第15章接触分析23.docx
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第15章接触分析23
第15章接触问题分析
15.1接触问题概论
接触问题存在以下两个较大的难点。
(1)在求解问题之前,不知道接触区域,表面之间的接触状态是未知的、突然变化的,这些随载荷、材料、边界条件和其他因素而定。
(2)大多数接触问题需要计算摩擦,有几种摩擦和模型可供挑选,它们都是非线性的,摩擦使问题的收敛性变得困难。
15.1.1接触问题分类
接触问题分为两种基本类型:
刚体-柔体的接触和柔体-柔体的接触。
在刚体-柔体的接触问题中,一个或多个接触面被当作刚体(与和它接触的变形体相比,有大得多的刚度)。
一般情况下,一种软材料和一种硬材料接触时,问题可以被假定为刚体-柔体的接触,许多
金属成形问题归为此类接触。
另一类柔体-柔体的接触是一种更普遍的类型,在这种情况下,两个接触体都是变形体(有近似的刚度)。
ANSYS支持三种接触方式:
点-点接触、点-面接触、面-面接触,每种接触方式使用的接触单元适用于某类问题。
15.1.2接触单元
为了给接触问题建模,首先必须认识到模型中的哪些部分可能会相互接触,如果相互作用发生在一点上,那么模型的对应组元是一个节点。
如果相互作用发生在一个面上,模型的对应组元是单元,如梁单元、壳单元或实体单元。
有限元模型通过指定的接触单元来识别可能的接触匹对,接触单元是覆盖在分析模型接触面之上的一层单元,在ANSYS中使用的接
触单元详述如下。
1.点-点接触单元
点-点接触单元主要用于模拟点一点的接触行为。
为了使用点一点的接触单元,需要预先知道接触位置。
这类接触问题只能适用于接触面之间有较小相对滑动的情况(即使在几何非线性情况下)。
如果两个面上的节点一一对应,相对滑动可以忽略不计,两个面保持小量挠度(转动),那么可以用点-点接触单元来求解面-面接触问题,过盈装配问题就是一个典型的例子。
2.点—面接触单元
点—面接触单元主要用于给点—面接触行为建模,如两根梁的相互接触。
如果通过一组节点来定义接触面,生成多个接触单元,那么可以通过点-面接触单元来模拟面一面接触
问题。
面既可以是刚性体也可以是柔性体,这类接触问题的一个典型例子是插头到插座里。
使用这类接触单元,不需要预先知道确切的接触位置,接触面之间也不需要保持一致的网格,并且允许有大的变形和大的相对滑动。
CONTACT48和CONTACT49都是点-面接触单元,CONTACT26用来模拟柔性点-刚性面的接触。
对有不连续的刚性面的问题,不推荐采用CONTACT26,因为可能导致接触的丢失。
在这种情况下,CONTACT48通过使用伪单元算法能提供较好的建模能力。
3.面—面接触单元
ANSYS支持刚体-柔体的面-面接触单元,刚性面被当做“目标”面,分别用TARGET169和TARGET170来模拟2D和3D的“目标”面。
柔性体的表面被当做“接触”面,用CONTACT171CONTACT172、CONTACT173和CONTACT174来模拟。
一个目标单元和一个接触单元叫做一个“接触对”,程序通过一个共享的实常数号来识别“接触对”。
为了建立一个“接触对”,应给目标单元和接触单元指定相同的实常数号。
与点—面接触单元相比,面—面接触单元有以下几个优点。
(1)支持低阶和高阶单元。
(2)支持有大滑动和摩擦的大变形、协调刚度阵计算,以及不对称单元刚度阵的计算。
(3)为工程目的采用更好的接触结果,如法向压力和摩擦应力。
没有刚体表面形状的限制,刚体表面的光滑性不是必需的,允许有自然的或网格离散引起的表面不连续。
与点—面接触单元相比,面—面接触需要更多的接触单元,因而需要较小的磁盘空间和CPU时间。
另外,面—面接触单元允许多种建模控制,如绑定接触、渐变初始渗透、目标面自动移动到初始接触、平移接触面(老虎梁和单元的厚度)、支持死活单元、支持耦合场分析、支持磁场接触分析等。
“目标”面,而把另一个边界接触”面总是柔性的,这两
15.2接触分析的基本设置
在涉及两个边界的接触问题中,很自然地把一个边界作为
作为“接触”面。
对刚体-柔体接触,“目标”面总是刚性的,个面合起来叫做“接触对”。
使用了TARGE169和CONTA171或CONTA172来定义2D接触对,使用了TARGE170和CONTA173或CONTA174来定义3D接触对,程序通过相同的实常数号来识别“接触对”。
15.2.1建立模型并划分网格
在建立模型并划分网格过程中,需要建立代表接触体几何形状的实体模型。
与其他分析过程一样,需要设置单元类型、实常数、材料特性,用恰当的单元类型,给接触体划分网格。
命令方式:
AMESH,MESH
GUI方式:
1)MainMenu>Preprocessor>Meshing>Mesh>Mapped>3or4Sided;
2)MainMenu>Preprocessor>Meshing>Mesh>Mapped>4or6Sided。
15.2.2识别接触对
用户必须认识到模型在变形期间哪些地方可能发生接触,一旦识别出潜在的接触面,就应该通过目标单元和接触单元来定义它们。
目标单元和接触单元跟踪变形阶段的运动,构成一个接触对的目标单元,和接触单元通过共享的实常数号联系起来。
接触区域可以任意定义,然而为了更有效地进行计算〔主要指CPU时间〕,应定义更小
的局部化接触环,但必须保证它足以描述所需要的接触行为。
不同的接触对必须通过不同的实常数号来定义(即使实常数号没有变化)。
由于几何模型和潜在变形的多样性,有时候一个接触面的同一区域可能和多个目标面产生接触关系。
在这种情况下,应该定义多个接触对(使用多组覆盖层接触单元)每个接触对有不同的实常数号。
15.2.3定义刚性目标面
刚性目标面可能是2D或3D的。
在2D情况下,刚性目标面的形状可以通过一系列直线、圆弧和抛物线来描述,所有这些都可以用TARGE169来表示。
另外,可以使用它们的任意组
合来描述复杂的目标面。
在3D情况下,目标面的形状可以通过三角面、圆柱面、圆锥面和球面来描述,所有这些都可以用,TARGE170来表示。
对于一个复杂的、任意形状的目标
面,应该使用三角面来给它建模。
1.控制节点(Pilot)
刚性目标面可能会和Pilot节点联系起来,它实际上是一个只有一个节点的单元,通过这个节点的运动可以控制整个目标面的运动,因此可以把Pilot节点作为刚性目标的控制器。
整个目标面的受力和转动情况可以通过Pilot节点表示出来,“Pilot节点”可能是目标单元中的一个节点,也可能是一个任意位置的节点,只有需要转动载荷或力矩载荷时,“Pilot节
点”的位置才是重要的。
如果定义了“Pilot节点”,ANSYS程序只在“Pilot节点”上检查边界条件,而忽略其他节点上的任何约束。
对于圆、圆柱、圆锥和球的基本图段,ANSYS总是
使用一个节点作为“Pilot节点”。
2.基本原型
用户能够使用基本几何形状来模拟目标面,如圆、圆柱、圆锥和球。
有些基本原型虽然不能直接合在一起成为一个目标面(例如直线不能与抛物线合并,弧线不能与三角形合并等),但用户可以给每个基本原型指定它自己的实常数号。
3.单元类型和实常数
在生成目标单元之前,首先必须定义单元类型(TARGE169或TARGE170
命令方式:
ET
GUI方式:
MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete
4.使用直接生成法建立刚性目标单元为了直接生成目标单元,可以使用下面的命令和菜单路径。
命令方式:
TSHAP
GUI方式:
MainMenu>Preprocessor>Modeling>create>Elements>ElemAttributes随后指定单元形状,可能的形状有StraightLine(2D)、Parabola(2D)、Clockwisearc(2D)、
Counterclockwisearc(2D)、Circle(2D)、Triangle(3D)、Cylinder(3D)、Cone(3D)、Sphere(3D)、Pilotnode(2D和3D)等,如图15-1所示。
图15-1“单元属性”对话框
一旦指定目标单元形状,所有以后生成的单元都将保持这个形状,除非又指定另外一种
形状。
就可以使用标准的ANSYS3直接生成技术生成节点和单元。
命令方式:
N,E
GUI方式:
1)MainMenu>Preprocessor>Modeling>create>Node
2)MainMenu>Preprocessor>Modeling>create>Element
在建立单元之后,可以通过显示单元来验证单元形状。
命令方式:
ELIST
GUI方式:
UtilityMenu>List>Element>Nodes+Attributes
5.使用ANSYS网格划分工具生成刚性目标单元
用户可以使用标准的ANSYS网格划分工具让程序自动生成目标单元,ANSYS程序将会以实体模型为基础生成合适的目标单元形状而忽略TSHAP命令的选项。
为了生成一个Pilot节
点,可以使用下面的命令或GUI路径。
命令方式:
Kmesh
GUI方式:
MainMenu>Preprocessor>Meshing>Mesh>Keypoints
15.2.4定义柔性接触面
为了定义柔性体的接触面,必须使用接触单元CONTA171或CONTA172(2D)和
CONTA173或CONTA174(3D)来定义表面。
程序通过组成变形体表面的接触单元来定义接触表面,接触单元与其下覆盖的变形体单
元有同样的几何特性,接触单元与其下覆盖的变形体单元必须处于同一阶次(低阶或高阶),
被覆盖的变形体单元可能是实体单元、壳单元或梁单元,接触面可以是壳单元的任何一边或
梁单元的任何一边。
与目标面单元一样,必须定义接触面的单元类型,然后选择正确的实常数号(实常数号
必须和与它对应目标的实常数号相同),最后生成接触单元。
1.单元类型
单兀的表面。
(2)CONTA172这是一种2D、3节点的高阶抛物线形单元,可能位于有中间节点的2D实体或梁单元的表面。
(3)CONTA173这是一种3D、4节点的低阶四边形单元,可能位于3D实体或壳单元的
表面,它可能退化成一个3节点的三角形单元。
(4)CONTA174这是一种3D、8节点的高阶四边形单元,可能位于有中间节点的3D实
体或壳单元的表面,它可能退化成6节点的三角形单元。
不能在高阶柔性体单元的表面上划分低阶接触单元,反之也不行,不能在高阶接触单元
上消去中间节点。
命令方式:
ET
GUI方式:
MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete
2.实常数和材料特性
在定义了单元类型之后,需要选择正确的实常数设置,每个接触对的接触面和目标面必
须有相同的实常数号,而每个接触对必须有它自己不同的实常数号。
3.生成接触单元
既可以通过直接生成法生成接触单元,也可以在柔性体单元的外表面上自动生成接触单
元。
我们推荐采用自动生成法,这种方法更为简单和可靠。
可以通过下面三个步骤来自动生
成接触单元。
(1)选择已划分网格的柔性体表面的节点。
如果确定某一部分节点永远不会接触到目
标面则可以忽略它,以便减少计算时间,但是必须保证设有漏掉可能会接触到目标面的节
点。
命令方式:
MSEL
GUI方式:
Utility>Select>Entities
(2)产生接触单元
命令方式:
ESURF
GUI方式:
MainMenu>Preprocessor>Create>Element>Surf/Contact>SurftoSurf
如果接触单元是附在已用实体单元划分网格的面上或体上,程序会自动决定接触计算所
需的外法向。
如果被覆盖的单元是梁单元或壳单元,则必须指明哪个表面(上表面或下表面)是接触面,具体操作方式如下。
命令方式:
ESURF
GUI方式:
MainMenu>Preprocessor>Create>Element>Surf/Contact>SurftoSurf
使用上表面生成接触单元,则它们的外法向与梁或壳单元的法向相同;使用下表面生成
接触单元,则它们的外法向与梁单元或壳单元的法向相反。
如果被覆盖的单元是实体单元,则TOP和BOTTOM选项不起作用,如图15-2所示。
图15-2“表面接触单元”对话框
(3)检查接触单元外法线的方向。
当程序进行是否接触的检查时,接触面的外法线方向是重要的。
对于3D单元,按节点序号以右手定则来决定单元的外法向,接触面的外法向应该指向目标面,否则,在开始分析计算时,程序可能会认为有面的过度渗透而很难找到
初始解。
在此情况下,程序一般会立即停止执行,这时应检查单元外法线方向是否正确
命令方式:
/PSYMB
GUI方式:
UtilityMenu>Poltctrls>Symbols
当发现单元的外法线方向不正确时,必须通过修正不正确单元节点来改变它们。
命令方式:
ESURF,REVE
GUI方式:
MainMenu>Preprocessor>Create>Elementonfreesurf
或者重新排列单元指向。
命令方式:
ENORM
GUI方式:
MainMenu>Preprocessor>Modeling>Move/Modify>Elements>Shell
Normals
1525设置实常数和单元关键点
程序使用20多个实常数和几个单元关键点来控制面一面接触单元的接触行为。
1.常用的实常数
程序中经常使用的实常数如表15-1所示,定义实常数的具体操作方法如下。
表15-1实常数列表
实常数
用途
R1R2
定义目标单兀形状
FKN
定义法向接触刚度因子
FTOLN
定义最大的渗透范范围
ICONT
定义初始靠近因子
PINB
定义“Pinball”区域
PMIN/PMAX
定义初始渗透的容许范围
TAUMAR
扌曰疋最大的接触摩擦
命令方式:
R
GUI方式:
MainMenu>Preprocessor>RealConstant
对实常数FKNFTOLNICONT,PINB,PMIN/PMAX用户既可以定义一个正值也可以定义一个负值,程序将正值作为比例因子,将负值作为真实值,将其下覆盖原单元的厚度作为
FTOLNICONT,PINB,PMIN/PMAX的参考值。
例如,ICON=O.1表明初始间隙因子是0.1乘以其下覆盖层单元的厚度。
然而,-0.1表明真实缝隙是0.1,如果其下覆盖层单元是超单元,
则将接触单元的最小长度作为厚度。
2.单元关键字
每种接触单元都有好几个关键字,对于大多接触问题,默认的关键字是合适的,而在某
些情况下,可以根据以下方式改变默认值来控制接触行为。
命令方式:
KEYOPT,ET
GUI方式:
MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete表15-2不同接触单元对应的关键字
关键字
内涵
K1
自由度
K2
接触算法(罚函数+拉格郎日或罚函数)
K3
出现超单元时的应力状态
K4
接触方位点的位置
K5
刚度矩阵的选择
K6
时间步长控制
K7
初始渗透影响
K8
接触刚度修正
K9
壳体厚度效应
K10
接触表面情况
15.2.6控制刚性目标面的运动
按照物体的原始外形建立的刚性目标面,面的运动是通过给定Pilot节点来定义的。
如
果没有定义Pilot节点,则通过刚性目标面上的不同节点来定义。
为了控制整个目标面的运动,在下面任何情况下都必须使用Pilot节点。
(1)目标面上作用着给定的外力。
(2)目标面发生旋转。
(3)目标面和其他单元相连(如结构质量单元)。
Pilot节点的厚度代表着整个刚性面的运动,可以在Pilot节点上给定边界条件(如位移、
初速度、集中载荷、转动等)。
为了考虑刚体的质量,在Pilot节点上定义一个质量单元。
当使用Pilot节点时,需要记住下面的几点局限性。
(1)每个目标面只能有一个Pilot节点。
(2)圆、圆锥、圆柱、球的第一个节点是Pilot节点,不能另外定义或改变Pilot节点。
(3)程序忽略不是Pilot节点的所有其他节点上的边界条件。
(4)只有Pilot节点能与其他单元相连。
(5)当定义了Pilot节点后,不能使用约束方程(CF)或节点耦合(CP)来控制目标面的自由度,如果在刚性面上施加载荷或者约束,则必须定义Pilot节点,然后在Pilot节点上加载。
如果没有使用Pilot节点,则只能有模型刚体运动。
在每个载荷步的开始,程序检査每个目标面的边界条件,如果下面的条件都满足,那么
程序将目标面作为固定面来处理。
(1)在目标面节点上没有明确定义边界条件或给定力。
(2)目标面节点没有和其他单元相连。
(3)目标面节点没有使用约束方程或节点耦合。
在每个载荷步的末尾,程序将会放松被内部设置的约束条件。
15.2.7定义求解选项和载荷步
接触问题的收敛性随着问题的不同而不同,下面列出了一些典型的在大多数面一面接触
分析中推荐使用的选项。
时间步长必须足够小,以描述适当的接触。
如果时间步太大,则接触力的光滑传递会被
破坏。
设置精确时间步长可信赖的方法就是打开自动时间步长,具体操作方式如下。
命令方式:
AUTOTS,ON
GUI方式:
MainMenu>Solution>UnabridgedMenu>LoadStepOpts>Time/Frequenc>Time-TimeSteporTimeandSubstps
如果在迭代期间接触状态发生变化,可能会发生不连续情况。
为了避免收敛太慢,使用
修改的刚度矩阵,将牛顿一拉普森选项设置成FULL具体操作方式如下。
命令方式:
NROPT,FULL,OFF
GUI方式:
MainMenu>Solution>UnabridgedMenu>AnalysisOptions
不要使用自适应下降因子,因为对于面一面接触问题,自适应下降因子通常不会提供任
何帮助,因此我们建议关掉它。
在如图15-3所示的“平衡迭代次数”对话框中设置合理的平衡迭代次数,一个合理的平衡迭代次数通常在25和50之间,设置方式如下。
命令方式:
NEQIT
GUI方式:
MainMenu>Solution>UnabridgedMenu>LoadStepOpts>Nonlinear>EquilibriumIter
图15-3“平衡迭代次数”对话框
因为时间增量过大会使迭代趋向于变得不稳定,所以应使用线性搜索选项来使计算稳定
化,如图15-4所示。
命令方式:
LNSRCH
GUI方式:
MainMenu>Solution>UnabridgedMenu>LoadStepOpts>Nonlinear>LineSearch
图15-4“线性搜索”对话框
除非在大转动和动态分析中,否则应打开时间步长预测器选项,如图15-5所示。
命令方式:
PRED
GUI方式:
MainMenu>Solution>UnabridgedMenu>LoadStepOpts>Nonlinear>Predictor
在接触分析中,许多不收敛问题都是由于使用了太大的接触刚度引起的,利用实常数
FKN可以检验是否使用了合适的接触刚度。
图15-5“预测器”对话框
15.3接触问题实例
本节通过深沟球轴承进行接触应力分析,来介绍ANSYS接触问题的分析过程。
15.3.1分析问题
如图11-6所示,以深沟球轴承6300为例进行分析:
材料选择GGr15制造,该型号的几何参数为:
外径D为①35,内径d为①10,宽度B为11,钢球直径Dw为①6.4,接触角a为零,钢球数量Z为7个。
材料参数:
弹性模量E=3000000MPa,泊松比卩=0.25。
接触面应力为3472.00N。
观察深沟球轴承接触面的应力。
图15-6深沟球轴承示意图
15.3.2模型建立
1.定义工作文件名:
UtilityMenu>File>ChangeJobname,弹出“ChangeJobname”对话框,在“Enternewjobname”文本框中输入“Bearing”,并将“NewLoganderrorfiles”复选框选为“yes”,单击“OK”按钮。
2.设置分析标题:
UtilityMenu>File>ChangeTitle,在输入栏中键入“ContactAnalysis”,单击“OK'按钮。
3.定义单元类型:
MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete,出现
“ElementTypes”对话框,如图15-7所示,单击“Add”按钮,弹出如图15-8所示的“Library
ofElementTypes”对话框,单击选择“StructuralSolid和Brick8node185”,单击“OK”按钮,然后单击“ElementTypes”对话框的“Close"按钮。
4.定义材料性质:
MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels,弹出如图
15-9所示的“DefineMaterialModelBehavior”对话框,在“MaterialModelsAvailable”栏目
中连续单击Structural>Linear>Elastic>Isotropic,弹出如图15-10所示"LinearIsotropic
PropertiesforMaterial”对话框,在“EX'后面输入“3E007”,在“PRXY后面输入0.25,单击"OK'按钮。
然后执行"DefineMaterialModelsBehavior”对话框上的Material>Exit
退出。
5.偏移工作平面到给定位置。
从应用菜单中选择UtilityMenu>WorkPlane>OffsetWP
to>XYZLocations+。
打开
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