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接触介绍

第七章. 接触介绍. 7. 接触介绍. 什么是接触? 当两个分离的表面互相碰触并互切时, 就称它们处于 接触状态. 在一般的物理意义中, 处于接触状态的表面有下列特点: 不互相穿透. 能够传递法向压力和切向摩擦力. 通常不传递法向拉力. 因此, 它们相互间可以自由地分开并远离. … 接触介绍. 本章将通过以下主题介绍非线性接触分析: A. 基本概念 B. 利用接触向导 C. 求解 D. 后处理 E. 练习 F. 装配接触

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  1. 第七章 接触介绍

  2. 7. 接触介绍 什么是接触? • 当两个分离的表面互相碰触并互切时, 就称它们处于接触状态. • 在一般的物理意义中, 处于接触状态的表面有下列特点: • 不互相穿透. • 能够传递法向压力和切向摩擦力. • 通常不传递法向拉力. • 因此, 它们相互间可以自由地分开并远离. October 15, 2001 Inventory # 001565 7-2

  3. … 接触介绍 • 本章将通过以下主题介绍非线性接触分析: A. 基本概念 B. 利用接触向导 C. 求解 D. 后处理 E. 练习 F. 装配接触 • 目的是通过“简单”(容易收敛)模型, 介绍接触分析过程. 另外, 用于处理难度更大的模型的高级接触分析, 在高级接触和螺栓预紧 培训手册中讨论. October 15, 2001 Inventory # 001565 7-3

  4. 接触介绍A. 基本概念 • 接触是状态改变 非线性. 也就是说, 系统的刚度依赖于接触状态: 状态= 闭合和滑动 状态 = 开 状态 = 闭合和粘结 October 15, 2001 Inventory # 001565 7-4

  5. 接触介绍... 基本概念 • 接触是强非线性, 因为随着接触状态的改变, 接触表面的法向和切向刚度都有显著的变化. • 刚度方面大的突变通常会导致严重的收敛困难. 开接触 闭接触 F u October 15, 2001 Inventory # 001565 7-5

  6. 接触介绍... 基本概念 • 其它使接触分析复杂化的因素包括: • 典型地, 在分析开始时, 接触区域未知. • 大多数接触问题包括摩擦. • 摩擦是路径相关的(能量耗散)现象, 需要用较小的时间步和精确的载荷历史. • 摩擦响应可能是混沌的, 使求解收敛困难. • 除了和其他部件接触, 部件可能是无约束 的. • 在建立接触之前, 这样的部件初始为无约束自由体, 整体刚度为零. • 静态分析中, 无约束自由体在数学上是不稳定的, 求解“溢出”. October 15, 2001 Inventory # 001565 7-6

  7. 接触介绍... 基本概念 • 幸好, 目前的 ANSYS 接触技术能够相当容易地分析类型广泛的接触模型. • 许多模型只需很少的用户参与就能成功地求解. • 对于那些显示出收敛行为比较困难的模型, 有丰富的接触单元选项来帮助克服这样的困难. • 在高级接触和螺栓预紧 培训手册中讨论了这些更高级的内容. October 15, 2001 Inventory # 001565 7-7

  8. 接触介绍... 基本概念 接触分类 • 接触问题通常分为两类: 刚性体 -柔性体 和柔性体 -柔性体. • 刚性体 - 柔性体 • 一个或更多的接触表面看作刚性体(一个表面与其它表面相比, 刚度显然要大得多.). 许多金属成形问题可归为此类. • 不计算刚性体内的应力 • 柔性体 - 柔性体 • 两个或所有的接触体都可变形(所有表面的刚度相近). 螺栓结合凸缘连接就是柔性体 - 柔性体接触的例子. October 15, 2001 Inventory # 001565 7-8

  9. 刚性表面 变形体 接触介绍... 基本概念 刚性体 -柔性体接触 October 15, 2001 Inventory # 001565 7-9

  10. 花键轴过盈配合, 两个零件都是柔体. 接触介绍... 基本概念 柔性体 -柔性体接触 October 15, 2001 Inventory # 001565 7-10

  11. F 当没有强制接触协调时, 发生穿透. F 目标面 接触面 接触介绍... 基本概念 接触协调 • 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. • 当程序防止相互穿透时, 称之为强制接触协调. October 15, 2001 Inventory # 001565 7-11

  12. F 接触介绍... 基本概念 接触协调 – 罚函数法 • 强制接触协调的罚函数法, 用一个接触“弹簧”在两个面间建立关系. • 弹簧刚度称为惩罚参数, 或者更通俗一点, 就是接触刚度. • 当面分开时(开状态), 弹簧不起作用；当面开始穿透时(闭合), 弹簧起作用. 弹簧偏移量满足平衡方程: F = k  式中 k 是接触刚度. D October 15, 2001 Inventory # 001565 7-12

  13. 接触介绍... 基本概念 … 接触协调 –罚函数法 • 数学上要求有限的穿透量 D在交界面处产生接触力. • 平衡需要此接触力. • 因此, 为了平衡, D必须大于零. • 然而, 实际的接触体相互不穿透. • 因此, 为了最高的精度, 目的是使发生在接触界面处的穿透量最小. • 最小的穿透给出最大的精度. • 这意味着, 理想的接触刚度应该是个非常大的值. • 然而, 值太大会引起收敛困难. October 15, 2001 Inventory # 001565 7-13

  14. F F接触 F F 迭代 n 迭代 n+1 迭代 n+2 接触介绍... 基本概念 • 如果接触刚度太大, 一个微小的穿透将会产生一个过大的接触力, 在下一次迭代中可能会将接触面推开. • 用太大的接触刚度通常会导致收敛振荡, 并且常会发散. October 15, 2001 Inventory # 001565 7-14

  15. F 接触介绍... 基本概念 接触协调 – lagrange乘子法 • 另外一种方法, lagrange乘子 法, 增加一个附加自由度 (接触压力),来满足不可穿透条件. October 15, 2001 Inventory # 001565 7-15

  16. F 穿透容差 接触介绍... 基本概念 接触协调 – 增广 lagrange法 • 多数 ANSYS 接触单元可以将罚函数法和 lagrange乘子法结合起来强制接触协调. 称之为增广 lagrange法. • 在迭代的开始, 接触协调基于惩罚刚度确定. 一旦达到平衡, 检查穿透容差. 此时, 如果有必要, 接触压力增加, 迭代继续. October 15, 2001 Inventory # 001565 7-16

  17. 接触介绍... 基本概念 … 接触协调 – 增广 lagrange法 由于平衡, 矫正穿透量. 增大接触应力, 减少穿透量. 在矫正阶段发生振荡. October 15, 2001 Inventory # 001565 7-17

  18. 接触介绍... 基本概念 面 - 面接触单元 • ANSYS 中最常用的接触单元是面-面单元. • Targe169 和 170 • 刚性或可变形的目标面 • Conta171 到 174 • 可变形的接触面 • 这些单元非常适合面-面接触的情况, 如过盈装配接触, 啮合接触, 锻造和深拉. October 15, 2001 Inventory # 001565 7-18

  19. 接触介绍... 基本概念 … 面-面接触单元 • 这些接触单元采用接触对 概念, 接触对由目标面 和接触面 组成. • 面-面接触单元象皮肤一样覆盖在下面的有限元模型上. • 用独立的单元类型定义目标面和接触面. • 接触对通过共用实常数组 来识别. 接触面上的接触单元 (实常数 = N ) 目标面上的目标单元 (实常数 = N ) October 15, 2001 Inventory # 001565 7-19

  20. 下层网格 刚性目标单元 接触单元 接触介绍... 基本概念 … 面-面接触单元 • ANSYS 支持刚性体-柔性体 和柔性体-柔性体 的面-面接触模型. • 柔性体-柔性体接触模型有可变形的 目标面, 只要目标单元覆盖在可变形的单元上, 就创建了目标面. • 刚性体-柔性体接触模型有刚性目标面, 该目标面不覆盖在任何可变形的单元上. October 15, 2001 Inventory # 001565 7-20

  21. 接触介绍... 基本概念 … 面-面接触单元 • 面-面接触单元用增广 lagrange法 强制接触协调( 缺省). • 广义 lagrange 法采用接触刚度和穿透容差. • 对于“简单”接触模型, 正常情况需要给出接触对的三个特征: • 接触刚度值. • 穿透容差值. • 还需要确定接触对中哪一个面应该是目标面, 哪一个面应该是接触面. October 15, 2001 Inventory # 001565 7-21

  22. 接触介绍... 基本概念 接触刚度 • 接触刚度 是影响精度和收敛行为的最重要的参数. • 已经知道较大的刚度精度高, 但收敛困难. • 必须仔细地确定一个适当的接触刚度值. • “最好的”值经常是与问题相关的. • 程序提供的缺省值可能不适合. • 可能要求做一些试验去确定一个适当的值, 使产生的收敛解具有可以接受的精度. October 15, 2001 Inventory # 001565 7-22

  23. 接触介绍... 基本概念 … 接触刚度 • 对于面-面接触单元, 用一个系数(FKN)给出接触刚度. 也就是说, 程序通过对下层单元的刚度乘以该系数来确定接触刚度. k接触t = FKN x f(k下层) • 对于面-面接触单元, 接触刚度的单位是单位面积的刚度, 或(F/L)/(L2). • 接触刚度的一个较好值经常通过使接触刚度等于下层单元的刚度获得. • 作为起始估计, 尝试: • 对于接触中的大块实体, FKN = 1.0. • 对于柔性较大(弯曲为主)的部件, FKN = 0.1. October 15, 2001 Inventory # 001565 7-23

  24. 接触介绍... 基本概念 … 接触刚度 • 有时, 一个模型的不同区域可能需要有不同的接触刚度. 大块实体接触; 试用 FKN = 1.0 柔性接触; 试用 FKN = 0.1 October 15, 2001 Inventory # 001565 7-24

  25. 接触介绍... 基本概念 … 接触刚度 • 需要确定结果对接触刚度是否敏感. • 选择一个好的刚度值可能需要一些试验,下面的步骤可以用于静态、非路径相关分析的指南: • 改变接触单元选项, 允许接触刚度在重启动期间可以修改, KEYOPT(10)=1. • 开始时采用一个“软的” FKN 可以帮助克服收敛困难. • 运行此分析, 直到最终载荷. • 检查对分析比较重要的一些结果(等效应力,接触压力等). October 15, 2001 Inventory # 001565 7-25

  26. SEQV FKN 接触介绍... 基本概念 … 接触刚度 • 增大 FKN 并重启动求解. • 再检查结果. • 重复步骤5和6, 直到达到所预期的收敛. 寻找 FKN 值, 超过此值, 结果不发生显著的改变. October 15, 2001 Inventory # 001565 7-26

  27. 接触介绍... 基本概念 … 接触刚度 • 作为一个例子, 对于一个轴上套环的过盈配合分析, FKN 是变化的.等效von Mises应力的最大值被监控. • 在这种特殊情况下, FKN＝1.0 经证明可以给出足够的精度. October 15, 2001 Inventory # 001565 7-27

  28. 接触介绍A. 接触刚度 … 练习 请参考附加练习: • W14. 接触介绍 - 接触刚度研究 (FKN) October 15, 2001 Inventory # 001565 7-28

  29. 接触介绍... 基本概念 穿透容差 • 穿透容差 也影响收敛和精度, 尽管影响程度没有接触刚度大. • 当穿透容差严格时, 精度可以改善, 但是更难以收敛. • 和刚度一样, 以系数 (FTOLN)的方式确定穿透容差. • 程序通过将下层单元的深度(h)乘以所给出的系数确定穿透容差. 容差 = FTOLN x h October 15, 2001 Inventory # 001565 7-29

  30. 接触介绍... 基本概念 … 穿透容差 • 不要用一个软 FKN 和一个紧 FTOLN. • 如果接触刚度达到强制协调的最好效果, 通常会得到最好的收敛行为. • 用合理的刚度值 FKN. • 用合理的 FTOLN 值“协调”穿透. • 太小的 FTOLN 值将导致收敛困难. 千万别用太小的容差值! 增大惩罚刚度 (FKN)将减少穿透. • 尽管增大 FKN 100倍通常相应地会减少穿透, 然而其它重要项, 如接触压力, 可能至少会改变 5%. October 15, 2001 Inventory # 001565 7-30

  31. 接触介绍A. 穿透容差 … 练习 请参考附加练习: • W15. 接触介绍- 穿透容差研究 (FTOLN) October 15, 2001 Inventory # 001565 7-31

  32. 接触介绍... 基本概念 指定接触和目标面 • 程序通过一组离散的接触点(单元高斯点)定义接触面. • 程序将目标面定义为连续面. • 两个面可以在高斯点之间相互穿透而不识别接触, 这会引起误差. 接触面 在高斯点之间,目标面可以穿透接触面. 目标面 October 15, 2001 Inventory # 001565 7-32

  33. 接触介绍... 基本概念 … 指定接触和目标面 • 通过仔细地指定目标和接触面, 可以减少不能识别的穿透. • 然而, 对于刚性体-柔性体接触, 目标面和接触面的选择是不能改变的. 刚性面必须总是 目标面. 钢轴(刚性)必须是目标 橡胶罩(柔性)必须是接触面 October 15, 2001 Inventory # 001565 7-33

  34. x x x x 接触介绍... 基本概念 … 指定接触和目标面 • 对于柔性体-柔性体接触, 通过使接触点数达到最大可以获得最好的精度. 当指定柔性体-柔性体接触的接触面和目标面时, 按如下准则进行: • 如果一个面网格粗, 另一个面网格细, 粗网格面应该是目标面. • 考虑如果颠倒此指定, 会发生什么现象: 如果更细的网格是目标面, 它将跨过高斯点“下垂”, 象图示那样穿透. October 15, 2001 Inventory # 001565 7-34

  35. 接触介绍... 基本概念 … 指定接触和目标面 • 指定接触和目标面的其它准则: • 如果一个凸面与一个平面或凹面进入接触, 平面和凹面应该是目标面. • 如果一个面比另一个面更硬, 较硬的面应该是目标面. • 如果一个面是高阶, 另一个面是低阶, 低阶面应该是目标面. • 如果一个面比另外一个面更大, 较大的面应该是目标面. October 15, 2001 Inventory # 001565 7-35

  36. 接触介绍... 基本概念 … 指定接触和目标面 • 当所有的接触单元都在一个面上, 所有的目标单元都在另一个面上时, 称该模型为不对称接触. • 不对称接触一般是模拟面-面接触最有效的方法. • 然而, 在有些情况下, 不对称接触执行的不令人满意. • 目标和接触面之间不存在明显的区别. • 目标和接触面都有粗糙的网格. 有时目标-接触区别不明显 October 15, 2001 Inventory # 001565 7-36

  37. 接触介绍... 基本概念 … 指定接触和目标面 • 一个可用的办法是创建双 接触对, 称之为对称接触. • 创建了一个接触对之后, 只要简单地对同样的表面创建具有相反的目标-接触面指定的第二个接触对. 目标 接触 接触 目标 第二步- 创建第二个(对称)接触对 第一步- 创建第一个接触对 October 15, 2001 Inventory # 001565 7-37

  38. 接触介绍... 基本概念 … 指定接触和目标面 • 尽管一些模型为了精确, 可能需要对称接触. 但是要注意, 对称接触比非对称接触效率要低些. • 因此, 除非有必要, 否则不要用对称接触. • 还要注意, 当用对称接触时, 后处理要困难些. • 接触压力是两组接触单元的平均值. • 此平均值不能自动地作为标准结果项得到. 需要用 APDL或 ETABLE计算. October 15, 2001 Inventory # 001565 7-38

  39. 接触介绍A. 接触和目标 …练习 请参考附加练习: • W16. 接触介绍 - 接触面和目标面指定 October 15, 2001 Inventory # 001565 7-39

  40. 接触介绍... 基本概念 刚性目标面-导向节点 • 缺省时, 程序自动约束刚性目标面. 也就是说, 自动地将目标的位移和转动设定 为零. • 要模拟刚性目标的更复杂行为, 可以创建一个特殊的单节点目标单元, 称为导向节点. • 该单元通过具有相同的实常数属性与目标面联系起来. • 对于整个刚性面, 导向节点起手柄 的作用. • 可以对导向节点指定非零的位移,转动,力和/或力矩模拟目标面的刚体运动. • 注意如果存在导向节点, 程序将不 自动约束刚性面. October 15, 2001 Inventory # 001565 7-40

  41. 接触介绍... 基本概念 … 导向节点 • 导向节点可以在任意位置指定. 这允许刚性目标面的一般转动. • 仅仅导向节点可以与其它单元发生联系. 例如, 要考虑刚性体的质量,在导向节点处定义一个质量单元(MASS21). • 每个目标面只能有一个导向节点. 刚性面转动 导向节点(在转动的中心) October 15, 2001 Inventory # 001565 7-41

  42. 接触介绍B. 接触向导 • 面-面接触单元可以用标准的单元生成过程创建: 建立单元TYPE, REAL 和 MAT 数据, 设置单元属性, 指定目标和接触面, 然后划分网格或用 ESURF 命令操作. • 这个过程在创建接触对时“费心劳神”. • 值得庆幸的是, 有个更好的办法 ... October 15, 2001 Inventory # 001565 7-42

  43. 接触介绍... 接触向导 • 接触向导 为大多数接触问题提供了一个简单的办法来构造接触对.接触向导将引导创建接触对的过程. Preprocessor > Create > Contact Pair > Contact Wizard October 15, 2001 Inventory # 001565 7-43

  44. 接触介绍... 接触向导 • 接触向导的好处: • 自动定义单元类型和实常数设置 • 迅速接近接触选项和参数 • 接触对浏览工具 • 迅速显示和反转接触法向 • 只有对模型的部分划分网格 后, 才能用接触向导. • 在启动向导创建柔性体-柔性体接触模型之前, 对用作接触面的模型的所有部件划分网格. • 要创建刚性体-柔性体接触模型, 只对用作柔性接触面的模型的部件划分网格. October 15, 2001 Inventory # 001565 7-44

  45. 接触介绍... 接触向导 • 看看如何对第六章练习的连接器模型添加一个接触对. 首先, 指定刚性或柔性 目标类型(如果选择可用), 并拾取目标面. 可以根据模型中现有的实体, 拾取节点、节点组、线或面. October 15, 2001 Inventory # 001565 7-45

  46. 接触介绍... 接触向导 然后, 拾取接触面. 同样, 根据模型中现有的实体, 可以再次拾取节点、节点组、线或面. October 15, 2001 Inventory # 001565 7-46

  47. 接触介绍... 接触向导 • 点击 Optional setting 按钮, 确定一般接触行为的技术条件收敛工具、摩擦影响、目标约束、热界面参数和其它各种参数. October 15, 2001 Inventory # 001565 7-47

  48. 接触介绍... 接触向导 • 最后, 点击 Creat 按钮创建该接触对的接触和目标单元. 用于该接触对的实常数号是相同的. 接触对中的单元自动画出, 打开单元坐标系(ESYS)符号, 来显示单元的外法向方向. 如果有错误法向, 现在就可以将它们翻转过来. October 15, 2001 Inventory # 001565 7-48

  49. 接触介绍... 接触向导 • 在接触对创建之后的任何时候, 都可以用此向导去查看并列表接触单元. October 15, 2001 Inventory # 001565 7-49

  50. 接触介绍... 接触向导 • 也可以用此向导修改与接触对相联系的实常数和材料常数. October 15, 2001 Inventory # 001565 7-50

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