ANSYS接觸分析的接觸方式

2013-08-14 by:有限元接觸分析來源:仿真在線

ANSYS接觸分析的接觸方式

ANSYS支持三種接觸方式:點(diǎn)─點(diǎn),點(diǎn)─面,面─面接觸。每種接觸方式使用不同的接觸單元集,并適用于某一特定類型的問題。

為了給接觸問題建模,首先必須認(rèn)識(shí)到模型中的哪些部分可能會(huì)相互接觸。如果相互作用的其中之一是一點(diǎn),模型的對(duì)應(yīng)組元是一個(gè)節(jié)點(diǎn)。如果相互作用的其中之一是一個(gè)面,模型的對(duì)應(yīng)組元是單元,如梁單元、殼單元或?qū)嶓w單元。有限元模型通過指定的接觸單元來識(shí)別可能的接觸對(duì),接觸單元是覆蓋在分析模型接觸面之上的一層單元,至于ANSYS使用的接觸單元和使用它們的過程,后面會(huì)分類詳述,然后論述ANSYS接觸單元和他們的功能。參見《ANSYS Elements Reference》和《ANSYS Theory Reference》。

表1 ANSYS接觸分析功能

		點(diǎn)-點(diǎn)			點(diǎn)-面		面	- 面
	CONTAC 12	CONTAC 52	CONTA 178	CONTAC 26	CONTAC 48	CONTAC 49	CONTAC171,172 TARGET 169	CONTAC 173, 174 TARGET 170
點(diǎn)-點(diǎn)	Y	Y	Y
點(diǎn)-面				Y	Y	Y
面-面					Y	Y	Y	Y
2-D	Y		Y	Y	Y		Y	Y
3-D		Y	Y			Y		Y
滑動(dòng)	小	小	小	大	大	大	大	大
曲面							Y	Y
圓柱間隙	Y		Y
純Lagrange乘子			Y
增加Lagrange乘子			Y		Y	Y	Y	Y
接觸剛度		用戶定義	半自動(dòng)	用戶定義	用戶定義	用戶定義	半自動(dòng)	半自動(dòng)
自動(dòng)網(wǎng)格工具		EINTF	EINTF	None	GCGEN	GCGEN	ESURF	ESURF
低階	Y	Y	Y	Y	Y	Y	Y	Y
高階				Y			Y	Y
剛體-柔體	Y	Y	Y	Y	Y	Y	Y	Y
柔體-柔體	Y	Y	Y		Y	Y	Y	Y
熱接觸					Y	Y	Y	Y

1、面─面的接觸單元

ANSYS支持剛體─柔體和柔體─柔體的面─面的接觸單元。這些單元應(yīng)用“目標(biāo)”面和“接觸”面來形成接觸對(duì)。

分別用TARGE169或TARGE170來模擬2D和3D目標(biāo)面。

用CONTA171、CONTA172、CONTA173、CONTA174來模擬接觸面。

為了建立一個(gè)“接觸對(duì)”,給目標(biāo)單元和接觸單元指定相同的實(shí)常數(shù)號(hào)。

這些面-面接觸單元非常適合于過盈裝配安裝接觸或嵌入接觸,鍛造,深拉問題。與點(diǎn)─面接觸單元相比,面─面接觸單元有許多優(yōu)點(diǎn):

支持面上的低階和高階單元(即角節(jié)點(diǎn)或有中節(jié)點(diǎn)的單元);

支持有大滑動(dòng)和摩擦的大變形。計(jì)算一致剛度陣,可用不對(duì)稱剛度陣選項(xiàng);

提供為工程目的需要的更好的接觸結(jié)果,如法向壓力和摩擦應(yīng)力;

沒有剛體表面形狀的限制,剛體表面的光滑性不是必須的,允許有自然的或網(wǎng)格離散引起的表面不連續(xù);

與點(diǎn)─面接觸單元比,需要較少的接觸單元,因而只需較小的磁盤空間和CPU時(shí)間,并具有高效的可視化;

允許多種建?？刂?例如:

綁定接觸,不分離接觸,粗糙接觸;

漸變初始穿透;

目標(biāo)面自動(dòng)移動(dòng)到初始接觸;

平移接觸面(考慮梁和單元的厚度),用戶定義的接觸偏移;

死活能力;

支持熱-力耦合分析。

使用這些單元來做為剛性目標(biāo)面,能模擬2D和3D中的直線(面)和曲線(面),通常用簡單的幾何形狀例如圓、拋物線、球、圓錐、圓柱來模擬曲面。更復(fù)雜的剛體形狀或普通可變形體,可以應(yīng)用特殊的前處理技巧來建模。

面-面接觸單元不能很好地應(yīng)用于點(diǎn)-點(diǎn)或點(diǎn)-面接觸問題,如管道或鉚頭裝配。在這種情況下,應(yīng)當(dāng)應(yīng)用點(diǎn)-點(diǎn)或點(diǎn)-面接觸單元。用戶也可以在大多數(shù)接觸區(qū)域應(yīng)用面-面接觸單元,而在少數(shù)接觸角點(diǎn)應(yīng)用點(diǎn)-點(diǎn)接觸單元。

面-面接觸單元只支持一般的靜態(tài)或瞬態(tài)分析,屈曲、模態(tài)、譜分析或子結(jié)構(gòu)分析。不支持諧響應(yīng)分析、縮減或模態(tài)疊加瞬態(tài)分析,或縮減或模態(tài)疊加諧響應(yīng)分析。

本章后面將分別討論ANSYS不同接觸分析類型的能力。

2、點(diǎn)─面接觸單元

點(diǎn)─面接觸單元主要用于給點(diǎn)─面接觸行為建模,例如兩根梁的相互接觸(梁端或尖角節(jié)點(diǎn)),鉚頭裝配部件的角點(diǎn)。

如果通過一組節(jié)點(diǎn)來定義接觸面,生成多個(gè)單元,那么可以通過點(diǎn)─面接觸單元來模擬面─面的接觸問題。面既可以是剛性體也可以是柔性體。這類接觸問題的一個(gè)典型例子是插頭插到插座里。

使用這類接觸單元,不需要預(yù)先知道確切的接觸位置,接觸面之間也不需要保持一致的網(wǎng)格。并且允許有大的變形和大的相對(duì)滑動(dòng),雖然這一功能也可以模擬小的滑動(dòng)。

CONTACT48 和 CONTACT49單元是點(diǎn)─面的接觸單元。這2種單元支持大滑動(dòng)、大變形、以及接觸部件間不同的網(wǎng)格。用戶也可以用這2種單元來進(jìn)行熱-機(jī)械耦合分析,其中熱在接觸實(shí)體之間的傳導(dǎo)非常重要。

應(yīng)用 CONTACT26 單元用來模擬柔性點(diǎn)─剛性面的接觸。對(duì)有不光滑剛性面的問題,不推薦采用 CONTACT26 單元,因?yàn)樵谶@種環(huán)境下,可能導(dǎo)致接觸的丟失。在這種情況下,CONTACT48 通過使用偽單元算法,能提供較好的建模能力(參見《ANSYS Theory Reference》),但如果目標(biāo)面嚴(yán)重不連續(xù),依然可能失敗。

3、點(diǎn)─點(diǎn)接觸單元

點(diǎn)─點(diǎn)接觸單元主要用于模擬點(diǎn)─點(diǎn)的接觸行為。為了使用點(diǎn)─點(diǎn)接觸單元,用戶需要預(yù)先知道接觸位置,這類接觸問題只能適用于接觸面之間有較小相對(duì)滑動(dòng)的情況(即使在幾何非線性情況下)。其中一個(gè)例子是傳統(tǒng)的管道裝配模型,其中接觸點(diǎn)總是在管端和約束之間。

點(diǎn)─點(diǎn)接觸單元也可以用于模擬面─面的接觸問題,如果兩個(gè)面上的節(jié)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng),相對(duì)滑動(dòng)又可以忽略不計(jì),兩個(gè)面位移(轉(zhuǎn)動(dòng))保持小量,那么可以用點(diǎn)─點(diǎn)的接觸單元來求解面─面的接觸問題,過盈裝配問題是一個(gè)用點(diǎn)─點(diǎn)的接觸單元來模擬面─面接觸問題的典型例子。

另一個(gè)點(diǎn)─點(diǎn)接觸單元的應(yīng)用是表面應(yīng)力的精確分析,如透平機(jī)葉片的分析。

ANSYS的 CONTA178 單元是大多數(shù)點(diǎn)-點(diǎn)接觸問題的最好選擇。它比其他單元提供了范圍更廣的選項(xiàng)和求解類型。CONTAC12 和 CONTAC52 單元保留的理由,在很大程度上是為了與已有模型的向下兼容。

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