Ansys 第19例 平行圆柱体承受法向载荷时的接触应力分析.docx
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Ansys第19例平行圆柱体承受法向载荷时的接触应力分析
第19例接触分析实例—
平行圆柱体承受法向载荷时的接触应力分析
本例介绍了利用ANSYS对结构进行接触分析的方法、步骤扣过程,着重介绍了建立面—面接触对的方法和难点,为解决实际应用问题奠定了基础。
9.1概述
接触问题属于状态非线性问题,是一种高度非线性行为,需要较多的计算资源,为了进行更为有效的计算,理解问题的特征和建立合理的模型是很重要的。
接触问题存在两个较大的难点:
其一,在求解问题之前,不清楚接触区域的范围,表面之间是接触或分离是未知的,并且随载荷、材料、边界条件及其他因素变化;其二,接触问题常需计算摩擦力,各种摩擦模型都是非线性的,使问题的收敛更加困难。
19.1.1接触算法
接触问题用于处理接触体之间的相互作用关系,只有满足接触力的传递、两接触面之间没有穿透等要求,接触算法才能对接触力学行为进行准确的分析。
ANSYS使用的接触算法有:
罚函数法(PenaltyMethod)、拉格朗日算法(LagrangeMethod)、扩展拉格朗日算法(AugmentedMethod)、罚函数法+拉格朗日算法(Lagrange&Penalty)。
1.罚函数法
罚函数法的基本原理是:
计算每一载荷子步时先检查接触面和目标面之间是否存在穿透,若没有则不做处理,如果有穿透,则在接触面和目标面之间引入一个法向接触力,其大小与接触刚度、穿透深度成正比,相当于在接触面和目标面之间沿法向放置一个弹簧,以限制穿透的大小。
接触刚度越大,则穿透就越小,理论上,在接触刚度为无穷大时,可以实现真实的接触状态,使穿透值等于零,但是接触刚度过大会导致总体刚度矩阵病态,造成收敛困难。
也就是说,当接触刚度较大时,计算精度较高,但收敛困难。
ANSYS软件会根据结构单元的特性估计一个默认的接触刚度值,可以用实常数FKN为接触刚度指定一个比例因子(FKN>O时)或指定一个真正的值(FKN 2.拉格朗日算法 拉格朗日算法与罚函数法不同,不是采用力与位移的关系来求接触力的,而是把接触力作为一个独立自由度,可以直接实现穿透为零的真实接触条件,是一种精确的接触算法,但由于自由度的增加,会使计算效率降低。 在接触状态发生急剧变化时,会产生震颤。 3.扩展拉格朗算法 扩展拉格朗日算法是不停更新接触刚度的罚函数法,这种更新不断重复,直到计算的穿透值小于允许值为止,允许穿透值用实常数FTOLN或TOLN来设定。 扩展拉格朗日算法的优点是总体刚度矩阵较少病态,各接触单元的接触刚度取值更合理。 扩展拉格朗日算法是ANSYS默认的接触算法。 19.1.2接触问题的分类 接触问题有两个基本类型,即刚体—柔体的接触和柔体—柔体的接触。 在刚体—柔体的接触问题中,一个接触面同与之接触的变形体相比,有较大的刚度而当做刚体,一般情况下,当一种软材料和一种硬材料接触时,问题可以被近似为刚体—柔体的接触,许多金属成型问题归为此类接触。 而柔体—柔体的接触是一种更普遍的类型,此时两个接触体具有近似的刚度,都为变形体。 19.1.3ANSYS的接触方式 在ANSYS中通过接触单元来识别可能的接触匹对,接触单元是覆盖在模型可能接触面上的一层单元。 ANSYS支持3种接触方式,即点—点、点—面和面—面的接触,每种方式都有相适用的单元。 1.点-点接触点—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,需要预先知道接触位置,这类问题只适用于接触面之间有较小滑动的场合。 如果两个接触面上的节点一一对应,相对滑动又忽略不计,两个面挠度(转动)保持小量,那么就可以用点—点接触单元来模拟该类问题,过盈装配问题是用点—点接触单元模拟面—面接触的典型例子。 2.点—面接触点—面接触单元主要用于模拟点—面接触行为。 通过节点定义一个接触面,而面既可以是刚体也可以是柔体。 使用这类接触单元,不必预先知道准确的接触位置,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。 一个典型应用实例是模拟插头插入到插座里。 3.面—面接触ANSYS使用面—面接触单元来模拟刚体—柔体、柔体—柔体的面—面接触。 ,将刚性面作为目标面,将柔性面作为接触面处理,本例将采用该种接触类型。 19.1.4面一面接触分析的步骤 面—面接触分析模拟刚体—柔体、柔体—柔体的面—面接触。 将刚性面作为目标面,将柔性面作为接触面来处理,这两个面合起来被称为接触对。 使用单元类型TARGE169和CONTA171或CONTA172来定义二维接触对,使用单元类型TARGE170和CONTA173或CONTA174来定义三维接触对,ANSYS通过相同的实常数号来识别接触对。 面—面接触单元具有以下优点: 支持低阶和高阶单元: 支持有大滑动和摩擦的大变形;提供更多、更好的结果数据,例如,法向应力和摩擦应力;对接触表面的形状没有限制;允许各种复杂建模控制,例如,绑定接触、渐变初始渗透、支持单元死活等。 步骤一: 建立模型并划分网格需要建立代表接触体的实体模型,与其他分析过程,样,要设置单元类型、实常数及材料特性等,并用恰当的单元类型为接触体划分网格。 步骤二: 识别接触对ANSYS通过目标单元和接触单元的定义来判断潜在的接触面,目标和接触单元会跟踪变形阶段的运动。 不同的接触对必须通过不同的实常数号来定义。 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和多个目标面发生接触关系。 此时,,应该定义多个接触对(使用多组覆盖层接触单元),每个接触对有不同的实常数号。 步骤三: 定义目标面和接触面。 对于刚体—柔体的接触问题,显然应将刚性面定义为目标面,将柔性面定义为接触面。 在二维情况下,刚性目标面的形状可以用一系列直线、圆弧和抛物线来描述,或者用它们的任意组合来描述复杂的目标面。 在三维情况下,目标面的形状可以用三角面、圆柱面、圆锥: 面和球面来描述,对于复杂、任意形状的目标面,应用三角面来描述。 对于柔体—柔体的接触问题,应按下列原则来定义目标面和接触面: 凸面定义为接触面,凹面定义为目标面: 细网格面定义为接触面,粗网格面定义为目标面;较软的面定义为接触面,较硬的面定义为目标面;高阶单元面定义为接触面,低阶单元面定义为目标面;较小的面定义为接触面,较大的面定义为目标面。 为了定义柔性体的接触面,必须使用接触单元CONTA171或CONTA172来定义二维表面,用CONTA173或CONTA174来定义三维表面,.接触面和目标面的实常数号必须相同 步骤四: 设置实常数和单元选项 ANSYS使用实常数和单元选项来控制面—面接触.单元的接触行为。 实常数包括FKN(法向接触刚度因子)、FTOLN(最大穿透范围)、ICONT(初始靠近因子)、PINB(pinball区域)、PMIN和PMAX(初始穿穿透范围)、TAUMAX(最大的接触摩擦)、CNOF(接触面偏移值)及FKOP(接触发生时的刚度因子)等。 步骤五: 控制刚性目标的运动刚性目标面是按实体的原始外形来建立的,而整个面的运动是通过polot节点给定的位移来定义的。 每个目标面只能有一个polot节点。 圆、圆弧、圆锥、圆柱、球只能定义第一个节点为polot.节点。 载荷和边界条件只能施加在polot节点上,只有polot节点能与其他单元相连。 为了控制整个目标面的运动,在下列任一情况下必须使用polot节点: 目标面上作用着给定的外力;目标面发生旋转;目标面和其他单元相连,例如,结构质量单元。 步骤六: 施加必要的边界条件该过程与其他分析类型相同。 步骤七: 定义求解和载荷步选项 接触问题的收敛性随问题的不同而不同,下面列出了在大多数面—面接触分析中都推荐使用的一些选项: 打开自动时间步长: MainMenu→Solution→LoadStepOpts→Time/Frequenc-→Timeandsubstps. 打开自动时间步长: MainMenu→Solution→LoadStepOpts→Time/Frequenc→TimeandSubstps。 选择完全牛顿-拉普森迭代,关闭自适应下降因子: MainMenu→Solution→AnalysisType→AnalysisOptions. 设置合理的平衡迭代次数(25-50): MainMenu→Solution→LoadStepOpts→NonlinearEquilibriumIter 打开时间不长预测器选项: MainMenu→Solution→LoadStepOpts→NonlinearPredictor. 使用线性搜索选项来使计算稳定化: MainMenu→Solution→LoadStepOpts→Nonlinear→LineSearch. 步骤八: 求解 与一般的非线性问题相同 步骤九: 查看结果接触分析的结果包括常规的位移、应力、应变,还有接触压力、滑动等接触信息。 可以使用POST1或POST26后处理器来查看结果。 19.2问题描述 两个半径分别为r1=0.05m、r2=0.1m,长度均为L=0.01m的平行圆柱体发生正接触,即接触线为两圆柱体的母线,作用在两圆柱体接触线法线方向上的压力总和为F=1000N,两圆柱体均为钢制,分析两圆柱体的接触情况。 由于接触的影响只发生于结构的局部,另外圆柱体具有对称性,所以分析时只取两圆柱体的四分之一,以减少计算时间和计算容量。 19.3.1改变任务名 拾取菜单UtilityMenu→File→ChangeJobname,弹出如图19-1所示的对话框,在“[/FILNAM]”文本框中输入EXAMPLE19,单击“OK”按钮。 图19-1改变任务名对话框 19.3.2选择单元类型 拾取菜单MainMenu→Preprocessor→ElementType--Add/Edit/Delete,弹出如图19-2所示的对话框,单击“Add…”按钮,弹出如图19-3所示的对话框,在左侧列表中选、“StructuralSolid”,在右侧列表中选“Quad8node183”,单击“Apply”按钮,再在右侧列表中选“Brick20node186”,单击"Apply"按钮,再在左侧列表中选“Contact”,在右侧列表中选“3Dtarget170”,单击“Apply”按钮,再在右侧列表中选“8ndsurf174”,单击“OK”按钮,返回到如图19-2所示的对话框,选择“TYPE4CONTA174”,单击“Options”按钮,在所弹出的对话框中选择“K5”为“Closegap”,单击“OK”按钮,最后单击如图19-2所示的对话框中的“Close”按钮。 图19-2单元类型对话框 图19-3单元类型库对话框 19.3.3定义材料模型 拾取菜单MainMenu→Preprocessor→MaterialProps→MaterialModels,弹出如图19-4所示的对话框,在右侧列表中依次拾取“Structural”、“Linear”、“Elastic”、“isotropic”,弹出如图19-5所示的对话框,在“EX”文本框中输入2e11(弹性模量),在“PRXY”文本框中输入0.3(泊松比),单击“OK"按钮,然后关闭如图19-4所示的对话框。 图19-4材料模型对话框 图19-5材料特性对话框 19.3.4定文实常数 拾取菜单MainMenu→Preprocessor→RealConstants→Add/Edit/Delete,弹出“RealConstants”对话框,单击“Add…”按钮,弹出“ElementTypeforRealConstants”对话框,在列表中选择“Type4CONTA174”,单击“OK”按钮,弹出如图19-6所示的对话框,在“FKN”文本框中输入0.1(法向接触刚度因子),单击"OK"按钮,返回到“RealConstants”对话框,单击”Close“按钮。 图19-6定义实常数对话框 19.3.5创建圓形面 拾取菜单MainMenu→Preprocessor→Modeling→Create→Areas→Circle→PartialAnnulus,弹出如图19-7所示的对话框,在“WPX”文本框中输入0,在“WPY”文本框中输入0,在“Rad-1”文本框中输入0.1,在“Theta-l”文本框中输入0,在“Rad-2”文本框中输入0,在“Theta-2”文本框中输入90,单击“Apply”按钮。 再次弹出如图19-7所示的对话框,在“WPX”文本框中输入0,在“WPY”文本框中输入0.15,,在“Rad-1”文本框中输入0.05,在“Theta-1”文本框中输入0,在“Rad-2”文本框中输入0,在“Theta-2”文本框中输入-90,单击”OK“按钮。 19.3.6平移、旋转工作平面 拾取菜单UtilityMenu→WorkPlane→OffsetWPbyIncrement,弹出如图19-8所示的对话框,在“X,Y,ZOffsets”文本框中输入0.01,在“XY,YZ,ZXAngles”文本框中输入0,0,90,单击“OK”按钮。 图19-7创建圆形面对话框图19-8平移、旋转工作平面对话框 19.3.7改变视点 拾取菜单UtilityMenu→PlotCtrls→PanZoomRotate,在所弹出的对话框中,依次单击“Iso”、“Fit"按钮,或者单击图形窗口右侧显示控制工具条上的剑按钮。 19.3.8划分圓形面 拾取菜单MainMenu→Preprocessor→Modeling→Operate→Booleans→Divide→AreabyWorkPlane,弹出拾取窗口,单击“PickAll”按钮。 将两个圆形面划分为两部分,其目的是为了减小可能接触面的面积,减少接触单元数目,以减少计算时间和计算容量。 19.3.9划分单元 拾取菜单MainMenu→Preprocessor→Meshing→MeshTool,弹出如图19-9所示的对话框,单击“SizeControls”区域中“Global”后面的“Set”按钮,弹出如图19-10所示的对话框,在“SIZE”文本框中输入0.0075,单击“OK”按钮。 在如图19-9所示对话框中的“Mesh”区域,选择单元形状为“Quad”(四边形),选择划分单元的方法为“Free”(自由),单击“Mesh”按钮,弹出拾取窗口,单击“PickAll”按钮,再在如图19-9所示的对话框中,选择下拉列表框“Refineat: ”为“KeyPoints”,单击“Refine”按钮,弹出拾取窗口,在拾取窗口的文本框中输入2,4(即选择位于接触区域的关键点2和4),单击“OK”按钮,弹出如图19-11所示的对话框,选择“LEVEL”为3,单击“OK”按钮,最后关闭如图19-9所示的对话框。 在接触区域对网格进行了加密处理。 19.3.10设定挤出选项 拾取菜单MainMenu→Preprocessor→Modeling→Operate→Extrude→ElemExtOpts,在所弹出对话框中的“VAL1”文本框中输入5(挤出段数),选定ACLEAR为“Yes”(挤出后清除圆形面上的单元),单击“OK”按钮。 图19-9划分单元工具对话框 图19-10单元尺寸对话框 图19-11重定义单元对话框 19.3.11由面挤出体 拾取菜单MainMenu→Preprocessor→Modeling→Operate→Extrude→Areas→ByXYZOffset,弹出拾取窗口,单击“PickAll”按钮,弹出如图19-12所示的对话框,在“DX,DY,DZ”文本框中分别输入0,0,0.01,单击“OK”按钮。 图19-12挤出面对话框 19.3.12显示面号 拾取菜单UtilityMenu→PlotCtrls→Numbering,在所弹出的对话框中,将Areanumbers(面号)打开,单击“OK”按钮。 19.3.13选择下方接触面及面上的节点 拾取菜单UtilityMenu→Select→Entities,弹出如图19-13所示的对话框,在各下拉列表框、文本框、单选按钮中依次选择或输入“Areas”、“ByNum/Pick”、“FromFull”,单击“Apply”按钮,弹出拾取窗口,拾取面14(下方接触面),单击拾取窗口中的“OK”按钮;再在如图19-13所示对话框中的各下拉列表框、文本框、单选按钮中依次选择或输入"Nodes",“Attachedto”,“Areas,all”,"FromFull",单击“OK”按钮.于是选中了面14及面上的所有节点。 19.3.14指定单元属性 拾取菜单MainMenu→Preprocessor→Modeling→Create→Elements→ElemAttributes,弹出如图19-14所示的对话框,选择下拉列表框“TYPE”为“3TARGE170”,选择下拉列表框“MAT”为“1”,选择下拉列表框“REAL”为“1”,单击“OK”按钮。 图19-13选择实体对话框 图19-14单元属性对话框 19.3.15创建目标单元 拾取菜单MainMenu→Preprocessor→Modeling→Create→Elements→Surf/Contact→SurftoSurf,单击所弹出对话框中的“OK”按钮,然后单击随后弹出的拾取窗口中的“PickALL”按钮。 重复步骤19.3.13-19.3.15,选择上方接触面(面18)及面上的节点,选择单元类型“TYPE”为“4CONTA174”,创建接触单元。 于是创建了由CONTA174单元和TARGE170单元形成的接触对,由实常数1识别。 19.3.16选择所有 拾取菜单UtilityMenu→Select→Everything. 19.3.17施加约束 拾取菜单MainMenu→Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Displacement→OnAreas,弹出拾取窗口,拾取面8和16(最下方),单击“OK”按钮,弹出如图19-15所示的对话框,在列表中选择“UY”,单击“Apply”按钮;再次弹出拾取窗口,拾取面15和20(最左侧),单击“OK”按钮,弹出如图19-15所示的对话框,在列表中选择“UX”,单击“Apply”按钮;再次弹出拾取窗口,拾取面1、9、13和17(最前方),单击“OK”按钮,弹出如图19-15所示的对话框,在列表中选择“UZ”,单击“OK”按钮。 图19-15在面上施加约束对话框 19.3.18选择最上方表面及其面上的节点 拾取菜单UtilityMenu→Select→Entities,弹出如图19-13所示的对话框,在各下拉列表框、文本框、单选按钮中依次选择或输入“Areas”、“ByNum/Pick”、“FromFull”,单击“Apply”按钮,弹出拾取窗口,拾取面11、19(最上方面),单击拾取窗口中的“OK”按钮;再在如图19-13所示对话框中的各下拉列表框、文本框、单选按钮中依次选择或输入"Nodes",“Attachedto”,“AreasAIl”,“FromFull”’单击“OK”按钮. 19.3.19施加压力载荷 拾取菜单MainMenu→Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Pressure→OnAreas,弹出拾取窗口,单击“PickAll”按钮,弹出如图19-16所示的对话框,在“VALUE”文本框中输入le6,单击“OK”按钮。 图19-16在面上施加压力载荷对话框 于是,在面11和19上施加了大小为1x106Pa.方向垂直并指向面的压力。 由于两面面积总和为0.05x0.01=0.0005mm2,所以作用于一半圆柱体上总的力为500N,整个圆柱体上总的力为1000N。 19.3.20节点自由度耦合 拾取菜单MainMenu→Preprocessor→Coupling/Ceqn→CoupleDOFs,弹出拾取窗口,单击“PickAll”按钮,弹出如图19-17所示的对话框,在“NSET”文本框中输入1,选定“Lab”下拉列表框为“UY”,单击“OK”按钮。 这样做的目的是保证面11和19上所有节点在承载后具有相同的y方向位移,变形后面11和19仍然保持为水平平面。 图19-17耦合自由度对话框 19.3.21选择所有 拾取菜单UtilityMenu→Select→Everything。 19.3.22激活线性搜索 拾取菜单MainMenu→Solution→LoadStepOpts→Nonlinear—LineSearch,在所弹出如图19-18所示的对话框中,将线性搜索选项LNSRCH打开。 提示: 如果该菜单项未显示在界面上,可以拾取菜单MainMenu→Solution→UnabridgedMenu,以显示MainMenuSolution下的所有菜单项。 图19-18线形搜索对话框 19.3.23打开自动时间步长并指定分析时间步的数目 拾取菜单MainMenu→Solution→LoadStepOpts→Time/Frequence→TimeandSubstps,弹出如图19-19所示的对话框中,将"AUTOTS”打开,在“NSUBST”文本框中输入5,在“Maximumno.ofsubsteps”文本框中输入10,在“Minimumno.ofsubsteps”文本框中输入3,单击“OK”按钮。 图19-19时间和时间步长选项对话框 19.3.24确定数据库和结果文件中所包含的内容 拾取菜单MainMenu→Solution→LoadStepOpts→OutputCtrls→DB/ResultsFile,在所弹出的对话框中,选择下拉列表框“Item”为“AllItems”,选中“Everysubstep”,单击”OK“按钮。 19.3.25求解 拾取菜单MainMenu→Solution→Solve→CurrentLS,单击”SolveCurrentLoadStep"对话框申的“OK”按钮。 当出现“Solutionisdone! ”提示时,求解结束,从下一步开始,进行结果的查看。 19.3.26选择接触单元 拾取菜单UtilityMenu→Select→Entities,弹出如图19-13所示的对话框,在各下拉列表框、文本框、单选按钮中依次选择输入“Elements”、”ByAttributes”、“Elemtypenum,“4”、”FromFull",单击“OK”按钮。 19.3.27定文单元表 拾取菜单MainMenu→GeneralPostproc→ElementTable→DefineTable,弹出“ElementTableData”对话框,单击“Add…”按钮,弹出如图19-20所示的对话框,在“Lab”人中框中输入PRES,在“Item”列表中选择“Contact“,在“Comp”列表中选择“PressurePRES”,单击“Apply”按钮;再次弹出如图19-20所示的对话框,在“Lab”文本框中输入ST,在“Item”列表中选择“Contact”,在“Comp”列表中选择“StatusSTAT
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