第15章接觸分析23.

1、第 15 章 接觸問題分析15.1 接觸問題概論接觸問題存在以下兩個(gè)較大的難點(diǎn)。（ 1）在求解問題之前， 不知道接觸區(qū)域， 表面之間的接觸狀態(tài)是未知的、 突然變化的， 這些隨載荷、材料、邊界條件和其他因素而定。（ 2）大多數(shù)接觸問題需要計(jì)算摩擦， 有幾種摩擦和模型可供挑選， 它們都是非線性的， 摩擦使問題的收斂性變得困難。15.1.1 接觸問題分類接觸問題分為兩種基本類型：剛體 -柔體的接觸和柔體 -柔體的接觸。在剛體 -柔體的接 觸問題中，一個(gè)或多個(gè)接觸面被當(dāng)作剛體（與和它接觸的變形體相比，有大得多的剛度） 。 一般情況下，一種軟材料和一種硬材料接觸時(shí)，問題可以被假定為剛體-柔體的接觸，許多

2、金屬成形問題歸為此類接觸。 另一類柔體 -柔體的接觸是一種更普遍的類型， 在這種情況下， 兩個(gè)接觸體都是變形體（有近似的剛度） 。ANSYS 支持三種接觸方式：點(diǎn) -點(diǎn)接觸、點(diǎn) -面接觸、面 -面接觸，每種接觸方式使用的 接觸單元適用于某類問題。15.1.2 接觸單元為了給接觸問題建模， 首先必須認(rèn)識到模型中的哪些部分可能會相互接觸， 如果相互作 用發(fā)生在一點(diǎn)上， 那么模型的對應(yīng)組元是一個(gè)節(jié)點(diǎn)。 如果相互作用發(fā)生在一個(gè)面上， 模型的 對應(yīng)組元是單元， 如梁單元、 殼單元或?qū)嶓w單元。 有限元模型通過指定的接觸單元來識別可 能的接觸匹對，接觸單元是覆蓋在分析模型接觸面之上的一層單元，在ANSYS中

3、使用的接觸單元詳述如下。1. 點(diǎn)-點(diǎn)接觸單元點(diǎn)-點(diǎn)接觸單元主要用于模擬點(diǎn)一點(diǎn)的接觸行為。為了使用點(diǎn)一點(diǎn)的接觸單元，需要預(yù) 先知道接觸位置。 這類接觸問題只能適用于接觸面之間有較小相對滑動的情況 （即使在幾何 非線性情況下） 。如果兩個(gè)面上的節(jié)點(diǎn)一一對應(yīng)， 相對滑動可以忽略不計(jì)， 兩個(gè)面保持小量撓度 （轉(zhuǎn)動）， 那么可以用點(diǎn) -點(diǎn)接觸單元來求解面 -面接觸問題，過盈裝配問題就是一個(gè)典型的例子。2. 點(diǎn)面接觸單元點(diǎn)面接觸單元主要用于給點(diǎn)面接觸行為建模，如兩根梁的相互接觸。如果通過一 組節(jié)點(diǎn)來定義接觸面，生成多個(gè)接觸單元，那么可以通過點(diǎn)-面接觸單元來模擬面一面接觸問題。面既可以是剛性體也可以是柔性體

4、，這類接觸問題的一個(gè)典型例子是插頭到插座里。 使用這類接觸單元， 不需要預(yù)先知道確切的接觸位置， 接觸面之間也不需要保持一致的網(wǎng)格， 并且允許有大的變形和大的相對滑動。CONTACT48和CONTACT49都是點(diǎn)-面接觸單元，CONTACT26用來模擬柔性點(diǎn)-剛性面的 接觸。對有不連續(xù)的剛性面的問題，不推薦采用CONTACT26,因?yàn)榭赡軐?dǎo)致接觸的丟失。在這種情況下， CONTACT 48通過使用偽單元算法能提供較好的建模能力。3. 面面接觸單元ANSYS支持剛體-柔體的面-面接觸單元，剛性面被當(dāng)做“目標(biāo)”面，分別用TARGET169和 TARGET170來模擬2D和3D的“目標(biāo)”面。柔性體的

5、表面被當(dāng)做 “接觸”面，用CONTACT 171 CONTACT172、 CONTACT 173和CONTACT174來模擬。一個(gè)目標(biāo)單元和一個(gè)接觸單元叫做 一個(gè)“接觸對” ， 程序通過一個(gè)共享的實(shí)常數(shù)號來識別 “接觸對”。為了建立一個(gè) “接觸對”， 應(yīng)給目標(biāo)單元和接觸單元指定相同的實(shí)常數(shù)號。與點(diǎn)面接觸單元相比，面面接觸單元有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。（1）支持低階和高階單元。（2） 支持有大滑動和摩擦的大變形、協(xié)調(diào)剛度陣計(jì)算， 以及不對稱單元剛度陣的計(jì)算。（3） 為工程目的采用更好的接觸結(jié)果，如法向壓力和摩擦應(yīng)力。沒有剛體表面形狀的限制， 剛體表面的光滑性不是必需的， 允許有自然的或網(wǎng)格離散引 起的表面

6、不連續(xù)。與點(diǎn)面接觸單元相比，面面接觸需要更多的接觸單元，因而需要較小的磁盤空間 和 CPU 時(shí)間。另外，面面接觸單元允許多種建?？刂?，如綁定接觸、漸變初始滲透、目 標(biāo)面自動移動到初始接觸、平移接觸面（老虎梁和單元的厚度） 、支持死活單元、支持耦合 場分析、支持磁場接觸分析等?！澳繕?biāo)” 面，而把另一個(gè)邊界 接觸”面總是柔性的，這兩15.2 接觸分析的基本設(shè)置在涉及兩個(gè)邊界的接觸問題中， 很自然地把一個(gè)邊界作為作為“接觸”面。對剛體 -柔體接觸， “目標(biāo)”面總是剛性的， 個(gè)面合起來叫做“接觸對”。使用了 TARGE169和CONTA 171或CONTA172來定義2D接觸對, 使用了 TARGE1

7、70和CONTA173或CONTA174來定義3D接觸對，程序通過相同的實(shí)常數(shù)號 來識別“接觸對” 。15.2.1 建立模型并劃分網(wǎng)格在建立模型并劃分網(wǎng)格過程中， 需要建立代表接觸體幾何形狀的實(shí)體模型。 與其他分析 過程一樣，需要設(shè)置單元類型、實(shí)常數(shù)、材料特性，用恰當(dāng)?shù)膯卧愋?給接觸體劃分網(wǎng)格。命令方式： AMESH,MESHGUI 方式： 1 ) Main Menu > Preprocessor > Meshing > Mesh > Mapped > 3 or 4 Sided ；2) Main Menu > Preprocessor > Meshi

8、ng > Mesh > Mapped >4 or 6Sided 。15.2.2 識別接觸對用戶必須認(rèn)識到模型在變形期間哪些地方可能發(fā)生接觸， 一旦識別出潛在的接觸面， 就 應(yīng)該通過目標(biāo)單元和接觸單元來定義它們。 目標(biāo)單元和接觸單元跟蹤變形階段的運(yùn)動， 構(gòu)成 一個(gè)接觸對的目標(biāo)單元，和接觸單元通過共享的實(shí)常數(shù)號聯(lián)系起來。接觸區(qū)域可以任意定義，然而為了更有效地進(jìn)行計(jì)算主要指CPU 時(shí)間，應(yīng)定義更小的局部化接觸環(huán)， 但必須保證它足以描述所需要的接觸行為。 不同的接觸對必須通過不同的 實(shí)常數(shù)號來定義（即使實(shí)常數(shù)號沒有變化） 。由于幾何模型和潛在變形的多樣性， 有時(shí)候一個(gè)接觸面的同一區(qū)域

9、可能和多個(gè)目標(biāo)面產(chǎn) 生接觸關(guān)系。在這種情況下，應(yīng)該定義多個(gè)接觸對 （使用多組覆蓋層接觸單元）每個(gè)接觸對 有不同的實(shí)常數(shù)號。15.2.3 定義剛性目標(biāo)面剛性目標(biāo)面可能是 2D 或 3D 的。在 2D 情況下，剛性目標(biāo)面的形狀可以通過一系列直線、 圓弧和拋物線來描述，所有這些都可以用TARGE169來表示。另外，可以使用它們的任意組合來描述復(fù)雜的目標(biāo)面。在 3D 情況下， 目標(biāo)面的形狀可以通過三角面、圓柱面、圓錐面 和球面來描述，所有這些都可以用，TARGE170來表示。對于一個(gè)復(fù)雜的、任意形狀的目標(biāo)面，應(yīng)該使用三角面來給它建模。1.控制節(jié)點(diǎn)（ Pilot）剛性目標(biāo)面可能會和 Pilot 節(jié)點(diǎn)聯(lián)系

10、起來， 它實(shí)際上是一個(gè)只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)的單元， 通過 這個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動可以控制整個(gè)目標(biāo)面的運(yùn)動， 因此可以把 Pilot 節(jié)點(diǎn)作為剛性目標(biāo)的控制器。 整個(gè)目標(biāo)面的受力和轉(zhuǎn)動情況可以通過 Pilot 節(jié)點(diǎn)表示出來， “ Pilot 節(jié)點(diǎn)” 可能是目標(biāo)單元中 的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，也可能是一個(gè)任意位置的節(jié)點(diǎn)，只有需要轉(zhuǎn)動載荷或力矩載荷時(shí)，“ Pilot 節(jié)點(diǎn)”的位置才是重要的。如果定義了“ Pilot節(jié)點(diǎn)”，ANSYS程序只在“ Pilot節(jié)點(diǎn)”上檢查邊 界條件，而忽略其他節(jié)點(diǎn)上的任何約束。對于圓、圓柱、圓錐和球的基本圖段，ANSYS總是使用一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為“ Pilot節(jié)點(diǎn)”。2. 基本原型用戶能夠使用基本幾何形狀

11、來模擬目標(biāo)面，如圓、 圓柱、 圓錐和球。有些基本原型雖然 不能直接合在一起成為一個(gè)目標(biāo)面（例如直線不能與拋物線合并，弧線不能與三角形合并 等），但用戶可以給每個(gè)基本原型指定它自己的實(shí)常數(shù)號。3. 單元類型和實(shí)常數(shù)在生成目標(biāo)單元之前，首先必須定義單元類型（TARGE169或 TARGE170命令方式： ETGUI 方式： Main Menu > Preprocessor >Element Type >Add/Edit/Delete4. 使用直接生成法建立剛性目標(biāo)單元 為了直接生成目標(biāo)單元，可以使用下面的命令和菜單路徑。命令方式： TSHAPGUI 方式： Main Menu &

12、gt; Preprocessor >Modeli ng > create > Eleme nts >Elem Attributes 隨后指定單元形狀，可能的形狀有Straight Line(2D)、Parabola(2D)、Clockwise arc(2D)、Counter clockwise arc(2D)、Circle(2D)、Triangle(3D)、Cylinder(3D)、Cone(3D)、Sphere(3D)、Pilot node(2D和3D)等，如圖15-1所示。圖15-1 “單元屬性”對話框一旦指定目標(biāo)單元形狀，所有以后生成的單元都將保持這個(gè)形狀，除非又

13、指定另外一種形狀。就可以使用標(biāo)準(zhǔn)的ANSYS3直接生成技術(shù)生成節(jié)點(diǎn)和單元。命令方式：N,EGUI 方式：1） Main Menu > Preprocessor >Modeling > create > Node2） Main Menu > Preprocessor >Modeling > create > Element在建立單元之后，可以通過顯示單元來驗(yàn)證單元形狀。命令方式：ELISTGUI 方式：Utility Me nu > List > Eleme nt > Nodes+Attributes5. 使用ANSYS網(wǎng)格劃分工

14、具生成剛性目標(biāo)單元用戶可以使用標(biāo)準(zhǔn)的 ANSYS網(wǎng)格劃分工具讓程序自動生成目標(biāo)單元， ANSYS程序?qū)?實(shí)體模型為基礎(chǔ)生成合適的目標(biāo)單元形狀而忽略TSHAP命令的選項(xiàng)。為了生成一個(gè) Pilot節(jié)點(diǎn)，可以使用下面的命令或 GUI路徑。命令方式：KmeshGUI 方式： Mai n Me nu > Preprocessor > Meshi ng > Mesh > Keypo ints15.2.4定義柔性接觸面為了定義柔性體的接觸面，必須使用接觸單元CONTA171或CONTA172 （ 2D）和CONTA173或 CONTA174（ 3D）來定義表面。程序通過組成變形體

15、表面的接觸單元來定義接觸表面，接觸單元與其下覆蓋的變形體單元有同樣的幾何特性，接觸單元與其下覆蓋的變形體單元必須處于同一階次（低階或高階），被覆蓋的變形體單元可能是實(shí)體單元、殼單元或梁單元，接觸面可以是殼單元的任何一邊或梁單元的任何一邊。與目標(biāo)面單元一樣，必須定義接觸面的單元類型，然后選擇正確的實(shí)常數(shù)號（實(shí)常數(shù)號必須和與它對應(yīng)目標(biāo)的實(shí)常數(shù)號相同），最后生成接觸單元。單元類型(1) C0NTA171這是一種2D、2節(jié)點(diǎn)的低階線性單元，可能位于2D實(shí)體、殼單元或梁單兀的表面。(2) CONTA172這是一種2D、3節(jié)點(diǎn)的高階拋物線形單元， 可能位于有中間節(jié)點(diǎn)的 2D實(shí) 體或梁單元的表面。(3) C

16、ONTA173這是一種3D、4節(jié)點(diǎn)的低階四邊形單元，可能位于3D實(shí)體或殼單元的表面，它可能退化成一個(gè)3節(jié)點(diǎn)的三角形單元。(4) CONTA174這是一種3D、8節(jié)點(diǎn)的高階四邊形單元，可能位于有中間節(jié)點(diǎn)的3D實(shí)體或殼單元的表面，它可能退化成6節(jié)點(diǎn)的三角形單元。不能在高階柔性體單元的表面上劃分低階接觸單元，反之也不行，不能在高階接觸單元上消去中間節(jié)點(diǎn)。命令方式：ETGUI 方式：Mai n Menu > Preprocessor >Eleme nt Type >Add/Edit/Delete1. 實(shí)常數(shù)和材料特性在定義了單元類型之后，需要選擇正確的實(shí)常數(shù)設(shè)置，每個(gè)接觸對的接觸面和

17、目標(biāo)面必須有相同的實(shí)常數(shù)號，而每個(gè)接觸對必須有它自己不同的實(shí)常數(shù)號。2. 生成接觸單元既可以通過直接生成法生成接觸單元，也可以在柔性體單元的外表面上自動生成接觸單元。我們推薦采用自動生成法，這種方法更為簡單和可靠。可以通過下面三個(gè)步驟來自動生成接觸單元。(1) 選擇已劃分網(wǎng)格的柔性體表面的節(jié)點(diǎn)。如果確定某一部分節(jié)點(diǎn)永遠(yuǎn)不會接觸到目標(biāo)面則可以忽略它，以便減少計(jì)算時(shí)間，但是必須保證設(shè)有漏掉可能會接觸到目標(biāo)面的節(jié)點(diǎn)。命令方式：MSELGUI 方式：Utility > Select >En tities(2) 產(chǎn)生接觸單元命令方式：ESURFGUI 方式： Mai n Me nu >

18、 Preprocessor > Create > Eleme nt> Surf/Co ntact > Surf to Surf如果接觸單元是附在已用實(shí)體單元劃分網(wǎng)格的面上或體上，程序會自動決定接觸計(jì)算所需的外法向。如果被覆蓋的單元是梁單元或殼單元， 則必須指明哪個(gè)表面(上表面或下表面) 是接觸面，具體操作方式如下。命令方式：ESURFGUI 方式： Mai n Me nu > Preprocessor > Create > Eleme nt> Surf/Co ntact > Surf to Surf使用上表面生成接觸單元，則它們的外法向與梁

19、或殼單元的法向相同；使用下表面生成接觸單元，則它們的外法向與梁單元或殼單元的法向相反。如果被覆蓋的單元是實(shí)體單元， 則TOP和BOTTOM選項(xiàng)不起作用，如圖 15-2所示。圖15-2 “表面接觸單元”對話框(3) 檢查接觸單元外法線的方向。當(dāng)程序進(jìn)行是否接觸的檢查時(shí)，接觸面的外法線方 向是重要的。對于 3D單元，按節(jié)點(diǎn)序號以右手定則來決定單元的外法向，接觸面的外法向 應(yīng)該指向目標(biāo)面，否則，在開始分析計(jì)算時(shí)，程序可能會認(rèn)為有面的過度滲透而很難找到初始解。在此情況下，程序一般會立即停止執(zhí)行，這時(shí)應(yīng)檢查單元外法線方向是否正確命令方式：/PSYMBGUI 方式：Utility Me nu > P

20、oltctrls > Symbols當(dāng)發(fā)現(xiàn)單元的外法線方向不正確時(shí)，必須通過修正不正確單元節(jié)點(diǎn)來改變它們。命令方式：ESURF,REVEGUI 方式： Main Menu > Preprocessor > Create > Eleme nt on free surf或者重新排列單元指向。命令方式：ENORMGUI 方式：Main Menu > Preprocessor > Modeling > Move/Modify > Elements > ShellNormals1525設(shè)置實(shí)常數(shù)和單元關(guān)鍵點(diǎn)程序使用20多個(gè)實(shí)常數(shù)和幾個(gè)單元關(guān)鍵點(diǎn)來控制

21、面一面接觸單元的接觸行為。1. 常用的實(shí)常數(shù)程序中經(jīng)常使用的實(shí)常數(shù)如表15-1所示，定義實(shí)常數(shù)的具體操作方法如下。表15-1 實(shí)常數(shù)列表實(shí)常數(shù)用途R1R2定義目標(biāo)單兀形狀FKN定義法向接觸剛度因子FTOLN定義最大的滲透范范圍ICONT定義初始靠近因子PINB定義“ Pin ball ”區(qū)域PMIN/PMAX定義初始滲透的容許范圍TAUMAR扌曰疋最大的接觸摩擦命令方式：RGUI 方式：Main Me nu > Preprocessor > Real Con sta nt對實(shí)常數(shù) FKN FTOLN ICONT，PINB, PMIN/PMAX用戶既可以定義一個(gè)正值也可以定 義一個(gè)負(fù)

22、值，程序?qū)⒄底鳛楸壤蜃?，將?fù)值作為真實(shí)值， 將其下覆蓋原單元的厚度作為FTOLN ICONT，PINB, PMIN/PMAX的參考值。例如，ICON=O.1表明初始間隙因子是 0.1乘 以其下覆蓋層單元的厚度。然而，-0.1表明真實(shí)縫隙是0.1，如果其下覆蓋層單元是超單元，則將接觸單元的最小長度作為厚度。2. 單元關(guān)鍵字每種接觸單元都有好幾個(gè)關(guān)鍵字，對于大多接觸問題，默認(rèn)的關(guān)鍵字是合適的，而在某些情況下，可以根據(jù)以下方式改變默認(rèn)值來控制接觸行為。命令方式：KEYOPT, ETGUI 方式：Mai n Menu > Preprocessor >Eleme nt Type >

23、Add/Edit/Delete 表15-2不同接觸單元對應(yīng)的關(guān)鍵字關(guān)鍵字內(nèi)涵K1自由度K2接觸算法（罰函數(shù)+拉格郎日或罰函數(shù)）K3出現(xiàn)超單元時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)K4接觸方位點(diǎn)的位置K5剛度矩陣的選擇K6時(shí)間步長控制K7初始滲透影響K8接觸剛度修正K9殼體厚度效應(yīng)K10接觸表面情況15.2.6控制剛性目標(biāo)面的運(yùn)動按照物體的原始外形建立的剛性目標(biāo)面，面的運(yùn)動是通過給定Pilot節(jié)點(diǎn)來定義的。如果沒有定義Pilot節(jié)點(diǎn)，則通過剛性目標(biāo)面上的不同節(jié)點(diǎn)來定義。為了控制整個(gè)目標(biāo)面的運(yùn) 動，在下面任何情況下都必須使用Pilot節(jié)點(diǎn)。（1 ）目標(biāo)面上作用著給定的外力。（2）目標(biāo)面發(fā)生旋轉(zhuǎn)。（3 ）目標(biāo)面和其他單元相連

24、（如結(jié)構(gòu)質(zhì)量單元）。Pilot節(jié)點(diǎn)的厚度代表著整個(gè)剛性面的運(yùn)動，可以在Pilot節(jié)點(diǎn)上給定邊界條件（如位移、初速度、集中載荷、轉(zhuǎn)動等）。為了考慮剛體的質(zhì)量，在 Pilot節(jié)點(diǎn)上定義一個(gè)質(zhì)量單元。當(dāng) 使用Pilot節(jié)點(diǎn)時(shí)，需要記住下面的幾點(diǎn)局限性。（1 ）每個(gè)目標(biāo)面只能有一個(gè)Pilot節(jié)點(diǎn)。（2） 圓、圓錐、圓柱、球的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)是Pilot節(jié)點(diǎn)，不能另外定義或改變Pilot節(jié)點(diǎn)。（3）程序忽略不是 Pilot節(jié)點(diǎn)的所有其他節(jié)點(diǎn)上的邊界條件。（4）只有Pilot節(jié)點(diǎn)能與其他單元相連。（5） 當(dāng)定義了 Pilot節(jié)點(diǎn)后，不能使用約束方程（CF）或節(jié)點(diǎn)耦合（CP）來控制目標(biāo)面的自 由度，如果在剛性面上

25、施加載荷或者約束，則必須定義Pilot節(jié)點(diǎn)，然后在Pilot節(jié)點(diǎn)上加載。 如果沒有使用Pilot節(jié)點(diǎn)，則只能有模型剛體運(yùn)動。在每個(gè)載荷步的開始，程序檢査每個(gè)目標(biāo)面的邊界條件，如果下面的條件都滿足，那么程序?qū)⒛繕?biāo)面作為固定面來處理。（1 ）在目標(biāo)面節(jié)點(diǎn)上沒有明確定義邊界條件或給定力。（2）目標(biāo)面節(jié)點(diǎn)沒有和其他單元相連。(3 )目標(biāo)面節(jié)點(diǎn)沒有使用約束方程或節(jié)點(diǎn)耦合。在每個(gè)載荷步的末尾，程序?qū)潘杀粌?nèi)部設(shè)置的約束條件。15.2.7定義求解選項(xiàng)和載荷步接觸問題的收斂性隨著問題的不同而不同，下面列出了一些典型的在大多數(shù)面一面接觸分析中推薦使用的選項(xiàng)。時(shí)間步長必須足夠小，以描述適當(dāng)?shù)慕佑|。 如果時(shí)間步太

26、大，則接觸力的光滑傳遞會被破壞。設(shè)置精確時(shí)間步長可信賴的方法就是打開自動時(shí)間步長，具體操作方式如下。命令方式：AUTOTS,ONGUI 方式：Main Menu > Solution >Un abridged Menu > Load Step Opts > Time/ Freque nc> Time-Time Step or Time and Substps如果在迭代期間接觸狀態(tài)發(fā)生變化，可能會發(fā)生不連續(xù)情況。為了避免收斂太慢，使用修改的剛度矩陣，將牛頓一拉普森選項(xiàng)設(shè)置成FULL具體操作方式如下。命令方式：NROPT,FULL,OFFGUI 方式：Main Me

27、nu > Solution >Un abridged Me nu > An alysis Optio ns不要使用自適應(yīng)下降因子，因?yàn)閷τ诿嬉幻娼佑|問題，自適應(yīng)下降因子通常不會提供任何幫助，因此我們建議關(guān)掉它。在如圖15-3所示的“平衡迭代次數(shù)”對話框中設(shè)置合理的平衡迭代次數(shù)，一個(gè)合理的 平衡迭代次數(shù)通常在 25和50之間，設(shè)置方式如下。命令方式：NEQITGUI 方式：Main Menu > Solution >Unabridged Menu > Load Step Opts > Nonlinear> Equilibrium Iter圖15-3

28、 “平衡迭代次數(shù)”對話框因?yàn)闀r(shí)間增量過大會使迭代趨向于變得不穩(wěn)定，所以應(yīng)使用線性搜索選項(xiàng)來使計(jì)算穩(wěn)定化，如圖15-4所示。命令方式：LNSRCHGUI 方式：Mai n Me nu > Solution >Un abridged Menu > Load Step Opts > No nlin ear> Line Search圖15-4 “線性搜索”對話框除非在大轉(zhuǎn)動和動態(tài)分析中，否則應(yīng)打開時(shí)間步長預(yù)測器選項(xiàng)，如圖15-5所示。命令方式：PREDGUI 方式：Main Menu > Solution >Unabridged Menu > Load

29、Step Opts > Nonlinear> Predictor在接觸分析中，許多不收斂問題都是由于使用了太大的接觸剛度引起的，利用實(shí)常數(shù)FKN可以檢驗(yàn)是否使用了合適的接觸剛度。圖15-5 “預(yù)測器”對話框15.3接觸問題實(shí)例本節(jié)通過深溝球軸承進(jìn)行接觸應(yīng)力分析，來介紹ANSYS接觸問題的分析過程。15.3.1分析問題如圖11-6所示，以深溝球軸承6300為例進(jìn)行分析：材料選擇GGr15制造，該型號的幾 何參數(shù)為：外徑 D為35,內(nèi)徑d為10,寬度B為11,鋼球直徑 Dw為6.4，接觸角a 為零， 鋼球數(shù)量Z為7個(gè)。材料參數(shù)：彈性模量 E=3000000MPa，泊松比卩=0.25。接

30、觸面 應(yīng)力為3472.00N。觀察深溝球軸承接觸面的應(yīng)力。圖15-6深溝球軸承示意圖15.3.2模型建立1. 定義工作文件名： Utility Menu > File > Cha nge Job name，彈出“ Cha ngeJob name” 對 話框，在“ En ter new job name ”文本框中輸入“ Beari ng ”，并將“ New Log and error files ”復(fù) 選框選為“ yes”，單擊“ OK”按鈕。2. 設(shè)置分析標(biāo)題：Utility Menu > File > Cha nge Title ,在輸入欄中鍵入 “ Con tac

31、t An alysis”, 單擊“ OK'按鈕。3. 定義單元類型：Main Menu > Preprocessor > Element Type > Add/Edit/Delete ，出現(xiàn)“Element Types”對話框，如圖15-7所示，單擊“Add”按鈕，彈出如圖15-8所示的“Libraryof Element Types” 對話框，單擊選擇 “Structural Solid 和 Brick 8node 185 ”，單擊 “OK” 按鈕， 然后單擊“ Element Types”對話框的“ Close"按鈕。4. 定義材料性質(zhì)：Main Me

32、nu>Preprocessor>Material Props>Material Models ，彈出如圖15-9 所示的“ Define Material Model Behavior ” 對話框，在“ Material Models Available ”欄目中連續(xù)單擊 Structural > Lin ear > Elastic > Isotropic，彈出如圖 15-10 所示"Li near IsotropicProperties for Material ” 對話框，在“ EX'后面輸入“ 3E007”，在“ PRXY 后面輸入

33、0.25 , 單擊"OK'按鈕。然后執(zhí)行"Define Material Models Behavior”對話框上的 Material > Exit退出。圖 15-7“ Element Types” 對話框圖 15-8"Library of Eleme nt Types ” 對話框5. 偏移工作平面到給定位置。從應(yīng)用菜單中選擇Utility Menu > WorkPlane > Offset WPto > XYZ Locations +。打開設(shè)置點(diǎn)對話框，在 ANSYS輸入窗口輸入“ 0,0,-5.5”，單擊“ OK'按 鈕

34、，如圖15-11所示。圖 15-9" Define Material Model Behavior ” 對話框圖 15-10" Li near Isotropic Properties for Material ” 對話框6. 生成外環(huán)：Main Menu>Preprocessor>Modeling> Create> Volumes> Cylinder> HollowCylinder,彈出如圖15-12所錄的“ Hollow Cylinder ”對話框，在“ WP X”后面輸入0; “ WP Y'后面輸入0, “Rad-1 ”后面

35、輸入11.3, “ Rad-2”后面輸入13.8，在“ Depth ”后面輸入11,單 擊"Apply ”按鈕。7. 生成內(nèi)環(huán)：彈出“ Hollow Cylinder ”對話框，在“ WP X”后面輸入0; “ WP Y'后面 輸入0，“ Rad-1”后面輸入9.7，“ Rad-2”后面輸入5,在“ Depth ”后面輸入11,單擊“ OK” 按鈕。繪制的結(jié)果如圖 15-13所示。fl8 £>ii=kP Utu-p-XElE*D1MQ*Mirvxnuxi 1¥ClchaA XTZ廣 PFv矗 G1 Oil'Ll Cleuijlid叭 TaOE

36、呂1KwlpOfiiict WP to XVZ Locan圖15-11偏移工作平面 圖15-12 “ Hollow Cylinder ”對話框 圖15-13內(nèi)外環(huán)模型8恢復(fù)工作平面到原始位置。從應(yīng)用菜單中選擇 Utility MenuWorkPla ne > Offset WP to >Global Origi n。9.生成圓環(huán)：Ma in Me nu > Preprocessor > Modeli ng > Create > Volumes > Torus，彈出如圖 15-14 所示的“ Create Torus by Dimensions ” 對話

37、框，在“ RAD1 ”后面輸入 3.2， “RAD2'后 面輸入0，“ RADMAJ'后面輸入11.75，單擊“ OK”按鈕。10.從內(nèi)外環(huán)中“減”去圓環(huán)形成滾珠軌道。從主菜單中選擇 Main Menu > Preprocessor >Modeling > Operate > Booleans > Subtract > Volumes。在圖形窗口中拾取外環(huán)及內(nèi)環(huán)，作為布 爾“減”操作的母體，單擊“Apply ”按鈕。在圖形窗口中拾取剛剛建立的圓環(huán)作為“減”去的對象，單擊“ OK'按鈕，所得結(jié)果如圖15-15所示。圖 15-14 “ C

38、reate Torus by Dimensions” 對話框 圖 15-15 形成滾珠軌道11 生成滾珠： Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Volumes>Sphere>Solid Sphere， 彈出如圖15-16所示的“Solid Sphere"對話框，在“WP X”后面輸入?！?WP Y'后面輸入-11.75,“Radius”后面輸入3.2，單擊“ OK”按鈕。結(jié)果如圖15-17所示。12將激活的坐標(biāo)系設(shè)置為總體柱坐標(biāo)系。從實(shí)用菜單中選擇Utility Menus>WorkPlane

39、>圖15-17生成滾珠Change Active CS to> Global Cyli ndrica。圖 15-16“Solid Sphere” 對話框13.位將滾珠沿周向方向復(fù)制。從主菜單中選擇Main MenuPreprocessor > Modeling >Copy > Volumeso選擇剛剛建立的滾珠，如圖15-18所示。ANSYS會提示復(fù)制的數(shù)量和偏移Copy圖15-19輸入復(fù)制的數(shù)量和坐標(biāo)的坐標(biāo)，在“ Number of copies ”文本框中輸入“ 7”，在“ Y-offset in active CS”文本框中輸 入“ 51.42857”，單擊

40、“ OK按鈕，如圖15-19所示。圖15-18復(fù)制體圖15-21軸承模型15.重新顯示：Utility Menu > Plot > Replot14.打開體編號顯示：Utility Menu > PlotCtrls> Numbering ,彈出 “ Plot Numbering Controls ” 對話框，在“ VOLU Volume numbers”后面單擊使其顯示為 “On”，如圖15-20所示，單擊“OK” 按鈕。圖 15-20“Plot Numbering Controls ” 對話框16.保存數(shù)據(jù)，單擊工具條上的SAVE_ DE按鈕。15.3.3戈【J分網(wǎng)格

41、1. 從主菜單中選擇 Main Menu>Preprocessor > Meshing > MeshTool 命令，打開"Mesh Tool”，如圖15-22所示。2. 選擇"Smart Size"復(fù)選框，然后向左拖動滑塊到 3。然后選擇“Mesh"域中的"Volumes”， 單擊“ Mesh ”，打開面選擇對話框， 要求選擇要劃分?jǐn)?shù)的體。 單擊“ Pick All"按鈕，如圖15-23 所示。3. ANSYS會根據(jù)進(jìn)行的控制劃分體，劃分過程中ANSYS會產(chǎn)生提示，如圖15-24所示，單擊“ Close"按

42、鈕。戈U分后的體如圖11-25所示、4. 優(yōu)化網(wǎng)格：Utility MenuPlotCtrls > Style >Size and Shape ,彈出如圖 11-26 所示的 “Size and Shape"對話框，在 “ EFACET Facets/element edge"后面的下拉列表選擇 “ 2 facets/edge ”, 單擊“ OK'按鈕。5. 保存數(shù)據(jù)：單擊 ANSYS Toolbar上的“ SAVE_DB按鈕。MrihTiKri|GU>d'J±1麗3JCm童A*SBSat IILw 占Z 粕 |Qw* 勺TM H

43、ta苗Fi Zfm.ilTlfcd FI Cla*陽曙寸i百石21ticl：Unpickf* Single Box. 廠 Pc-lgw r Circle- 0 bfaKiBnam -9Ml 口 xnniir 1Volu Hd_ 圖15-23選擇體A WarningL-guJ圖15-22網(wǎng)格工具16.保存數(shù)據(jù)，單擊工具條上的SAVE_ DE按鈕。16.保存數(shù)據(jù)，單擊工具條上的SAVE_ DE按鈕。Volume 9 is being nieshed entirely with SOLID!S5 tutirahudr站 which can be much less accurate than bri

44、cks. Use quadratic (lOnode) tetrahedra if availableIii Close J16.保存數(shù)據(jù)，單擊工具條上的SAVE_ DE按鈕。16.保存數(shù)據(jù)，單擊工具條上的SAVE_ DE按鈕。圖15-24網(wǎng)格劃分提示圖15-25網(wǎng)格劃分結(jié)果圖 15-26"Size and Shape"對話框15.3.4接觸對建立1. 創(chuàng)建目標(biāo)面，Main Menu>Preprocessor > Modeling>Create>Contact Pair，彈出如圖 15-27 所示的"Co ntact Ma nager &q

45、uot;對話框，單擊"Con tact Wizard "按鈕（對話框左上角）。彈出如 圖15-28所示的"Contact Wizard "對話框，接受默認(rèn)選項(xiàng)，單擊"Pick Target"按鈕，彈出一個(gè)拾取框，在圖形上單擊拾取外環(huán)的軌道槽，如圖15-29所示，單擊“ OK”按鈕。圖 15-27“ Con tact Man ager "對話框圖15-28“ Contact Wizard ”對話框圖15-29選擇目標(biāo)面2. 創(chuàng)建接觸面：屏幕再次彈出"Contact Wizard ”對話框，單擊"Next”按

46、鈕，彈出如圖15-30所示的"Con tact Wind ”對話框，在"Con tact Eleme nt Type ”下面的單選欄中選中 “ Surface-to-Surface ”，單擊"Pick Con tact ”按鈕，彈出一個(gè)拾取框，在圖形上單擊拾取滾珠與外環(huán)的接觸面，如圖15-31所示，單擊"OK'按鈕，再次彈出"Con tact Wizard ”按鈕,單擊“ Next”按鈕。3. 設(shè)置接觸面：又彈出“ Con tact Wizard ”對話框，如圖15-32所示，在“ Coetficie nt of Friction ”后

47、面輸入0.2，單擊“ Optional settings”按鈕、彈出如圖15-33所示的對話框，在“ Normal Penalty Stiffness ”后面輸入 0.1。單擊“ Friction ”標(biāo)簽，選擇“ Stiffness Matrix ”后 下拉列表中的“ Un symmetric ”，如圖15-34所示。單擊“ OK”按鈕。4. 接觸面的生成：回到“ Co ntact Wizard ”對話框，單擊“ Create”按鈕，彈出“ Con tactWizard ”對話框，如圖15-35所示，單擊“ Finish”按鈕，結(jié)果如圖15-36所示。然后關(guān)閉對 話框。圖15-30選擇接觸面對

48、話框圖15-31選擇接觸面的顯示圖15-32定義接觸面性質(zhì)對話框圖 15-33“ Con tact Properties ” 對話框圖 15-34“ Friction ”標(biāo)簽5. 創(chuàng)建目標(biāo)面：在"Co ntact Man ager ”對話框中單擊"Con tact Wizard ”按鈕（對話框左上角）。彈出"Contact Wizard”對話框，接受默認(rèn)選項(xiàng)，單擊" Pick Target”按鈕，彈出一 個(gè)拾取框，在圖形上單擊拾取內(nèi)環(huán)的軌道槽，如圖15-37所示，單擊“ 0K”按鈕。6. 創(chuàng)建接觸面：屏幕再次彈出“ Con tact Wizard'

49、;，對話框，單擊“ Next ”按鈕，彈出“ Con tact Wizard ” 對話框，在“ Con tact Eleme nt Type ”下面的單選欄中選中“ Surface-to-Surface ”，單 擊“ Pick Con tact ”按鈕，彈出一個(gè)拾取框，在圖形上單擊拾取滾珠與內(nèi)環(huán)的接觸面，如圖15-38所示，單擊“ 0K'按鈕，再次彈出“ Con tact Wizard ”按鈕，單擊“ Next ”按鈕。圖15-35創(chuàng)建完成接觸面提示框圖15-36接觸面顯示L3JL3圖15-37選擇目標(biāo)面的顯示圖15-38選擇接觸面的顯示7. 設(shè)置接觸面：又彈出"Con ta

50、ct Wizard ”對話框，在"Coefficie nt of Friction ”后面輸入0.2，單擊 “ Optio nal sett in gs ” 按鈕，在 “ Normal Pe nalty Stiffness ” 后面輸入 0.1，單擊"Friction ” 標(biāo)簽，選擇"Stiffness matrix ”后下拉列表中的"Un symmetric"。單擊"OK'按鈕。8. 接觸面的生成： 又回到“Contact Wizard ”對話框，單擊"Create”按鈕，彈出“Contact Wizard”對話框

51、，單擊“ Finish”按鈕，結(jié)果如圖15-39所示。15.3.5施加載荷并求解1.打開面編號顯示：Utility Menu>PlotCtrls>Numbering，彈出“ Plot Numbering Controls ”對話框，選中“ AREA Area numbers”復(fù)選框使其顯示為“ On”，單擊“ OK'按鈕。圖15-39接觸面顯示2.施加面約束條件：Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Structural> Displacement >On Areas,彈出一個(gè)拾取框，在圖形上拾取編號

52、為1,2,3,4的面，即外環(huán)的側(cè)面及外表面，如圖15-40所示，單擊“OK”按鈕，又彈出如圖15-41所示的“Apply U, ROT on Areas”對話框, 單擊選擇“ All DOF”選項(xiàng)，然后單擊“ OK'按鈕。圖15-41施加位移約束3. 施加載荷：Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Structural>Pressure>On Elements, 彈 出“ Apply PRES on elems拾取菜單。拾取最內(nèi)環(huán)面的下半部分，然后單擊“OK'按鈕，彈出“ Apply PRES on el

53、ems 對話框，如圖 15-42 所示。在“ VALUE Load PRES value后面輸入3472，單擊“ OK”按鈕接受其余默認(rèn)設(shè)置。圖15-42施加面載荷4. 設(shè)定求解選項(xiàng)：Main Menu>Solution>Analysis Type>Sol' n Controls，彈出“ SolutionControls"對話框，在“ Analysis Options"的下拉列表中選擇“ Large Displacement Static”，在 “Time at end of loadstep "后面輸入 1 在“ Automatic t

54、ime stepping ”下拉列表中選擇“ Off”, 在“ Number of substeps "后面輸入1，如圖15-43所示，單擊“ OK'按鈕。圖 15-43“ Solution Controls "對話框5. 求解：Main Men u>Solutio n>Solve>Curre nt LS，彈出“ /STATUS Comma nd 狀態(tài)窗口和“ Solve Current Load Step”對話框，仔細(xì)瀏覽狀態(tài)窗口的信息，然后關(guān)閉它，單擊“SolveCurrent Load Step”（求解當(dāng)前載荷步）對話框中的“OK'按

55、鈕開始求解。求解完成后會彈出“Solution is done "提示框，單擊“ Close” 按鈕。15.3.6查看結(jié)果1. 從主菜單中選擇 Main Me nu>Ge neral Postproc > Plot Result > Con tour Plot > Nodal Solu 命令，打開"Con tour Nodal Solutio n Data”（等值線顯示節(jié)點(diǎn)解數(shù)據(jù)）對話框，如圖 15-44 所示。2. 在"Item to be con toured "（等值線顯示結(jié)果項(xiàng)）域中選擇" DOF solutio

56、 n”（自由度解） 選項(xiàng)。3. 在列表框中選擇"Y-Component of displacement “（Y向位移）選項(xiàng)，Y向位移即為軸承豎直方向的位移。4. 選擇"Deformed Shape with undeformed dge ”（變形后和未變形輪廓線）單選按鈕。5. 單擊“ OK'按鈕，在圖形窗口中顯示出變形圖，包含變形前的輪廓線，如圖15-45所示。圖中下方的色譜表明不同的顏色對應(yīng)的數(shù)值（帶符號）。6. 從主菜單中選擇 Ma in Me nu>Ge neral Postproc>Plot Results>Co ntour Plot&g

57、t;Nodal Solu 命令，打開“Contour Nodal Solution Data ”（等值線顯示節(jié)點(diǎn)解數(shù)據(jù)）對話框，如圖15-46所示。lAidlsj-Laced ehfipe hey Scale Pax tar|匚叱！VxbeT ah耳匸 wilfei i£血氐rxd audtl二|iTrufr ScaleJ|lAd-±.iLanal iiLaru-®lQK | W |*0 |h*UhdlspLa ceil r；h4-e 欣 y圖15-46等值線顯示節(jié)點(diǎn)解數(shù)據(jù)對話框圖15-17“von Mises ”應(yīng)變分布圖Iteii io be- taiiouf

58、e-lM FBnmrLtM-二直GoLuiian曲 KfnF diapLaEciKril聲of dlLa詫cecrtCDl氐丄內(nèi)*:電ehM: vector mixid I'LaLa Irjsi£ ELiKt-ix Sl'nSnii PldbtiG 5Iran StiBlnM Ibenwj Sirdin idlotaL BKhonl沐I ad Tbetg Siz邏Ln圖15-44等值線顯示節(jié)點(diǎn)解數(shù)據(jù)對話框圖15-45 Y向變形圖7. 在“ Item to be con toured "（等值線顯示結(jié)果項(xiàng)）域中選擇 “ Total Mecha nical Strain "（應(yīng)變）選項(xiàng)。8. 在列表框中選擇“ von Mises total mecha nical strain ” 選項(xiàng)。9. 選擇“ Deform shape only ”僅顯示變形后模型，單選按鈕。單擊“ OK'按鈕，圖形窗口中顯示出“von Mises”應(yīng)變分布圖，如圖15-47所示。15.3.6 命令