Ansys-第19例-平行圆柱体承受法向载荷时的接触应力分析

第19例接触分析实例—平行圆柱体承受法向载荷时的接触应力分析本例介绍了利用ANSYS对结构进行接触分析的方法、步骤扣过程，着重介绍了建立面—面接触对的方法和难点，为解决实际应用问题奠定了基础。9.1概述接触问题属于状态非线性问题，是一种高度非线性行为，需要较多的计算资源，为了进行更为有效的计算，理解问题的特征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，在求解问题之前，不清楚接触区域的范围，表面之间是接触或分离是未知的，并且随载荷、材料、边界条件及其他因素变化；其二，接触问题常需计算摩擦力，各种摩擦模型都是非线性的，使问题的收敛更加困难。19.1.1接触算法接触问题用于处理接触体之间的相互作用关系，只有满足接触力的传递、两接触面之间没有穿透等要求，接触算法才能对接触力学行为进行准确的分析。ANSYS使用的接触算法有：罚函数法（PenaltyMethod）、拉格朗日算法(LagrangeMethod)、扩展拉格朗日算法(AugmentedMethod)、罚函数法+拉格朗日算法（Lagrange＆Penalty）。1．罚函数法罚函数法的基本原理是：计算每一载荷子步时先检查接触面和目标面之间是否存在穿透，若没有则不做处理，如果有穿透，则在接触面和目标面之间引入一个法向接触力，其大小与接触刚度、穿透深度成正比，相当于在接触面和目标面之间沿法向放置一个弹簧，以限制穿透的大小。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，可以实现真实的接触状态，使穿透值等于零，但是接触刚度过大会导致总体刚度矩阵病态，造成收敛困难。也就是说，当接触刚度较大时，计算精度较高，但收敛困难。ANSYS软件会根据结构单元的特性估计一个默认的接触刚度值，可以用实常数FKN为接触刚度指定一个比例因子(FKNO时)或指定一个真正的值(FKNO时)。2．拉格朗日算法拉格朗日算法与罚函数法不同，不是采用力与位移的关系来求接触力的，而是把接触力作为一个独立自由度，可以直接实现穿透为零的真实接触条件，是一种精确的接触算法，但由于自由度的增加，会使计算效率降低。在接触状态发生急剧变化时，会产生震颤。3．扩展拉格朗算法扩展拉格朗日算法是不停更新接触刚度的罚函数法，这种更新不断重复，直到计算的穿透值小于允许值为止，允许穿透值用实常数FTOLN或TOLN来设定。扩展拉格朗日算法的优点是总体刚度矩阵较少病态，各接触单元的接触刚度取值更合理。扩展拉格朗日算法是ANSYS默认的接触算法。19.1.2接触问题的分类接触问题有两个基本类型，即刚体—柔体的接触和柔体—柔体的接触。在刚体—柔体的接触问题中，一个接触面同与之接触的变形体相比，有较大的刚度而当做刚体，一般情况下，当一种软材料和一种硬材料接触时，问题可以被近似为刚体—柔体的接触，许多金属成型问题归为此类接触。而柔体—柔体的接触是一种更普遍的类型，此时两个接触体具有近似的刚度，都为变形体。19.1.3ANSYS的接触方式在ANSYS中通过接触单元来识别可能的接触匹对，接触单元是覆盖在模型可能接触面上的一层单元。ANSYS支持3种接触方式，即点—点、点—面和面—面的接触，每种方式都有相适用的单元。1．点-点接触点—点接触单元主要用于模拟点—点的接触行为。为了使用点—点接触单元，需要预先知道接触位置，这类问题只适用于接触面之间有较小滑动的场合。如果两个接触面上的节点一一对应，相对滑动又忽略不计，两个面挠度（转动）保持小量，那么就可以用点—点接触单元来模拟该类问题，过盈装配问题是用点—点接触单元模拟面—面接触的典型例子。2．点—面接触点—面接触单元主要用于模拟点—面接触行为。通过节点定义一个接触面，而面既可以是刚体也可以是柔体。使用这类接触单元，不必预先知道准确的接触位置，接触面之间也不需要保持一致的网格，并且允许有大的变形和大的相对滑动。一个典型应用实例是模拟插头插入到插座里。3.面—面接触ANSYS使用面—面接触单元来模拟刚体—柔体、柔体—柔体的面—面接触。，将刚性面作为目标面，将柔性面作为接触面处理，本例将采用该种接触类型。19.1.4面一面接触分析的步骤面—面接触分析模拟刚体—柔体、柔体—柔体的面—面接触。将刚性面作为目标面，将柔性面作为接触面来处理，这两个面合起来被称为接触对。使用单元类型TARGE169和CONTA171或CONTA172来定义二维接触对，使用单元类型TARGE170和CONTA173或CONTA174来定义三维接触对，ANSYS通过相同的实常数号来识别接触对。面—面接触单元具有以下优点：支持低阶和高阶单元：支持有大滑动和摩擦的大变形；提供更多、更好的结果数据，例如，法向应力和摩擦应力；对接触表面的形状没有限制；允许各种复杂建模控制，例如，绑定接触、渐变初始渗透、支持单元死活等。步骤一：建立模型并划分网格需要建立代表接触体的实体模型，与其他分析过程，样，要设置单元类型、实常数及材料特性等，并用恰当的单元类型为接触体划分网格。步骤二：识别接触对ANSYS通过目标单元和接触单元的定义来判断潜在的接触面，目标和接触单元会跟踪变形阶段的运动。不同的接触对必须通过不同的实常数号来定义。由于几何模型和潜在变形的多样性，有时候一个接触面的同一区域可能和多个目标面发生接触关系。此时，，应该定义多个接触对（使用多组覆盖层接触单元），每个接触对有不同的实常数号。步骤三：定义目标面和接触面。对于刚体—柔体的接触问题，显然应将刚性面定义为目标面，将柔性面定义为接触面。在二维情况下，刚性目标面的形状可以用一系列直线、圆弧和抛物线来描述，或者用它们的任意组合来描述复杂的目标面。在三维情况下，目标面的形状可以用三角面、圆柱面、圆锥：面和球面来描述，对于复杂、任意形状的目标面，应用三角面来描述。对于柔体—柔体的接触问题，应按下列原则来定义目标面和接触面：凸面定义为接触面，凹面定义为目标面：细网格面定义为接触面，粗网格面定义为目标面；较软的面定义为接触面，较硬的面定义为目标面；高阶单元面定义为接触面，低阶单元面定义为目标面；较小的面定义为接触面，较大的面定义为目标面。为了定义柔性体的接触面，必须使用接触单元CONTA171或CONTA172来定义二维表面，用CONTA173或CONTA174来定义三维表面，．接触面和目标面的实常数号必须相同步骤四：设置实常数和单元选项ANSYS使用实常数和单元选项来控制面—面接触．单元的接触行为。实常数包括FKN（法向接触刚度因子）、FTOLN（最大穿透范围）、ICONT（初始靠近因子）、PINB（pinball区域）、PMIN和PMAX（初始穿穿透范围）、TAUMAX（最大的接触摩擦）、CNOF（接触面偏移值）及FKOP(接触发生时的刚度因子)等。步骤五：控制刚性目标的运动刚性目标面是按实体的原始外形来建立的，而整个面的运动是通过polot节点给定的位移来定义的。每个目标面只能有一个polot节点。圆、圆弧、圆锥、圆柱、球只能定义第一个节点为polot．节点。载荷和边界条件只能施加在polot节点上，只有polot节点能与其他单元相连。为了控制整个目标面的运动，在下列任一情况下必须使用polot节点：目标面上作用着给定的外力；目标面发生旋转；目标面和其他单元相连，例如，结构质量单元。步骤六：施加必要的边界条件该过程与其他分析类型相同。步骤七：定义求解和载荷步选项接触问题的收敛性随问题的不同而不同，下面列出了在大多数面—面接触分析中都推荐使用的一些选项：打开自动时间步长：MainMenu→Solution→LoadStepOpts→Time/Frequenc-→Timeandsubstps.打开自动时间步长：MainMenu→Solution→LoadStepOpts→Time/Frequenc→TimeandSubstps。选择完全牛顿-拉普森迭代，关闭自适应下降因子：MainMenu→Solution→AnalysisType→AnalysisOptions.设置合理的平衡迭代次数(25-50)：MainMenu→Solution→LoadStepOpts→NonlinearEquilibriumIter打开时间不长预测器选项:MainMenu→Solution→LoadStepOpts→NonlinearPredictor.使用线性搜索选项来使计算稳定化：MainMenu→Solution→LoadStepOpts→Nonlinear→LineSearch.步骤八：求解与一般的非线性问题相同步骤九：查看结果接触分析的结果包括常规的位移、应力、应变，还有接触压力、滑动等接触信息。可以使用POST1或POST26后处理器来查看结果。19.2问题描述两个半径分别为r1=0.05m、r2=0.1m，长度均为L=0.01m的平行圆柱体发生正接触，即接触线为两圆柱体的母线，作用在两圆柱体接触线法线方向上的压力总和为F=1000N，两圆柱体均为钢制，分析两圆柱体的接触情况。由于接触的影响只发生于结构的局部，另外圆柱体具有对称性，所以分析时只取两圆柱体的四分之一，以减少计算时间和计算容量。19.3.1改变任务名拾取菜单UtilityMenu→File→ChangeJobname，弹出如图19-1所示的对话框，在“[/FILNAM]”文本框中输入EXAMPLE19，单击“OK”按钮。图19-1改变任务名对话框19.3.2选择单元类型拾取菜单MainMenu→Preprocessor→ElementType--Add/Edit/Delete，弹出如图19-2所示的对话框，单击“Add…”按钮，弹出如图19-3所示的对话框，在左侧列表中选、“StructuralSolid”，在右侧列表中选“Quad8node183”，单击“Apply”按钮，再在右侧列表中选“Brick20node186”，单击Apply按钮，再在左侧列表中选“Contact”，在右侧列表中选“3Dtarget170”，单击“Apply”按钮，再在右侧列表中选“8ndsurf174”，单击“OK”按钮，返回到如图19-2所示的对话框，选择“TYPE4CONTA174”，单击“Options”按钮，在所弹出的对话框中选择“K5”为“Closegap”，单击“OK”按钮，最后单击如图19-2所示的对话框中的“Close”按钮。图19-2单元类型对话框图19-3单元类型库对话框19.3.3定义材料模型拾取菜单MainMenu→Preprocessor→MaterialProps→MaterialModels，弹出如图19-4所示的对话框，在右侧列表中依次拾取“Structural”、“Linear”、“Elastic”、“isotropic”，弹出如图19-5所示的对话框，在“EX”文本框中输入2e11（弹性模量），在“PRXY”文本框中输入0.3(泊松比)，单击“OK按钮，然后关闭如图19-4所示的对话框。图19-4材料模型对话框图19-5材料特性对话框19.3.4定文实常数拾取菜单MainMenu→Preprocessor→RealConstants→Add/Edit/Delete，弹出“RealConstants”对话框，单击“Add…”按钮，弹出“ElementTypeforRealConstants”对话框，在列表中选择“Type4CONTA174”，单击“OK”按钮，弹出如图19-6所示的对话框，在“FKN”文本框中输入0.1（法向接触刚度因子），单击OK按钮，返回到“RealConstants”对话框，单击”Close“按钮。图19-6定义实常数对话框19.3.5创建圓形面拾取菜单MainMenu→Preprocessor→Modeling→Create→Areas→Circle→PartialAnnulus，弹出如图19-7所示的对话框，在“WPX”文本框中输入0，在“WPY”文本框中输入0，在“Rad-1”文本框中输入0.1，在“Theta-l”文本框中输入0，在“Rad-2”文本框中输入0，在“Theta