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一線工程師總結Ansys Workbench連接——接觸分析實例詳解(上)

2021-08-02 伊伊爸

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Ansys Workbench連接關系——接觸分析實例詳解

當幾何體存在多個零部件時，需要確定零部件之間的相互關系，在Mechanical中可以創建的連接關系如下：

·接觸Connect

·網格接觸Mesh Connection

·關節連接Joint

·梁連接Beam Connection

·彈簧Spring

·軸承Bearings

·點焊spot Weld

·末端釋放End Releaser（應用于梁、殼單元）

·幾何體交互Body Interaction (應用于顯示動力學中）

僅有接觸Connect、網格接觸Mesh Connection、關節連接Joint可以自動生成。

本文主要介紹接觸，其余連接類型將在以后文章中介紹。

1 接觸概述

通常兩個獨立表面之間相互接觸并相切時，稱為接觸。接觸類型中，能夠粘合在一起或不能分離的接觸為線性接觸，能夠分離和碰撞的接觸為非線性接觸（狀態非線性），非線性接觸需要消耗大量的計算資源，因此設置有效的接觸參數至關重要。

接觸狀態可分為分離狀態、粘接接觸狀態、滑動接觸狀態。

非線性接觸：在形成接觸的不同物體的表面之間，可以沿法向分開和沿切向相互移動，但不能發生相互滲透，可傳遞法向壓縮與切向摩擦力，但不能傳遞拉伸力。接觸面接觸時產生接觸約束，接觸面一旦分離，約束失效。此時的接觸表現為強非線性，隨著接觸狀態的改變，接觸表面的法線和切向剛度都有顯著變化。剛度突變會導致嚴重的收斂困難。

接觸狀態

2接觸設置

2.1創建接觸

導入到Mechanical中的裝配體自動生成的接觸為綁定接觸，最快捷的修改方法是找到這個接觸對，修改屬性中的接觸類型。

若要新建接觸集合，只需要右擊特種樹中的Connectiong——Insert——Manual Contact Region（手動接觸區域）。便創建了新的接觸集合和接觸對，若右擊Connectiong下的集合名Contacts——Insert——Manual Contact Region，則在此集合內部創建接觸對，不新建接觸集合。

創建接觸對

也可以點擊Connectiong或下屬的集合名，在工具欄點擊Contact的下拉菜單，找到要創建的接觸對。

工具欄接觸類型選擇

在屬性中設置了接觸類型外，還需要選擇接觸對的接觸面和目標面，設置后自動出現Contact Bodies（接觸體）和Tatget Bodies（目標體）。

當接觸面和目標面重疊不好點選時，可以通過工具欄的爆炸實圖工具使裝配體模型爆炸開。

爆炸試圖工具

接觸面選擇

生成接觸對后，還需要對其進行設置，必須設置的項目為接觸類型，其余可選擇性設置的項目包括接觸行為、接觸修剪、接觸算法、檢測方法、懲罰精度、彈性滑移精度、法向剛度、剛度更新、彈球區域等等。

接觸設置

2.2接觸類型Type

在Mechanical中，系統提供了5種接觸類型：

·綁定Bonded：即接觸界面焊接在一起，既不能分離也不能滑動。

·不分離No Separation：不允許分離，允許微量自由滑動。

·無摩擦Frictionless：允許分離，允許自由滑動。

·粗糙Rough：允許分離，不允許滑動。

·摩擦Frictional：允許分離，允許有摩擦的滑動。

·強制摩擦滑動 Forced Frictional Sliding：在每個接觸點上施加一個切向阻力，僅用于顯示動力學。

接觸類型修改

幾種類型對比如下：

接觸類型對比

注意：

1，摩擦接觸中，摩擦系數>0.2時計算結果會提示，不用處理。

2，非線性接觸不適用于模態分析、諧響應分析的線性分析，定義的非線性接觸將被忽略。

2.3接觸行為Behavioe

在Mechanical中接觸面顯示為紅色, 目標面顯示為藍色。程序默認為對稱接觸( Symmetric )，此時任何一邊都可穿透到另一邊。對稱接觸行為更容易建立，但需要較大計算量。選擇非對稱接觸(Asymmetric)時，接觸面的節點不能穿透目標面。選擇自動非對稱接觸(Auto Asymmetric )時接觸面和目標面的指定可在內部互換。只有罰函數和增強拉格朗日算法支持對稱行為，普通拉格朗日和MPC（多點約束）算法要求使用非對稱行為。

對于非對稱接觸行為，手工選擇接觸表面時應遵循以下原則:

1, 當凸面與平面或凹面接觸時，應選擇平面或凹面為目標面。

2, 當硬表面和軟表面接觸時，應選擇硬表面為目標面。

3, 當大表面和小表面接觸時，應選擇大表面為目標面。

4, 如果結構已劃分網格，應選擇較粗糙一方的表面為目標面。

5，剛度相同的大小面接觸時，應選大面為目標面。

2.4接觸算法

為了阻止接觸表面相互穿透，在相互接觸處需要建立一定的規則，即接觸算法。ANSYS 采用的是接觸約束算法，它提供了如下五種接觸約束算法：

·?罰函數法Pure Penalty（程序控制默認使用的算法）

·?拉格朗日法Normal lagrange?

·?增強拉格朗日法Augmented Lagrange

·?多點約束方程法MРC

·?梁約束法 Beam

接觸表面穿透示意圖

對于工程實踐應用，我們一般選擇程序控制的選項，我們不需要知道每種算法的詳細理論，只需要了解他們的原理及如何應用。

接觸算法調用是在接觸的屬性——Advanced——Formulation中，程序控制Program Controlled默認罰函數算法，你可以根據自己的實際工況來選擇更適合的接觸算法。

接觸算法選擇

2.4.1罰函數法Pure Penalty

罰函數法用一個接觸彈簧來在兩個面間建立關系，彈簧剛度被稱為懲罰參數，其實就是接觸剛度。當兩面分開時，彈簧不起作用；當面開始穿透時，彈簧起作用，根據胡克定律：F = K x ，此處的 K 為法向剛度，x為穿透深度。

罰函數示意圖

這種算法的精度較依賴于接觸剛度和穿透量的大小。接觸剛度越大，則穿透越小，但是接觸剛度過大會導致整體剛度矩陣出現病態和收斂的困難。因此，理想的剛度就是既要能保證滲透較小，又要保證整體剛度矩陣。

當接觸方法為程序控制/罰函數或增強的拉格拉日時，其他設置如下：

其他設置參數

1，探測方法一般使用程序控制。對于罰函數和增強拉格朗日公式，程序控制默認使用探測點更多、探索更準確的“On Gauss point（積分點）”進行探測。拉格朗日與MPC公式默認使用“Nodal- Normal to Target（節點-目標面法向）”方法，探測點更少。當有摩擦的接觸面和目標面之間存在偏移時，為更好地滿足力矩平衡可選用“Nodal-Projection Normal from Contact（節點-投影法向接觸）”。

探測方法

2，穿透容差即允許穿透量，代表F=Kx中的x，一般使用程序控制，程序控制默認為0.1*單元厚度，用戶可以設置為數值（Value）或因子（Factor），因子即相較于下層單元的厚度比例。

3，切向滑移容差又稱彈性滑移容差，一般使用程序控制，程序控制默認為0.1*單元長度、用戶可以設置為數值（Value）或因子（Factor），因子即相較于下層單元的長度比例。如果彈性滑移在許可的容差范圍內，接觸協調性在切向滿足要求。綁定、粗糙、摩擦接觸等增強了切向的協調性。

穿透容差與彈性滑移容差

4，法向剛度即K值，剛度越大，計算越精確，但是越難收斂。默認為程序控制，對于綁定和不分離約束，默認K=10；對于其他形式的接觸，默認K=1.0；手動控制時，對于體積為主的問題，建議設置為1，對于彎曲為主的問題，建議設置0.01~0.1之間。

5，彈球區域一般作為十分有效的接觸探測器使用，可自定義并在圖形區顯示。在彈球內的目標面上的節點, 程序就會認為它“接近”接觸，而且會更加密切地監測它與接觸探測點的關系 ,在球體以外的目標面上的節點被忽略。對于綁定或不分離的接觸，如果間隙或穿透小于彈球區域，則間隙/穿透自動被刪除。（若選擇程序控制彈球區域，將自動生成一個足夠大的彈球區域將間隙或穿透包括在內，使得綁定或不分離接觸能忽略間隙或穿透）