ANSYS接触单元学习.doc
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1、Y5.3.1 面面的接触单元ANSYS支持刚体柔体和柔体柔体的面面的接触单元。这些单元应用“目标”面和“接触”面来形成接触对。 分别用TARGE169或TARGE170来模拟2D和3D目标面。 用CONTA171、CONTA172、CONTA173、CONTA174来模拟接触面。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。参见5.4。这些面-面接触单元非常适合于过盈装配安装接触或嵌入接触,锻造,深拉问题。与点面接触单元相比,面面接触单元有许多优点: 支持面上的低阶和高阶单元(即角节点或有中节点的单元); 支持有大滑动和摩擦的大变形。计算一致刚度阵,可用不对称刚度阵选项; 提
2、供为工程目的需要的更好的接触结果,如法向压力和摩擦应力; 没有刚体表面形状的限制,刚体表面的光滑性不是必须的,允许有自然的或网格离散引起的表面不连续; 与点面接触单元比,需要较少的接触单元,因而只需较小的磁盘空间和CPU时间,并具有高效的可视化; 允许多种建模控制,例如: 绑定接触,不分离接触,粗糙接触; 渐变初始穿透; 目标面自动移动到初始接触; 平移接触面(考虑梁和单元的厚度),用户定义的接触偏移; 死活能力; 支持热-力耦合分析。使用这些单元来做为刚性目标面,能模拟2D和3D中的直线(面)和曲线(面),通常用简单的几何形状例如圆、抛物线、球、圆锥、圆柱来模拟曲面。更复杂的刚体形状或普通可
3、变形体,可以应用特殊的前处理技巧来建模,参见5.4。面-面接触单元不能很好地应用于点-点或点-面接触问题,如管道或铆头装配。在这种情况下,应当应用点-点或点-面接触单元。用户也可以在大多数接触区域应用面-面接触单元,而在少数接触角点应用点-点接触单元。 面面接触单元只支持一般的静态或瞬态分析,屈曲、模态、谱分析或子结构分析。不支持谐响应分析、缩减或模态叠加瞬态分析,或缩减或模态叠加谐响应分析。本章后面将分别讨论ANSYS不同接触分析类型的能力。5.3.2 点面接触单元点面接触单元主要用于给点面接触行为建模,例如两根梁的相互接触(梁端或尖角节点),铆头装配部件的角点。如果通过一组节点来定义接触面
4、,生成多个单元,那么可以通过点面接触单元来模拟面面的接触问题。面既可以是刚性体也可以是柔性体。这类接触问题的一个典型例子是插头插到插座里。使用这类接触单元,不需要预先知道确切的接触位置,接触面之间也不需要保持一致的网格。并且允许有大的变形和大的相对滑动,虽然这一功能也可以模拟小的滑动。CONTACT48 和 CONTACT49单元是点面的接触单元。这2种单元支持大滑动、大变形、以及接触部件间不同的网格。用户也可以用这2种单元来进行热-机械耦合分析,其中热在接触实体之间的传导非常重要。应用 CONTACT26 单元用来模拟柔性点刚性面的接触。对有不光滑刚性面的问题,不推荐采用 CONTACT26
5、 单元,因为在这种环境下,可能导致接触的丢失。在这种情况下,CONTACT48 通过使用伪单元算法,能提供较好的建模能力(参见ANSYS Theory Reference),但如果目标面严重不连续,依然可能失败。5.3.3 点点接触单元点点接触单元主要用于模拟点点的接触行为。为了使用点点接触单元,用户需要预先知道接触位置,这类接触问题只能适用于接触面之间有较小相对滑动的情况(即使在几何非线性情况下)。其中一个例子是传统的管道装配模型,其中接触点总是在管端和约束之间。点点接触单元也可以用于模拟面面的接触问题,如果两个面上的节点一一对应,相对滑动又可以忽略不计,两个面位移(转动)保持小量,那么可以
6、用点点的接触单元来求解面面的接触问题,过盈装配问题是一个用点点的接触单元来模拟面面接触问题的典型例子。另一个点点接触单元的应用是表面应力的精确分析,如透平机叶片的分析。ANSYS的 CONTA178 单元是大多数点-点接触问题的最好选择。它比其他单元提供了范围更广的选项和求解类型。CONTAC12 和 CONTAC52 单元保留的理由,在很大程度上是为了与已有模型的向下兼容。5.4 面面的接触分析用户可以应用面-面接触单元来模拟刚体-柔体或柔体之间的接触。从菜单(PreprocessorCreateContact PairContact Wizard)进入接触向导,为大多数接触问题建立接触对提
7、供了简单的方法。接触向导将指导用户建立接触对的整个过程。每个对话框中的HELP按钮对其应用及选项作了详细说明。在用户未对模型的任何区域分网之前,接触向导不能应用。如果用户希望建立刚体-柔体模型,则在进入接触向导前,仅对用作柔体接触面的部分分网(不对刚体目标面分网)。如用户希望建立柔体-柔体接触模型,则应在进入接触向导前,对所有用作接触面的部件进行分网(包括目标面)。下面诸节将论述不用接触向导来建立接触面和目标面的方法。5.4.1 应用面-面接触单元在涉及到两个边界的接触问题中,很自然把一个边界作为“目标”面,而把另一个作为“接触”面。对刚体柔体的接触,目标面总是刚性面,接触面总是柔性面。对柔体
8、柔体的接触,目标面和接触面都与变形体关联。这两个面合起来叫作“接触对”。使用TARGE169与CONTA171(或CONTA172)单元来定义2-D接触对。使用TARGE170与CONTA173(或CONTA174)单元来定义3-D接触对。程序通过相同的实常数号来识别每一个接触对。5.4.2 接触分析的步骤典型面面接触分析的基本步骤如下,后面将对每一步骤进行详细解释。1、建立几何模型并划分网格;2、识别接触对;3、指定接触面和目标面;4、定义目标面;5、定义接触面;6、设置单元关键选项和实常数;7、定义控制刚性目标面的运动(仅适用于刚体-柔体接触);8、施加必须的边界条件;9、定义求解选项和载
9、荷步;10、求解接触问题;11、查看结果。5.4.3 建立几何模型并划分网格在这一步,用户需要建立代表接触体的几何实体模型。与其它分析一样,需要设置单元类型、实常数、材料特性。用恰当的单元类型给接触体划分网格。参见ANSYS Modeling and Meshing Guide。命令: AMESH VMESH GUI:Main MenuPreprocessorMesh5.4.4 识别接触对用户必须判断模型在变形期间哪些地方可能发生接触。一旦已经判断出潜在的接触面,就应该通过目标单元和接触单元来定义它们,目标和接触单元将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
10、起来。接触区域可以任意定义,然而为了更有效地进行计算(主要指CPU时间),用户可能想定义更小的局部化的接触区域,但要保证它足以描述所需要的所有接触行为。不同的接触对必须通过不同的实常数号来定义,即使实常数没有变化。但不限制允许的面的数目。图5-1 局部接触区域由于几何模型和潜在变形的多样性,有时候一个接触面的同一区域可能与多个目标面产生接触关系。在这种情况下,应该定义多个接触对(使用多组覆盖接触单元)。每个接触对有不同的实常数号。见 图5-1 。5.4.5 指定接触面和目标面接触单元被限制不得穿透目标面。但是,目标单元可以穿透接触面。对于刚体-柔体接触,目标面总是刚体表面,而接触面总是柔体表面
11、。对于柔体-柔体接触,选择那一个面作为接触面或目标面可能会引起穿透量的不同,从而影响求解结果。这可参照下面的论述: 如凸面预期与一个平面或凹面接触,则平面/凹面应当指定为目标面; 如一个面有较密的网格,而相比较之下,另一个面网格较粗,则较密网格的面应当是接触面,而较粗网格的面则为目标面; 如一个面比另一个面刚,则较柔的面应当指定为接触面,而较刚的面则为目标面; 如果高阶单元位于一个外表面,而低阶单元位于另一个面,则前者应指定为接触面,后者则为目标面; 如果一个面明显地比另一个面大(如一个面包围其他面),则较大的面应指定为目标面。上面的论述对于不对称接触是正确的。但不对称接触可能不能满足模型需要
12、。下面一小节祥细论述不对称接触和对称接触的差异,并简要说明需要对称接触的一些场合。5.4.6 不对称接触与对称接触不对称接触定义为所有的接触单元在一个面上,而所有的目标单元在另一个面上的情况。有时候也称为“单向接触”。这在模拟面-面接触时最为有效。但是,在某些环境下,不对称接触不能满足要求。在这些情况下,可以把任一个面指定为目标面和接触面。然后在接触的面之间生成二组接触对(或仅是一个接触对,如自接触情况)。这就称为对称接触,有时也称为“双向接触”。显然,对称接触不如非对称接触效率高。但是,许多分析要求应用对称接触(典型地,是为了减少穿透)。要求对称接触的情况如下: 接触面和目标面区分不十分清楚
13、; 二个面都有十分粗糙的网格。对称接触算法比非对称接触算法在更多的面上施加了接触约束条件。如果二个面上的网格相同并且足够密,则对称接触算法可能不会显著改变运行,而事实上可能更费CPU时间。在这种情况下,拾取一个面为目标面,而另一个面为接触面。在任何接触模型中,可以混合不同的接触对:刚体-柔体或柔体-柔体接触对;对称接触或非线称接触。但在一个接触对中只能有一种类型。5.4.7 定义目标面目标面可以是2D或3D的刚体或柔体的面。对于柔体目标面,一般应用 ESURF 命令来沿现有网格的边界生成目标单元。也可以按相同的方法来生成柔体接触面(见5.4.8)。用户不应当应用下列刚性目标面作为柔体接触面:A
14、RC, CARC, CIRC, CYL1, CONE, SPHE 或 PILO。对于刚体目标面的情况论述如下。在2D情况下,刚性目标面的形状可以通过一系列直线、圆弧和抛物线来描述,所有这些都可以用 TARGE169 单元来表示。另外,可以使用它们的任意组合来描述复杂的目标面。在3D情况下,目标面的形状可以通过三角面、圆柱面、圆锥面和球面来描述,所有这些都可以用 TAPGE170 单元来表示。对于一个复杂的、任意形状的目标面,可以使用低阶/高阶三角形和四边形来给它建模。5.4.7.1 控制节点刚性目标面可能会与“控制(pilot)节点”联系起来,它实际上是一个只有一个节点的单元,其运动控制整个目
15、标面的运动,因此可以把控制节点作为刚性目标的控制器。整个目标面的力/力矩和转动/位移可以只通过控制节点来表示。控制节点可能是目标单元中的一个节点,也可能是一个任意位置的节点。只有当需要转动或力矩载荷时,控制节点的位置才是重要的。如果用户定义了控制节点,ANSYS程序只在控制节点上检查边界条件,而忽略其它节点上的任何约束。注意 -当前的接触向导不支持生成控制节点。用户可以在接触向导外定义控制节点。5.4.7.2 基本图元用户可以使用基本几何图元,如圆、圆柱、圆锥、球,来模拟目标面(它需要实常数来定义半径)。也可以组合图元与一般的直线、抛物线、三角形和四边形来定义目标面。5.4.7.3 单元类型和
16、实常数在生成目标单元之前,首先必须定义单元类型(2维的TARGE169单元,或3维的TARGE170单元)。命令: ET GUI:main menupreprocessorElement Type Add/Edit/Delete随后必须设置目标单元的实常数。命令: Real GUI:main mennpreprocessorreal constants对于 TARGE169 单元和 TARGE170 单元,仅需设置实常数R1和R2(如果需要的话)。关于目标单元、单元形状、实常数的完整描述,参见ANSYS Elements Reference中TARGE169单元和TARGE170单元的论述。注
17、意 -只有在使用直接生成法建立目标单元时,才需要指定实常数R1、R2。另外除了直接生成法,用户也可以使用ANSYS网格划分工具生成目标单元,下面解释这两种方法。5.4.7.4 使用直接生成法建立刚性目标单元为了直接生成目标单元,使用下面的命令和菜单。命令: TSHAP GUI:main menupreprocessormodeling-createElementsElem Attributes随后指定单元形状,可能的形状有: 直线(2D) 抛物线(2-D) 顺时针的圆弧(2-D) 反时针的圆弧(2-D) 圆(2-D) 三角形(3-D) 圆柱(3-D) 圆锥(3-D) 球(3-D) 控制节点(2
18、-D和3-D)一旦用户指定目标单元形状,所有以后生成的单元都将保持这个形状,除非用户指定另外一种形状。注意 -不能在同一个目标面上混合2D和3D目标单元。注意 -不能在同一个目标面上混合刚体目标单元和柔体目标单元。在求解期间,ANSYS对具有下伏单元的目标单元指定为可变形状态,而对没有下伏单元的目标单元指定为刚体状态。如果删除柔性表面的下伏单元的一部分,在求解时会出现一个错误。用户可以用标准的ANSYS直接生成技术生成节点和单元。参见ANSYS Modeling and Meshing Guide9。命令: N E GUI:main menupreprocessor modeling- cre
19、atenodesmain menupreprocessor modeling- createElements在建立单元之后,可以通过列表单元来验证单元形状。命令: ELIST GUI:utility menulistElementsNodes+Attributes5.4.7.5 使用ANSYS网格划分工具生成刚性目标单元用户也可以用标准的ANSYS网格划分功能让程序自动地生成目标单元。ANSYS程序会基于体模型生成合适的目标单元形状,而忽略 TSHAP 命令的选项。为了生成一个控制(Pilot)节点,使用下面的命令或GUI路径:命令: KMESH GUI:main menupreprocess
20、ormeshing-meshkeypoints注意 : KMESH 总是生成控制节点。为了生成一个2D刚性目标单元,使用下面的命令和GUI路径。ANSYS在每条线上生成一条单一的线,在B-样条曲线上生成抛物线线段,在每条圆弧和倒角线上生成圆弧线段,参见 图5-2 。如果所有的圆弧形成一个封闭的圆,ANSYS 生成一个单一的圆,参见 图5-3 。但是,如果围成封闭圆的弧是从外部输入(如IGES)的几何实体,则ANSYS可能无法生成一个单一的圆。命令: LMESH GUI:main menupreprocessormeshing-meshlines图5-2 ANSYS几何实体和相应的刚性目标单元图
21、5-3 从圆弧线段生成单一的圆为了生成3D的目标单元,使用下面的命令或GUI路径。命令: AMESH GUI:main menupreprocessor-meshing-meshAreas如果实体模型的表面部分形成了一个完整的球、圆柱或圆锥,那么ANSYS程序通过 AMESH 命令,自动生成一个基本3D目标单元。因为生成较少的单元,从而使用户分析计算更有效率。对任意形状的表面,应该使用 AMESH 命令来生成目标单元。在这种情况下,网格形状的质量不重要。而目标单元的形状是否能较好地模拟刚性面的表面几何形状显得更重要。在所有可能的面上,推荐使用映射网格。如果在表面边界上没有曲率,则在网格划分时,
22、指定那条边界分为一份。刚体TAREG169单元总是在一根线上按一个单元这样来分网,而忽略 LESIZE 命令的设置。缺省的单元形状是四边形。如果要用三角形目标单元,应用 MSHAPE ,1。 图5-4 示出任意目标面的网格布局。下面的命令或GUI路径,将尽可能地生成一个映射网格(如果不能进行映射,它将生成自由网格)。命令: MSHKFY ,2GUI:main menupreprocessor-meshing-mesh-Areas-Target Surf图5-4 任意目标面的网格布局如果目标面是平面(或接近平面),用户可以选择低阶目标单元(3节点三角形或4节点四边形单元)。如果目标面是曲面,用户
23、应该选择高阶目标单元(6节点三角形或8节点四边形单元)。为此在目标单元定义中设置KEYOPT(1)=1。注意 -低阶单元致使获取穿透和间隙时CPU的开销较小;但是,分网后的面可能不够光滑。高阶单元则在获取穿透和间隙时CPU的开销较大;但是需要较少的单元就可以离散整个目标曲面。注意 -如果通过程序分网( KMESH 、LMESH、ESURF 命令)来建立目标单元,则忽略 TSHAP 命令,而ANSYS自动选择合适的形状。5.4.7.5.1 建模和网格划分的一些诀窍一个目标面可能由两个或多个不连续的区域组成。用户应该尽可能地通过定义多个目标面,来使接触区域限于局部(每个目标面有一个不同的实常数号)
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