第9講-接觸問題分析

1幾何非線性與屈曲分析應(yīng)用實例第9講2

本實例中將進行一個兩塊鋼板壓一個圓盤的非線性分析，如圖所示，由于上下兩塊鋼板的剛度比圓盤的剛度大得多，鋼板與圓盤壁面之間的和摩擦足夠大，因此，在建模時只建立圓盤的模型。詳細參數(shù)如下：

EX＝1000MPa（彈性模量）YieldStrength=1MPa（屈服強度）

NUXY＝0.35（泊松比）TangMod=2.99MPa（剪切模量）實例1:兩塊鋼板壓一個圓盤的大應(yīng)變非線性分析ANSYS3/prep7/title,upsettinget,l,106,,,1mp,ex,1,1000mp,nuxy,,0.3tb,biso,1tbdata,,1,2.99rect,0,6,0,1.5lesi,1,,,12lesi,2,,,5mshape,0,2dmshkey,1amesh,allnsel,y,1.5cp,1,uy,allnsel,allfini(6,1.5)(0,0)1254/solunsel,s,loc,x,0dsym,symm,xnsel,s,loc,y,0dsym,symm,ynsel,alld,all,uznsel,y,1.5d,all,uxnsel,all/solutionnlgeom,onpred,ond,14,uy,-0.3time,0.3autots,onnsubst,120outres,all,10solve/postlset,last/dsca,,1pldi,2plns,nl,svfini/post26rfor,2,14,f,yadd,2,2,,,,,,-1.0plva,2fini5位移等值線圖等效應(yīng)力等值線圖6實例2:圓柱殼非線性屈曲分析實例(ANSYS)圓柱殼的非線性屈曲分析結(jié)構(gòu)問題描述：一個對邊簡支的圓柱殼，在其中心作用一個垂直的集中載荷。我們的目的是分析當載荷大小為1000N時，A、B兩點的垂直位移（UY）。問題詳細說明：材料特性：EX=3.10275KN/mm2（楊氏模量）NUXY=0.3（泊松比）幾何特性：R=2540mL=254mH=6.35m＝0.1rad載荷：p=1000N7FINI

/CLE

/PREP7

smrt,off

ET,1,SHELL63,,1

R,1,6.350!殼厚度MP,EX,l,3102.75

MP,NUXY,1,0.3

/COMCREATEFINITEELEMENTMODEL

R1=2540!殼中面半徑L=254!取一半PI=4*ATAN(l)!值THETA=0.1*180/PlCSYS,1!柱坐標N,l,R1,90!建立節(jié)點1和2N,2,Rl,90,LK,1,R1,90

K,2,R1,(90－THETA)

K,3,R1,90,L

K,4,R1,(90－THETA),L

ESIZE,,2!單元尺寸A,1,3,4,2

AMESH,1

NUMMRG,NODE

/COMAPPLYBOUNDARYCONDITIONSNSEL,S,LOC,Z,0

DSYM,SYMM,Z

NSEL,S,LOC,Y,90

DSYM,SYMM,X

NSEL,S,LOC,Y,(90-THETA)

D,ALL,UX,,,,,UY,UZ

NSEL,ALL

FINISH

SAVE,BUCKLEZ,DBRESUME,BUCKLEZ,DB/SOLUTION

ANTYPE,STATIC

NLGEOM,ON!大變形OUTRES,,1!每子步輸出結(jié)果F,1,FY,-250!1/4對稱載荷NSUBST,30!用30步開始ARCLEN,ON,4

SOLVE

FINISH

/POST26

NSOL,2,1,U,Y!存節(jié)點1的UY位移NSOL,3,2,U,Y!存節(jié)點2的UY位移PROD,4,l,,,LOAD,,,4*250!總載荷4*250PROD,5,2,,,,,,-l!改變位移符號PROD,6,3,,,,,,-l

*GET,UY1,VARI,2,EXTREM,VMIN*GET,UY2,VARI,3,EXTREM,VMIN

PRVAR,2,3,4!/AXLAB,Y,TOTALLOAD(N)

/GRID,1

/XRANGE,O,35

/YRANGE,-500,1050

XVAR,5

PLVAR,4!繪出隨UY變化的載荷XVAR,6PLVAR,4

FINISH8第六章接觸問題分析

9狀態(tài)非線性只能承受張力的纜索的松弛與張緊滾輪與支撐的接觸與脫開凍土的凍結(jié)與解凍接觸隨著它們狀態(tài)的變化，它們的剛度顯著變化。接觸是一種很普遍的非線性行為，它是狀態(tài)變化非線性類型中一個特殊而重要的子集，是一種高度非線性行為。剛體－柔體接觸柔體－柔體接觸面－面接觸點－面接觸點－點接觸概述10接觸問題的描述方法產(chǎn)生接觸的兩個物體必需滿足無穿透約束條件

uA—A點增量位移向量；n—單位法向量；

D—為接觸距離容限。

無穿透接觸約束

11接觸算法基本流程

1．定義接觸體2．探測接觸3．施加接觸約束4．模擬摩擦5．修改接觸約束6．檢查約束的變化7．判斷分離和穿透8．以及熱—機耦合的接觸傳熱等。12(一)、面－面接觸分析剛體－柔體的接觸模型，只需給可能成為柔體接觸面的部分劃分網(wǎng)格。涉及到兩個邊界的接觸問題中:

把一個邊界作為“目標”面，而把另一個作為“接觸”面。接觸單元剛體－柔體柔體－柔體“接觸”面總是柔性面接觸面和目標面都是變形體，這兩個面合起來叫作“接觸對”，程序通過相同的實常數(shù)號來識別“接觸對”。13(二)、面－面的接觸分析步驟1．建立模型2．識別接觸對3．指定接觸面和目標面4．定義剛性目標面5．定義柔性體的接觸面6．設(shè)置實常數(shù)和單元關(guān)鍵字141．建立模型2．識別接觸對通過目標單元和接觸單元來定義模型在變形期間可能發(fā)生接觸的區(qū)域153．指定接觸面和目標面接觸單元被約束住，不能穿透目標面，然而目標單元可以穿透接觸面。(5)一個面上的基礎(chǔ)單元是高階單元，而另一個面上的基礎(chǔ)單元是低階單元，應(yīng)將基礎(chǔ)單元為高階單元的面作為接觸單元。(1)當凸面和平面或凹面接觸時，應(yīng)指定平面或凹面作為目標面。目標面接觸面目標面接觸面目標面接觸面(4)如果兩個面的大小明顯不同，應(yīng)將大面作為目標面。目標面接觸面(2)如果一個面上的網(wǎng)格較細，而另一個面上的網(wǎng)格較粗，應(yīng)指定細網(wǎng)格所在面作為接觸面，粗網(wǎng)格所在面作為目標面目標面接觸面硬面(3)如果兩個面的剛度不同時，應(yīng)當較硬的面為目標面，較軟的面作為接觸面。164．定義剛性目標面單元類型實常數(shù)二維剛性目標面用TARGE169單元三維剛性目標面用TARGE170單元對TARGE169和TARGE170僅需設(shè)置實常數(shù)R1和R2在三維情況下，任意形狀的目標面應(yīng)該使用三角面來建模。17①使用直接生成法建立剛性目標單元GUI，MainMenu＞Preprocessor＞－Modeling－Create＞Elements＞ElemAttrributes

剛性目標單元及形狀②劃分剛性目標單元2D目標單元Command，LMESHGUI：MainMenu＞Preprocessor一Meshing一Mesh＞LinesCommand：AMFSHGUI:MainMenu＞Preprocessor＞Meshingmesh＞Ares一TargetSarf3D目標單元Command:MSNKEY，2GUI：MainMenu＞Preprocessor＞Meshing一Mesh＞Ares一Targesurf18建模和網(wǎng)格劃分的注意點2D接觸問題3D接觸問題(1)一個目標面可能由兩個或多個間斷的區(qū)域組成，應(yīng)該盡可能地通過定義多個目標面來使接觸區(qū)域局部化。(2)不能使用鏡面對稱技術(shù)(ARSYSM，LSYMM)來映射圓、圓柱，圓錐或球面到對稱平面的另一邊，因為每個實常數(shù)的設(shè)置不能同時賦給多個圖元。檢驗?zāi)繕说慕佑|方向目標面的節(jié)點號順序定義了接觸方向當沿著目標線從第一個節(jié)點移向第二個節(jié)點時，變形體的接觸單元必須位于目標面的右邊。目標三角形單元號應(yīng)該使剛性面的外法線方向指向接觸面，外法線通過右手原則來定義。195．定義柔性體的接觸面程序通過組成變形體表面的接觸單元來定義接觸表面定義柔性體接觸面的接觸單元20生成接觸單元l)選擇節(jié)點:選擇節(jié)點時必須保證沒有漏掉可能會接觸到目標面的節(jié)點。Command:NSELGU1：MainMenu＞Preprocessor＞Create＞Element＞0n>FreeSurf2)生成接觸單元Command:ESURFGUI:MainMenu＞Preprocessor＞Create＞Element＞OnFreeSurf如果接觸單元是附在已用實體單元劃分網(wǎng)格的面或體上，程序會自動決定接觸計算所需的外法向。21對3D單元，按節(jié)點程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)該指向目標面。Command：／PSYMB，ESYS，1GUI:UtilityMenu＞PotCtrL＞Symbols當發(fā)現(xiàn)單元的外法線方向不正確時，必須通過反轉(zhuǎn)不正確單元的節(jié)點號來改正它們。Command:ESURF，REVEGUI：MainMenu＞Preprocessor＞Create＞ElementsOnFreeSurf3)檢查接觸單元外法線的方向。226．設(shè)置實常數(shù)和單元關(guān)鍵字(1)實常數(shù)R1和R2定義目標單元幾何形狀；FKN定義法向接觸剛度因子；FTOLN定義最大的穿透范圍；ICONT定義初始靠近因子：PINB定義“

pinball”區(qū)域；PMIN和PMAX定義初始穿透的容許范圍；FKOP指定接觸發(fā)生時所給的剛度因子；TAUMAR指定最大的接觸摩擦；CNOF給接觸面指定一個正的或負的偏移值目標面單元的幾何形狀控制接觸行為正值比例因子負值真實值23接觸算法(KEYOPT(2))出現(xiàn)超單元時的應(yīng)力狀態(tài)(KEYOPT(3))接觸檢查點的位置(KEYOPI(4))剛度矩陣的選擇(KEYOPT(6))時間步長控制(KEYOPT(7))初始穿透影響(KEYOPT(9))接觸模型(KEYOPT(12))(2)單元關(guān)鍵字對大多的接觸問題，缺省的關(guān)鍵字是合適的。但在某些情況下，可能需要改變?nèi)笔≈祦砜刂平佑|行為。24選擇接觸算法①開始時取一個較低的值，低估此值要比高估此值好。②對前幾個子步進行計算。③檢查穿透量和每一子步中的平衡迭代次數(shù)。④按需要調(diào)整FKN或FTOLN的值，重新分析。面－面的接觸單元用KETOPT(2)來指定接觸算法擴展的拉格朗日或罰函數(shù),實常數(shù)FTOLNFTOLN缺省值為0.1，可以改變這個值，但要注意如果此值太小可能會造成大多的迭代次數(shù)或者不收斂。決定接觸剛度所有的接觸問題都需要定義接觸剛度實常數(shù)25選擇摩擦類型在基本的庫侖摩擦模型中，兩個接觸面在開始相互滑動之前是粘合狀態(tài)(stick)。庫侖磨擦類型定義了一個等效剪應(yīng)力，一旦剪應(yīng)力超過此值后，兩個表面之間將開始相互滑動，這叫做滑動狀態(tài)(sliding)。程序缺省值為表面之間無摩擦。對rough或bonded接觸(KEYOPT(2)＝1(或3)，程序?qū)⒉还芙o定的MU值而認為摩擦阻力無限大。接觸界面上的最大許可剪應(yīng)力，設(shè)置常數(shù)TAUMAX(缺省為1.0E20)26選擇接觸檢查的位置

接觸檢查點位于接觸單元的積分點上。在積分點上接觸單元不能穿透進人目標面，然而，目標面能穿透進入接觸面。接觸檢查點位于高斯積分點上高斯積分點目標面接觸面剛體變形體ANSYS面一面接觸單元使用GAUSS積分點作為缺省值，Newton－Cotes／lobatto使用節(jié)點本身作為積分點。KEYOPT(4)來選擇所想使用的方法27高斯積分點目標面剛體變形體接觸檢查點位于高斯節(jié)點上使用節(jié)點本身作為積分點僅應(yīng)該用于角接觸問題28調(diào)整初始接觸條件①使用實常數(shù)ICONT來指定一個好的初始接觸環(huán)。目標面目標面剛體剛體接觸面接觸面不連續(xù)初始接觸環(huán)初始接觸環(huán)用ICON進行接觸面的調(diào)整調(diào)整前調(diào)整后建議使用一個小的ICONT值，否則可能會發(fā)生大的不連續(xù)任何落在“調(diào)整環(huán)”區(qū)域內(nèi)的接觸檢查點被自動移到目標面上29②使用實常數(shù)PMIN和PMAX來指定初始容許的穿透范圍對給定載荷或給定位移的剛性目標面將會執(zhí)行初始接觸狀態(tài)的初始調(diào)節(jié)。當目標面上的節(jié)點有給的零位移值時，使用PMAX和PMIN的初始調(diào)節(jié)將不會被執(zhí)行。③使用實常數(shù)CNOF來指定接觸面的偏移正值表示將整個接觸面向目標面移動負值表示讓整個接觸面遠離目標面30④設(shè)置KEYOPT(9)來調(diào)整初始穿透真正的初始穿透包括由幾何形狀導(dǎo)致的和由于用戶指定接觸表面偏移量(CNOF)所引起的?！缀涡螤詈徒佑|表面偏移量所引起的穿透KEYOPT(9)＝0；·忽略上述兩方面所引起的穿透，設(shè)置KEYOPT(9)＝1;·用戶指定的接觸表面偏移量，忽略由幾何形狀所引起的初始穿透，設(shè)置KEYOPT(9)=3。消除初始始穿透接觸面目標面剛體31·讓總的初始穿透漸變?yōu)榱?CNOF＋幾何形狀)，設(shè)置KEYOPT(9)＝2·漸變用戶指定的接觸面過盈量，忽略幾何形狀所引起的穿透KEYOPT(9)=4漸進初始穿透剛體剛體剛體漸變開始漸變中途漸變結(jié)束目標面目標面目標面當使用上面的KEYOPT(9)的設(shè)置時，在第一個載荷步中不要給其它載荷，并且應(yīng)設(shè)置KBC，0。同時應(yīng)保證Pinball區(qū)域足夠大，可以捕獲到初始過盈量。32決定接觸狀態(tài)和Pinba11區(qū)域接觸單元相對于目標面的運動和位置決定了接觸單元的狀態(tài)；程序檢測每個接觸單元并給出一種狀態(tài)。STAT＝0未合的遠區(qū)接觸；STAT＝1未合的近區(qū)接觸；STAT＝2滑動接觸；STAT＝3粘合接觸。33選擇表面作用模式KEYOPT(12)法向單邊接觸(KEYOPT(12)＝0不分開的接觸，但允許有相對滑動KEYOPT(12)＝2綁定接觸，也不允許有相對滑動KEYOPT(12)＝334用超單元建立接觸模型KEYOPT(3)2D單元(CONTA171、CONTA172)對3D單元(CONTA173，CONTA174)·不使用超單元KETOPT(3)＝0·軸對稱KEYOPT(3)＝1·平面應(yīng)變或單位厚度的平面應(yīng)力KEYOPT(3)＝2·需要厚度輸調(diào)的平面應(yīng)力KEYOPT(3)＝3

實常數(shù)的R2來指定厚度·使用H單元KEYOPT(3)＝0·使用超單元KEYOPT(3)＝135考慮厚度影響程序能夠用KEYOPT(11)來考慮殼(2D和3D)和梁(2D)的厚度KEYOPT(11)＝1時則考慮梁或殼的厚度，從底面或頂面來計算接觸距離使用時間步長控制KEYOPT(7)＝0沒有控制，時間步長的大小不受預(yù)測影響KETOPT(7)＝1如果一次迭代期間有太大的穿透發(fā)生KEYOPT(7)＝2對下一個子步預(yù)測一個合理的時間增量KETOPT(7)＝3對下一個子步，預(yù)測一個最小的時間增量36(三)、點－面接觸分析用點－面接觸單元來模擬－個表面和－個節(jié)點的接觸，另外，可以通過把表面指定為－組節(jié)點，從而用點－面接觸來代表面－面的接觸。ANSYS程序的點－面接觸單元允許下列非線性行為：

·有大變形的面－面接觸分析：

·接觸和分開；

·庫侖摩擦滑動；

·熱傳遞。372．點－面接觸分析的步驟(1)建模，劃分網(wǎng)格(2)識別接觸對(3)生成接觸單元(4)設(shè)置單元關(guān)鍵字和實常數(shù)(5)加上必要的邊界條件(6)定義求解選項(7)求解(8)查看結(jié)果1．使用點－面的接觸單元這類接觸單元，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，并且允許大的變形和大的相對滑動。38(1)建模，劃分網(wǎng)格由于幾何形狀和潛在變形的多樣化，可能有多個目標面和同一個接觸面相互作用，在這種情況下，必須定義多個接觸對，對每個表面需要建立一個包含表面節(jié)點的組元。然后就可以使用這些表面節(jié)點，在接觸面之間形成所有有可能的接觸形狀。如果能肯定某些面永遠不會相互接觸，那么應(yīng)該適當?shù)陌ǜ嗟墓?jié)點。通過接觸單元定義在變形過程中，哪兒可能發(fā)生接觸Command：CMGUI：Utility＞Select＞Comp／Assembly

＞createComponent(2)識別接觸對應(yīng)避免使用有中間節(jié)點的單元僅在使用CONTA48的二維分析中才可以在接觸面上使用中節(jié)點單元，且不能在目標面上使用中節(jié)點單元。39(3)生成接觸單元NSEL，S，NODE…

！在接觸面上選擇一組節(jié)點CM，CONTACT，NODE！將所選節(jié)點生成組元“COMTACT”NSEL，S，NODE…

！在目標面上選擇一組新節(jié)點CM，TARGET，NODE!將所選節(jié)點生成組元“TARGET”NSEL，ALLGCGEN，CONTACT，TARGETGCGEN，TARGET，CONTACTCommand：GCGENGUI：Mainmenu＞Preprocessor＞Create＞Elements＞AtContactsrfa.首先必須定義單元類型b.定義接觸單元的實常數(shù)c.在對應(yīng)的接觸對之間生成接觸單元每個不同的接觸面應(yīng)該有一個不同的實常數(shù)號點一面的接觸CONTAC48(2D)CONTAC49(3D)40(4)設(shè)置單元關(guān)鍵字和實常數(shù)KEYOPT(1)：選擇正確的自由度(包含或不包括溫度)；KEYOPT(2)：選擇罰函數(shù)的方法或罰函數(shù)十拉格朗日方法；KEYOPT(3)：選擇摩擦類型；無摩擦、彈性庫侖摩擦或剛性庫侖摩擦；KEYOPT(7)：選擇接觸時間步長預(yù)測控制。CONTAC48CONTAC49單元關(guān)鍵字實常數(shù)KN－法向接觸