11 ANSYS13.0 Workbench 结构非线性培训作业面体接触诊断工具解析

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ANSYS workbench 接触简介

Contact Status Open p
Contact Status Open p
Penetration
Gap
Penetration
Gap
Closed 法向拉格朗日法
3-8
Closed 罚函数法
Penetration
Workbench Mechanical - Introduction to Contact
积分点探测
节点探测
3-9
Workbench Mechanical - Introduction to Contact
... 接触公式
Training Manual
• 对于特定的“绑定”和“不分离”两个面间的接触类型,可用多点约束 (MPC) 算法.
– MPC 内部添加约束方程来“联结”接触面间的位移 – 这种方法不基于罚函数法或Lagrange乘子法 .它是直接有效的关联绑定接触面方式。 – MPC算法基础的绑定接触也支持大变形效应
– “N “Normal lL Lagrange” ” 法是因为拉格朗日乘子公式用于法线方向而罚函数方法用于切线方向而得名的.
3-12
Workbench Mechanical - Introduction to Contact
… 公式对比
Training Manual
• 下表列出不同接触算法的比较，用“+”表优势，“-”表劣势:
F
当接触协调性不被强制时会发生渗透.
Contact
Target
F
3-4
Workbench Mechanical - Introduction to Contact
B. 接触公式
• 对非线性接触实体表面, 可使用罚函数或增强拉格朗日公式:

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2D5.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 ≤0.2②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。

ansys非线性接触分析

第五章接触分析5.1 概述接触问题是一种高度非线性行为，需要较多的计算机资源。

为了进行切实有效的计算，理解问题的物理特性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，在用户求解问题之前，用户通常不知道接触区域。

随载荷、材料、边界条件和其它因素的不同，表面之间可以接触或者分开，这往往在很大程度上是难以预料的，并且还可能是突然变化的。

其二，大多数的接触问题需要考虑摩擦作用，有几种摩擦定律和模型可供挑选，它们都是非线性的。

摩擦效应可能是无序的，所以摩擦使问题的收敛性成为一个难点。

注意 --如果在模型中，不考虑摩擦，且物体之间的总是保持接触，则可以应用约束方程或自由度藕合来代替接触。

约束方程仅在小应变分析( NLGEOM，off)中可用。

见《ANSYS Modeling and Meshing Guide》中的§12，Coupling and Constraint Equations。

除了上面两个难点外，许多接触问题还必须涉及到多物理场影响，如接触区域的热传导、电流等。

5.1.1 显式动态接触分析能力除了本章讨论的隐式接触分析外，ANSYS还在ANSYS/LS-DYNA中提供了显式接触分析功能。

显式接触分析对于短时间接触-碰撞问题比较理想。

关于ANSYS/LS-DYNA的更多的信息参见《ANSYS/LS-DYNA User"s Guide》。

5.2 一般接触分类接触问题分为两种基本类型：刚体─柔体的接触，柔体─柔体的接触。

在刚体─柔体的接触问题中，接触面的一个或多个被当作刚体，(与它接触的变形体相比，有大得多的刚度)。

一般情况下，一种软材料和一种硬材料接触时，可以假定为刚体─柔体的接触，许多金属成形问题归为此类接触。

柔体─柔体的接触是一种更普遍的类型，在这种情况下，两个接触体都是变形体(有相似的刚度)。

柔体─柔体接触的一个例子是栓接法兰。

5.3 ANSYS接触分析功能ANSYS支持三种接触方式：点─点，点─面，面─面接触。

ANSYSWorkbench结构非线性培训概述

• 更多细节在第7章 “非线性诊断” 中讨论
... 获得非线性求解
求解器控制
• 求解器类型有‘Direct’ 和‘Iterative’.
• 这涉及到程序代码对每次Newton-Raphson 平衡迭代建立刚度矩阵的方式.
• 直接(稀疏) 求解器适用于非线性模型和非连续单元(壳和梁).
• 迭代 (PCG) 求解器更有效(运行时间更短) ，适合于线弹性行为的大模型.
• 默认的 ‘Program Controlled” 将基于当前问题自动选择求解器.
... 获得非线性求解
求解器控制 (cont’d)
• 在Analysis Settings的Solver Control中，设置 “Large Deflection” = ON:
• 多次迭代后调整刚度矩阵以考虑分析过程中几何的变化.
第一章概述
Workbench – Mechanical 结构非线性
1-1
章节概述
• 本章介绍非线性有限元分析(FEA)基础综述 :
A. 什么是 “非线性” 行为? B. 非线性类型 C. 线性求解器的非线性求解 D. 非线性 FEA问题
• 目的是对非线性FEA特性有基本的了解.
• 这部分描述的性能通常适用于Structural或以上的license.
F K
u
F = Ku
F
Ki 3 4
2
1
u
Fi = Kiui
...获得非线性求解
…非线性求解有什么不同? • 非线性分析中有许多选项设置需要考虑.
• 载荷步控制 - 载荷步和子步 • 求解器控制 - 求解器类型 • 非线性控制 - N-R 收敛准则 • 输出控制 - 控制载荷历史中保存的数据

ANSYS Workbench接触实例培训

A. 接触基本概念 B. 接触公式 C. 刚度和渗透 D. 作业3A E. Pinball 区域 F. 对称与反对称 G. 接触结果后处理 H. 作业 3B
• 本章描述的性能通常适用于ANSYS Structural 或以上的license
3-2
Workbench Mechanical - Introduction to Contact
Workbench Mechanical - Introduction to Contact
... 接触公式
Training Manual
• 另外值得一提的是算法不同，接触探测不同:
– Pure Penalty 和 Augmented Lagrange 公式使用积分点探测. 这导致更多的探测点。(在左侧的例子中有10个)
... 接触公式
Training Manual
• 对于特定的“绑定”和“不分离”两个面间的接触类型,可用多点约束
(MPC) 算法.
– MPC 内部添加约束方程来“联结”接触面间的位移 – 这种方法不基于罚函数法或Lagrange乘子法 .它是直接处理绑定接触接触区域
相关接触面的方式。
– MPC算法支持大变形效应
– 两种方法都是基于罚函数方程:
Training Manual
F k x normal
normal penetration
– 这里对于一个有限的接触力 Fnormal, 存在一个接触刚度的knormal的概念，接触刚度越高，穿透量 xpenetration越小，如下图所示
– 对于理想无限大的knormal , 零穿透. 但对于罚函数法，这在数值计算中是不可能，但是只要xpenetration 足够小或可忽略，求解的结果就是精确的。

非线性_接触分析ANSYS

接触分析接触问题是一种高度非线性行为，需要较大的计算资源，为了进行实为有效的计算，理解问题的特性和成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，在你求解问题之前，你不知道接触区域，表面之间是接触或分开是未知的，突然转变的，这随载荷、材料、边界条件和其它因素而定；其二，大多的接触问题需要计算摩擦，有几种摩擦和模型供你挑选，它们都是非线性的，摩擦使问题的收敛性变得困难。

一般的接触分类接触问题分为两种大体类型：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，接触面的一个或多个被看成刚体，（与它接触的变形体相较，有大得多的刚度），一般情况下，一种软材料和一种硬材料接触时，问题可以被假定为刚体－柔体的接触，许多金属成形问题归为此类接触，另一类，柔体－柔体的接触，是一种更普遍的类型，在这种情况下，两个接触体都是变形体（有近似的刚度）。

ANSYS接触能力ANSYS支持三种接触方式：点－点，点－面，和面－面，每种接触方式利用的接触单元适用于某类问题。

为了给接触问题建模，首先必需熟悉到模型中的哪些部份可能会彼此接触，若是彼此作用的其中之一是一点，模型的对应组元是一个结点。

若是彼此作用的其中之一是一个面，模型的对应组元是单元，例如梁单元，壳单元或实体单元，有限元模型通过指定的接触单元来识别可能的接触匹对，接触单元是覆盖在分析模型接触面之上的一层单元，至于ANSYS 利用的接触单元和利用它们的进程，下面分类详述。

点－点接触单元点－点接触单元主要用于模拟点－点的接触行为，为了利用点－点的接触单元，你需要预先知道接触位置，这种接触问题只能适用于接触面之间有较小相对滑动的情况（即便在几何非线性情况下）若是两个面上的结点一一对应，相对滑动又以忽略不计，两个面挠度（转动）维持小量，那么可以用点－点的接触单元来求解面－面的接触问题，过盈装配问题是一个用点－点的接触单元来模拟面－面的接触问题的典型例子。

ANSYS非线性接触问题分析汇总

ANSYS 分线性接触问题分析汇总接触非线性是一门复杂的学科，ANSYS 关于计算非线性接触的设置选项多只又多，很多人摸不到头脑，本文就基于ANSYS 模拟过的几个接触实例，研究了相关设置选项对接触结果的影响。

实例1：橡胶密封圈配合接触研究—非线性求解设置对结果的影响密封圈配合模型简图见图1，左右两端为刚体，中间圆部分为橡胶密封圈，将刚体2沿刚体1方面移动，从而实现橡胶圈密封作用，采用plane182单元，设置轴对称行为，建立橡胶密封圈与刚体接触模型，见图2。

图1 密封圈配合模型简图图2 密封圈配合有限元模型图接触对采用默认设置，摩擦系数取0.10，研究非线性求解器设置对收敛方面的影响，大变形静态（Large Displacement Static ）效应打开，自动时间步长（Automatic time stepping ）打开，子步数（Number of substeps ）设置为50，线性搜索（Line search ）打开。

1 收敛准则对结果的影响此实例收敛准则默认采用力收敛结合力矩收敛准则（基于L2范数），收敛容差（Tolerance ）默认为0.001，工程上认为0.05的收敛容差足够满足要求。

表 1 收敛容差对计算结果的影响收敛容差最大应力/ MPa报错与否？ 0.001 4.12364报错 0.05 4.12785 报错 0.14.12996报错查看报错信息，见图3，表示单元过于扭曲，建议提高子步数或降低时间步长，需要提高网格质量，也要考虑材料属性，接触对及约束方程的合理性，若在第一步迭代就如此，需要预先执行单元形状检查。

图3 报错信息刚体1刚体2密封圈橡胶密封圈配合Von Mises应力云图见图4。

图4 橡胶密封圈配合Von Mises应力2 子步数对结果的影响此实例子步数设置为50、100、200、500，收敛容差（Tolerance）默认为0.001，研究子步数对收敛的影响。

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培训QQ群： 311735634培训费用：500，10月30日前缴费的，优惠50，仅收450.支付方式：支付宝或网上银行转账培训软件：ANSYS15.0，ANSYS Workbench环境培训时间：11月4日，每天晚上19:30到21:30,持续9天课程特点：原理+操作+实例+工程经验+技巧，重点是讲解如何处理接触分析常见不收敛的问题。

第1天课程1.接触分析综述1.1概述1.2接触分析典型应用1.3接触类型1.4接触分析基本过程；1.5接触分析中的实常数与关键字简介1.6范例：球体-平面赫兹接触第2天课程2.接触基本设置选项2.1接触算法2.2接触刚度2.3穿透容差2.4 Pinball区域2.5接触作用方式2.6初始接触状态判断与调整2.7工程实例工程实例1：液压阀结构的接触有限元分析工程实例2：过盈配合结构有限元分析第3天课程3.非线性方程求解方法3.1非线性方程求解方法3.2非线性收敛准则3.3预测器3.4自适应下降3.5线性搜索3.6弧长法3.7 工程实例：非线性屈曲接触有限元计算第4天课程4.摩擦接触4.1摩擦模型；4.2摩擦参数；4.3自定义摩擦系数；4.4切向法刚度；4.5切向滑动容差4.6摩擦生热4.7工程实例工程实例1：齿轮接触的摩擦有限元计算工程实例2：轮胎地面滚动摩擦接触有限元计算第5天课程5.接触分析插入的命令流5.1 接触单元关键字插入的命令5.2 接触单元实常数插入的命令5.3 接触模型插入的命令5.4 工程实例工程实例1：圆柱转动摩擦生热有限元分析工程实例2：界面开裂失效有限元分析第6天课程6.接触分析后处理6.1 接触工具6.2 联合ANSYS经典版进行后处理6.3 接触分析后处理可查看的选项6.4 判断接触分析精度的方法6.5 接触单元的单元表6.7工程实例：双耳结构接触有限元分析第7天课程7.接触分析高级功能7.1刚-柔接触7.2实体-壳体的连接7.3螺栓预紧连接7.4点焊结构分析7.5接触裁剪7.6对称与非对称接触7.7稳态阻尼系数7.8壳体接触厚度效应7.9接触时间步控制7.10工程实例工程实例1：点焊连接结构有限元分析工程实例2：薄壁冲压接触有限元分析工程实例3：轮盘轮毂螺栓预紧连接接触有限元计算第8天课程8.热接触分析8.1热接触行为与接触状态8.2接触热传导8.3工程实例：多材料接触导热有限元计算。

ANSYS接触非线性的原理培训及技巧分析

•
对于有限元法，类似的得到：
⎡K ⎢K ⎣ ab
– –
K ab ⎤ ⎧a ⎫ ⎧ p ⎫ ⎥ ⎨b ⎬ = ⎨Q ⎬ 0 ⎦⎩ ⎭ ⎩ ⎭
因此，总刚度阵存在0对角元素，无法用快速求解算法——（PCG）增加了自由度数和方程阶数——一个接触单元（或一个高斯点）多一个λ自由度？
© 2005 ANSYS, Inc.
接触非线性的原理培训及技巧分析
孟志华 2005年7月12日
© 2005 ANSYS, Inc.
1
ANSYS, Inc. Proprietary
© 2005 ANSYS, Inc.
2
ANSYS, Inc. Proprietary
接触非线性算法原理——约束变分原理
• • • • 一般的自然变分原理，位移函数事先已经且必须满足边界条件（附加条件），并将边界条件代入刚度阵消除矩阵奇异性。接触非线性，边界条件事先未知，无法直接使用自然变分原理约束变分原理更为广泛，不仅用于接触问题，且用于板壳问题等约束变分原理基本方法——将位移函数应事先满足的附加条件，引入泛函，变为无附加条件的变分原理。 – 两种方法引入附加条件，来构造修正泛函：
•具体迭代步骤：
F Fnr1
1 2
3 4
{F}
© 2005 ANSYS, Inc.
{Fnr}
7
Δu 1
u
ANSYS, Inc. Proprietary
接触非线性基本计算过程
© 2005 ANSYS, Inc.
8
ANSYS, Inc. Proprietary
接触非线性计算过程
开始增量迭代
打开
确定接触状态
© 2005 ANSYS, Inc.

【VIP专享】ANSYS Workbench 接触非线性有限元专题培训

ANSYS Workbench 结构非线性培训作业接触界面处理

– 几次迭代后求解快速收敛
WS4A-13
Workbench Mechanical – Structural Nonlinearities
…作业 4A: 接触界面处理
• 高亮显示Solution Branch
– 右击 > Insert > Contact Tool…
• 高亮显示最新插入的 Contact Tool
• 高亮显示最新插入的Contact Tool 中的初始信息
– 右击> Generate Initial Contact Results
• 应产生如下表定义的接触区域的初始件:
Workshop Supplement
WS4A-11
Workbench Mechanical – Structural Nonlinearities
• 校正三个预定义接触区域的初始条件
– 高亮显示 Connections – 右击> Insert >Contact Tool
Workshop Supplement
WS4A-10
Workbench Mechanical – Structural Nonlinearities
…作业 4A: 接触界面处理
纹细节没有建模) 的绑定接触
Workshop Supplement
WS4A-3
Workbench Mechanical – Structural Nonlinearities
…作业 4A: 接触界面处理
模型描述 (绪) • 热边界:
A. 热歧管 @ 220C B. 冷歧管板 @50C C. 喷嘴尖端带状加热器 @ 80 Watts
…作业 4A: 接触界面处理
Workshop Supplement

ANSYS接触非线性应用技巧

Workbench 默认算法，计算速度快
Augmented Lagrange
ANSYS 经典界面默认算法，计算精度较高，收敛性好
Pure Lagrange
点对点的接触（较少使用）
Pure Lagrange on Normal; Penalty on Tangent
常用于模拟接触面之间零穿透并且存在摩擦的情况，例如模拟橡胶－金属之间的接触
Single contact pair
Contact pair-1
2.接触刚度不合适
缺省的接触刚度不再适用
ANSYS求解接触问题时，接触刚度对收敛性影响显著。大多数情况下缺省设置有效，但不适于弯曲为主的接触问题。不好收敛的信号是，收敛曲线平行于收敛准则，如下图。选择小的罚刚度值（ FKN），可以使接触容易收敛。
Error in element formulation
案例：非线性培训教材例子
项目背景
– 使用简化的2D 平面应力模型同样收敛失败
案例：非线性培训教材例子
解决方案
– 回到 DM 界面,增加倒圆角，右下角可看到小半径
案例：非线性培训教材例子
结果后处理.
案例：某机车结构件
工程背景
– 计算橡胶材料在挤压作用下变形和应力应变
Multipoint Constraint (MPC)
经常和Bonded联合使用，用于大模型的装配定义，可大大降低计算时间，还或用于不同类型单元之间的连接
ANSYS接触不收敛原因及对策
遗漏接触对接触刚度大载荷步少奇异网格大变形刚体位移振荡其他...
1.遗漏接触对
• 如果有些区域接触了（如自接触），但是没有定义接触对，单元会扭曲。

ansys接触非线性

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面对面接触单元
ANSYS 支持刚体对柔体和柔体对柔体的面对面接触单元. 这些接触单元使用“ 目标面”和“ 接触面” 的概念来形成接触对.
接触面
目标面
面对面接触单元使用增强的拉格朗日法施加接触协调条件(默认). 作为一个可选项, 还可以用罚函数法.
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面对面接触的优点
与低次和高次单元都兼容. 支持具有大滑动和摩擦的大变形. 提供更好的接触结果 (易于进行接触压力和摩擦应力的后处理). 能计算壳和梁的厚度及壳厚度的改变. 半自动接触刚度计算. “ 控制节点” 对刚性面的控制(关于主控节点后面有更多的叙述). 智能缺省设置、接触向导 (易于使用).
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接触刚度
• 点对点(接触12单元和接触52单元)和节点对表面(接触48单元和接触49单元)接触单元都要求给出罚刚度. • 罚刚度越大, 接触表面的侵入量越小. 然而, 若此值太大,则会由于病态条件而引起收敛困难. • 可以通过一些实验来确定一个合适的接触刚度, 使求解收敛,而且侵入量可以接受.
37
面对面接触处理
步骤 1. 创建实体模型并划分网格. 步骤 2. 指定接触面和目标面. 在这个例子中, 一个表面被认为是刚性的, 这样, 目标面和接触面的指定就
接触面
刚性
目标面
超弹性密封嵌入
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面对面接触处理
步骤 3. 设置单元选项和实常数. 重要! 接触对由实常数号来确定. 目标单元和接触单元必须共用相同的实常数号 (在后面, 我们将详细讨论所有的单元选项和实常数. 缺省的单元选项和实常数设置可以应用于许多问题).
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面对面接触处理
步骤 3.设置单元选项和实常数. 应该设置罚刚度比例系数(FKN)和拉格朗日乘子侵入比例系数 (FTOLN). FKN 通常介于0.01~10之间. 对于体积变形问题, 用值1.0(默认), 对于以弯曲变形为主的问题, 用值 0.1. FTOLN 默认为0.1. 可以改变此值, 但若容差太小, 会使迭代数过多或不收敛.