ansys高级接触分析第6章-高级选项设置教学文稿
ANSYS高级接触分析资料
§2 接触单元
§2 接触单元
• 3. 点－点接触单元用于模拟单点和另一个确定点 之间的接触。
• 建立模型时必须事先知道确切的接触位置； • 多个点－点接触单元可以模拟两个具有多个单元
表面间的接触； ◦ 每个表面的网格必须是相同的； ◦ 相对滑动必须很小； ◦ 只对小的转动响应有效。 • 例如: 点一点接触可以模拟一些面的接触。如地基
和土壤的接触
§2 接触单元
§3 关于耦合和约束方程的应用
• 如果接触模型没有摩擦，接触区域始终粘在一起，并且分 析是小挠度、小转动问题，那么可以用耦合或约束方程代 替接触。
• 使用耦合或约束方程的优点是分析还是线性的
接触问题的一般特性
• §1 接触刚度
• 1、所有的 ANSYS 接触单元都采用罚刚度（接触刚度）来 保证接触界面的协调性
• 接触面和目标面确定准则
• 如凸面和平面或凹面接触，应指定平面或凹面为目标 面；
• 如一个面上的网格较粗而另一个面上的网格较细，应 指定粗网格面为目标面；
• 如一个面比另一个面的刚度大，应指定刚度大的面为 目标面；
• 如一个面为高阶单元而另一面为低阶单元，应指定低 阶单元面为目标面；
• 如一个面比另一个面大，应指定大的面为目标面。
•
可变形目标面采用
•
Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create >
Elements > Surf/Contact > Surf to Surf(ESURF)
• 对于直接生成刚性目标面，在建立目标单元之前需要要指定附加的单元属 性 TSHAP
• 刚性目标面的自动划分不需要 TSHAP。ANSYS 能根据 实体模型确定合适的目标单元形状。
ANSYS接触问题的计算方法及参数设置
ANSYS接触问题的计算方法及参数设置接触问题的关键在于接触体间的相互关系(废话,),此关系又可分为在接触前后的法向关系与切向关系法向关系:在法向,必须实现两点:1)接触力的传递。
2)两接触面间没有穿透。
ANSYS通过两种算法来实现此法向接触关系:罚函数法和拉格朗日乘子法。
1.罚函数法是通过接触刚度在接触力与接触面间的穿透值(接触位移)间建立力与位移的线性关系:接触刚度*接触位移=法向接触力对面面接触单元17*,接触刚度由实常数FKN来定义。
穿透值在程序中通过分离的接触体上节点间的距离来计算。
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,可以实现完全的接触状态,使穿透值等于零。
但是显而易见,在程序计算中,接触刚度不可能为无穷大(否则病态),穿透也就不可能真实达到零,而只能是个接近于零的有限值。
以上力与位移的接触关系可以很容易地合并入整个结构的平衡方程组K*X=F 中去。
并不改变总刚K的大小。
这种罚函数法有以下几个问题必须解决:1)接触刚度FKN应该取多大?2)接触刚度FKN取大些可以减少虚假穿透,但是会使刚度矩阵成为病态。
3)既然与实际情况不符合的虚假穿透既然是不可避免的,那么可以允许有多大为合适?因此,在ANSYS程序里,通常输入FKN实常数不是直接定义接触刚度的数值,而是接触体下单元刚度的一个因子,这使得用户可以方便地定义接触刚度了,一般FKN 取0.1到1中间的值。
当然,在需要时,也可以把接触刚度直接定义,FKN输入为负数,则程序将其值理解为直接输入的接触刚度值。
对于接近病态的刚度阵,不要使用迭代求解器,例如PCG等。
它们会需要更多的迭代次数,并有可能不收敛。
可以使用直接法求解器,例如稀疏求解器等。
这些求解器可以有效求解病态问题。
穿透的大小影响结果的精度。
用户可以用PLESOL,CONT,PENE来在后处理中查看穿透的数值大小。
如果使用的是罚函数法求解接触问题,用户一般需要试用多个FKN值进行计算,可以先用一个较小的FKN值开始计算,例如0.1。
Ch6-接触
penetrating node Shell TOP surface
penetrating node
Contact Restoring Force
Shell BOTTOM surface
Contact Restoring
Automatic Contact
General Contact
侵蚀接触
• 当单元可能失效时用这种接触. 侵蚀接触的目的是保证在模型 单元失效被删除后，剩下的单元依然能够考虑接触。
程中与压延筋始终保持接触.
F = F + F friction
bending
Depth of drawbead
钣金成形类 接触
• 成型接触选项： forming node to surface (FNTS), forming to surface (FSTS) 和forming one-way surface to surface 是钣金成形分析中首选的类型.
Flim = VC Asegment • 摩擦系数限制经常用于接触会引起塑性流动的应用中。建议 VC = 1.732 ss
材料的剪切屈服应力
接触面定义 - Step 2（续）
• 为了避免接触中不必要的振荡, 可以使用接触阻尼系数VDC 在接触面垂直方 • VDC 使实际频率转换为临界频率的百分比，如20%，则VDC 输入值应为 20
面面接触
• 当一个物体的面穿透另一个物体的面时，使用面面接触算法. • 面面接触是完全对称的，因此接触面与目标面的选择是任意的. • 对于面面接触, 需要用节点组元和PART号来定义接触面和目标面.
从属于多个接触面. • 面面接触是一种通用算法 ，通常用于在已知的接触对象是较大的
06 ANSYS13.0 Workbench 结构非线性培训 高级接触解析
• Tolerance Type, Tolerance Value, and Tolerance
Slider: CAD 系统创建的装配体可能没有精确装配, 导致两 体间的接触区域有小的重合或间隙. 可指定接触探测容差 来解决任何的不精确 (只适用于自动接触探测).
4-7
Workbench Mechanical - Advanced Contact
– 如图所示，当前指针位置出现一圆.
图示说明用户定义的接 触探测容差值 CAD 部件间存在的 间隙
4-8
Workbench Mechanical - Advanced Contact
...自动接触探测选项
• 实体和面体间可得到的接触探测类型:
– 面/面: 不同体面间的接触 – 面/边: 不同体的面和边间的接触 – 边/边: 不同体边间的接触
4-6
Workbench Mechanical - Advanced Contact
...自动接触探测选项
Training Manual
• 接触默认设置和自动探测能力对大多接触问题有效. 然而, 可以执行这些额外 控制来放宽分析的接触范围 :
• Generate Contact on Update:若该选型设为Yes ，输入 模型(最新的)时自动创建面/面接触区域. 设置为 „No‟ 仍然 允许手动激活自动生成接触, 或手动构建接触区域.
...自动接触探测选项
Training Manual
• 优先权: 对非常大的模型，接触对的数量有时候是过剩的，特别是当允许多 种接触类型时.
• 209个部件 • 450 个对称接触对 • 115万个自由度
4-10
Workbench Mechanical - Advanced Contact
ANSYS高级非线性培训手册第06章详解
Training Manual
Advanced Structural Nonlinearities 11.0
• 本节介绍18x系列单元的 不同超弹性模型，基于 应变不变量或直接用主延伸率的每个模型都是 W 的特殊形式。
多项式 Neo-Hookean Mooney-Rivlin Arruda-Boyce Ogden
W W I1 , I 2 , I 3 or W W l1 , l2 , l3
简略地讨论一下应变能势的特殊形式，这些形式决定 采用延伸率还是应变不变量。 – 基于W, 确定第二 Piola-Kirchoff 应力(和 GreenLagrange 应变): dW Sij dEij
• 超弹性本构模型通过应变能密度函数来定义。
D : – 与塑性不同, 超弹性不定义为速率公式 – 相反, 总应力与总应变的关系由应变能势 (W)来定义。
超弹性
... 延伸率的定义
Training Manual
Advanced Structural Nonlinearities 11.0
Advanced Structural Nonlinearities 11.0
• 三个应变不变量一般用于定义应变能密度函数。
若材料是完全不可压缩的, 则I3 = 1。 • 由于假设材料为各向同性，应变能势的一些形式 可以表示为这些标量不变量的函数。换句话说, 应变不变量是应变的度量，与用于度量应变时使 用的坐标系无关。
Training Manual
Advanced Structural Nonlinearities 11.0
• Neo-Hookean 形式 可看作是多项式形式的子集, 其中N=1, c01=0, c10=/2:
（完整版）ANSYS—接触单元说明
（完整版）ANSYS—接触单元说明参考ANSYS的中⽂帮助⽂件接触问题（参考ANSYS的中⽂帮助⽂件）当两个分离的表⾯互相碰触并共切时，就称它们牌接触状态。
在⼀般的物理意义中，牌接触状态的表⾯有下列特点：1、不互相渗透；2、能够互相传递法向压⼒和切向摩擦⼒；3、通常不传递法向拉⼒。
接触分类：刚性体－柔性体、柔性体－柔性体实际接触体相互不穿透，因此，程序必须在这两个⾯间建⽴⼀种关系，防⽌它们在有限元分析中相互穿过。
――罚函数法。
接触刚度――lagrange乘⼦法，增加⼀个附加⾃由度（接触压⼒），来满⾜不穿透条件――将罚函数法和lagrange乘⼦法结合起来，称之为增⼴lagrange法。
三种接触单元：节点对节点、节点对⾯、⾯对⾯。
接触单元的实常数和单元选项设置：FKN：法向接触刚度。
这个值应该⾜够⼤，使接触穿透量⼩；同时也应该⾜够⼩，使问题没有病态矩阵。
FKN值通常在0.1~10之间，对于体积变形问题，⽤值1.0（默认），对弯曲问题，⽤值0.1。
FTOLN：最⼤穿透容差。
穿透超过此值将尝试新的迭代。
这是⼀个与接触单元下⾯的实体单元深度（h）相乘的⽐例系数，缺省为0.1。
此值太⼩，会引起收敛困难。
ICONT：初始接触调整带。
它能⽤于围绕⽬标⾯给出⼀个“调整带”，调整带内任何接触点都被移到⽬标⾯上；如果不给出ICONT值，ANSYS根据模型的⼤⼩提供⼀个较⼩的默认值（＜0.03＝PINB：指定近区域接触范围（球形区）。
当⽬标单元进⼊pinball区时，认为它处于近区域接触，pinball区是围绕接触单元接触检测点的圆（⼆维）或球（三维）。
可以⽤实常数PINB调整球形区（此⽅法⽤于初始穿透⼤的问题是必要的）PMIN和PMAX：初始容许穿透容差。
这两个参数指定初始穿透范围，ANSYS 把整个⽬标⾯（连同变形体）移到到由PMIN和PMAX指定的穿透范围内，⽽使其成为闭合接触的初始状态。
初始调整是⼀个迭代过程，ANSYS最多使⽤20个迭代步把⽬标⾯调整到PMIN和PMAX范围内，如果⽆法完成，给出警告，可能需要修改⼏何模型。
ANSYS高级接触分析
• 如凸面和平面或凹面接触，应指定平面或凹面为目标 面；
• 如一个面上的网格较粗而另一个面上的网格较细，应 指定粗网格面为目标面；
• 如一个面比另一个面的刚度大，应指定刚度大的面为 目标面；
• 如一个面为高阶单元而另一面为低阶单元，应指定低 阶单元面为目标面；
• 如一个面比另一个面大，应指定大的面为目标面。
• 接触单元就是覆盖在分析模型接触面上的一层 单元。
• 在 ANSYS 中可以采用三种不同的单元来模拟 接触：
◦
面一面接触单元；
◦
点一面接触单元；
◦
点一点接触单元。
§2 接触单元
• 不同的单元类型具有完全不同的单元特性和分 析过程。
• 1. 面一面接触单元用于任意形状的两个表面接 触
• 不必事先知道接触的准确位置； • 两个面可以具有不同的网格； • 支持大的相对滑动； • 支持大应变和大转动。 • 例如: 面一面接触可以模拟金属成型，如轧制
• 在数学上为保持平衡，需要有穿透值 • 然而，物理接触实体是没有穿透的 • 分析者将面对困难的选择： • 小的穿透计算精度高，因此接触刚度应该大； • 然而，太大的接触刚度会产生收敛困难：模型可能会振荡，接触
表面互相跳开。 • 接触刚度是同时影响计算精度和收敛的最重要的参数。你必须选
定一个合适的接触刚度。 • 除了在表面间传递法向压力外，接触单元还传递切向运动（摩
◦
开始估计时，选用
◦
FKN = 1.0 大面积实体接触
◦
FKN = 0.01-0.1 较柔软（弯曲占主导的部分）
• 另外，也可以指定一个绝对刚度值，单位：（力/ 长度）/ 面积。
• 对于点一点（除 CONTA178）和点－面接触单元需 要为罚刚度 KN 输入绝对值：
Ansys接触分析和设置
Ansys非线性接触分析和设置设置实常数和单元关键选项程序利用20个实常数和数个单元关键选项，来操纵面─面接触单元的接触。
参见《ANSYS Elements Reference》中对接触单元的描述。
实常数在20个实常数中，两个(R1和R2)用来概念目标面单元的几何形状。
剩下的用来操纵接触面单元。
R1和R2 概念目标单元几何形状。
FKN 概念法向接触刚度因子。
FTOLN 是基于单元厚度的一个系数，用于计算许诺的穿透。
ICONT 概念初始闭合因子。
PINB 概念“Pinball"区域。
PMIN和PMAX 概念初始穿透的允许范围。
TAUMAR 指定最大的接触摩擦。
CNOF 指定施加于接触面的正或负的偏移值。
FKOP 指定在接触分开时施加的刚度系数。
FKT 指定切向接触刚度。
COHE 制定滑动抗力粘聚力。
TCC 指定热接触传导系数。
FHTG 指定摩擦耗散能量的热转换率。
SBCT 指定 Stefan-Boltzman 常数。
RDVF 指定辐射观看系数。
FWGT 指定在接触面和目标面之间热散布的权重系数。
FACT 静摩擦系数和动摩擦系数的比率。
DC 静、动摩擦衰减系数。
命令： RGUI：main menu> preprocessor>real constant对实常数 FKN, FTOLN, ICONT, PINB, PMAX, PMIN, FKOP 和 FKT，用户既能够概念一个正值，也能够概念一个负值。
程序将正值作为比例因子，将负值作为绝对值。
程序将下伏单元的厚度作为ICON，FTOLN，PINB，PMAX 和 PMIN 的参考值。
例如 ICON = 说明初始闭合因子是“*基层单元的厚度”。
但是，ICON = 那么表示真实调整带是单位。
若是下伏单元是超单元，那么将接触单元的最小长度作为厚度。
参见图5-8。
图5-8 基层单元的厚度在模型中，若是单元尺寸转变专门大，而且在实常数如 ICONT, FTOLN, PINB, PMAX, PMIN 中应用比例系数，那么可能会显现问题。
ANSYS_高级接触分析
跟踪接触位置； 保证接触协调性（防止接触表面相互穿透）； 在接触表面之间传递接触应力（正压力和摩 擦）。 接触单元就是覆盖在分析模型接触面上的一层 单元。 在 ANSYS 中可以采用三种不同的单元来模拟 接触： 面一面接触单元； 点一面接触单元； 点一点接触单元。
§2 接触单元
• 不同的单元类型具有完全不同的单元特性和分 析过程。 • 1. 面一面接触单元用于任意形状的两个表面接 触 • 不必事先知道接触的准确位置； • 两个面可以具有不同的网格； • 支持大的相对滑动； • 支持大应变和大转动。 • 例如: 面一面接触可以模拟金属成型，如轧制 过程。
• • • • • • • • •
在数学上为保持平衡，需要有穿透值 然而，物理接触实体是没有穿透的 分析者将面对困难的选择： 小的穿透计算精度高，因此接触刚度应该大； 然而，太大的接触刚度会产生收敛困难：模型可能会振荡，接触 表面互相跳开。 接触刚度是同时影响计算精度和收敛的最重要的参数。你必须选 定一个合适的接触刚度。 除了在表面间传递法向压力外，接触单元还传递切向运动（摩 擦）。采用切向罚刚度保证切向的协调性。（图1－2） 作为初值，可采用：Ktangent=0.01 · Knormal 切向罚刚度与法向罚刚度以同样的方式对收敛性和计算精度产生 影响。
§2 接触单元
§2 接触单元
• 3. 点－点接触单元用于模拟单点和另一个确定点 之间的接触。 • 建立模型时必须事先知道确切的接触位置； • 多个点－点接触单元可以模拟两个具有多个单元 表面间的接触； ◦ 每个表面的网格必须是相同的； ◦ 相对滑动必须很小； ◦ 只对小的转动响应有效。 • 例如: 点一点接触可以模拟一些面的接触。如地基 和土壤的接触
§2 面－面接触单元
ansys高级接触分析第6章-高级选项设置
接触属性高级选项设置
…初始穿透
Training Manual
Advanced Contact & Fasteners
• 对于接触法向经常改变的接触问题，可尝试接触面目标面互换或去 掉有问题的接触单元.
目标面
接触面
May 16, 2005 Inventory #002256 6-8
接触属性高级选项设置
…初始穿透- Workshop
• 可参考WORKSHOP中的相关章节: • W6A. 初始穿透.
Training Manual
May 16, 2005 Inventory #002256 6-9
Advanced Contact & Fasteners
接触属性高级选项设置
B. 处理刚体运动
Training Manual
小的强制性位移
May 16, 2005 Inventory #002256 6-14
接触属性高级选项设置
...处理刚体运动
• 位移控制
– Load Step 1
• 施加一个小的强制性位移. – Load Step 2
Training Manual
Advanced Contact & Fasteners
– 点－点接触选项设置放在第九章中讨论.
May 16, 2005 Inventory #002256 6-2
接触属性高级选项设置
Training Manual
•
本章节包含以下主题:
A. 初始穿透
Advanced Contact & Fasteners
B. 处理刚体运动
– – – – – 对位移的控制 对力的控制 Full 法瞬态动力学 使用弱弹簧 关闭间隙 (CNOF, ICONT, PMIN/PMAX, PSOLVE)
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F
左图中，圆柱并无位移约束，
在圆柱和底盘接触后圆柱壳的
约束才被建立.
May 16, 2005 Inventory #002256
6-9
Advanced Contact & Fasteners
接触属性高级选项设置
...处理刚体运动
Training Manual
• 如果求解中两物体发生分离，那么刚度矩阵将变得奇异.
接触属性高级选项设置
…初始穿透
Training Manual
• 初始穿透有如下选项设置:
– Include everything:考虑来自几何上的初始穿透和指定偏移的初始穿 透.
– Exclude everything: 忽略所有的初始穿透效应.
– Include with ramped effects: 逐渐施加穿透量以增加收敛.
接触属性高级选项设置
…初始穿透
Training Manual
• 如果模型包含初始几何穿透的话，那么接触力会以阶跃的形式快速 增加到一个很大的值.
– 牢记：突然改变力会导致收敛困难，应该使初始穿透量用斜坡函数施 加.
• Include with ramped 选项和 Include offset only w/ ramp 有助于
Advanced Contact & Fasteners
Training Manual
ansys高级接触分析第6章-高级 选项设置
接触属性高级选项设置
• 本章节包含以下主题:
A. 初始穿透 B. 处理刚体运动
– 对位移的控Байду номын сангаас – 对力的控制 – Full 法瞬态动力学 – 使用弱弹簧 – 关闭间隙 (CNOF, ICONT, PMIN/PMAX, PSOLVE)
• 否则，非零的加速度和速度将会产生假的阻尼力从而影响平衡
May 16, 2005 Inventory #002256
6-12
Advanced Contact & Fasteners
接触属性高级选项设置
...处理刚体运动
• 位移控制
– 使用强制位移使两物体进入接触状态. – 然后通过使用一个空的载荷步把位移控制转为力控制.
– 正CNOF 值增加干扰. – 负CNOF 减少干扰或倒置间
隙.
• CNOF 可以和几何穿透联合 使用.
Training Manual
May 16, 2005 Inventory #002256
6-4
Advanced Contact & Fasteners
Advanced Contact & Fasteners
C. 对称与不对称接触 D. 各式调整
– 打开接触刚度 – 不对称接触选择 – 梁/壳 厚度效应 – 自动时间步
E. 一般故障的检查技巧
Training Manual
May 16, 2005 Inventory #002256
6-2
Advanced Contact & Fasteners
Advanced Contact & Fasteners
Training Manual
小的强制性位移
May 16, 2005 Inventory #002256
– ANSYS 将给出警告信息
• ANSYS中提供了几种克服初始未接触体接触问题的方法:
– 在即将接触位置建立几何模型 – 动力学分析 – 位移控制 – 弱弹簧 – 使用无分离接触 （ KEYOPT(12) ） – 调整初始接触条件
May 16, 2005 Inventory #002256
6-10
Advanced Contact & Fasteners
接触属性高级选项设置
...处理刚体运动
Training Manual
• 即将接触
– 用户需用知道即将发生接触的具体位置.当面为曲面或不规则面时该方 法较困难.
F
由于分网时的取整处理，物体
间可能存在小的间隙或穿透，
这可能导致不收敛.
May 16, 2005 Inventory #002256
接触属性高级选项设置
A. 初始穿透
Training Manual
• ANSYS中提供了几种模拟接触初始穿透的技术，它们需要初始几 何穿透值或/和指定的偏移值.
• 指定偏移值:
May 16, 2005 Inventory #002256
6-3
接触属性高级选项设置
…初始穿透
• 实常数 CNOF表示接触面偏 移.
Training Manual
Advanced Contact & Fasteners
May 16, 2005 Inventory #002256
6-8
Advanced Contact & Fasteners
接触属性高级选项设置
B. 处理刚体运动
Training Manual
• 在静力分析中，两个或多个物体初始并没有连接，在接触创建前它 们可能产生刚体运动.
克服收敛困难（在第一个载荷步中使初始穿透斜坡化）.
– 第一个载荷步中不应再施加其它载荷.
– 保证 pinball区域(PINB) 要比初始穿透要大.
May 16, 2005 Inventory #002256
6-6
Advanced Contact & Fasteners
接触属性高级选项设置
…初始穿透
– Include offset only: 仅考虑指定偏移带来的初始穿透.
– Include offset only w/ ramp:仅考虑指定偏移带来的初始穿透，并逐 渐施加穿透量以增加收敛.
可通过KEYOPT(9)设置
May 16, 2005 Inventory #002256
6-5
Advanced Contact & Fasteners
6-11
Advanced Contact & Fasteners
接触属性高级选项设置
...处理刚体运动
Training Manual
• 动力学分析
– 在动力学分析中，初始影响阻止刚体运动.动态地对该问题求解可解决 刚体位移问题.
– 你需要增加质量和阻尼，然后把静态分析转换成动力学分析. – 你必须确认系统在分析结束后进入静态.
Training Manual
• 对于接触法向经常改变的接触问题，可尝试接触面目标面互换或去 掉有问题的接触单元.
目标面
接触面
May 16, 2005 Inventory #002256
6-7
接触属性高级选项设置
…初始穿透- Workshop
• 可参考WORKSHOP中的相关章节: • W6A. 初始穿透.