第9讲接触问题分析

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autots , on nsubst , 120 outres , all, 10 solve /postl set , last /dsca , , 1 pldi , 2 plns , nl , sv fini /post26 rfor , 2 , 14 , f,y add , 2 , 2 , , , , , , -1.0 plva , 2 fini
8．以及热—机耦合 的接触传热等。
更新接触约束 细分增 量步长
否
是否收敛? 是 是否分离? 否
是
是 否
是否穿透? 否 是否最后增量步? 是
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结束
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主讲：练章华 教授
(一)、 面－面接触分析
接 触 单 元
“ 接触”面总是柔性面
刚体－柔体 柔体－柔体
接触面和目标面都是变形体，这两个面合起来叫作“ 接触 对”，程序通过相同的实常数号来识别“ 接触对”。
主讲：练章华 教授
实例1: 两块钢板压一个圆盘的大应变非线性分析ANSYS
本实例中将进行一个两块钢板压一个圆盘的非线性分析，如图所示，由于上 下两块钢板的刚度比圆盘的刚度大得多，钢板与圆盘壁面之间的和摩擦足够大， 因此，在建模时只建立圆盘的模型。详细参数如下： EX＝1000 MPa（弹性模量） Yield Strength=1 MPa（屈服强度） NUXY＝0.35（泊松比） Tang Mod=2.99 MPa（剪切模量）
如果接触单元是附在已用实体单元划分网格的面或体 上，程序会自动决定接触计算所需的外法向。
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主讲：练章华 教授
3)检查接触单元外法线的方向。
对3D单元，按节点程序号以右手定则来决定单元的 外法向，接触面的外法向应该指向目标面。 Command：／PSYMB，ESYS，1 GUI: Utility Menu＞PotCtrL＞Symbols 当发现单元的外法线方向不正确时，必须通过反转不正 确单元的节点号来改正它们。 Command: ESURF，REVE GUI：Main Menu＞Preprocessor＞Create＞Elements On Free Surf
(6, 1.5)
(0, 0)
5 12
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主讲：练章华 教授
/solu nsel , s , loc , x , 0 dsym , symm , x nsel , s , loc , y , 0 dsym , symm , y nsel , all d , all , uz nsel , y , 1.5 d , all , ux nsel , all /solution nlgeom , on pred , on d , 14 , uy , -0.3 time , 0.3
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主讲：练章华 教授
1．建立模型
2．识别接触对
通过目标单元和接触单元来定义模型在变形期 间可能发生接触的区域
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3．指定接触面和目标面
接触单元被约束住，不能穿透目标面， 然而目标单元可以穿透接触面。
(1)当凸面和平面或凹面接触时，应 指定平面或凹面作为目标面。 (2)如果一个面上的网格较细，而另一个 面上的网格较粗，应指定细网格所在面作 为接触面，粗网格所在面作为目标面 (3)如果两个面的刚度不同时，应当较硬的 面为目标面，较软的面作为接触面。 (4)如果两个面的大小明显不同，应将大 面作为目标面。 (5)一个面上的基础单元是高阶单元，而另 一个面上的基础单元是低阶单元，应将基 础单元为高阶单元的面作为接触单元。
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位移等值线图
等效应力等值线图
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实例2: 圆柱壳非线性屈曲分析实例(ANSYS)
问题描述：一个对边简支的圆柱壳，在其中心作用一个垂直的集中载荷。我们的 目的是分析当载荷大小为1000N 时，A、B 两点的垂直位移（UY）。 问题详细说明： 材料特性： EX=3.10275 KN /mm2 （杨氏模量）NUXY = 0.3 （泊松比） 几何特性： R = 2540m L = 254m 铰约束 H = 6.35m ＝0.1 rad 载荷： 2L p = 1000N
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①使用直接生成法建立刚性目标单元
GUI， Main Menu＞Preprocessor＞－Modeling－Create＞Elements＞Elem Attrributes
刚性目标单元及形状
维 数 2D 3D 形 状 straighline ； Parabola ； Clockwise arc ； Counterclockwise arc； circle：pi1ot node Triangle；Cylinder；cone sphese；pilot node
载荷
钢板
3
圆盘 钢板
载荷
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直径＝12
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/prep7 /title ,upsetting et , l , 106 , , , 1 mp , ex , 1 , 1000 mp , nuxy , , 0.3 tb , biso , 1 tbdata , , 1 , 2. 99 rect , 0 , 6 , 0 , 1.5 lesi , 1 , , , 12 lesi , 2 , , , 5 mshape , 0 , 2d mshkey , 1 amesh , all nsel , y , 1.5 cp , 1 , uy , all nsel , all fini
接触体的初始定义 输入增量步数据
接 触 算 法 基 本 流 程
接触检查 定义接触约束 施加分布载荷
开始增量步 开始迭代
1．定义接触体
2．探测接触 3．施加接触约束
装配刚度矩阵(包含摩擦的影响) 施加接触约束
4．模拟摩擦
5．修改接触约束 6．检查约束的变化
平衡方程求解 改变 接触 约束 应力计算
7．判断分离和穿透
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第六章 接触问题分析
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主讲：练章华 教授
概述 状态非线性
•只能承受张力的缆索的松弛与张紧 •滚轮与支撑的接触与脱开 •冻土的冻结与解冻 随着它们状态的变化， 它们的刚度显著变化。
接 触
接触是一种很普遍的非线性行为，它是 状态变化非线性类型中一个特殊而重要 的子集，是一种高度非线性行为。
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Command:MSNKEY，2 GUI：Main Menu＞Preprocessor＞Meshing一Mesh＞Ares一Targe surf 16
主讲：练章华 教授
建模和网格划分的注意点 (1)一个目标面可能由两个或多个间断的区域组成，应该 尽可能地通过定义多个目标面来使接触区域局部化。 (2)不能使用镜面对称技术(ARSYSM，LSYMM)来映射 圆、圆柱，圆锥或球面到对称平面的另一边，因为每个 实常数的设置不能同时赋给多个图元。 检验目标的接触方向 2D接触 问题 3D接触 问题
涉及到两个边界的接触问题中: 把一个边界作为“ 目标”面， 而把另一个作为“ 接触”面。
刚体－柔体的接触模型，只需给可能成为柔体接触面的部分划分网格。
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(二)、 面－面的接触分析步骤
1．建立模型 2．识别接触对 3．指定接触面和目标面 4．定义刚性目标面 5．定义柔性体的接触面 6．设置实常数和单元关键字
目标面的节点号顺 序定义了接触方向
当沿着目标线从第一个节点移向第二个节点时， 变形体的接触单元必须位于目标面的右边。
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目标三角形单元号应该使刚性面的外法wenku.baidu.com方 向指向接触面，外法线通过右手原则来定义。
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主讲：练章华 教授
5．定义柔性体的接触面
程序通过组成变形体表面的接触单元来定义接触表面
刚体－柔体接触 柔体－柔体接触 面－面接触 点－面接触 点－点接触
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接触问题的描述方法
产生接触的两个物体必需满足无穿透约束条件
u A n D
uA—A点增量位移向量； n—单位法向量； D—为接触距离容限。
体 变形
刚体
无穿透接触约束
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输入
主讲：练章华 教授
定义柔性体接触面的接触单元
维 数 二 CONTA171 维 二 CONTA172 维 三 CONTA173 维 单元名称 特点 使用方法
2个节点的低 可能位于2D实体，壳或梁单元的表面 阶线单元 3个节点的高 可能位于有中节点的2D实体或梁单元 阶抛线形单元 的表面 4个节点的低 可能位于3D实体或壳单元的表面，它 阶四边形单元 可能退化成一个3节点的三角形单元 8个节点的高 可能位于有中节点的3D实体或壳单元 三 CONTA174 阶四 边形单 的表面，它可能退化成6节点的三角 维 元 形单元
铰约束
圆柱壳的非线性屈曲分析结构
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主讲：练章华 教授
FINI /CLE /PREP7 smrt, off ET,1,SHELL63,,1 R,1,6.350 ! 壳厚度 MP,EX ,l,3102.75 MP,NUXY,1,0.3 /COM CREATE FINITE ELEMENT MODEL R1=2540 ! 壳中面半径 L=254 ! 取一半 PI=4 * ATAN(l) ! 值 THETA =0.1*180/Pl CSYS, 1 ! 柱坐标 N,l,R1, 90 ! 建立节点1和2 N,2,Rl,90,L K,1,R1,90 K,2,R1,(90－THETA) K,3,R1,90 , L K,4,R1,(90－THETA ) , L ESIZE,,2 ! 单元尺寸 A,1,3,4,2 AMESH,1 NUMMRG,NODE /COM APPLY BOUNDARY CONDITIONS NSEL,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,DB RESUME,BUCKLEZ,DB /SOLUTION ANTYPE,STATIC NLGEOM,ON ! 大变形 OUTRES,,1 ! 每子步输出结果 F,1,FY,-250 ! 1 / 4 对称载荷 NSUBST,30 ! 用30步开始 ARCLEN,ON,4 SOLVE FINISH / POST26 NSOL,2,1,U,Y ! 存节点1的UY位移 NSOL,3,2,U,Y ! 存节点2的UY位移 PROD,4,l,,,LOAD,,,4*250 ! 总载荷 4*250 PROD,5,2,,,,,,-l ! 改变位移符号 PROD,6,3,,,,,,-l *GET,UY1,VARI,2,EXTREM,VMIN *GET,UY2,VARI,3,EXTREM,VMIN PRVAR,2,3,4 ! /AXLAB,Y,TOTAL LOAD (N) /GRID,1 /XRANGE,O,35 /YRANGE,-500,1050 XVAR,5 PLVAR,4 ! 绘出随UY变化的载荷 XVAR,6 PLVAR,4 FINISH
②划分刚性目标单元 2D目标单元 GUI：Main Menu＞Preprocessor一Meshing一Mesh＞Lines 3D 目 标 单 元
Command：AMFSH GUI:Main Menu＞Preprocessor＞Meshing mesh＞Ares一Target Sarf Command，LMESH
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主讲：练章华 教授
生成接触单元
l)选择节点: 选择节点时必须保证没有漏掉可能会接触到目标面的节点。 Command:NSEL GU1：Main Menu＞Preprocessor＞Create＞Element＞0n>Free Surf 2)生成接触单元 Command: ESURF GUI:Main Menu＞Preprocessor＞Create＞Element＞On Free Surf
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接触面
目标面 接触面 目标面 接触面
接触面
目标面
目标面 硬面
接触面
目标面
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主讲：练章华 教授
4．定义刚性目标面
单元类型
二维刚性目标面用TARGE169单元 三维刚性目标面用TARGE170单元
在三维情况下，任意形状的目 标面应该使用三角面来建模。
实常数
对TARGE169和TARGE170 仅需设置实常数R1和R2