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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

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