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  • ANSYS 有限元分析 接触分析

    千次阅读 多人点赞 2020-05-24 14:42:45
    目 录一、前沿二、接触单元类三、接触单元关键选项3.1 CONTA174 KeyOption3.2 TARGE170 KeyOption四、接触分析标准...ANSYS 有限元分析 概述 ANSYS 有限元分析 坐标系/工作平面 ANSYS 有限元分析 几何建模 ANSY



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    一、前沿


      1882 年 Hertz 柏林大学发表的学术论文 论弹性体的接触( On the contact of elastic solids) 开启了接触力学的研究。


      接触问题属于不定边界问题,即使是弹性接触问题也具有表面非线性,其中既有由接触面积变化而产生的非线性及由接触压力分布变化而产生的非线性,也有由摩擦作用产生非线性。


      两个互相接触的物体,随着其载荷大小的不同,无论是接触面积还是接触压力分布,都会发生显著的变化。即随着载荷增大,法向接触压力分布的变化是非线性的,而其切向压力分布由于摩擦作用将会更加复杂。 由于这种表面非线性和边界不定性,所以,一般说来,接触问题的求解是一个 反复迭代 的过程。


      从物理意义上讲,两个物体彼此接触,接触压力在两个物体间传递,同时,接触面之间存在摩擦将产生切应力,阻止物体切向运动;从数值计算上讲,接触是及其不连续的边界条件非线性,即接触面接触时产生接触约束,接触面一旦分离,约束失效。


      处于接触状态的两个表面,有如下特点:

       - 1. 互相不穿透

       - 2. 能够传递法向压力和切向摩擦力

       - 3. 通常不传递法向拉力

    在这里插入图片描述


      接触是 状态改变 非线性,即系统的刚度依赖于接触状态。接触状态可分为分离状态、粘接接触状态、滑动接触状态。


    在这里插入图片描述


      接触是强非线性,随着接触状态的改变,接触表面的法线和切向刚度都有显著变化。刚度突变会导致严重的收敛困难。


    在这里插入图片描述


      接触问题通常分为两类:刚-柔接触 和 柔-柔接触。


    二、接触算法


      以有限元为基础的接触问题数值解法,主要可分为直接迭代法、接触约束算法和数学规划法等。


      直接迭代求解法:首先假设初始接触状态形成系统刚度矩阵,求得位移和接触力后,根据接触条件不断修改接触状态,重新形成刚度矩阵求解,反复迭代直至收敛。迭代法是解决非线性问题的常用方法,方程可用 Newton-Raphson 等方法迭代求解。


      接触约束算法:接触问题可描述为求区域内位移场 U ,使得系统统的势能 Π(U) 在接触边界条件的约束下达到最小。

      接触约束算法就是通过对接触边界约束条件的适当处理,将约束优化问题转化为无约束优化问题求解。 根据无约束优化方法的不同,主要可分为罚函数方法和 Lagrange 乘子法等。


      ANSYS 软件采用的是接触约束算法,它提供了如下四种接触约束算法:

      • 纯罚函数法

      • 增广拉格朗日乘子法

      • 纯拉格朗日乘子法

      • 接触法向采用拉格朗日乘子法与摩擦方向采用罚函数法的综合方法


    2.1 罚函数法


      罚函数法用一个接触弹簧来在两个面间建立关系,弹簧刚度被称为惩罚参数,其实就是接触刚度。当两面分开时,弹簧不起作用;当面开始穿透时,弹簧起作用,根据胡克定律:F = K Δ ,此处的 K 为法向刚度 。


    在这里插入图片描述


      除了表面间传递法向压力外,接触单元还传递切向摩擦力,采用切向罚刚度保证切向的协调,作为初始值,可采用 Ktangent = 0.01 * Knormal


    在这里插入图片描述


      然而,在上述物理模型中,存在一个两难问题,即为了维持相互接触的两个物体的平衡,则接触面间的压力/摩擦力必不为 0 (如果为 0 你费劲巴拉的分析个毛线),进而有接触面间的相对法向/切向位移 Δ (法向可称作作穿透量,切向可称作滑移量) 必不为 0,这与事实相违背,实际上任何两个相互接触且有相互作用的固体,不存在宏观层面上的相互穿透 (微观层面上可能出现相互扩散现象),这是物理事实。为了保证计算能继续进行,又不与物理事实发生严重的背离,则相对位移 Δ 不应过大,而在特定外力作用下,物体维持平衡所需的接触力是固定不变的,那么,此时接触刚度就应该足够大。当接触刚度过大时,又会引起收敛困难,这时因为,如果接触刚度太大,一个微小的穿透就会产生一个很大的接触反力,在下一次迭代中,可能会将接触面推开,这将导致收敛振荡,并且尝尝会发散。因此,必须给定合适的接触刚度,最小的穿透量给出最大的计算精度。

      罚函数法:对于罚函数法需要接触法向刚度与切向刚度。它主要的缺点是两个接触物体表面之间的渗透深度取决于这两个刚度。如果刚度较小,则渗透就会很大。高的刚度可以减小渗透的深度,但是会导致整体刚度矩阵出现病态和收敛的困难。因此,理想的刚度就是既要能保证渗透较小,又要保证整体刚度阵不出现病态,才能够收敛。


    2.2 拉格朗日乘子法法


      拉格朗日乘子法,增加一个附加自由度 (接触压力),来满足不可穿透条件。


    2.3 增广拉格朗日乘子法


      增广拉格朗日乘子法:该方法是通过改变罚因子寻找拉格朗日乘子的迭代过程。与纯罚函数相比增广拉格朗日乘子法通常能够产生更好的情况,接触刚度系数对它的影响相对也要小一些。但是在有些分析中需要一些附加的迭代,需要较多的时间。


      多数 ANSYS 接触单元可以将罚函数法和拉格朗日乘子法结合起来强制接触协调,称之为增广拉格朗日法。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,如有必要,接触压力增加,迭代继续。


      绝对理想情况下,相互接触的两个物体的接触面应该不发生穿透,但为了使得分析的顺利进行,同时,又具有相当的精度,应保证接触面的实际穿透量小于规定的允许穿透量。


      当程序防止相互穿透时,称之为强制接触协调。当没有强制接触协调时,发生穿透。


      对面─面的接触单元,程序可以使用增广拉格朗日算法或罚函数方法,通过使用单元关键项 KETOPT(2) 来指定。



    三、接触特性


      对于接触问题,必须认识到模型在变形期间哪些地方可能发生接触,在 ANSYS 中,通过目标单元和接触单元来定义它们,目标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。


      ANSYS 支持刚体─柔体的面─面的接触单元,刚性面被当作 “目标” 面,分别用 Targe169 和 Targe170 来模拟 2-D 和 3-D 的 “目标” 面,柔性体的表面被当作 “接触” 面,用 Conta171、Conta172、Conta173、Conta174 来模拟。一个目标单元和一个接单元叫做一个 “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” 给目标单元和接触单元指定相同的实常数号。


      接触对特征:接触刚度、穿透容差、确定目标面。


      在 GUI 中,定义的接触对及相关属性按如下方式查看,保证 ANSYS 处于前处理模块,否则接触竖向无法查看。


    在这里插入图片描述


    3.1 接触刚度


      当外载一定时,若要维持相互接触的两个物体的平衡,接触面上的相互作用力是唯一确定的。于是有,接触面间的接触刚度越大,计算过程中产生的穿透量就越小,越接近物理实际,计算结果也就越精确。但过大的接触刚度将产生计算振荡,甚至是发散,使计算收敛困难。因此,必须指定合适的接触刚度,接触刚度包括法向接触刚度 Kn 和切向接触刚度 Kt ,一般,不特殊说明,接触刚度特指法向接触刚度 Kn,初始切向接触刚度可近似取为 Kt = 0.01 * Kn


       接触刚度 是同时影响计算精度和收敛性的最重要参数 。


      所有的 ANSYS 接触单元都采用罚刚度 (接触刚度) 来保证接触界面的协调性。

      所有的接触问题都需要定义接触刚度,两个表面之间渗透量的大小取决于接触刚度,过大的接触刚度可能会引起总刚矩阵的病态,而造成收敛困难,一般来说,应该选取足够大的接触刚度以保证接触渗透小到可以接受,但同时又应该让接触刚度足够小以使不会引起总刚矩阵的病态问题而保证收敛性。


      所有的接触问题都需要定义接触刚度,两个表面之间渗透量的大小取决于接触刚度,过大的接触刚度可能会引起总刚矩阵的病态而造成收敛困难,一般来说,应该选取足够大的接触刚度以保证接触渗透小到可以接受,但同时又应该让接触刚度足够小以使不会引起总刚矩阵的病态问题而保证收敛性。


    3.1.1 接触刚度的初选


      1. 面-面接触

       对于面-面接触单元,接触刚度通常指定为: Kn = FKN * 基体单元刚度 (KFN为比例因子) 。

       首次计算时,FKN 可按如下方式进行初始估计 (若想获得更精确的解答,需要对FKN进行敏感性分析):


    接触类型 FKN
    大面积实体接触 1.0
    柔性较大的部件 (弯曲主导) 0.01 ~ 0.1

    在这里插入图片描述

       For certain contact problems, you may choose to use the real constant FKN to define a normal contact stiffness factor. The usual factor range is from 0.1 - 10.0, with a default of 1.0. The default value should work in most cases. You can also define an absolute normal contact stiffness by specifying a negative value for FKN.

       Kn 也可直接指定具体数值,其量纲为 (F/L)/(L^2),此时,通过设置 FKN 为负值来实现。


      2. 点-面接触 & 点-点接触

       对于点-点接触单元和点-面接触单元,需要给定绝对法向接触刚度,即直接指定 Kn 的具体取值。


    接触类型 FKN
    对于大变形 0.1 * E < Kn < 1.0 * E
    对于弯曲 0.01 * E < Kn < 0.1 * E

       上表中,E 为弹性模量。


    3.1.2 接触刚度的确定


      参数敏感性分析,确定计算结果对接触刚度是否敏感。以下步骤使用于静态、非路径相关的分析。


      Step 1. 设置接触单元关键选项, 令KEYOPY(10)=1,以允许接触刚度在重启动期间可以修改。

      Step 2. 给定一个较小的初始接触刚度值,使计算能快速收敛。

      Step 3. 运行分析,或对前几个子步进行计算。

      Step 4. 检查穿透量和每一个子步平衡迭代次数。

          若穿透量大,需要提高接触刚度重新分析;若收敛的迭代次数过多或未收敛,则可降低接触刚度重新分析。

      Step 5. 检查接触压力、Mises等效应力 (SEQV) 等是否发生显著变化。

      Step 6. 若有显著变化,则增大接触刚度重新启动求解,直到达到所期望的收敛。


    在这里插入图片描述


      注意:罚刚度 (接触刚度) 可以在荷载步间改变,并且可以在重启动中调整。

      接触刚度是同时影响计算精度和收敛性的最重要参数。如果收敛有问题,减小接触刚度值,重新分析。

      在敏感的分析中,还应该改变接触刚度来验证结果的有效性。在分析中减小接触刚度范围,直到结果 (接触压力、最大 SEQV 等) 不再明显改变。


      在 ANSYS 中,默认情况下,FKN = 1.0 ,在多数情况下,已经能得到相当的计算精度。


    3.2 穿透容差


      同样地,穿透容差也是影响计算精度和收敛性的重要参数。当穿透容差较小时,可以改善计算精度,但会使得收敛更加困难。

      和接触刚度一样,以系数 FTOLN 的方式给定穿透容差。即程序通过下层单元的深度 h 乘以所给出的系数来确定穿透容差,在计算过程中,程序始终保证实际穿透量 Δ 小于等于穿透容差,如下式所示:


    Δ  [Δ]=FTOLN  h \Delta \ \leq \ [\Delta] ={\rm FTOLN} \ * \ h


    在这里插入图片描述


      注意:不要设置较小的接触刚度,同时设置较小的穿透容差,即 FKN 和 FTOLN 尽量协调合理。

      太小的 FTOLN 值将导致收敛困难,增大惩罚刚度 (FKN) 将会减小穿透。


      Use real constant FTOLN in conjunction with the augmented Lagrangian method. FTOLN is a tolerance factor to be applied in the direction of the surface normal. The range for this factor is less than 1.0 (usually less than 0.2), with a default of 0.1, and is based on the depth of the underlying solid, shell, or beam element. This factor is used to determine if penetration compatibility is satisfied.


      Contact compatibility is satisfied if penetration is within an allowable tolerance (FTOLN times the depth of underlying elements). The depth is defined by the average depth of each individual contact element in the pair. If the program detects any penetration larger than this tolerance, the global solution is still considered unconverged, even though the residual forces and displacement increments have met convergence criteria. You can also define an absolute allowable penetration by specifying a negative value for FTOLN. In general, the default contact normal stiffness is inversely proportional to the final penetration tolerance; the tighter the tolerance, the higher the contact normal stiffness.


      增广拉格朗日算法是为了找到精确的拉格朗日乘子而对罚函数修正项进行反复迭代,与罚函数的方法相比,拉格朗日方法不易引起病态条件,对接触刚度的灵敏度较小,然而,在有些分析中,增广拉格朗日方法可能需要更多的迭代,特别是在变形后网格变得太扭曲时。使用拉格朗日算法的同时应使用实常数 FTOLN,FTOLN 为拉格朗日算法指定容许的最大渗透,如果程序发现渗透大于此值时,即使不平衡力和位移增量已经满足了收敛准则,总的求解仍被当作不收敛处理,FTLON 的缺省值为 0.1,这个值可以改变,但如果此值太小可能会造成太多的迭代次数或者不收敛。


    3.3 最大摩擦


      在基本的库仑摩擦模型中,两个接触面在开始相互滑动之前,在它们的界面上会有达到某一大小的剪应力产生,这种状态叫做粘合状态 (stick) 。库仑摩擦模型定义了一个等效剪应力,一旦剪应力超过此值后,两个表面之间将开始相互滑动,这种状态,叫做滑动状态 (Sliding) 粘合/滑动计算决定什么时候一个点从粘合状态到滑动状态或从滑动状态变到粘合状态,摩擦系数可以是任一非负值。程序缺省值为表面之间无摩擦。




      摩擦分为静摩擦、滑动摩擦和滚动摩擦。最大静摩擦比滑动摩擦略大,近似计算时可认为最大静摩擦等于滑动摩擦,通常,滚动摩擦远小于滑动摩擦 (高中物理知识)。

      根据高中物理知识,滑动摩擦力可按下式计算:


    f=μN f = \mu N


      产生摩擦力的三要素:两个物体相互接触、接触面粗糙、存在垂直于接触面的正压力。

      物体在外力的作用下,接触面上将产生摩擦力 (本处不讨论无摩擦情况),摩擦力达到最大静摩擦力前物体保持静止状态,当摩擦力超过最大静摩擦力时,物体将发生滑动,此时摩擦力由静摩擦力转化为滑动摩擦力。




      ANSYS 程序提供了一个不管接触压力多大而人为指定最大等效剪应力的选项,如果等效剪应力达到此值时,滑动发生。为了指定接触界面上最大许可剪应力,设置常数 TAUMAX,这种限制剪应力的情况一般用于接触压力非常大的时候,以至于用库仑理论计算出的界面剪应力超过了材料的屈服极限。一对 TAUMAX 的一个合理估计为 σy/(3^0.5) 即 0.577 σy

    在这里插入图片描述


    3.4 初始接触条件

      在动态分析中,刚体运动一般不会引起问题,然而在静力分析中,当物体没足够的约束时会产生刚体运动,有可能引起错误而终止计算。


      在仅仅通过接触的出现来约束刚体运动时,必须保证在初始几何体中,接触对是接触的,换句话说,要建立模型以便接触对是“刚好接触”的,然而这样作可能会遇到以下问题:

      • 刚体外形常常是复杂的,很难确定第一个接触点的发生位置。

      • 既使实体模型是在初始接触状态,在网格划分后由于数值舍入误差,两个面的单元网格之间也可能会产生很小的缝隙。

      • 接触单元的积分点和目标单元之间可能有小的缝隙。


      同理,在目标面和接触面之间可能发生过大的初始渗透,在这种情况下,接触单元可能会高估接触力,导致不收敛或接触面之间脱离开接触关系。定义初始接触也许是建立接触分析模型时最重要的方面。可通过下面两种方法来调整接触对的初始接触条件。

      1. 使用实常数 ICONT 来指定一个好的初始接触环,初始接触环是指沿着目标面的“调整环”的深度,如果没有人为指定 ICONT 的值,程序会根据几何尺寸来给 ICONT 提供一个小值,同时输出一个警告信息,对 ICONT一个正值表示相对于下面变形体单元厚度的比例因子,一个负值表示接触环的真正值,任何落在“调整环”区域内的接触检查点被自动移到目标面上。

      2. 使用实常数 PMIN 和 PMAX 来指定初始容许的渗透范围,当指定 PMAX 或 PMIN 后,在开始分析时,程序会将目标面移到初始接触状态,如果初始渗透大于 PMAX,程序会调整目标面的减少渗透,接触状态的初始调节仅仅通过平移来实现。


      The program provides one extension of classical Coulomb friction: real constant TAUMAX is maximum contact friction with units of stress. This maximum contact friction stress can be introduced so that, regardless of the magnitude of normal contact pressure, sliding will occur if the friction stress reaches this value. You typically use TAUMAX when the contact pressure becomes very large (such as in bulk metal forming processes). TAUMAX defaults to 1.0e20. Empirical data is often the best source for TAUMAX. Its value may be close to 0.577 σy , where σy is the yield stress of the material being deformed.


    3.5 时间步长


      时间步长必须足够以描述适当的接触。如果时间步长太大,则接触力的光滑传递会被破坏,设置精确时间步长的可信赖的方法是打开自动时间步长。

      为了获得精度足够的计算结果,时间步长应足够小。


    在这里插入图片描述


      接触单元的 KEYOPT(7) 选型用来控制时间步长。


    CONTACT 174 KEYOPT(7)
    Element level time incrementation control / impact constraints

    Value 描述
    0 No control
    1 Automatic bisection of increment
    2 Change in contact predictions made to maintain a reasonable time/load increment
    3 Change in contact predictions made to achieve the minimum time/load increment whenever a change in contact status occurs

      与其他非线性分析一样,对于接触问题,时间步长是非常有力的提高收敛性的工具。

      采用足够小的时间步长已获得收敛,对于冲击瞬态分析,必须使用足够数量的计算步以描述表面间的动量转移;对于路径相关现象 (如接触摩擦),相对较小的最大时间步长对于计算精度是必须的。



    3.6 目标面


      在接触分析中,目标面被定义为连续面,而接触面则通过一系列离散的点 (单元高斯积分点) 来定义。两个面在高斯积分点之间可以穿透,主要是目标面穿透接触面。


    在这里插入图片描述


      Contact detection points are located at the integration points of the contact elements which are interior to the element surface. The contact element is constrained against penetration into the target surface at its integration points. However, the target surface can, in principle, penetrate through into the contact surface.

      Surface-to-surface contact elements use Gauss integration points as a default, which generally provide more accurate results than the nodal detection scheme, which uses the nodes themselves as the integration points. The node-to-surface contact element, CONTA175, the line-to-line contact element, CONTA176, and the line-to-surface contact element, CONTA177, always use the nodal detection scheme.


    在这里插入图片描述


    3.6.1 选面原则


      ANSYS 支持刚体/柔体的面-面的接触单元,刚性面被当做 目标面 (Abaqus中的主面,粗网格硬材料为主面),分别用 Target169Target170 来模拟 2D 和 3D 的目标面,柔性体的表面被当做 接触面 (Abaqus中的从面),用 Conta171Target169Conta173Conta174 来模拟。


      目标面的选择原则:凹、粗、刚、高阶、大,即凹面、网格较粗的面、刚度较大的面、高阶单元、面积较大的面。


      特别注意: 当高低阶单元相接触时,以下均不作为主要因素考虑,此时高阶单元一定是接触面。



    主面 (Abaqus/Master) 目标面 (Ansys/Target) 高阶单元 粗网格 硬材料 大面积 凹面

    从面 (Abaqus/Slaver) 接触面 (Ansys/Contact) 低阶单元 细网格 软材料 小面积 凸面


    主 - 目标 - 高粗硬大凹

    从 - 接触 - 低细软小凸



      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来识别“接触对”,给目标单元和接触单元指定相同的实常的号。


      在 ANSYS GUI 中,目标面显示为洋红色,接触面显示为绿色,如下所示:


    在这里插入图片描述

    左侧主面 右侧从面

      Abaqus 使用单纯的主-从接触算法:从面上的节点不能侵入主面的任何部分。该算法对主面没有做限制,主面可以在从面的节点之间侵入从面。


    3.6.2 导向节点


      缺省时,程序自动约束刚性目标面,即自动地将目标的位移和转动设定为 0 。

      要模拟刚性目标的更复杂行为,可以创建一个特殊的单结点目标单元,称为导向结点。该单元通过具有相同的实常数属性与目标面联系起来。

      对于整个目标面,导向结点起手柄作用,可以对导向结点指定非零的位移、转动、力或力矩,来模拟目标面的刚体运动。注意,如果存在导向结点,则程序将不自动约束刚性面。

      刚性目标面可以与导向结点联系起来,导向结点的运动控制目标面的运动,可以在导向结点上为整个目标面确定力、位移或转动,可以认为导向结点是整个刚性面的手柄。

      如果定义一个导向结点,ANSYS仅在导向结点上检验边界条件而忽略目标面上其他结点的约束。

      导向结点可以通过对关键点划分网格生成,或通过采用和目标单元相同的单元属性直接生成。

      导向结点可以在任何位置,它不需要实际地附于其他目标单元。

      采用命令 TSHAPE 可直接生成导向结点,该方式是为目标单元形状设置了一个附加属性,在所要求的结点处创建单元。



    • TSHAP

    使用功能: 为目标单元 TARGE169 和 TARGE170 指定 2D 和 3D 几何表面。

    使用格式: TSHAP,shape

    参数说明shape:为目标单元 TARGE169 和 TARGE170 指定几何形状。其有效的形状有:PILO (2D或3D导向/引导节点)。

    使用提示:使用该命令可以生产面与面接触时的刚性目标面,对于 2D 是 TARGE169 、CONTA171 和 CONTA172,对于 3D 是 TARGE170 、CONTA173 和 CONTA174 。执行该命令后,其后生成的单元具有同样的形状,直到用另一个形状来代替。



    • Pilot Nodes

      The rigid target surface can also be associated with a “pilot node,” which is really an element with one node, whose motion governs the motion of the entire target surface. You can think of a pilot node as a handle for the rigid target surface. Forces/moments or rotations/displacements for the entire target surface usually should be prescribed on the pilot node. The pilot node can be one of the nodes on the target element or a node at any arbitrary location. The location of the pilot node is important only when rotation or moment loading is required.



    目标面导向节点 相当于 Abaqus 里的 参考点 Reference Point 。???????


    在这里插入图片描述



    3.7 Pinball


    This option allows you to specify a contact search area commonly referred to as a pinball region.

    Setting a pinball region can be useful in cases where initially, bodies are far enough away from one another that, by default, the program will not detect that they are in contact. You could then increase the pinball region as needed. Consider an example of a surface body that was generated by offsetting a face of a solid body, possibly leaving a large gap, depending on the thickness. Another example is a large deflection problem where a considerable pinball region is required due to possible large amounts of over penetration. In general though, if you want two regions to be bonded together that may be far apart, you should specify a pinball region that is large enough to ensure that contact indeed occurs.



    四、接触单元


      ANSYS 支持三种接触方式:点-点点-面面-面 接触,每种接触方式使用的接触单元适用于某类问题。


      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,如果相互作用的其中之一是一点,模型的对立应组元是一个结点。如果相互作用的其中之一是一个面,模型的对应组元是单元,例如梁单元,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。


    在这里插入图片描述


      有限元模型通过指定的接触单元来识别可能的接触配对,接触单元是覆盖在分析模型接触面之上的一层单元。


      ANSYS 中常见接触单元如下:


    在这里插入图片描述

    接触CONTA单元类

    在这里插入图片描述

    目标TARGE单元类


    五、单元关键项


    5.1 CONTA174 KeyOption


    在这里插入图片描述

    Contact174默认设置



    在这里插入图片描述



    1. KEYOPT(2) —— Contact algorithm
    0 1 2 3 4
    Augmented Lagrangian (default) Penalty function Multipoint constraint (MPC) Lagrange multiplier on contact normal and penalty on tangent Pure Lagrange multiplier on contact normal and tangent

    1. KEYOPT(4) —— Location of contact detection point
    0 1 2 3
    On Gauss point (for general cases) On nodal point - normal from contact surface On nodal point - normal to target surface On nodal point - normal from contact surface (projection-based method)

    1. KEYOPT(5) —— CNOF/ICONT Automated adjustment
    0 1 2 3 4
    No automated adjustment Close gap with auto CNOF Reduce penetration with auto CNOF Close gap/reduce penetration with auto CNOF Auto ICONT

    1. KEYOPT(9) —— Effect of initial penetration or gap
    0 1 2 3 4 5
    Include both initial geometrical penetration or gap and offset Exclude both initial geometrical penetration or gap and offset Include both initial geometrical penetration or gap and offset, but with ramped effects Include offset only (exclude initial geometrical penetration or gap) Include offset only (exclude initial geometrical penetration or gap), but with ramped effects Include offset only (exclude initial geometrical penetration or gap) regardless of the initial contact status (near-field or closed)

    1. KEYOPT(10) —— Contact stiffness update
    0 1 2
    Each iteration based on the current mean stress of underlying elements. The actual elastic slip does not to exceed the maximum allowable limit (SLTO) within a substep Each load step if FKN is redefined during the load step. Each iteration based on the current mean stress of underlying elements. The actual elastic slip never exceeds the maximum allowable limit (SLTO) during the entire solution.

    1. KEYOPT(12) —— Behavior of contact surface
    0 1 2 3 4 5 6
    Standard Rough No separation (sliding permitted) Bonded No separation (always) Bonded (always) Bonded (initial contact)



    5.2 TARGE170 KeyOption


    在这里插入图片描述

    Target170默认设置


    在这里插入图片描述

    1. KEYOPT(2) —— Boundary conditions for rigid target nodes
    0 1
    Automatically constrained by the program Specified by user


    六、接触分析标准步骤


      创建接触的标准步骤为:定义实常数并设置接触特性参数(实常数的关键选项)、定义接触单元类型并设置单元关键项和创建接触单元(目标面导向结点)。


      实常数用来建立主从接触面间的联系,并定义某些关键参数,如 FKN (定义法向接触刚度因子)、FTOLN (定义最大渗透范围)、PINB (定义pinball区域) 等。

      单元 keyoption 用来定义接触的种类及有关算法,MPC、增广拉格朗日法等等。

      接触单元依附于其他单元的表面,ESURF。


      在 ANSYS 中,可在接触向导即接触对管理器中,快速创建和查看接触信息。接触向导为大多数接触问题提供了一个简单的办法来构造接触对,接触向导将引导创建接触对的过程。



    在这里插入图片描述

    接触向导的两种访问方式


    6.1 定义实常数


    • R

    使用功能: Defines the element real constants.

    使用格式: R,NSETR1R2R3R4R5R6

    参数说明NSET 为 Real constant set identification number (arbitrary).

          R1R2R3, . . . ,R6 分别为实常数值,如下表所示。


    *GET,rlmax,RCON,0,NUM,MAX      ! 获取当前定义的最大实常数编号并将其赋予变量rlmax。
    R,rlmax+1                      ! 定义新的实常数rlmax+1。
    


    在这里插入图片描述

    在这里插入图片描述

    6.2 定义/创建目标单元


      主M - 目标T - 高粗硬大凹 - 连续面

    *GET,etmax,ETYP,,NUM,MAX       ! 获取当前定义的最大单元类型编号并将其赋予变量etmax。
    ET,etmax+1,TARGE170            ! 定义目标面单元类型,单元类型:TARGE170,编号:etmax+1。
    KEYOPT,etmax+1,2,1             ! 设置编号为etmax+1的单元关键项KEYOPT(2)的值为2。
    
    
    REAL,rlmax+1                   ! 激活实常数
    TYPE,etmax+1                   ! 激活单元类型号etmax+1
    MAT,mtmax+1                    ! 激活材料号mtmax+1,如无特殊定义,不需要激活材料号。
    
    
    ...各种选择集,选择出位于接触面上的网格面...
    
    
    ESURF,,TOP
    ALLSEL,ALL                     ! Select everything 显示全部,释放选择集。
    

    在这里插入图片描述

    TARGE170 KEYOPT(2)


      KEYOPT(2) = 1 即用户指定刚性面的边界条件,目的是创建导向结点。


    在这里插入图片描述



    6.3 定义/创建接触单元


      从S - 接触C - 低细软小凸 - 离散面

    ET,etmax+2,CONTA174            ! 定义接触面单元类型,单元类型:CONTA174,编号:etmax+2。
    KEYOPT,etmax+2,4,0             ! KEYOPT(4)=0
    KEYOPT,etmax+2,9,2             ! KEYOPT(9)=2
    KEYOPT,etmax+2,10,2            ! KEYOPT(10)=2
    KEYOPT,etmax+2,5,4             ! KEYOPT(5)=4
    
    
    REAL,rlmax+1                   ! 激活实常数
    TYPE,etmax+2                   ! 激活单元类型号etmax+2
    MAT,mtmax+1                    ! 激活材料号mtmax+1,如无特殊定义,不需要激活材料号。
    
    
    ...各种选择集,选择出位于接触面上的网格面...
    
    
    ESURF,,TOP
    ALLSEL,ALL                     ! Select everything 显示全部,释放选择集。
    

    在这里插入图片描述




    七、接触分析实例


      约束创建前,需将模型按各部件进行装配,相当于 Abaqus 的 Assembly,法兰连接有限元模型主要包括,法兰模型、垫片模型和螺栓杆模型,运行 命令流 No.19,可将各部件进行装配。


      PartFlange.cdb、PartWasher.cdb 及 PartBolt.cdb 文件由 命令流 No.1 ~ No.18 创建,详见博客:ANSYS 有限元分析 几何建模ANSYS 有限元分析 网格划分 等。


    FINISH                                ! 退出当前处理器
    /CLEAR,ALL                            ! 清除所有
    /PREP7                                ! 进人前处理器
    
    CDREAD,db,'PartFlange','cdb',,'',''   ! 导入法兰模型
    CDREAD,db,'PartWasher','cdb',,'',''   ! 导入垫片模型
    CDREAD,db,'PartBolt','cdb',,'',''     ! 导入栓杆模型
    
    /ESHAPE,0                             ! 关闭梁截面显示
    /REPLOT                               ! Replot
    EPLOT                                 ! Elements plots
    
    命令流 No.19


    在这里插入图片描述



      该模型主要约束关系包括:上下法兰间的标准接触、垫片与法兰间的标准接触及垫片与螺栓杆端部间的MPC绑定接触。



    7.1 MPC


      MPC: Multi-point constraints / 多点约束,用于连接不同类型单元的一种接触算法。

      多点约束 MPC 允许在计算模型不同的自由度之间强加约束。简单来说,MPC 定义的是一种结点自由度的耦合关系,即以一个结点的某几个自由度为标准值,然后令其他指定的节点的某几个自由度与这个标准值建立某种关系。多点约束常用于表征一些特定的物理现象,比如刚性连接、铰接、滑动等。多点约束也可用于不相容单元间的载荷传递,是一项重要的有限元建模技术。


    在这里插入图片描述

    Abaqus中的MPC

      MPC 对于处理接触连接时有几点注意事项:

      (1). 接触面节点上不能施加 MPC 以外的位移边界条件或者是其他约束耦合方程。因为接触点的一些自由度已在 MPC 约束删除,单独施加会产生约束过多现象。

      (2). 约束面时不宜过多,否则会引起对内存需求峰值过高,内存较少时应以考虑。



    7.1.1 面-面绑定

    *GET,rlmax,RCON,0,NUM,MAX   ! 获取模型空间当前最大实常数号
    *GET,etmax,ETYP,,NUM,MAX    ! 获取模型空间当前最大单元类型号
    
    R,rlmax+1                   ! 定义新实常数
    
    ET,etmax+1,TARGE170         ! 定义目标面单元 - 连续面
    
    ET,etmax+2,CONTA174         ! 定义接触面单元 - 离散面
    KEYOPT,etmax+2,2,2          ! Contact algorithm: Multipoint constraint (MPC).
    KEYOPT,etmax+2,4,1          ! Location of contact detection point: On nodal point - normal from contact surface
    KEYOPT,etmax+2,5,4          ! CNOF/ICONT Automated adjustment: Auto ICONT.
    KEYOPT,etmax+2,9,1          ! Effect of initial penetration or gap: 
                                ! Exclude both initial geometrical penetration or gap and offset.
    KEYOPT,etmax+2,12,5         ! Behavior of contact surface: Bonded (always).
    

    • 示例

    
    

    7.1.2 点-面绑定


      点-面绑定主要用于加载等。

    *GET,rlmax,RCON,0,NUM,MAX   ! 获取模型空间当前最大实常数号
    *GET,etmax,ETYP,,NUM,MAX    ! 获取模型空间当前最大单元类型号
    
    R,rlmax+1                   ! 定义新实常数
    
    ET,etmax+1,TARGE170         ! 定义目标面单元 - 连续面   
    KEYOPT,etmax+1,2,1          ! Boundary conditions for rigid target nodes: Specified by user.
    
    ET,etmax+2,CONTA174         ! 定义接触面单元 - 离散面
    KEYOPT,etmax+2,2,2          ! Contact algorithm: Multipoint constraint (MPC).
    KEYOPT,etmax+2,4,1          ! Location of contact detection point: On nodal point - normal from contact surface
    KEYOPT,etmax+2,12,5         ! Behavior of contact surface: Bonded (always).
    


    • 示例:创建螺栓杆端部结点与垫片外部表面间的MPC绑定接触。

    1. 创建螺栓杆与上法兰侧垫片的绑定
    *GET,etmax,ETYP, ,NUM,MAX             ! 获取模型空间当前最大单元类型号
    *GET,rlmax,RCON, ,NUM,MAX             ! 获取模型空间当前最大实常数号
     
    ET,etmax+1,TARGE170                   ! 定义目标面单元 - 连续面
    KEYOPT,etmax+1,2,1                    ! 用户指定 rigid target nodes
    
    ET,etmax+2,CONTA174                   ! 定义接触面单元 - 离散面
    KEYOPT,etmax+2,2,2                    ! 接触算法:MPC。
    KEYOPT,etmax+2,4,1                    ! 接触探测点位置:On nodal point - normal from contact surface 。
    KEYOPT,etmax+2,12,5                   ! 接触面行为:始终绑定。
    
    num = 55                              ! 螺栓总数
    radius = 1000                         ! 法兰螺栓分度圆半径
    tf = 40 $ tw = 5                      ! 分别为法兰厚度及垫片厚度
    startPntZ = -(tf+tw)                  ! 在局部坐标系15下,梁轴线起点z坐标值。
    midPntZ = 0                           ! 螺栓预紧力施加位置处
    endPntZ= tf+tw                        ! 在局部坐标系15下,梁轴线终点z坐标值。
    d0 = 40                               ! 螺栓孔直径/垫片内径
    d1 = 70                               ! 垫片外径
    
    CSYS,17                               ! 激活局部坐标系17
    
    
    *DO,i,1,4                             ! DO循环,分别执行 i=1,2,3,4 共执行4次。
    
    CLOCAL,201,1,radius,360/num*(i-1),0   ! 螺栓杆处的局部柱坐标系201
    
    R,rlmax+i                             ! 定义新的实常数
    REAL,rlmax+i                          ! 激活实常数
    
    TYPE,etmax+1                          ! 激活目标单元类型号
    TSHAP,PILO                            ! 目标单元几何形状为导向结点
    
    CMSEL,S,BoltElems                     ! 选择组件BoltElems(全部螺栓杆单元)
    ALLSEL,BELOW,ELEM                     ! 选择单元以下附属即构成单元的结点
    E,NODE(0,0,endPntZ)                   ! 在结点(0,0,endPntZ)处创建目标单元
    ALLSEL,ALL                            ! 全选,清除上述选择集。
    
    TYPE,etmax+2                          ! 激活接触单元类型号
    CMSEL,S,WasherElems                   ! 选择组件WasherElems(全部垫片单元)
    ALLSEL,BELOW,ELEM                     ! 选择单元以下附属即构成单元的结点
    NSEL,R,EXT                            ! 选择外表面结点
    
    ! 按坐标位置选择结点,最终选出垫片外表面结点。
    
    NSEL,R,LOC,X,0,d1/2+0.5             
    NSEL,R,LOC,Z,endPntZ-0.5,endPntZ+0.5
     
    ESURF, ,TOP                           ! 在存在已选单元的自由面上生成重叠单元,即创建接触单元。
    
    ALLSEL,ALL
    CSYS,17
    
    *ENDDO
    
    命令流 No.20

      由 命令流 No.20 创建的螺栓杆端部与上法兰侧垫片间的接触如下图所示:


    在这里插入图片描述


    1. 创建螺栓杆与上法兰侧垫片的绑定
    *GET,etmax,ETYP, ,NUM,MAX             ! 获取模型空间当前最大单元类型号
    *GET,rlmax,RCON, ,NUM,MAX             ! 获取模型空间当前最大实常数号
     
    ET,etmax+1,TARGE170                   ! 定义目标面单元 - 连续面
    KEYOPT,etmax+1,2,1                    ! 用户指定 rigid target nodes
    
    
    ET,etmax+2,CONTA174                   ! 定义接触面单元 - 离散面
    KEYOPT,etmax+2,2,2                    ! 接触算法:MPC。
    KEYOPT,etmax+2,4,1                    ! 接触探测点位置:On nodal point - normal from contact surface 。
    KEYOPT,etmax+2,12,5                   ! 接触面行为:始终绑定。
    
    
    
    num = 55                              ! 螺栓总数
    radius = 1000                         ! 法兰螺栓分度圆半径
    tf = 40 $ tw = 5                      ! 分别为法兰厚度及垫片厚度
    startPntZ = -(tf+tw)                  ! 在局部坐标系15下,梁轴线起点z坐标值。
    midPntZ = 0                           ! 螺栓预紧力施加位置处
    endPntZ= tf+tw                        ! 在局部坐标系15下,梁轴线终点z坐标值。
    d0 = 40                               ! 螺栓孔直径/垫片内径
    d1 = 70                               ! 垫片外径
    
    CSYS,17                               ! 激活局部坐标系17
    
    
    *DO,i,1,4                             ! DO循环,分别执行 i=1,2,3,4 共执行4次。
    
    CLOCAL,201,1,radius,360/num*(i-1),0   ! 螺栓杆处的局部柱坐标系201
    
    R,rlmax+i                             ! 定义新的实常数
    REAL,rlmax+i                          ! 激活实常数
    
    TYPE,etmax+1                          ! 激活目标单元类型号
    TSHAP,PILO                            ! 目标单元几何形状为导向结点
    
    CMSEL,S,BoltElems                     ! 选择组件BoltElems(全部螺栓杆单元)
    ALLSEL,BELOW,ELEM                     ! 选择单元以下附属即构成单元的结点
    E,NODE(0,0,startPntZ)                 ! 在结点(0,0,startPntZ)处创建目标单元
    ALLSEL,ALL                            ! 全选,清除上述选择集。
    
    
    
    TYPE,etmax+2                          ! 激活接触单元类型号
    CMSEL,S,WasherElems                   ! 选择组件WasherElems(全部垫片单元)
    ALLSEL,BELOW,ELEM                     ! 选择单元以下附属即构成单元的结点
    NSEL,R,EXT                            ! 选择外表面结点
    
    ! 按坐标位置选择结点,最终选出垫片外表面结点。
    
    NSEL,R,LOC,X,0,d1/2+0.5             
    NSEL,R,LOC,Z,startPntZ-0.5,startPntZ+0.5
     
    
    ESURF, ,TOP                           ! 在存在已选单元的自由面上生成重叠单元,即创建接触单元。
    
    
    
    ALLSEL,ALL
    CSYS,17
    
    *ENDDO
    
    命令流 No.21

      由 命令流 No.21 创建的螺栓杆端部与下法兰侧垫片间的接触如下图所示:


    在这里插入图片描述



    1. 定义加载点

      实体单元的结点仅有平动自由度,无转动自由度,某一截面上弯矩的施加,需要将该面上的全部结点耦合到一个点上,相当于 Abaqus 中的参考点 Reference Point,即为目标面的形状设置为一结点(导向结点)。


      当导向结点为加载点时,导向结点的位置不要随便给定,会影响力矩数值,因此,应将导向结点严格指定为施加的加载位置处。


    *GET,rlmax,RCON,0,NUM,MAX   ! 获取模型空间当前最大实常数号
    *GET,etmax,ETYP,,NUM,MAX    ! 获取模型空间当前最大单元类型号
    *GET,ndmax,NODE,,NUM,MAX    ! 获取模型空间当前最大结点编号
    
    R,rlmax+1                   ! 定义新实常数
    
    ET,etmax+1,TARGE170         ! 定义目标面单元 - 连续面   
    KEYOPT,etmax+1,2,1          ! Boundary conditions for rigid target nodes: Specified by user.
    
    ET,etmax+2,CONTA174         ! 定义接触面单元 - 离散面
    KEYOPT,etmax+2,2,2          ! Contact algorithm: Multipoint constraint (MPC).
    KEYOPT,etmax+2,4,1          ! Location of contact detection point: On nodal point - normal from contact surface
    KEYOPT,etmax+2,12,5         ! Behavior of contact surface: Bonded (always).
    
    CSYS,17                               ! 激活局部坐标系17
    num = 55                              ! 螺栓总数
    tf = 40                               ! 法兰厚度
    
    N,ndmax+1,1000,-360/num,0.5*tf        ! 新建结点,结点编号为ndmax+1。
    NSEL,,NODE,,NODE(1000,-360/num,0.5*tf)
    CM,loadNode,Node                      ! 为加载点创建一组件
    
    REAL,rlmax+1                          ! 激活实常数
    TYPE,etmax+1                          ! 激活目标单元类型号
    TSHAP,PILO                            
    E,ndmax+1                             ! 创建目标单元
    ALLSEL,ALL                            ! 退出选择集,显示全部。
    
    
    REAL,rlmax+1                          ! 激活实常数
    TYPE,etmax+2                          ! 激活目标单元类型号
    CMSEL,S,TopFlangeElems                ! 选择组件TopFlangeElems(上法兰全部单元)
    ALLSEL,BELOW,ELEM                     ! 选择单元以下附属即构成单元的结点
    NSEL,R,EXT                            ! 选择外表面结点
    NSEL,R,LOC,Y,-(360/num/2+0.5),-(360/num/2-0.2)      ! 选择位于加载面上的全部结点
    ESURF                                 ! 在存在已选单元的自由面上生成重叠单元,即创建接触单元。
    ALLSEL,ALL                            ! 全选,清除上述选择集。(select all entities)
    
    EPLOT   
    
    !NUMCMP,ALL                           ! 压缩所定义项的编号(存在预紧单元时别瞎压缩全部)
    
    !/DELETE,'PartFlange','cdb'           ! 删除部件文件PartFlange.cdb
    !/DELETE,'PartWasher','cdb'           ! 删除部件文件PartWasher.cdb
    !/DELETE,'PartBolt','cdb'             ! 删除部件文件PartBolt.cdb
    
    CDWRITE,DB,'AllAsmbs','cdb',,'',''    ! 当前模型另存为 AllAsmbs.cdb 文件。
                                          ! AllAsmbs.cdb为装配及接触创建完成后的有限元模型文件。
    
    命令流 No.24


      下接 命令流 No.25 ,命令流 No.25 见博客: ANSYS 有限元分析 加载与求解 >> 五、施加荷载 >> 5.2 荷载施加 。



      由 命令流 No.24 创建的加载点与加载面间的约束如下图所示:


    在这里插入图片描述



    7.2 标准接触


    7.2.1 接触面贴合紧密


      接触面贴合较紧密,如法兰面间的接触。

    *GET,rlmax,RCON,0,NUM,MAX   ! 获取模型空间当前最大实常数号
    *GET,etmax,ETYP,,NUM,MAX    ! 获取模型空间当前最大单元类型号
    *GET,mtmax,MAT, ,NUM,MAX    ! 获取模型空间当前最大材料编号
    
    R,rlmax+1                   ! 定义新实常数
    
    ET,etmax+1,170              ! 定义目标面单元 - 连续面
    
    ET,etmax+2,174              ! 定义接触面单元 - 离散面
    KEYOPT,etmax+2,2,0          ! Contact algorithm: Augmented Lagrangian (default)
    KEYOPT,etmax+2,4,0          ! Location of contact detection point: On Gauss point (for general cases).
    KEYOPT,etmax+2,5,4          ! CNOF/ICONT Automated adjustment: Auto ICONT.
    
    KEYOPT,etmax+2,9,2          ! Effect of initial penetration or gap: 
                                ! Include both initial geometrical penetration or gap and offset, 
                                ! but with ramped effects.
    
    KEYOPT,etmax+2,10,2         ! Contact stiffness update: 
                                ! Each iteration based on the current mean stress of underlying elements. 
                                ! The actual elastic slip never exceeds the maximum allowable limit (SLTO) 
                                ! during the entire solution.
    
    KEYOPT,etmax+2,12,0         ! Behavior of contact surface: Standard.                            
    MP,MU,mtmax+1,0.12          ! 定义摩擦系数
    
    
    ! KEYOPT,etmax+2,9,1        ! Effect of initial penetration or gap: ???????????????????????
    ! 不收敛时启用               ! Include both initial geometrical penetration or gap and offset
    

    7.2.2 接触面存在较大间隙


      接触面间存在一定距离,如锁定销与锁定孔间的接触。

    *GET,rlmax,RCON,0,NUM,MAX   ! 获取模型空间当前最大实常数号
    *GET,etmax,ETYP,,NUM,MAX    ! 获取模型空间当前最大单元类型号
    *GET,mtmax,MAT, ,NUM,MAX    ! 获取模型空间当前最大材料编号
    
    R,rlmax+1,,,,,,500,         ! 定义新实常数,Pinball = 500。
    
    ET,etmax+1,170              ! 定义目标面单元 - 连续面
    
    ET,etmax+2,174              ! 定义接触面单元 - 离散面
    KEYOPT,etmax+2,4,0          ! Location of contact detection point: On Gauss point (for general cases).
    KEYOPT,etmax+2,5,3          ! CNOF/ICONT Automated adjustment: Close gap/reduce penetration with auto CNOF.
    
    KEYOPT,etmax+2,9,1          ! Effect of initial penetration or gap:
                                ! Exclude both initial geometrical penetration or gap and offset
    
    KEYOPT,etmax+2,10,2         ! Contact stiffness update: 
                                ! Each iteration based on the current mean stress of underlying elements. 
                                ! The actual elastic slip never exceeds the maximum allowable limit (SLTO) 
                                ! during the entire solution.
                                
    KEYOPT,etmax+2,12,0         ! Behavior of contact surface: Standard.    
    MP,MU,mtmax+1,0.12          ! 定义摩擦系数
    

    • 示例 1:创建上下法兰与垫片间的标准接触。
    *GET,etmax,ETYP, ,NUM,MAX             ! 获取模型空间当前最大单元类型号
    *GET,rlmax,RCON, ,NUM,MAX             ! 获取模型空间当前最大实常数号
     
    R,rlmax+1                             ! 定义新的实常数
    
    ET,etmax+1,170                        ! 定义目标面单元 - 连续面
    
    ET,etmax+2,174                        ! 定义接触面单元 - 离散面
    KEYOPT,etmax+2,2,0                    ! 接触算法:增广拉格朗日乘子法。
    KEYOPT,etmax+2,4,0                    ! 接触探测点位置:高斯积分点。
    KEYOPT,etmax+2,5,4                    ! CNOF/ICONT Automated adjustment: Auto ICONT.
    KEYOPT,etmax+2,9,2                    ! 初始穿透/间隙效应:包含初始几何穿透或间隙和偏置,但带有坡道效应。
    KEYOPT,etmax+2,10,2                   ! 接触刚度更新:在每个迭代步基于下层单元目前的平均应力进行更新,
                                          ! 但在整个求解过程中实际弹性滑移始终不超过最大允许极限。
    
    MP,MU,etmax+1,0.3                     ! 定义摩擦系数
    
    CSYS,17                               ! 激活局部坐标系17
    REAL,rlmax+1                          ! 激活实常数
    MAT,etmax+1                           ! 激活材料编号
    tf = 40 $ tw = 5                      ! 分别为法兰厚度及垫片厚度
    
    TYPE,etmax+1                          ! 激活目标单元类型号
    
    CMSEL,S,WasherElems                   ! 选择组件WasherElems(全部螺栓杆单元)
    ALLSEL,BELOW,ELEM                     ! 选择单元以下附属即构成单元的全部结点
    NSEL,R,EXT                            ! 选择表面全部结点
    NSEL,R,LOC,Z,-tf-0.5,tf+0.5           ! 选择位于接触面上的全部结点
    ESLN,S,0                              ! 选择结点附属单元,0表示单元的任何一个结点被选中,则该单元被选中。
    
    ESURF                                 ! 在存在已选单元的自由面上生成重叠单元,即创建接触单元。
    ALLSEL,ALL                            ! 全选,清除上述选择集。
    
    TYPE,etmax+2                          ! 激活接触单元类型号
    CMSEL,S,TopFlangeElems                ! 选择组件TopFlangeElems(上法兰全部单元)
    CMSEL,A,BotFlangeElems                ! 补选组件BotFlangeElems(上法兰全部单元)
    
    ALLSEL,BELOW,ELEM                     ! 选择单元以下附属即构成单元的结点
    NSEL,R,EXT                            ! 选择外表面结点
    NSEL,U,LOC,Z,-tf+0.5,tf-0.5           ! 选择位于接触面上的全部结点
    ESURF                                 ! 在存在已选单元的自由面上生成重叠单元,即创建接触单元。
    ALLSEL,ALL                            ! 全选,清除上述选择集。
    
    命令流 No.22

      由 命令流 No.22 创建的垫片与上下法兰面间的接触如下图所示:


    在这里插入图片描述



    • 示例 2:创建上下法兰间的标准接触。
    *GET,etmax,ETYP, ,NUM,MAX             ! 获取模型空间当前最大单元类型号
    *GET,rlmax,RCON, ,NUM,MAX             ! 获取模型空间当前最大实常数号
     
    R,rlmax+1                             ! 定义新的实常数
    
    ET,etmax+1,170                        ! 定义目标面单元 - 连续面
    
    
    ET,etmax+2,174                        ! 定义接触面单元 - 离散面
    KEYOPT,etmax+2,2,0                    ! 接触算法:增广拉格朗日乘子法。
    KEYOPT,etmax+2,4,0                    ! 接触探测点位置:高斯积分点。
    KEYOPT,etmax+2,5,4                    ! CNOF/ICONT Automated adjustment: Auto ICONT.
    KEYOPT,etmax+2,9,2                    ! 初始穿透/间隙效应:包含初始几何穿透或间隙和偏置,但带有坡道效应。
    KEYOPT,etmax+2,10,2                   ! 接触刚度更新:在每个迭代步基于下层单元目前的平均应力进行更新,
                                          ! 但在整个求解过程中实际弹性滑移始终不超过最大允许极限。
    
    
    MP,MU,etmax+1,0.3                     ! 定义摩擦系数
    
    
    CSYS,17                               ! 激活局部坐标系17
    REAL,rlmax+1                          ! 激活实常数
    MAT,etmax+1                           ! 激活材料编号
    tf = 40 $ tw = 5                      ! 分别为法兰厚度及垫片厚度
    
    TYPE,etmax+1                          ! 激活目标单元类型号
    CMSEL,S,TopFlangeElems                ! 选择组件TopFlangeElems(上法兰全部单元)
    ALLSEL,BELOW,ELEM                     ! 选择单元以下附属即构成单元的结点
    NSEL,R,EXT                            ! 选择外表面结点
    NSEL,R,LOC,Z,-0.5,0.5                 ! 选择位于接触面上的全部结点
    ESURF                                 ! 在存在已选单元的自由面上生成重叠单元,即创建接触单元。
    ALLSEL,ALL                            ! 全选,清除上述选择集。
    
    
    TYPE,etmax+2                          ! 激活接触单元类型号
    CMSEL,S,BotFlangeElems                ! 选择组件BotFlangeElems(下法兰全部单元)
    ALLSEL,BELOW,ELEM                     ! 选择单元以下附属即构成单元的结点
    NSEL,R,EXT                            ! 选择外表面结点
    NSEL,R,LOC,Z,-0.5,0.5                 ! 选择位于接触面上的全部结点
    ESURF                                 ! 在存在已选单元的自由面上生成重叠单元,即创建接触单元。
    ALLSEL,ALL                            ! 全选,清除上述选择集。
    
    命令流 No.23

      由 命令流 No.23 创建的上下法兰面间的标准接触如下图所示:


    在这里插入图片描述

    八、约束方程



    • CE

    使用功能: Defines a constraint equation relating degrees of freedom.

    使用格式: CE,NEQNCONSTNODE1Lab1C1NODE2Lab2C2NODE3Lab3C3

    参数说明NEQN: Set equation reference number 其值可以为 n、HIGH、NEXT。

          NEXT:The highest defined constraint equation number plus one.

          This option automatically numbers coupled sets so that existing sets are not modified.


          CONST: Constant term of equation.

          NODE1: Node for first term of equation. If -NODE1, this term is deleted from the equation.


          Lab1: Degree of freedom label for first term of equation. Structural labels: UX, UY, or UZ (displacements);

          ROTX,ROTY, or ROTZ (rotations, in radians).


          C1: Coefficient for first node term of equation. If zero, this term is ignored.

          NODE2Lab2C2: Node, label, and coefficient for second term.

          NODE3Lab3C3: Node, label, and coefficient for third term.



    • GUI 操作

    在这里插入图片描述


      The following example illustrates a typical application of a constraint equation, in which moment transfer capability is created for a connection between a beam element and plane elements:


    在这里插入图片描述


      In this example, node 2 acts as a hinge if no constraint equations are used. To transfer moment between the beam and the plane-stress elements, you can use the following equation:

      ROTZ2 = (UY3 - UY1)/10

      This equation would be rewritten in the required format and entered into the program as:

      0 = UY3 - UY1 - 10*ROTZ2

    CE,1,0,3,UY,1,1,UY,-1,2,ROTZ,-10

      The first unique degree of freedom in the equation is eliminated in terms of all other degrees of freedom in the equation. A unique degree of freedom is one which is not specified in any other constraint equation, coupled node set, specified displacement set, or master degree of freedom set. You should make the first term of the equation be the degree of freedom to be eliminated. Although you may, in theory, specify the same degree of freedom in more than one equation, you must be careful to avoid over-specification. You must also take care to ensure that each node and degree of freedom exists in the model. (Remember that for a degree of freedom to be present at a node, that node must be connected to an element which supplies the necessary degree of freedom.)



    • 示例:约束两结点 uz 方向位移,使之保持一致。
    ALLSEL,ALL                                ! 全选即清空选择集
    CMSEL,S,MNode
    *GET,mndmax,NODE, ,NUM,MAX
    CMSEL,S,SNode
    *GET,sndmax,NODE, ,NUM,MAX
    allsel,all
    CE,NEXT,0,mndmax,uz,1,sndmax,uz,-1,,,,
    

      该命令流构建的位移约束方程为:

      UZ(MNode) = UZ(SNode) → 0 = 1.0 * UZ(MNode) - 1.0 * UZ(SNode)

      另外,这两个结点可以分别定义为两个目标面的导向结点,那么,就可以使得两个面间的 Uz 方向的位移保持一致。



    九、尾声


      以上,便是 ANSYS 接触问题 部分的简单介绍。

      仅以此文为我 ANSYS 的相关学习做一个备忘,同时也为有需要的人提供多一点参考。

      胸藏文墨怀若谷,腹有诗书气自华,希望各位都能在知识的 pāo 子里快乐徜徉。

      因个人水平有限,文中难免有所疏漏,还请各位大神不吝批评指正。

      最后,祝各位攻城狮们,珍爱生命,保护发际线!

      欢迎大家点赞、评论及转载,转载请注明出处!

      为我打call,不如为我打款!


    在这里插入图片描述




    十、参考文献



    [01]. 有限元接触分析及其在飞机投放挂架中的应用. 覃小雄.

    [02]. ABAQUS 工程实例 详解. 江丙云 孔祥宏 罗元元 编著.

    [03]. ANSYS 接触分析. 安世亚太.

    [04]. ANSYS-高级接触分析.

    [05]. ANSYS接触分析总结. 晓喻.

    [06]. ANSYS 15.0 有限元分析完全自学手册. 郝勇 钟礼东 等编著.

    [07]. ANSYS 参数化编程与命令手册. 龚曙光 谢桂兰 黄云清 编著.

    [08]. ANSYS Mechanical APDL Command Reference. Release 18.2.

    [09]. ANSYS Mechanical APDL Element Reference. Release 18.2.

    [10]. Ansys中的接触协调条件和多点约束MPC. 坐倚北风.





    展开全文
  • 主要介绍了对于同轴度要求较高的细长轴,其单件或者小批量生产的加工方法及有限元分析。利用SolidWorks进行实体建模,分析其在加工过程中引起变形的因素,并对其进行工艺分析、详细加工步骤做出说明,在实际加工过程中,...
  • (2)在WORKBENCH中对该阶梯轴零件进行有限元仿真,实行两种仿真方案,分别是1.梁模型建模+梁单元网格划分;2.实体模型建模+六面体单元网格划分,观察两种仿真结果并与理论计算结果的对比,对比结果发现解析解与仿真...

    (1)对一个阶梯轴零件进行基于材料力学的理论计算,求解最大应力值;
    (2)在WORKBENCH中对该阶梯轴零件进行有限元仿真,实行两种仿真方案,分别是1.梁模型建模+梁单元网格划分;2.实体模型建模+六面体单元网格划分,观察两种仿真结果并与理论计算结果的对比,对比结果发现解析解与仿真解相差很小。
    (3)可以借此算例学习WB中的梁单元静力分析、三维实体静力分析、理解并施加若干种边界条件,举一反三即可了解此类轴系中轴零件的强度分析。

    在进行阶梯轴零件设计的时候一般会对其进行强度校核,校核方式主要有理论计算和仿真分析两种。轴零件的强度校核计算方式已经标准化,查阅手册即可,仿真分析可使用有限元仿真软件,本文算例将在ANSYS WORKBENCH 进行。

    本文的算例来自于《ANSYS Workbench 工程实例详解》,以校核阶梯轴强度问题为例,探讨使用解析解解法和有限元分析解的差异。

    一、算例描述及其解析解
    图1为阶梯轴的简图,现校核其受载后的静强度,已知直径d1=180mm{d_1=180mm}d2=150mm{d_2=150mm}a=300mm{a=300mm}b=200mm{b=200mm}L=1000mm{L=1000mm}F=300kN{F=300kN},材料为45,弹性模量E=2.1e11Pa{E=2.1e11Pa},泊松比v=0.28{v=0.28},屈服应力δs=355MPa{δ_s=355MPa}。在AB段,轴只受弯矩MAB{M_{AB}},而外伸到加载处的这一段,既受弯矩又有剪力,属于横力弯曲。根据材料力学分析,最大正应力应该产生在C截面的圆边缘处,强度为:
    δmax=δc=MC/WC=32Fb/πd23=181.083MPa{δ_{max}=δ_c={M_C}/{W_C}={32Fb}/{π{d_2}^3}=181.083MPa}
    同理AB段的最大应力大小为:δAB=MAB/WAB=32Fa/πd13=157.19MPa{δ_{AB}={M_{AB}}/{W_{AB}}={32Fa}/{π{d_1}^3}=157.19MPa}

    在这里插入图片描述

    图1 算例的理论解法

    二、有限元仿真分析结果
    为了简化仿真分析难度,考虑到目前ANSYS Workbench已经普及,且其流程化的操作方式也被越来越多的机械工程师所接受,故本文使用该仿真平台。

    在有限元分析的操作过程中,流程可简化为**建模→网格划分→设置边界条件→求解→结果后处理。**就重要性来说,前处理过程包括建模,网格划分和设置边界条件都是非常关键的步骤。网格划分需要考虑网格的类型、形状和尺寸等因素,而在设置边界条件时需确保对模型施加的边界条件与实际加载工况一致,三者均需保证准确无误,否则会导致计算结果与实际情况大相径庭,误导未来的进一步设计。

    梁单元静力学分析:
    当结构长度对横截面的比率超过10:1,沿长度方向的应力为主要分析对象,且横截面始终保持不变时,在WB中默认为铁摩辛柯梁单元,即beam188和beam189,可计算弯曲、轴向、扭转、和横向剪切变形。beam188和beam189两者的区别是形函数种类不同。beam189的精度更高,计算消耗内存也多,所以在仿真时需要权衡计算精度和时间。本文均使用beam188。

    建模:
    很多人在最初学习WB的时候,已经掌握了一种或多种三维绘图软件(例如SW、PRO/E等),并且认为只需使用这些三维软件绘制三维图再转化相应格式并将其导入WB中即可。但是这种导入的模型,在进行前处理划分网格的时候只能使用三维实体单元划分网格,而不能使用梁单元、二维平面单元和三维壳单元。例如本文中的算例,若要使用梁单元划分网格,必须在WB中DM模块中建立line body模型,具体参见《ANSYS Workbench 工程实例详解》。

    划分网格:
    使用line body生成的模型,可以选择自动划分网格的,WB会将以梁单元将其划分完成,例如图2所示。

    在这里插入图片描述

    图2梁模型建模后划分的网格

    使用DM建立的solid模型或者通过其它三维软件绘制并导入的模型,可以划分为六面体网格。例如图3所示。
    在这里插入图片描述

    图3 三维实体建模后划分的网格

    设置边界条件:
    梁模型设置边界条件:需考虑零件的受载和约束,受载即为该轴在两端外侧分别受到大小为300kN的力,方向沿-Y方向。约束需考虑图1中所示的A和B两点:A点是简支约束,在受载后只会产生绕Z轴的旋转,其它自由度均被锁死,故需要在A点施加约束Simply Support和Fixed Rotation(X和Y设置成Fixed,Z设置成Free);B点有X方向上有平移自由度,和绕Z轴的转动,故需在B点施加约束Fixed rotation(X和Y设置成Fixed,Z设置成Free)和Displacement(X方向设置为free,Y和Z设置为0)。如图4所示。注意下图中的字母标识为软件自动生成,与上述算例描述无关。
    加载方式

    图4 梁模型施加边界条件

    三维实体模型设置边界条件:可在两端面加载大小为300kN的力,设置约束时可使用远程边界条件-远程位移,来设置A和B两点的自由度,在添加远程边界条件时可基于remote point。如图5-图7所示,添加基于A和B所在面与轴相交的外圆线生成的remote point。(关于远程边界条件和远程点,感兴趣的同学可以参看ANSYS Workbench Help 文件)

    在这里插入图片描述

    图5 三维实体模型施加的边界条件

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    图6 A点remote point的设置

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    图7 B点remote point的设置

    结果和后处理:
    梁模型的后处理需导入 Beam Tool→Maximum Combined Stress,求解零件的在各个位置的最大应力,结果如下所示,如预期所料最大应力值出现在C截面,最大值如左侧的颜色条所示:
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    图8 梁模型应力分布

    结论:最大应力值为181.46MPa,理论值为181.08MPa,误差为0.1%。

    三维实体模型的von-mises应力云图如图9所示,但是求解的最大的应力值为258.44MPa,与理论计算值不符,这是因为由于有限元计算的特点,在该处会出现应力集中的现象。所以再分析C截面的应力值。
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    图9 实体模型应力云图

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    图10 C截面上的路径

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    图11 应力值随路径位置的变化

    由于应力集中导致峰值应力相差很大,所以反映的总应力相差也很大。

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    结论:C截面的弯曲应力为173.15MPa,理论值为181MPa,误差小于5%。

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    http://blog.sina.com.cn/s/blog_589258090100ammt.html

      通俗地说,有限元法就是一种计算机模拟技术,使人们能够在计算机上用软件模拟一个工程问题的发生过程而无需把东西真的做出来。这项技术带来的好处就是,在图纸设计阶段就能够让人们在计算机上观察到设计出的产品将来在使用中可能会出现什么问题,不用把样机做出来在实验中检验会出现什么问题,可以有效降低产品开发的成本,缩短产品设计的周期。

        有限元法也叫有限单元法(finite element method, FEM),是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种弹性力学问题的数值求解方法。五十年代初,它首先应用于连续体力学领域—飞机结构静、动态特性分析中,用以求得结构的变形、应力、固有频率以及振型。由于这种方法的有效性,有限单元法的应用已从线性问题扩展到非线性问题,分析的对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料,从连续体扩展到非连续体。

        有限元法最初的思想是把一个大的结构划分为有限个称为单元的小区域,在每一个小区域里,假定结构的变形和应力都是简单的,小区域内的变形和应力都容易通过计算机求解出来,进而可以获得整个结构的变形和应力。

        事实上,当划分的区域足够小,每个区域内的变形和应力总是趋于简单,计算的结果也就越接近真实情况。理论上可以证明,当单元数目足够多时,有限单元解将收敛于问题的精确解,但是计算量相应增大。为此,实际工作中总是要在计算量和计算精度之间找到一个平衡点。

        有限元法中的相邻的小区域通过边界上的结点联接起来,可以用一个简单的插值函数描述每个小区域内的变形和应力,求解过程只需要计算出结点处的应力或者变形,非结点处的应力或者变形是通过函数插值获得的,换句话说,有限元法并不求解区域内任意一点的变形或者应力。

        大多数有限元程序都是以结点位移作为基本变量,求出结点位移后再计算单元内的应力,这种方法称为位移法。

        有限元法本质上是一种微分方程的数值求解方法,认识到这一点以后,从70年代开始,有限元法的应用领域逐渐从固体力学领域扩展到其它需要求解微分方程的领域,如流体力学、传热学、电磁学、声学等。

        有限元法在工程中最主要的应用形式是结构的优化,如结构形状的最优化,结构强度的分析,振动的分析等等。有限元法在超过五十年的发展历史中,解决了大量的工程实际问题,创造了巨大的经济效益。有限元法的出现,使得传统的基于经验的结构设计趋于理性,设计出的产品越来越精细,尤为突出的一点是,产品设计过程的样机试制次数大为减少,产品的可靠性大为提高。压力容器的结构应力分析和形状优化,机床切削过程中的振动分析及减振,汽车试制过程中的碰撞模拟,发动机设计过程中的减振降噪分析,武器设计过程中爆轰过程的模拟、弹头形状的优化等等,都是目前有限元法在工程中典型的应用。

        经过半个多世纪的发展和在工程实际中的应用,有限元法被证明是一种行之有效的工程问题的模拟仿真方法,解决了大量的工程实际问题,为工业技术的进步起到了巨大的推动作用。但是有限元法本身并不是一种万能的分析、计算方法,并不适用于所有的工程问题。对于工程中遇到的实际问题,有限元法的使用取决于如下条件:产品实验或制做样机成本太高,实验无法实现,而有限元计算能够有效地模拟出实验效果、达到实验目的,计算成本也远低于实验成本时,有限元法才成为一种有效的选择。

        有限元法经过多年的发展,其基本的数值算法都已经固定下来,商业化的软件也超过1000种。在这些大大小小的有限元软件中,其基本的、核心的算法都是一样的,没有太大的不同,甚至很多软件核心部分的代码都是相同的,它们主要的不同表现在一下几个方面:

    1. 计算部分的功能强弱不一样。

        除了基本的线性分析能力之外,大多数软件都开发了针对各种非线性问题的分析能力,如塑性、蠕变、大位移、大变形、接触分析能力,一些特殊材料模式的处理能力,各种物理场之间的耦合能力,最典型的,如热-结构之间的耦合,流体-结构之间的耦合等等,计算功能的强弱就体现在这些方面。

    2. 软件易用性上的不同。这主要体现在建模上。

        早期的有限元软件都只是一个计算部分,即求解器,模型是通过数据文件的形式提交的,用户的建模工作就是编写数据文件,工作量相当大。现在的软件一般都有相应的图形界面的建模工具,即前处理器,通过图形方式建模,由软件自动生成计算部分所需的数据文件。到目前为止,仍然有超过70%的软件,其前处理跟求解器之间并不是无缝的,求解器需要的数据文件不能完全由前处理部分生成,缺少的部分仍然需要由用户人工修改、添加。最典型的,如PATRAN和NASTRAN,AUI和ADINA,CAE和ABAQUS,这还是求解器跟各自专用的前处理之间的连接情况,其它兼容的前处理跟求解器之间的连接则问题更多。

        前处理建模功能的强弱,这主要反映在复杂模型的建模效率上。通常情况下,有限元软件的前处理建模能力远低于CAD软件的建模能力,为此都开发有针对不同CAD软件的建模接口。CAD软件对模型的要求与有限元软件对模型的要求不同,模型的导入过程实际是一种转换过程,转换质量的高低,各个软件接口是不同的。接口的多少和转换质量也成为评价建模能力的一个重要标志。

    3. 用户的二次开发能力。 

        在求解器提供的标准的分析功能之外,允许用户在一定程度上开发适合自己需要的建模、分析功能,如特殊材料模型,特殊的单元类型,专门针对某一类问题的分析等。绝大部分软件用户都不是真正需要这部分功能,这只是对有特殊需要的用户来说是至关重要的,例如某些研究机构。

    4. 历史的因素。

        主要是行业和商业上的因素。一些软件在发展过程中,在某一行业占有传统的优势,逐渐沿袭下来,成为一种行业习惯和行业工具,乃至成为事实上的行业标准,并不是因为软件本身的原因。例如NASTRAN在全世界的航空领域,SAP2000在建筑行业,ANSYS在中国的铁路机车行业,ABAQUS在中国的汽车行业,都是一些典型的例子。

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    摘要:

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空空如也

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影响有限元分析精度的因素