07 ANSYS13.0 Workbench 结构非线性培训 作业 摩擦接触解析
ANSYSWorkbench接触分析案例详解
ANSYSWorkbench接触分析案例详解本⽂由Workbench⼩学⽣授权转载这篇⽂章囊括了接触分析中常见的问题，并通过思考和验证，给出了解决⽅案和经验总结，相信朋友们按照这篇教程完整的⾛⼀遍分析过程，会对接触分析的理解更近⼀步。
1.建模。
条件：⼀个圆盘与⼀个矩形板，⽣成壳体。
注意：两者分析之前未接触。
2.选取材料。
进⼊材料库，选取⾮线性材料中的铝合⾦（Aluminum Alloy NL）注意：NL表⽰Nonlinear ，译为⾮线性。
3.进⼊分析模块，调出Properties选项4.修改分析类型，将Analysis type由3D改为2D5.双击Model进⼊分析界⾯，修改矩形板的材料为Aluminum Alloy NL，圆盘默认为结构钢（Structural Steel）6.参数设置（1）根据左侧outline依次向下添加（由于此分析不⽤添加局部坐标系，因此修改完材料属性后，直接添加接触）（2）⼯况：矩形板与圆盘为摩擦接触（也可使⽤⽆摩擦接触，读者可以亲⾃尝试）（3）接触⾯为圆盘外圆周，⽬标⾯为矩形板顶边，设置摩擦系数为0.15（4）由于模型为刚-柔接触，因此修改behavior为⾮对称（Asymmetric）（5）在advanced中将接触算法设置为增⼴拉格朗⽇（Augmented Lagrange）（6）探测⽅法设置为⾼斯点探测（on Gauss point ）注意：①由于两者的材料都是⾦属，因此摩擦系数 ≤0.2②⾮线性分析中默认的接触算法为增⼴拉格朗⽇（Augmented Lagrange），线性默认为纯罚函数（Pure penalty）③纯罚函数的收敛性很好，接触刚度对其影响⼤，但是它的穿透性不可控制，⽽增⼴拉格朗⽇收敛性表现为穿透较⼤，迭代次数较多，但其可以在⼀定程度上控制穿透性④⾼斯点与节点探测的区别：⾼斯点：适合⼤多情况，⽹格密度⼩、更精确节点：仅适⽤于⾓接触⑤局部坐标系的添加：如果全局坐标系不是所需要的，就必须添加局部坐标系作为附属坐标系7.划分⽹格（Mesh），选中图中模型，根据模型⾃动划分⽹格8.分析设置（Analysis Setting）（1）打开⾃动时间步（Anto Time Stepping）与⼤变形（Large Deflection）（2）修改载荷⼦步依次为50,50,100后，其他均默认9.添加边界条件（Load or Supports）（1）选中矩形板的下边线，将其设置为Displacement（2）X⽅向数值设置为-15mm，Y⽅向数值设置为0（3）选中圆盘的外圆周，将其设置为Fixed support思考：为什么打开⼤变形开关？答：因为在静⼒学中，极限转动⾓度为10°，⼤位移或者⼤转动即视为⾮线性分析，当受⼒物体的变形与其⼏何尺⼨相⽐较⼤，且线性叠加原理不再适⽤时，可视作⼤变形。
workbench的接触解析(1)
WorkBench接触解析1.接触的基本概念1.1. 接触的定义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part之间是接触或分离.1.2. workbench接触类型1)Bonded（绑定）: 这是Workbench中关于接触的默认设置。
如果接触区域被设置为绑定，不允许面或线间有相对滑动或分离，可以将此区域看作被连接在一起，类似于共结点。
因为接触长度/面积是保持不变的，所以这种接触可以用作线性求解。
如果接触是从数学模型中设定的，程序将填充所有的间隙，忽略所有的初始渗透。
2)No Separation（不分离）: 这种接触方式和绑定类似。
它只适用于面。
不允许接触区域的面分离，但是沿着接触面可以有小的无摩擦滑动。
即法向不分离，切向可以有小位移，也只用于线性接触。
3)Frictionless（无摩擦）: 这种接触类型代表单边接触，即如果出现分离则法向压力为零。
只适用于面接触。
因此，根据不同的载荷，模型间可以出现间隙。
它是非线性求解，因为在载荷施加过程中接触面积可能会发生改变。
假设摩擦系数为零，因此允许自由滑动。
使用这种接触方式时，需注意模型约束的定义，防止出现欠约束。
法向可分离，但不渗透，切向自由滑动。
程序会给装配体加上弱弹簧，帮助固定模型，以得到合理的解。
4)Rough（粗糙的）: 这种接触方式和无摩擦类似。
但表现为完全的摩擦接触，即没有相对滑动，法向可分离，不渗透，切向不滑动。
只适用于面接触。
默认情况下，不自动消除间隙。
这种情况相当于接触体间的摩擦系数为无穷大。
5)Frictional（有摩擦）: 这种情况下，在发生相对滑动前，两接触面可以通过接触区域传递一定数量的剪应力。
有点像胶水。
法向可分离，但不渗透，切向滑动，有摩擦力。
03 ANSYS13.0 Workbench 结构非线性培训 概述
… 非线性类型
• 当然, 所有这三种非线性通常是同时遇到.
– Workbench Mechanical 可容易地处理综合非线性效应.
Training Manual
Rubber Boot Seal
非线性几何 (大应变和大 变形), 材料非线性 (橡 胶), 和状态非线性 (接触
)的例子.
1-7
Workbench Mechanical – Structural Nonlinearities Overview
Newton-Raphson 方法:
• • 不保证所有状况收敛! 只有开始构造在收敛半径范围内的会收敛.
Training Manual
力 发散!
力
收敛
F
F
ustart
u
位移
ustartu
位移
在收敛半径外开始
1-11
在收敛半径内开始
Workbench Mechanical – Structural Nonlinearities Overview
B. 线性求解器的非线性求解
• Workbench Mechanical 如何对刚度的变化进行求解?
– 非线性分析中, 响应不能直接由一系列线性方程预测. – 然而, 非线性结构分析使用一系列的修正的线性近似迭代.
Training Manual
– ANSYS 使用 Newton-Raphson Method迭代过程. 每次迭代是一个平衡迭代.
– 材料非线性:非线性的 stress-strain 关系, 如右图所示 的金属塑性是另一个非线性来源.
– 接触: “状态改变”的非线性, 是当物体相互接近或分 离的时会出现刚度的突变而导致的非线性.
1-6
06 ANSYS13.0 Workbench 结构非线性培训 高级接触解析
• Tolerance Type, Tolerance Value, and Tolerance
Slider: CAD 系统创建的装配体可能没有精确装配, 导致两 体间的接触区域有小的重合或间隙. 可指定接触探测容差 来解决任何的不精确 (只适用于自动接触探测).
4-7
Workbench Mechanical - Advanced Contact
– 如图所示，当前指针位置出现一圆.
图示说明用户定义的接 触探测容差值 CAD 部件间存在的 间隙
4-8
Workbench Mechanical - Advanced Contact
...自动接触探测选项
• 实体和面体间可得到的接触探测类型:
– 面/面: 不同体面间的接触 – 面/边: 不同体的面和边间的接触 – 边/边: 不同体边间的接触
4-6
Workbench Mechanical - Advanced Contact
...自动接触探测选项
Training Manual
• 接触默认设置和自动探测能力对大多接触问题有效. 然而, 可以执行这些额外 控制来放宽分析的接触范围 :
• Generate Contact on Update:若该选型设为Yes ，输入 模型(最新的)时自动创建面/面接触区域. 设置为 „No‟ 仍然 允许手动激活自动生成接触, 或手动构建接触区域.
...自动接触探测选项
Training Manual
• 优先权: 对非常大的模型，接触对的数量有时候是过剩的，特别是当允许多 种接触类型时.
• 209个部件 • 450 个对称接触对 • 115万个自由度
4-10
Workbench Mechanical - Advanced Contact
ANSYS Workbench接触实例培训
• 本章描述的性能通常适用于ANSYS Structural 或以上的license
3-2
Workbench Mechanical - Introduction to Contact
Workbench Mechanical - Introduction to Contact
... 接触公式
Training Manual
• 另外值得一提的是算法不同，接触探测不同:
– Pure Penalty 和 Augmented Lagrange 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)
... 接触公式
Training Manual
• 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 .它是直接处理绑定接触接触区域
相关接触面的方式。
– MPC算法支持大变形效应
– 两种方法都是基于罚函数方程:
Training Manual
F k x normal
normal penetration
– 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. 但对于罚函数法，这在数值计算中是不可能 ，但是只要xpenetration 足够小或可忽略，求解的结果就是精确的。
ansys非线性接触分析中的接触行为
ansys非线性接触分析中的接触行为ansys非线性接触分析中接触行为接触是状态改变非线性，经典ANSYS版本中共提供了7种接触行为，每一种都有其特点及相应的应用范围，在选用的时候应该谨慎。
（1）标准接触行为（standard）该接触行为包括了法向接触闭合和分开行为，在该接触模式中既考虑粘着摩擦同时也考虑了滑动摩擦。
如图上，AB与BC本来是分开的，中间通过B点连接，当在A点施加力F，AB慢慢贴近BC，最终靠在一起。
但F撤销后，AB在恢复力的作用下慢慢回复到初始分开状态。
标准接触行为包括了分开状态→闭合状态→分开状态。
当AB与BC靠在一起时，既存在正压力，同时还有沿BC圆弧切线方向的摩擦力。
（2）粗糙接触行为（rough）该接触行为包括了法向接触闭合和分开行为，但滑动行为在此是不会发生的。
原因是所有参与接触的表面都被假定为非常粗糙，以致于可以认为摩擦力无穷大而不能够产生相对滑动。
在这种接触行为中，接触的两个物体或部件之间，除了存在正压力外，还有切向摩擦力，但是接触部分之间不可以产生相对滑动。
（3）绑定接触行为（bonded）是指一旦接触关系建立，那么目标面及接触面就被假定为粘结在一起（不可以分开）。
（4）绑定接触行为（始终）（bonded（always））任何初始时在许可接触容差范围内探测到的接触点或者是那些即将进入接触的点在后续的分析中将被绑定在一起。
这种接触行为的典型应用，如在组装分析中将两种不同网络的组件“加”在一起。
线性静态分析也可以用该种接触行为来解决，虽然由于有接触单元的存在，分析中将会提示为非线性分析，但往往只要一步迭代就完成了。
（5）绑定接触行为（初始接触）（bonded（initial））绑定仅发生在初始状态下就接触的面上，初始状态下没有接触的部分将继续保持分开。
典型的例子是通过焊接连接在一起的两个物体，焊接部分始终保持连接，没有焊接的部分保持分离状态。
（6）不分开型（no separation）一旦接触关系建立，目标面及接触面便被约束在一起了，但还是允许接触面之间有滑动。
ansys非线性接触分析
第五章接触分析5.1 概述接触问题是一种高度非线性行为，需要较多的计算机资源。
为了进行切实有效的计算，理解问题的物理特性和建立合理的模型是很重要的。
接触问题存在两个较大的难点：其一，在用户求解问题之前，用户通常不知道接触区域。
随载荷、材料、边界条件和其它因素的不同，表面之间可以接触或者分开，这往往在很大程度上是难以预料的，并且还可能是突然变化的。
其二，大多数的接触问题需要考虑摩擦作用，有几种摩擦定律和模型可供挑选，它们都是非线性的。
摩擦效应可能是无序的，所以摩擦使问题的收敛性成为一个难点。
注意 --如果在模型中，不考虑摩擦，且物体之间的总是保持接触，则可以应用约束方程或自由度藕合来代替接触。
约束方程仅在小应变分析( NLGEOM，off)中可用。
见《ANSYS Modeling and Meshing Guide》中的§12，Coupling and Constraint Equations。
除了上面两个难点外，许多接触问题还必须涉及到多物理场影响，如接触区域的热传导、电流等。
5.1.1 显式动态接触分析能力除了本章讨论的隐式接触分析外，ANSYS还在ANSYS/LS-DYNA中提供了显式接触分析功能。
显式接触分析对于短时间接触-碰撞问题比较理想。
关于ANSYS/LS-DYNA的更多的信息参见《ANSYS/LS-DYNA User"s Guide》。
5.2 一般接触分类接触问题分为两种基本类型：刚体─柔体的接触，柔体─柔体的接触。
在刚体─柔体的接触问题中，接触面的一个或多个被当作刚体，(与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，可以假定为刚体─柔体的接触，许多金属成形问题归为此类接触。
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(有相似的刚度)。
柔体─柔体接触的一个例子是栓接法兰。
5.3 ANSYS接触分析功能ANSYS支持三种接触方式：点─点，点─面，面─面接触。
11 ANSYS13.0 Workbench 结构非线性培训 作业 面体接触诊断工具
Workshop Supplement
• 再次求解
WS7A-15
Workbench Mechanical – Structural Nonlinearities
…作业 7A: 诊断
• 从求解信息中看到, 已正常接触, 但几次迭代后收敛失败.
Workshop Supplement
WS7A-16
Workbench Mechanical – Structural Nonlinearities
– 这可以通过对接触单元添加一个如下命令来校正: KEYOPT,cid,11,1 (参见 单元手册中的 CONTA174 和帮助中KEYOPT 命令) – 这个命令包括壳厚度的调整.
WS7A-21
Workbench Mechanical – Structural Nonlinearities
…作业 7A: 诊断
WS7A-3
Workbench Mechanical – Structural Nonlinearities
…作业 7A: 诊断
项目示图区应如右图所示.
– 从示图区, 可看到已定义了Engineering (材料) Data 和Geometry (绿色对号标记). – 接下是在Mechanical中建立和运行有限元模型 Mechanical – 打开 Engineering Data (高亮并双击 或点击鼠标右 键并选择Edit) 来校正材料属性. – 检验单位是公制 (Tonne,mm,…) 系统. 如果不是, 点击… • Utility Menu=>Units=>Metric(Tonne, mm,..)
…作业 7A: 诊断
头两个收敛子步代表两部件间小间隙正在闭合，接触还没建立.
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Contact
Target
WS4B-9
Workbench Mechanical – Structural Nonlinearities
…作业 4B: 摩擦接触
• 确认分析设置
– Large deflection 为 On – 两个载荷步具有不同的自动时间步定义
Workshop Supplement
WS4B-2
Workbench Mechanical – Structural Nonlinearities
…作业 4B: 摩擦接触
步骤:
•
Workshop Supplement
如已在前面的运行中打开了Workbench, 通过 Utility Menu>File>New…启 动新的分析
•
浏览并打开 “W4b-Oring.wbpj” 项目文件.
…作业 4B: 摩擦接触
• 求解. 多次迭代和几个二分后，求解收敛.
Workshop Supplement
WS4B-12
Workbench Mechanical – Structural Nonlinearities
…作业 4B: 摩擦接触
• 查看总变形结果. 观察O-ring几何变形结果动画
Workshop Supplement
– 检验单位是公制 (Tonne,mm,…) 系统. 如果不是, 点击… • Utility Menu=>Units=>Metric(Tonne, mm,…)
WS4B-4
Workbench Mechanical – Structural Nonlinearities
…作业 4B: 摩擦接触
• 回到项目示图区
– “Unit > Metric (mm,kg,N,s,mV,mA)”
Workshop Supplement
活塞-圆柱装配体为一个 2D 轴对称模型，并施加了必要的边界条件和载荷. 接 下的是定义接触对，设定求解分析设置，求解并对结果进行后处理. 展开 model 分支，确认每个部件的材料分配, 边界条件, 载荷和分析设置.
WS4B-10
Workbench Mechanical – Structural Nonlinearities
…作业 4B: 摩擦接触
• 确认在第二载荷步10mm 的位移施加到圆柱上.
Workshop Supplement
WS4B-11
Workbench Mechanical – Structural Nonlinearities
WS4B-3
Workbench Mechanical – Structural Nonlinearities
…作业 4B: 摩擦接触
项目示图区应如右图所示. • 高亮显示 Engineering Data 点击鼠标右键并选择 Edit打开并校正预定义材料属性
• 橡胶和结构钢
Workshop Supplement
Workshop Supplement
• 双击(或 RMB=>Edit…) Model 打开 FE模型(Mechanical Session)
WS4B-5
Workbench Mechanical – Structural Nonlinearities
…作业 4B: 摩擦接触
• • • 一旦已进入 Mechanical 程序, 检查工作单位制
WS4B-14
– Formulation = Augmented Lagrange – Pinball Radius = 2mm
WS4B-8
Workbench Mechanical – Structural Nonlinearities
…作业 4B: 摩擦接触
Workshop Supplement
• 通过高亮显示 Connections 并右击>Insert>Manual Contact 在O-ring 和圆柱壁 间手动插入一额外的接触区域. 如下图定义这个新接触区域.
WS4B-13
Workbench Mechanical – Structural Nonlinearities
…作业 4B: 摩擦接触
• 高亮显示Solution 并右击 >Insert>Contact Tool
插入并对接触状态，压力，摩擦应力和渗透进行后处理
Workshop Supplement
Workshop Supplement
Piston O-ring
模型描述
– – – – 2D 轴对称 活塞是约束的. 圆柱在模拟装配上移动 材料:
• 活塞和圆柱为钢 • O-Ring为橡胶 Cylinder
– 第1载荷步使活塞和O-ring内径的交界面协调 – 第2载荷步使圆柱在活塞-O-ring 组件上滑动.
WS4B-6
Workbench Mechanical – Structural Nonlinearities
…作业 4B: 摩擦接触
Workshop Supplement
注意: 自动接触探测没有对模型建立合适的接触关系. 默认只创建一对绑定接触， 这不足以描绘装配.
WS4B-7
Workbench Mechanical – Structural Nonlinearities
…作业 4B: 摩擦接触
• 如下重新定义O-ring与活塞接触区域 :
– 修正如图所示的O-ring凹槽三个 表面的目标面定义. – Type 改为 Frictional Contact • Friction Coefficient = 0.05
Workshop Supplement
target
– 转换为 Asymmetric behavior
作业 4B 摩擦接触
Workbench- Mechanicalanical – Structural Nonlinearities
作业 4B: 摩擦接触
目标
– 三个部件间创建接触对 (活塞, 圆柱和封条). – 运行2个载荷步来分析三个部件的装配. – 装配部件轴向力后处理.