转动响应有效.点－点接触可模拟一些面的接触，如地基和土壤的接触.AdvancedContact&BoltPretension6.0TrainingManualOctober15,2001Inventory#0015672-20接触概述...接触分类•虽然模拟同样的基本现象，并且有许多共同点，但这三种接触单元也在许多方面不同.•在以后章节中，将首先讨论一般条件下的通用内容(如接触刚度)，然后讨论不同的单元如何实现这些特性.接触刚度第三章AdvancedContact&BoltPretension6.0TrainingManualOctober15,2001Inventory#0015673-22接触刚度A.基本内容回顾:•所有的ANSYS接触单元都采用罚刚度（接触刚度）来保证接触界面的协调性.•在数学上为保持平衡，需要有穿透值(D0).•然而,物理接触实体是没有穿透的(D=0).接触弹簧产生变形D,满足平衡方程:F=kD式中k为接触刚度.FDAdvancedContact&BoltPretension6.0TrainingManualOctober15,2001Inventory#0015673-23接触刚度...基本内容•作为分析人员,将面对困难的选择:–小的穿透计算精度高.•因此,接触刚度应该很大.–然而,太大的接触刚度会产生收敛困难.•模型可能会振荡,接触表面互相跳开.迭代步n迭代步n+1FFF接触F迭代步n+2AdvancedContact&BoltPretension6.0TrainingManualOctober15,2001Inventory#0015673-24接触刚度...基本内容•接触刚度是同时影响计算精度和收敛性的最重要的参数.•你必须仔细选定一个合适的接触刚度.–平衡收敛效率和计算精度之间的关系.–“最好”的值是与问题相关的,必须不断通过验证计算来确定.•使用一个试验值,然后考察收敛性和计算精度.AdvancedContact&BoltPretension6.0TrainingManualOctober15,2001Inventory#0015673-25接触刚度...基本内容•除了在表面间传递法向运动(压力),接触单元还传递切向运动(摩擦).•接触单元采用切向罚刚度保证切向方向的协调性.•切向罚刚度与法向罚刚度以同样的方式对收敛性和计算精度产生影响.FtangentDFtangent=ktangentDAdvancedContact&BoltPretension6.0TrainingManualOctober15,2001Inventory#0015673-26接触刚度B.指定一个值•选定一个合适的接触刚度值需要一些经验.•对于面－面接触单元,接触刚度通常指定为基体单元刚度的一个比例因子.–开始估计时,选用:•FKN=1.0大面积实体接触.•FKN=0.01–0.1较柔软(弯曲占主导的)部分.–另外,也可以指定一个绝对刚度值,单位是(力/长度)/面积.AdvancedContact&BoltPretension6.0TrainingManualOctober15,2001Inventory#0015673-27接触刚度...指定一个值•点－点(除CONTA178)和点－面接触单元需要为罚刚度KN输入绝对值.–初始估计时:•对于大变形:0.1*EKN1.0*E•对于弯曲:0.01*EKN0.1*E•…E为弹性模量.–如何计算合适的绝对刚度值的详细讨论请参考附录.AdvancedContact&BoltPretension6.0TrainingManualOctober15,2001Inventory#0015673-28接触刚度...指定一个值•下面的过程可以作为指导:1.开始采用较小的刚度值.2.对前几个子步进行计算.3.检查穿透量和每一个子步中的平衡迭代次数.•在粗略的检查中,如以实际比例显示整个模型时就能够观察到穿透,则穿透可能太大了,需要提高刚度重新分析.•如果收敛的迭代次数过多(或未收敛),降低刚度重新分析.–注意:罚刚度可以在载荷步间改变,并且可以在重启动中调整.AdvancedContact&BoltPretension6.0TrainingManualOctober15,2001Inventory#0015673-29接触刚度...指定一个值•牢记:接触刚度是同时影响计算精度和收敛性的最重要的参数.–如果你能够完全掌握这个要点,就可以处理绝大部分接触困难!•如果有收敛问题,减小刚度值,重新分析.•在敏感的分析中,还应该改变罚刚度来验证计算结果的有效性.–在连续分析中减小刚度的范围,直到重要的结果项(接触压力,最大SEQV等)不再明显改变.AdvancedContact&