ANSYS接触分析(1).ppt
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1、October 20, 20008-2接触非线性 5.7版本本章学完后本章学完后, 应应能对如下功能进行描述和论证能对如下功能进行描述和论证:SessionObjective1. 接触协调条件接触协调条件2. 刚体对柔体和柔体对柔体接触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节点对节点、节点对面和面对面接触单元4. 接触刚度接触刚度5. 接触单元处理接触单元处理6. 接触向导接触向导October 20, 20008-3接触非线性 5.7版本接触问题是高度非线性的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并且对于非线性问题的求解具有典型的挑战意义
2、战意义.接触问题提出两个重要的挑战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表面与表面会突然接触或突然不接触或突然不接触, 这会导致系统刚度的突然变化这会导致系统刚度的突然变化. 多数接触问题包括摩擦多数接触问题包括摩擦. 摩擦是与路径有关的现象摩擦是与路径有关的现象, 这要求精这要求精确的加载历史确的加载历史. 摩擦的响应还可能是杂乱的摩擦的响应还可能是杂乱的, 使求解难以收敛使求解难以收敛.October 20, 20008-4接触非线性 5.7版本 如果接触模型没有摩擦如果接触模型没有摩擦, 接触区域始终粘在一起
3、接触区域始终粘在一起, 并且分析是小并且分析是小挠度、小转动问题挠度、小转动问题, 那么可以用耦合或约束方程代替接触那么可以用耦合或约束方程代替接触. 详细详细信息请参看信息请参看ANSYS建模和网格划分指南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使用耦合或约束方程的优点是分析还是线性的.October 20, 20008-5接触非线性 5.7版本接触问题一般分为两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和柔体对柔体.刚体对柔体刚体对柔体: 一个或多个接触表面作为刚体一个或多个接触表面作为刚体(一个表面的刚度比一个表面的刚度比另一个表面的刚度要高很多另一
4、个表面的刚度要高很多). 许多金属成形问题归入此类许多金属成形问题归入此类. 柔体对柔体柔体对柔体: 两个或所有的接触体都可变形两个或所有的接触体都可变形(所有表面刚度相差所有表面刚度相差不多不多). 螺栓法兰连接是一个柔体对柔体接触的例子螺栓法兰连接是一个柔体对柔体接触的例子.October 20, 20008-6接触非线性 5.7版本刚体表面刚体表面变形体变形体October 20, 20008-7接触非线性 5.7版本花键轴过盈配合花键轴过盈配合, 两个零件两个零件都是柔体都是柔体.October 20, 20008-8接触非线性 5.7版本F为了阻止接触表面相互穿过为了阻止接触表面相互
5、穿过, 这两个表面间必须建立一个关系这两个表面间必须建立一个关系. 否否则这两个表面将相互穿过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不施加接触协调条件时发生侵入目标目标接触接触FOctober 20, 20008-9接触非线性 5.7版本用一个弹簧施加接触协调条件称为罚函数法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弹簧刚度或接触刚度称为罚参数称为罚参数.该弹簧的变形量该弹簧的变形量 满足方程满足方程: F = k 接触刚度接触刚度(k)越大越大, 接触表面的侵入越接触表面的侵入越少少. 然而然而, 若该值太大若该值太大, 会导致收敛困会导致收敛困难难.FOct
6、ober 20, 20008-10接触非线性 5.7版本还可用另外一种方法还可用另外一种方法, 即拉格朗日乘子法即拉格朗日乘子法, 增加一个附加自由度增加一个附加自由度(接接触压力触压力), 以满足不侵入条件以满足不侵入条件.FOctober 20, 20008-11接触非线性 5.7版本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强的拉格朗日法.在迭代的开始在迭代的开始, 接触协调条件基于惩罚刚度决定接触协调条件基于惩罚刚度决定. 一旦达到平衡一旦达到平衡, 就检就检查许可侵入量查许可侵入量. 这时这时,
7、如果有必要如果有必要, 接触压力增大接触压力增大, 继续进行迭代继续进行迭代.F许可侵入量许可侵入量October 20, 20008-12接触非线性 5.7版本增大接触应力增大接触应力减少侵入量减少侵入量由于平衡由于平衡改正侵入量改正侵入量在改正阶段在改正阶段发生振荡发生振荡October 20, 20008-13接触非线性 5.7版本ANSYS有三种类型的接触单元有三种类型的接触单元:节点对节点节点对节点 - 这是指接触的最终位置事先是知道的这是指接触的最终位置事先是知道的.节点对面节点对面 - 接触区域未知接触区域未知, 并且允许大滑动并且允许大滑动.面对面面对面 -接触区域未知接触区域
8、未知, 并且允许大滑动并且允许大滑动 (相对节点对面接触形式有几个优点相对节点对面接触形式有几个优点).October 20, 20008-14接触非线性 5.7版本IJIJ两个最常用的节点对节点接触单元两个最常用的节点对节点接触单元:接触接触12单元和单元和接触接触52单元都用罚函数法施加接触协调条件单元都用罚函数法施加接触协调条件. 这要求这要求输入一个罚刚度输入一个罚刚度(在后面我们将详细讨论罚刚度的计算在后面我们将详细讨论罚刚度的计算).接触接触12单元单元 - 二维间隙二维间隙接触接触52单元单元 - 三维间隙三维间隙October 20, 20008-15接触非线性 5.7版本 节
9、点对节点接触单元能够用于建立点对点接触模型节点对节点接触单元能够用于建立点对点接触模型. 接触点始终已接触点始终已知的管抖动模型是点对点接触的一个例子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如果两个表面的节点一一对应, 相对滑动变形量可以忽略相对滑动变形量可以忽略, 并且两表并且两表面的挠度面的挠度(转动量转动量)较小较小, 那么这些单元还能用于模拟面对面接触问题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. 如果满足上述条件如果满足上述条件, 则此问题用间隙单元是足够的则此问题用间隙单元是足够的
10、.注意点对点接触只能用于低次单元注意点对点接触只能用于低次单元.October 20, 20008-16接触非线性 5.7版本接触接触12单元和接触单元和接触52单元既能用直接生成法创建单元既能用直接生成法创建, 也能在重合节点也能在重合节点处创建单元处创建单元.前处理器前处理器 - 创建创建 - 单元单元 - 在重合节点在重合节点 ( Preprocessor - Create - Elements - At Coincid Nd) 接触接触12单元单元 应该在重合节点间创建应该在重合节点间创建. 然而接触然而接触52单元要求单元要求1E-6的距的距离来定向单元离来定向单元.October
11、20, 20008-17接触非线性 5.7版本补充信息补充信息: 接触接触12单元由实常数单元由实常数THETA定向定向. 接触接触12单元能用作钩单元能用作钩子子或间或间 隙隙, 而接触而接触52单元只能用作间隙单元只能用作间隙 (注意通过约束注意通过约束UZ自由度自由度,接触接触 52单元能够用于二维问题单元能够用于二维问题). 通过设置关键选项通过设置关键选项(4)和实常数和实常数INTF及及GAP, 接触接触12单元和接触单元和接触 52单元都允许给出初始过盈或初始间隙单元都允许给出初始过盈或初始间隙. 关于接触关于接触12单元和接触单元和接触52单元选项和实常数的详细叙述单元选项和实
12、常数的详细叙述, 请参看请参看ANSYS单元手册单元手册(ANSYS Elements Reference )第四章第四章.October 20, 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:接触接触48单元单元 - 二维节点对表面二维节点对表面接触接触49单元单元三维节点对表面三维节点对表面JIKIJKML这些单元用这些单元用缺省的缺省的罚函数法作为接触协调条件罚函数法作为接触协调条件. 作为一个选项作为一个选项,可以可以使用综合的使用综合的罚函数和拉格朗日乘子罚函数和拉格朗日乘子.October 20, 20008-19接触非线性 5.7版本 节点对表面接触
13、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典型用于建立点对面接触应用模型, 如两个梁接如两个梁接触触 (在梁的末端在梁的末端)和锁扣配合的角部和锁扣配合的角部. 通过定义多个单元通过定义多个单元, 这些单元还能用于建立面对面接触模型这些单元还能用于建立面对面接触模型. 这些表这些表面可以是刚性的或可变形的面可以是刚性的或可变形的. 不用知道接触面的位置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允许大变形、大相对滑动和接触表面间的不同网格划分同网格划分.注意节点对表面接触只可以用于低次单元注意节点对表面接触只可以用于低次单元.October 20, 20008-20
14、接触非线性 5.7版本 接触接触48单元和接触单元和接触49单元通过指定节点组元来生成单元通过指定节点组元来生成, 这些节点组定这些节点组定义了目标和接触表面义了目标和接触表面. 为接触和目标表面选择需要的节点为接触和目标表面选择需要的节点, 并创建节点组并创建节点组元元. 给出单元类型和实常数给出单元类型和实常数, 并生成接触单元并生成接触单元. 每一个不相连的接触面应每一个不相连的接触面应该参照一个不同的实常数设置该参照一个不同的实常数设置.JK接触节点接触节点目标节点目标节点IOctober 20, 20008-21接触非线性 5.7版本主菜单主菜单 前处理器前处理器 创建创建 单元单元
15、 节点对表面节点对表面(Main Menu Preprocessor Create Elements Node to Surf)节点组名称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结构分析指结构分析指南南 (ANSYS Structural Analysis Guide) .October 20, 20008-22接触非线性 5.7版本 点对点点对点(接触接触12单元和接触单元和接触52单元单元)和节点对表面和节点对表面(接触接触48单元和接单元和接触触49单元单元)接触单元都要求给出罚刚度接触单元都要求给出罚刚度. 罚刚度越大罚
16、刚度越大, 接触表面的侵入量越小接触表面的侵入量越小. 然而然而, 若此值太大若此值太大,则会由于病则会由于病态条件而引起收敛困难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, 使求解收敛使求解收敛,而且侵而且侵入量可以接受入量可以接受.October 20, 20008-23接触非线性 5.7版本 接触刚度是接触面的相对刚度的函数接触刚度是接触面的相对刚度的函数. 对于块状实体对于块状实体, 通常通常赫兹接触刚度赫兹接触刚度 (Hertz contact stiffness)适适用于罚刚度用于罚刚度, 可以这样估算可以这样估算:k
17、= fE 式中式中f 是介于是介于0.110之间的系数之间的系数, E是较软的接触材料的弹性模量是较软的接触材料的弹性模量. 设设 f=1 通常是一个较好的起始值通常是一个较好的起始值.October 20, 20008-24接触非线性 5.7版本 对于柔性组分对于柔性组分(梁和壳模型梁和壳模型), 系统的刚度可以比赫兹接触刚度要低系统的刚度可以比赫兹接触刚度要低很多很多. 在这种情况下在这种情况下, 你可以将单位载荷施加到预计要接触的面上你可以将单位载荷施加到预计要接触的面上, 先运先运 行一个静态分析来确定模型的局部刚度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接触刚度可以
18、这样估算: k = f(P/ ) 上式适用于柔性体接触上式适用于柔性体接触, f 是介于是介于1100之间的系数之间的系数. 同样同样,设设 f=1 通常是一个较好的起始值通常是一个较好的起始值.October 20, 20008-25接触非线性 5.7版本ANSYS 支持刚体对柔体和柔体对柔体的面对面接触单元支持刚体对柔体和柔体对柔体的面对面接触单元. 这些接触这些接触单元使用单元使用“ 目标面目标面”和和“ 接触面接触面” 的概念来形成接触的概念来形成接触对对.面对面接触单元使用面对面接触单元使用增增强强的拉格朗日法的拉格朗日法施加接触协调条件施加接触协调条件(默认默认). 作作为一个可选
19、项为一个可选项, 还可以用罚函数法还可以用罚函数法.接触面接触面目标面目标面October 20, 20008-26接触非线性 5.7版本与低次和高次单元都兼容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支持具有大滑动和摩擦的大变形.提供更好的接触结果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半自动接触刚度计算.“ 控制节点控制节点” 对刚性面的控制对刚性面的控制(关于主控节点后面有更多的叙述关于主控节点后面有更多的叙述).智能缺省设置、接触向导智能缺
20、省设置、接触向导 (易于使用易于使用).October 20, 20008-27接触非线性 5.7版本需要的接触单元比用节点对面接触单元需要的接触单元比用节点对面接触单元(接触接触48单元和接触单元和接触49单单元元)要少得多要少得多.12个接触个接触48单元单元2个接触个接触171单元和单元和 4个目标个目标169单元单元October 20, 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 组成组成. 接触接触对对通过共用一个实常数指定通过共用一个实常数指定. 目标目标169和和170单元
21、单元 - 刚性或可变形的目标表面刚性或可变形的目标表面 接触接触171到到 174单元单元 - 二维二维和和三维接触单元三维接触单元 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. 这些单元这些单元非常适合面对面接触应用非常适合面对面接触应用, 如过盈装配接触、进料接触、锻造和深如过盈装配接触、进料接触、锻造和深拉深拉深.October 20, 20008-29接触非线性 5.7版本接触副接触副刚性目标刚性目标接触单元接触单元该接触副由实常数该接触副由实常数1指定指定.October 20, 20008-30接触非线性 5.7版本JIIJKI
22、JKII目标目标169单元单元 目标部分有如下类型目标部分有如下类型: 直线、抛物线、圆弧直线、抛物线、圆弧 (顺时针或顺时针或逆时针逆时针)、圆、或控、圆、或控制制节点节点.October 20, 20008-31接触非线性 5.7版本目标目标170单元单元 目标部分目标部分有如下类型有如下类型: 三节点三三节点三角形、四节点四边形角形、四节点四边形、六节点三角形、八、六节点三角形、八节点四边形、圆柱、节点四边形、圆柱、圆锥、球和控制节点圆锥、球和控制节点.October 20, 20008-32接触非线性 5.7版本接触接触171单元单元 是二维、二节点低次直线单元是二维、二节点低次直线单
23、元, 能够位于二维实体、能够位于二维实体、壳或梁单元的表面壳或梁单元的表面. 接触接触172单元单元 是二维、三节点高次抛物线单元是二维、三节点高次抛物线单元, 能够位于有中间节能够位于有中间节点的二维实体单元的表面点的二维实体单元的表面.接触接触171单元单元接触接触172单元单元October 20, 20008-33接触非线性 5.7版本接触接触174单元单元 是三维、八节点高次四是三维、八节点高次四边形单元边形单元, 能够位于有中间节点的三维能够位于有中间节点的三维实体单元的表面实体单元的表面. 该单元还能退化成六该单元还能退化成六节点三角形节点三角形.接触接触173单元单元 是三维、
24、四节点低次四边是三维、四节点低次四边形单元形单元, 能够位于三维实体或壳单元的能够位于三维实体或壳单元的表面表面. 该单元还能退化成三节点三角形该单元还能退化成三节点三角形.October 20, 20008-34接触非线性 5.7版本 对于面对面接触单元对于面对面接触单元, 一个面指定为一个面指定为“ 目标目标”面面, 另一个面为另一个面为“ 接接触触 ”面面. 对于刚体对柔体接触对于刚体对柔体接触, 刚体表面刚体表面总是总是指定为目标面指定为目标面. 对于柔体对柔体接触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面与目标面都与变形体相关联. 接触单元被约束接触单元被约束, 不能
25、侵入目标面不能侵入目标面. 然而然而, 目标单元能够侵入接触面目标单元能够侵入接触面.October 20, 20008-35接触非线性 5.7版本接触单元的一般步骤接触单元的一般步骤:1.创建有限元模型创建有限元模型.2.指定接触和目标表面指定接触和目标表面.3.设置单元选项和实常数设置单元选项和实常数.4.创建目标表面单元创建目标表面单元.5.创建接触表面单元创建接触表面单元.6.施加边界条件施加边界条件.7.定义求解选项和载荷步定义求解选项和载荷步.8.求解求解.9.观察观察结果结果.October 20, 20008-36接触非线性 5.7版本目的是将接触检查点增加到最大数目的是将接触
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