ANSYS Mechanical 接触分析

Large deflection = ON
接触刚度例子
高亮显示接触区域并设置Normal Stiffness 为“Manual” ，定义 Normal Stiffness Factor 为1e-002.
接触刚度例子
总变形的后处理:
接触刚度例子
接触结果的后处理:
– 接触压力 – 接触渗透
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ANSYS contact 基本概念
目录 CONTENTS
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ANSYS contact 接触控制
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ANSYS contact 接触结果设置
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ANSYS contact 接触案例分析
基本概念
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:
用户也可在每次平衡迭代或子步间更新接触刚度.
接触刚度
如下例子显示接触刚度的影响:
从上表容易看出，接触刚度因子越小，穿透量越大。然而， 它也使求解更快速/容易收敛（更少的迭代）。
接触刚度
对绑定接触， Workbench-Mechanical 默认使用 Pure Penalty 公式和大接触刚度.
接触刚度例子
对Normal Stiffness factors 为0.10, 1.0, 和10.0重复以上分析.
将接触算法 改为 Normal Lagrange进行进一步对比.
接触刚度例子
结论
刚度增加, 渗透减少，而最大压力增加，并且通常会有更多的迭代和 更长运行时间。 指定正确的法向刚度不是一个独立问题，它总是需在结果质量 (精度) 和耗费(运行时间)间寻找平衡。基于这个研究, 法向接触刚度因子为 1.0 是满意的。
– 因为接触刚度高导致很小或可忽略的穿透，可得到精确的结果
对 无 摩 擦 或 摩 擦 接 触 , 考 虑 使 用 Augmented Lagrange 或 Normal Lagrange 方法.
– 由于其良好的特性和灵活性，推荐使用Augmented Lagrange 方法 – 如果用户不想考虑法向刚度同时要求零穿透，可以使用 Normal Lagrange 方法。但必须使用直接求解器(Direct Solver) ，这也许会限制求解模型大小。
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.
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
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。

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
为了平衡, 必须大于零
然而, 实际的接触体相互不穿透. 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.
开接触
闭接触
F
u
基本概念
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”。
材料: 两板都为默认的线弹性结构钢。
接触刚度例子
根据下面的提示建立一个接触对:
接触刚度例子
展开 Model 分支，使其相似于 model set-up.
高亮显示“Geometry” 并参考细节窗口来确认模型为2D 反对称的. 检查预先确定的两板间无摩擦接触区域. 检查分析设置. Autotime stepping = ON Initial substeps = 10 Max substeps = 100
接触面和目标面
在 ANSYS 有限元模型中，如果不同构件之间没有相互 结合为一体，有时候还需要考虑摩擦力的问题，就有必要 在模型之间定义接触。接触实质就是零件之间的一种干涉 行为，需要通过设置参数来控制这种行为。 与经典版本定义接触的方式不同，Workbench中定义接 触较为方便快捷，不需要定义接触单元及相关的实常数设 置，只需要选取相应的接触面即可实现。
然而, 值太大会引起收敛困难.
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。
F
F
F接触
F
迭代 n
迭代 n+1
迭代 n+2
用太大的接触刚度通常会导致收敛振荡, 并且常会发散。
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。
接触面
目标面
F
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。
F 弹簧偏移量满足平衡方程: F=k 式中 k 是接触刚度.
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 = 0.1
接触刚度
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 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) 5. 增大 FKN 并重启动求解 6. 再检查结果
在这种特殊情况下, FKN＝1.0 经证明可以给出足够的精度.
接触刚度
尽管Workbench-Mechanical 默认为“Pure Penalty”, 但在
大变形问题的无摩擦或摩擦接触中建议使用“Augmented Lagrange”.
--增强拉格朗日公式增加了额外的控制自动减少渗透
“法向刚度”就是之前解释的接触刚度 , 只用于“ Pure Penalty” 或 “Augmented Lagrange”
• 默认FKN =10 (对于绑定和不分离的接触)
• 默认 FKN=1.0 (其他形式接触)
接触问题法向接触刚度选择一般准则:
– 体积为主的问题: 用“Program Controlled” 或手动输入“Normal Stiffness Factor” 为“1.0”
– 弯曲为主的问题: 手动输入“Normal Stiffness Factor” 为“0.01” 到“0.1”之间的数值。
接触刚度例子
目标:
– 研究接触刚度对结果收敛性的影响
接触刚度例子
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 – 打开Engineering Data Cell (高亮并双击或点击鼠标右键并选择Edit) 来校正材料属性. – 从Utility Menu > View >…激活重要的对话框 • Properties • Outline – 检验单位是公制(Tonne, mm,…) 系统. 如果不是, 点击…
F
穿透容差
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
较大的刚度精度高, 但收敛困难 如果接触刚度太大，模型会振动，接触面会相互弹开。
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.
--这是一个相对因子，一般变形问题建议使用1.0. 对弯曲支配情况， 如果收敛困难的话，小于 0.1的值可能是有用的。 --接触刚度在求解中可自动调整。如果收敛困难，刚度自动减小。
接触刚度
接触刚度WB-Mechanical系统默认自动设定。
– 用户可以输入“接触刚度因子Normal Stiffness Factor” (FKN) 它是计算刚 度代码的乘子。因子越小，接触刚度就越小。
ANSYS 接触分析
姓名：金玉龙，Dr，CAE高级顾问 邮箱：jyl19820525@ 手机：138-1718-2459
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ANSYS contact 接触结果设置
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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。