ANSYS自动接触技术

专题报道

中国航空报/2005年/03月/25日/第004版/

ANSYS自动接触技术

安世亚太林翰

现代CAE技术可以对相当大规模的问题进行分析,这种分析可以是复杂的接触问题(在CAD中称为 装配)。装配体的分析模拟是公认的最尖端的CAD/CAE技术之一,这项技术使得人们得以精确的预测一个多零部件的结构的性能。

传统的,也是最直接的装配方法是先简单的导入装配体的各个零部件,确定它们的空间相对位置,然后人为地确定各零部件在整个装配体中的接触关系,建立接触单元。此过程在其他CAE软件中须采用手工方式完成,不仅需要漫长的虚拟整机建立过程,同时,还需要工程师对结构的各项指标、限制、风险全面的了解。

顾名思义, Contact这个概念只有在几何体相遇的时候才会产生。我们可以将各种载荷,例如结构载荷与热流矢量,转移到边界上从而 连接不同的几何体(零部件)。构成一个装配体的零部件数目是没有限制的。根据接触条件的不同,整个有限元分析的种类也会随之变化,例如线性与非线性。由于求解器需要迭代计算以达收敛,一个非线性问题所需的求解时间将远超一个先行问题的求解时间。

每一个有经验的有限元分析工程师都知道,没有任何两个接触问题是完全一样的,装配问题的复杂性在某种程度上肯定了ANSYS在这个领域的成就 ANSYS可以对各种不同的接触问题进行非常好,而且简便的模拟。一个装配体的ANSYS有限元分析过程可以简单的归纳为:

建立模型并划分网格

识别零部件相互关系

施加边界条件以及环境参量

求解并复查结果

事实上在ANSYS默认的设定中,当一个装配体的CAD模型被倒入的时候,接触关系已经被自动的探测了,而接触区域被指定为面/面关系。这个默认的设定可以在 Simulation Contact设定选项的Option对话框中更改。默认的接触自动探测属性适合于大多数的接触问题。然而,附加的接触关系控制设定拓宽了可以模拟的接触类型。在接触关系控制设定中:全局属性:包括自动接触探测的基本设定,以及高亮显示的接触区域的透明度设定,这些设定将会影响所有的接触区域。

接触区域控制:包括接触属性浏览,区域接触类型设定,以及其他的一些高级控制选项,例如设定接触模拟方程,法向刚度,热传导设定,以及pinball区域设定等等。

更加详细地,自动接触探测的基本设定包含:容差设定(Tolerance setting),即容差类型以及容差值的设定;接触探测的种类设定(例如设定探测面/面接触,面/边接触以及边/边接触)等;接触探测种类优先权设定(例如设定面/面接触优先于其他种类的接触)等。

在接触区域控制的接触类型设定中,AN SYS可以模拟如下的多种接触类型:

固结(Bonded),即完全绑定,无摩擦也无滑动。

不分离(No separation),和固结类似,不过在小范围内允许无摩擦的滑动。

无摩擦(Frictionless),部件之间摩擦系数为0,允许法相分离。

粗糙(Roug h),与无摩擦类型相似,只是部件之间不允许接触滑动。

有摩擦的(Frictional),部件之间会因摩擦系数而产生剪切力。

在接触区域控制的高级设定中,使用者甚至可以设定潜在的接触模拟方法,在ANSYS 9.0版本中有如下选择:

广义拉格朗日法(Augmented La-grange)

罚函数法(Pure Penalty)

多点约束法(M ultipoint constraint,M PC)

拉格朗日法(Normal Lag rang e)

具体每种模拟方法的数学模型在此不逐一介绍,简单介绍一下比较年轻的内部多点约束(MPC)算法。

M PC算法适用于面对面、点对面的接触单元。使用该方法时,ANSYS会根据接触运动建立M PC方程。内部MPC方法能够克服传统接触法则和其他多点约束方法的缺点。若与粘结接触结合使用,M PC方法可简化下列形式的接触装配和运动约束:固-固装配、壳-壳装配、壳-固装配、梁-固装配、刚性面约束以及任意面的载荷分布。

内部M PC方法可以克服传统接触算法和ANSYS中的其他多点约束工具的缺点,例如:接触面节点的自由度被消去;可以减小系统方程求解的波前大小;不需要输入接触刚度;对于小变形问题,它代表真实的线性接触行为;求解系统方程时不需要平衡迭代;对于大变形问题, M PC方程在每个平衡迭代中不断进行更新,克服了传统约束方程只适用于小应变的限制条件。

此外值得一提的是,相比普通的罚函数方法,广义拉格朗日法常常能得到更好的模拟结果,对接触刚度系数也不是那么的敏感,然而在某些分析算例中,广义拉格朗日方法需要更多的迭代次数,也就是收敛的比较慢一些。

针对装配结构有限元模拟的实际问题, ANSYS提供了强大的装配结构模拟能力和完备而易用的接触自动检测功能。运用CAD模型 链接技术,在建立装配模型 链接的过程中,自动探测装配关系,同时完成 接触单元的建立,从而将人为干预最小化。