ADAMS接触介绍

接触介绍第七章BasicStructuralNonlinearities6.0TrainingManualOctober15,2001Inventory#0015657-27.接触介绍什么是接触?•当两个分离的表面互相碰触并互切时,就称它们处于接触状态.•在一般的物理意义中,处于接触状态的表面有下列特点:–不互相穿透.–能够传递法向压力和切向摩擦力.–通常不传递法向拉力.•因此,它们相互间可以自由地分开并远离.BasicStructuralNonlinearities6.0TrainingManualOctober15,2001Inventory#0015657-3…接触介绍•本章将通过以下主题介绍非线性接触分析:A.基本概念B.利用接触向导C.求解D.后处理E.练习F.装配接触•目的是通过“简单”(容易收敛)模型,介绍接触分析过程.另外,用于处理难度更大的模型的高级接触分析,在高级接触和螺栓预紧培训手册中讨论.BasicStructuralNonlinearities6.0TrainingManualOctober15,2001Inventory#0015657-4接触介绍A.基本概念•接触是状态改变非线性.也就是说,系统的刚度依赖于接触状态:状态=开状态=闭合和粘结状态=闭合和滑动BasicStructuralNonlinearities6.0TrainingManualOctober15,2001Inventory#0015657-5接触介绍...基本概念•接触是强非线性,因为随着接触状态的改变,接触表面的法向和切向刚度都有显著的变化.–刚度方面大的突变通常会导致严重的收敛困难.uF开接触闭接触BasicStructuralNonlinearities6.0TrainingManualOctober15,2001Inventory#0015657-6接触介绍...基本概念•其它使接触分析复杂化的因素包括:–典型地,在分析开始时,接触区域未知.–大多数接触问题包括摩擦.•摩擦是路径相关的(能量耗散)现象,需要用较小的时间步和精确的载荷历史.•摩擦响应可能是混沌的,使求解收敛困难.–除了和其他部件接触,部件可能是无约束的.•在建立接触之前,这样的部件初始为无约束自由体,整体刚度为零.–静态分析中,无约束自由体在数学上是不稳定的,求解“溢出”.BasicStructuralNonlinearities6.0TrainingManualOctober15,2001Inventory#0015657-7接触介绍...基本概念•幸好,目前的ANSYS接触技术能够相当容易地分析类型广泛的接触模型.–许多模型只需很少的用户参与就能成功地求解.•对于那些显示出收敛行为比较困难的模型,有丰富的接触单元选项来帮助克服这样的困难.–在高级接触和螺栓预紧培训手册中讨论了这些更高级的内容.BasicStructuralNonlinearities6.0TrainingManualOctober15,2001Inventory#0015657-8接触介绍...基本概念接触分类•接触问题通常分为两类:刚性体-柔性体和柔性体-柔性体.•刚性体-柔性体–一个或更多的接触表面看作刚性体(一个表面与其它表面相比,刚度显然要大得多.).许多金属成形问题可归为此类.–不计算刚性体内的应力•柔性体-柔性体–两个或所有的接触体都可变形(所有表面的刚度相近).螺栓结合凸缘连接就是柔性体-柔性体接触的例子.BasicStructuralNonlinearities6.0TrainingManualOctober15,2001Inventory#0015657-9接触介绍...基本概念刚性体-柔性体接触刚性表面变形体BasicStructuralNonlinearities6.0TrainingManualOctober15,2001Inventory#0015657-10接触介绍...基本概念柔性体-柔性体接触花键轴过盈配合,两个零件都是柔体.BasicStructuralNonlinearities6.0TrainingManualOctober15,2001Inventory#0015657-11接触介绍...基本概念接触协调•实际接触体相互不穿透.因此,程序必须在这两个面间建立一种关系,防止它们在有限元分析中相互穿过.–当程序防止相互穿透时,称之为强制接触协调.F目标面接触面当没有强制接触协调时,发生穿透.FBasicStructuralNonlinearities6.0TrainingManualOctober15,2001Inventory#0015657-12接触介绍...基本概念接触协调–罚函数法•强制接触协调的罚函数法,用一个接触“弹簧”在两个面间建立关系.–弹簧刚度称为惩罚参数,或者更通俗一点,就是接触刚度.–当面分开时(开状态),弹簧不起作用；当面开始穿透时(闭合),弹簧起作用.弹簧偏移量满足平衡方程:F=k式中k是接触刚度.FBasicStructuralNonlinearities6.0TrainingManualOctober15,2001Inventory#0015657-13接触介绍...基本概念…接触协调–罚函数法•数学上要求有限的穿透量在交界面处产生接触力.–平衡需要此接触力.–因此,为了平衡,必须大于零.•然而,实际的接触体相互不穿透.•因此,为了最高的精度,目的是使发生在接触界面处的穿透量最小.–最小的穿透给出最大的精度.–这意味着,理想的接触刚度应该是个非常大的值.–然而,值太大会引起收敛困难.BasicStructuralNonlinearities6.0TrainingManualOctober15,2001Inventory#0015657-14接触介绍...基本概念•如果接触刚度太大,一个微小的穿透将会产生一个过大的接触力,在下一次迭代中可能会将接触面推开.•用太大的接触刚度通常会导致收敛振荡,并且常会发散.迭代n迭代n+1FFF接触F迭代n+2BasicStructuralNonlinearities6.0TrainingManualOctober15,2001Inventory#0015657-15接触介绍...基本概念接触协调–lagrange乘子法•另外一种方法,lagrange乘子法,增加一个附加自由度(接触压力),来满足不可穿透条件.FBasicStructuralNonlinearities6.0TrainingManualOctober15,2001Inventory#0015657-16接触介绍...基本概念接触协调–增广lagrange法•多数ANSYS接触单元可以将罚函数法和lagrange乘子法结合起来强制接触协调.称之为增广lagrange法.•在迭代的开始,接触协调基于惩罚刚度确定.一旦达到平衡,检查穿透容差.此时,如果有必要,接触压力增加,迭代继续.F穿透容差BasicStructuralNonlinearities6.0TrainingManualOctober15,2001Inventory#0015657-17接触介绍...基本概念…接触协调–增广lagrange法由于平衡,矫正穿透量.在矫正阶段发生振荡.增大接触应力,减少穿透量.BasicStructuralNonlinearities6.0TrainingManualOctober15,2001Inventory#0015657-18接触介绍...基本概念面-面接触单元•ANSYS中最常用的接触单元是面-面单元.–Targe169和170•刚性或可变形的目标面–Conta171到174•可变形的接触面•这些单元非常适合面-面接触的情况,如过盈装配接触,啮合接触,锻造和深拉.BasicStructuralNonlinearities6.0TrainingManualOctober15,2001Inventory#0015657-19接触介绍...基本概念…面-面接触单元•这些接触单元采用接触对概念,接触对由目标面和接触面组成.–面-面接触单元象皮肤一样覆盖在下面的有限元模型上.–用独立的单元类型定义目标面和接触面.–接触对通过共用实常数组来识别.接触面上的接触单元(实常数=N)目标面上的目标单元(实常数=N)BasicStructuralNonlinearities6.0TrainingManualOctober15,2001Inventory#0015657-20接触介绍...基本概念…面-面接触单元•ANSYS支持刚性体-柔性体和柔性体-柔性体的面-面接触模型.•柔性体-柔性体接触模型有可变形的目标面,只要目标单元覆盖在可变形的单元上,就创建了目标面.•刚性体-柔性体接触模型有刚性目标面,该目标面不覆盖在任何可变形的单元上.刚性目标单元接触单元下层网格BasicStructuralNonlinearities6.0TrainingManualOctober15,2001Inventory#0015657-21接触介绍...基本概念…面-面接触单元•面-面接触单元用增广lagrange法强制接触协调(缺省).–广义lagrange法采用接触刚度和穿透容差.•对于“简单”接触模型,正常情况需要给出接触对的三个特征:–接触刚度值.–穿透容差值.–还需要确定接触对中哪一个面应该是目标面,哪一个面应该是接触面.BasicStructuralNonlinearities6.0TrainingManualOctober15,2001Inventory#0015657-22接触介绍...基本概念接触刚度•接触刚度是影响精度和收敛行为的最重要的参数.–已经知道较大的刚度精度高,但收敛困难.•必须仔细地确定一个适当的接触刚度值.–“最好的”值经常是与问题相关的.•程序提供的缺省值可能不适合.–可能要求做一些试验去确定一个适当的值,使产生的收敛解具有可以接受的精度.BasicStructuralNonlinearities6.0TrainingManualOctober15,2001Inventory#0015657-23接触介绍...基本概念…接触刚度•对于面-面接触单元,用一个系数(FKN)给出接触刚度.也就是说,程序通过对下层单元的刚度乘以该系数来确定接触刚度.k接触t=FKNxf(k下层)•对于面-面接触单元,接触刚度的单位是单位面积的刚度,或(F/L)/(L2).•接触刚度的一个较好值经常通过使接触刚度等于下层单元的刚度获得.–作为起始估计,尝试:•对于接触中的大块实体,FKN=1.0.•对于柔性较大(弯曲为主)的部件,FKN=0.1.BasicStructuralNonlinearities6.0TrainingManualOctober15,2001Inventory#0015657-24接触介绍...基本概念…接触刚度•有时,一个模型的不同区域可能需要有不同的接触刚度.大块实体接触;试用FKN=1.0柔性接触;试用FKN=0.1BasicStructuralNonlinearities6.0TrainingManualOctober15,2001Inventory#0015657-25接触介绍...基本概念…接触刚度•需要确定结果对接触刚度是否敏感.•选择一个好的刚度值可能需要一些试验,下面的步骤可以用于静态、非路径相关分析的指南:1.改变接触单元选项,允许接触刚度在重启动期间可以修改,KEYOPT(10)=1.2.开始时采用一个“软的”FKN可以帮助克服收敛困难.3.运行此分析,直到最终载荷.4.检查对分析比较重要的一些结果(等效应力,接触压力等).BasicStructuralNonlinearities6.0TrainingManualOctober15,2001Inventory#0015657-26接触介绍...基本概念…接触刚度5.增大FKN并重启动求解.6.再检查结果.7.重复步骤5和6,直到达到