ANSYS - 接觸非線性分析的一個實例.doc

ANSYS - 接觸非線性分析的一個實例這是在三維網(wǎng)上的一次試講所使用的資料，現(xiàn)提供給大家分享，可以作為初學接觸非線性時的參考。下面通過一個 2D 例子來演示 ANSYS 接觸分析中主要參數(shù)的設置和作用。 該例子為：一個 (無限長) 圓柱置于一個 (無限長) 長方體上，當圓柱承受壓力載荷時，計算圓柱和長方體之間的接觸應力。該問題可以簡化為 2D 問題進行分析。 選擇單元類型 二維 4 節(jié)點四邊形 solid182 單元： 單元行為：選擇平面應變： 設置材料屬性： E = 201000 MPa；m = 0.3： 定義一個矩形：長度 20 mm，高度 5 mm： 再定義一個實心圓，半徑 5 mm，剛好與矩形接觸： 為了能使用 MAP 方式劃分網(wǎng)格，先在圓內創(chuàng)建兩條直線，以便將圓切分為 4 塊： 為了切分矩形，將圓中的豎線延長 6 mm。 執(zhí)行 Area by Line，分割圓和矩形：首先選擇兩個 Areas： 點擊 Apply 后，選擇水平和豎線，再點擊 OK，對面進行切割： 面切割后，可以進行 MAP 劃分網(wǎng)格： 下面劃分網(wǎng)格：進入前處理 - Meshing 首先設置幾何體的網(wǎng)格默認屬性： 設置單元邊長，這里取為 0.4 采用 MAP 方式劃分網(wǎng)格： 網(wǎng)格劃分結果： 設置約束條件：1 選擇兩條下邊界線 設置 Uy = 0: 為防止 x 方向的剛體運動，選擇矩形中間線 設置為 Ux = 0 然后在圓柱頂部中間節(jié)點處施加壓力 選擇 Fy，輸入力值 -100，力沿著 y 方向，對圓柱構成壓力 下面準備采用接觸向導來定義接觸對。 需要做一些準備工作：根據(jù)結構情況，選擇圓柱面 (這里是圓周線) 作為接觸面，矩形上邊界作為目標面，使用面 面接觸。 為了方便，需要預先定義好相關的節(jié)點組。分別選擇圓周下邊界中間部位的若干節(jié)點和矩形上邊界中間部位的若干節(jié)點，定義兩個節(jié)點組 (N-contact 和 N-target)，便于創(chuàng)建接觸對時使用。 先選擇下面兩個圓柱面，再 select - everything below - area 和 plot - element 匯出對應的單元和節(jié)點。 然后： select - nodes - apply - 選擇如圖 11 個節(jié)點： 使用這 11 個節(jié)點創(chuàng)建 component: N-contact 再用同樣方法，在下面的矩形中，選擇上邊界處，中間部位的 13 個節(jié)點，創(chuàng)建 component N-target 使用 select - components manager 檢查所創(chuàng)建的兩個 components 是否正確 檢查無誤，執(zhí)行： select - everything 和 eplot 以下下使用接觸向導設置接觸： 接觸向導的界面如下： 下面使用接觸向導來設置面 面接觸 (對于本例，看起來是 線 線接觸)： 選擇 N-target component 作為目標面，目標類型選擇柔性，然后點擊 Next： 選擇 N-contact component 作為接觸面，采用 面 面 接觸，然后點擊 next ： 取摩擦系數(shù)為 0.1，然后點擊 optional shettings 設置其它參數(shù)： 點擊 create 創(chuàng)建接觸對： 注意：創(chuàng)建接觸對之后，一定要檢查一下接觸面和目標面的法向是否正確，如有問題需及時修改： 到此，建?？梢越Y束，下面開始求解： 設置求解類型為 static，然后到 Solution Controls 中設置時間步等，如右圖，其它參數(shù)均使用默認值： 點擊 Current LS 開始求解，很快即出現(xiàn)一個錯誤提示： 點擊 Proceed，能繼續(xù)求解，并出現(xiàn)另一個錯誤提示，同樣點擊 Proceed 繼續(xù)求解，又出現(xiàn)另一個錯誤提示，不能再繼續(xù)求解。 分析認為是接觸設置不當 初始狀態(tài)圓柱與矩形之間有間隙。開始計算后，程序找不到初始接觸狀態(tài)，造成圓柱的剛體運動。需要回到前處理修改接觸設置： 在前處理中，調出接觸向導。在其中，點擊接觸對使其高亮度，然后修改屬性 (這種設置作為：第一種設置)： 在接觸屬性對話框中，點擊 Initial Adjustment 標簽，可以看到 Automatic Contact Adjustment 設置的不太合適： 在 Initial Adjustment 中，將 Automatic Contact Adjustment 改為 Close Gap/Reduce Penetration，并設置 Initial contact Closure 為 0.1： 再次求解，雖然還有錯誤，但點擊 Proceed 后能夠求解結束： 然后到后處理中查看結果。首先看一下 Results Summary 可以看到，經(jīng)過 6 個載荷子步就收斂了： 讀取最后一步的結果。首先顯示接觸狀態(tài)： 接觸狀態(tài)顯示如下： 還可以顯示其它結果，以下為穿透情況： 接觸壓力的結果： 摩擦應力的結果： 接觸總應力 與接觸壓力基本相同： 下面將探討不同的接觸參數(shù)設置對計算結果的影響： 一、 第二種設置： 在原始設置 (計算不收斂) 的基礎上，在 Initial Adjustment 中，將 Automatic Contact Adjustment 改為 Close Gap/Reduce Penetration： 再次求解，不再出現(xiàn)和前面一樣的錯誤，直接計算到結束： 然后到后處理中查看結果。首先看一下 Results Summary 可以看到，同樣經(jīng)過 6 個載荷子步就收斂了： 下面顯示最后一組結果的部分內容： 接觸狀態(tài)顯示如下： 以下為穿透情況： 最大穿透值遠大于第一種情況，說明誤差較大，可以增加接觸剛度以減小穿透。 接觸壓力： 接觸壓力遠大于第一種結果！說明誤差較大！ 摩擦應力的結果： 注意：摩擦應力的分布與第一種結果完全不同 接觸總應力 與接觸壓力基本相同： 二、 第三種設置： 在原始設置 (計算不收斂) 的基礎上，在 Initial Adjustment 中，設置 Initial contact Closure 為 0.1： 再次求解，中間不再出現(xiàn)問題，可以直接計算到結束： 然后到后處理中查看結果。首先看一下 Results Summary 可以看到，仍然是經(jīng)過 6 個子步就收斂了： 下面顯示最后一組結果的部分內容：接觸狀態(tài)顯示如下： 還可以顯示其它結果，以下為穿透情況： 最大穿透略大于第一種結果，穿透大說明誤差較大，可以增加接觸剛度以減小穿透。接觸壓力： 接觸壓力大于第一種結果，但相差不多。摩擦應力的結果： 接觸總應力 與接觸壓力基本相同 三、 第四種設置：在 第一種設置的基礎上，將法向懲罰剛度因子改為 0.1： 再次求解，直接計算到結束： 然后到后處理中查看結果。首先看一下 Results Summary 可以看到，同樣經(jīng)過 6 個載荷子步就收斂了： 下面顯示最后一組結果的部分內容： 接觸狀態(tài)顯示如下： 以下為穿透情況： 穿透遠大于第一種結果！誤差較大！ 接觸壓力： 接觸壓力小于第一種結果！ 摩擦應力的結果：摩擦應力比第一種結果小 接觸總應力 與接觸壓力基本相同：四、第五種設置：在 第一種設置的基礎上，將法向懲罰剛度因子改為 10： 再次求解，直接計算到結束： 然后到后處理中查看結果。首先看一下 Results Summary 可以看到，同樣經(jīng)過 6 個載荷子步就收斂了： 下面顯示最后一組結果的部分內容： 接觸狀態(tài)顯示如下： 以下為穿透情況： 穿透遠小于第一種結果！誤差減?。?接觸壓力： 接觸壓力與第一種結果很接近。 摩擦應力的結果： 摩擦應力小于第一種結果。接觸總應力 與接觸壓力基本相同：以下修改其它參數(shù)，分別摸索其效果：五、第六種設置：在原始設置 (計算不收斂) 的基礎上，將接觸算法改為 內部 MPC 算法： 再次求解，直接計算到結束： 然后到后處理中查看結果。首先看一下 Results Summary 可以看到，同樣經(jīng)過 6 個載荷子步就收斂了： 下面顯示最后一組結果的部分內容： 接觸狀態(tài)顯示如下： 最大位移遠大于第一種情況。以下為穿透情況： 由于 MPC 算法的特點，不存在穿透！接觸壓力： 由于 MPC 算法的特點，不存在接觸壓力。摩擦應力的結果： 由于 MPC 算法的特點，不存在摩擦應力。接觸總應力 ： 由于 MPC 算法的特點，不存在接觸應力. 結論： 由上述結果可見，由于不能提供如接觸壓力、穿透情況、摩擦應力等與接觸有關的結果數(shù)據(jù)，內部 MPC 算法對本例可能不適用。第七種設置：在 原始設置 (計算不收斂) 的基礎上，將算法改為 拉格朗日與懲罰方法： 再次求解，直接計算到結束： 然后到后處理中查看結果。首先看一下 Results Summary 可以看到，同樣經(jīng)過 6 個載荷子步就收斂了： 下面顯示最后一組結果的部分內容：接觸狀態(tài)顯示如下： 最大位移比第一種情況增加不少。以下為穿透情況： 不存在穿透。接觸壓力： 最大接觸壓力遠大于第一種結果。摩擦應力的結果： 摩擦應力很小。接觸總應力 與接觸壓力基本相同：七、第八種設置：在第七種設置的基礎上，將法向接觸剛度因子改為 0.1： 再次求解，直接計算到結束： 然后到后處理中查看結果。首先看一下 Results Summary 可以看到，同樣經(jīng)過 6 個載荷子步就收斂了： 查看最后一組結果，與前面 FKN = 1 的結果相同，不再一一顯示。第九種設置：在第七種設置的基礎上，將法向接觸剛度因子改為 10，接觸算法選擇 Lagrange & Penalty method： 再次求解，直接計算到結束： 然后到后處理中查看結果。首先看一下 Results Summary 可以看到，同樣經(jīng)過 6 個載荷子步就收斂了： 查看最后一組結果，與前面 FKN = 1 的結果相同，不再一一顯示。 繼續(xù)修改法向接觸剛度因子為 0.001 和 100，計算結果都不變。 看來這一算法 (Lagrange&penalty Method) 的結果似乎與法向接觸剛度因子的設置關系不大 (至少對于本例)，值得推敲，需要慎用。第十種設置：在 原始設置 (計算不收斂) 的基礎上，將算法改為 懲罰方法： 再次求解，直接計算到結束： 然后到后處理中查看結果。首先看一下 Results Summary 可以看到，同樣經(jīng)過 6 個載荷子步就收斂了： 下面顯示最后一組結果的部分內容：接觸狀態(tài)顯示如下：以下為穿透情況：接觸壓力的結果：摩擦應力的結果： 接觸總應力 與接觸壓力基本相同： 然后對法向接觸剛度因子進行修改，結果發(fā)現(xiàn)，當該因子在一定范圍中變化 (0.011000 或更大) 時，隨著該因子的增大，穿透值不斷減小，摩擦應力不斷減小并趨于穩(wěn)定值、接觸壓力和總應力則逐漸增加并趨于穩(wěn)定值。但是和增廣拉格朗日方法的結果有很大差別。第十一種設置：在 原始設置 (計算不收斂) 的基礎上，將算法改為 Lagrange 方法： 再次求解，直接計算到結束： 然后到后處理中查看結果。首先看一下 Results Summary 可以看到，同樣經(jīng)過 6 個載荷子步就收斂了： 下面顯示最后一組結果的部分內容：接觸狀態(tài)顯示如下： 以下為穿透情況： 接觸壓力的結果： 摩擦應