ANSYSWorkbench接触分析案例详解

ANSYSWorkbench接触分析案例详解本⽂由Workbench⼩学⽣授权转载
这篇⽂章囊括了接触分析中常见的问题，并通过思考和验证，给出了解决⽅案和经验总结，相信朋友们按照这篇教程完整的⾛⼀遍分析过程，会对接触分析的理解更近⼀步。

1.建模。

条件：⼀个圆盘与⼀个矩形板，⽣成壳体。

注意：两者分析之前未接触。

2.选取材料。

进⼊材料库，选取⾮线性材料中的铝合⾦（Aluminum Alloy NL）
注意：NL表⽰Nonlinear ，译为⾮线性。

3.进⼊分析模块，调出Properties选项
4.修改分析类型，将Analysis type由3D改为2D
5.双击Model进⼊分析界⾯，修改矩形板的材料为Aluminum Alloy NL，圆盘默认为结构钢（Structural Steel）
6.参数设置
（1）根据左侧outline依次向下添加（由于此分析不⽤添加局部坐标系，因此修改完材料属性后，直接添加接触）
（2）⼯况：矩形板与圆盘为摩擦接触（也可使⽤⽆摩擦接触，读者可以亲⾃尝试）
（3）接触⾯为圆盘外圆周，⽬标⾯为矩形板顶边，设置摩擦系数为0.15
（4）由于模型为刚-柔接触，因此修改behavior为⾮对称（Asymmetric）
（5）在advanced中将接触算法设置为增⼴拉格朗⽇（Augmented Lagrange）
（6）探测⽅法设置为⾼斯点探测（on Gauss point ）
注意：
①由于两者的材料都是⾦属，因此摩擦系数 ≤0.2
②⾮线性分析中默认的接触算法为增⼴拉格朗⽇（Augmented Lagrange），线性默认为纯罚函数（Pure penalty）
③纯罚函数的收敛性很好，接触刚度对其影响⼤，但是它的穿透性不可控制，⽽增⼴拉格朗⽇收敛性表现为穿透较⼤，迭代次数较多，但其可以在⼀定程度上控制穿透性
④⾼斯点与节点探测的区别：
⾼斯点：适合⼤多情况，⽹格密度⼩、更精确
节点：仅适⽤于⾓接触
⑤局部坐标系的添加：如果全局坐标系不是所需要的，就必须添加局部坐标系作为附属坐标系
7.划分⽹格（Mesh），选中图中模型，根据模型⾃动划分⽹格
8.分析设置（Analysis Setting）
（1）打开⾃动时间步（Anto Time Stepping）与⼤变形（Large Deflection）
（2）修改载荷⼦步依次为50,50,100后，其他均默认
9.添加边界条件（Load or Supports）
（1）选中矩形板的下边线，将其设置为Displacement
（2）X⽅向数值设置为-15mm，Y⽅向数值设置为0
（3）选中圆盘的外圆周，将其设置为Fixed support
思考：
为什么打开⼤变形开关？
答：因为在静⼒学中，极限转动⾓度为10°，⼤位移或者⼤转动即视为⾮线性分析，当受⼒物体的变形与其⼏何尺⼨相⽐较⼤，且线性叠加原理不再适⽤时，可视作⼤变形。

10.求解（Solve），计算到0.11359s时，开始不收敛，求解图形出现⼲涉。

注意：在2D分析中，displacement的分量只有X与Y，选项默认为Free，设置为0表⽰约束此⽅向的位移，在本案例中，设置Y⽅向位移为0，如果Y向设置为Free，表明Y向是可动的，矩形块向左移动过程中，会顺着圆弧滑移⽽⽆法达到本次分析的⽬的（读者可以⾃⼰尝试这两者的区别）
思考：
为什么displacement加载为矩形块的下边线⽽不是侧边与上边线？
答：虽然给矩形块的任意部位加载位移都会使其移动，但是由于上边线与圆盘在分析过程中会接触，⽽侧边在⼤位移的情况下（当矩形块的侧边与圆盘接触）依然会接触，进⽽导致不收敛，解决⽅案为：添加载荷的部位应该远离其受⼒位置。

11.检查模型。

查看等效应⼒发现，在收敛的最后⼀个⼦步，模型表现为出现明显穿透。

12.修改接触状态，修改接触⾯和⽬标⾯，将⽬标⾯选中为矩形板的上边线和侧边。

13.再次求解。

依然存在微⼩的穿透现象，原因：矩形板与圆盘接触的尖⾓处未处理，使计算出现较⼤接触刚度波动，导致不收敛。

14.查看收敛曲线图。

查看Worksheet中的⼒收敛曲线，发现的⼒标准值（Force Criterion）位于⼒收敛值（Force Convergence）的下⽅，说明⾮线性不收敛。

注意：⼒收敛图查看⽅法：当紫线⼀直处于蓝线上⽅，表现为不收敛状态，如果紫线在蓝线的上下波动或紫线⼀直处于蓝线下⽅，表明每个载荷⼦步收敛，当最终紫线的终点位于蓝线下⽅时，表明计算收敛。

15.进⼊Design Modeler模块修改模型，将矩形板与圆盘接触部分的尖⾓改为圆⾓，圆⾓半径为0.5mm，实现接触平滑过渡。

注意：圆⾓半径不宜过⼤，防⽌影响模型整体的精度
16.修改接触，将⽬标⾯设置为圆弧段、矩形板上边线及侧边，其余默认。

17.求解，再次不收敛。

18.调换接触。

调换接触⾯与⽬标⾯所选的对象，并修改载荷⼦步依次为100，50,1000
19.查看Worksheet中的⼒收敛图，发现⼦步收敛（Substep Converged）。

20.计算完成，得到最终云图。

总结：
（1）⼀个好的⽹格（六⾯体⽹格）既能使计算更好的收敛，⼜能保证计算的精度，可以通过查看⽹格质量，倾斜度，雅克⽐等
（2）⽬标⾯/接触⾯的不正确选择，可能导致错误结果
选择原则：⽬标⾯应为—凹、粗、刚、⾼阶、⼤
⽬的：为了减少穿透量（接触⾯不能穿过⽬标⾯，⽬标⾯可穿过接触⾯）
（3）载荷⼦步数太⼩也会导致计算结果不收敛，因此减⼩步长（增⼤载荷⼦步数）是必要的，但需要与边界条件和⽹格相配合才能达到收敛
（4）边界条件的错误，例如载荷施加过⼤、约束施加错误或⼲涉都会导致计算的不收敛
（5）接触设置必须将所有能接触到的模型部位选为接触⾯或⽬标⾯
（6）⾮线性是位移与载荷不是线性关系，求解⾮线性⽅程组时，将⾮线性问题分割为多段，然后对每段就⾏线性求解，求解的结果与理论的结果的差值如果在收敛准则内，则表明求解收敛，否则还需要划分的更细，⼦步数量就是对载荷划分的数量，⼦步越多，越容易收敛。

输⼊⼦步数时，应注意：最⼩⼦步≤初始⼦步≤最⼤⼦步，最⼩⼦步与最⼤⼦步应相差⼀个数量级
（7）纯罚函数与增⼴拉格朗⽇中，可以对接触刚度进⾏调节来保证收敛，但是需要多次调试
（8）不收敛也可以通过对后⼏阶残差进⾏查看，判断不收敛情况的影响因素。