接觸非線性ANSYS分析入門

2017-04-26  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)



以連續(xù)體模型為基準,研究接觸非線性模型的計算精度,包括壓力和位移加載方式的影響、滲透容差的影響、非匹配網(wǎng)格的影響、接觸面和目標面選取的影響。


目標面和接觸面的選取原則:

  • 如果一個表面比另一個表面硬,則硬面為目標面。

  • 如果一個表面大于另一個表面,則大的表面為目標面。

  • 如果一個表面為高階另一個表面為低階,則低階表面為目標面。

  • 如果一個凸表面與一個平面或凹面接觸,應該選擇平面或凹面為目標面。

  • 如果一個表面有粗糙的網(wǎng)格而另一個表面網(wǎng)格細密,則選擇粗糙的網(wǎng)格表面為目標面。

接觸非線性ANSYS分析入門ansys分析案例圖片1

接觸非線性ANSYS分析入門ansys結果圖片2

一、問題描述



為分析接觸非線性問題,設計了2個模型。第1個模型為1塊板;第2個模型是將第1個板切成2塊板,切割成的2塊板之間創(chuàng)建接觸關系。第1個為連續(xù)體模型,以此為基準,研究第2個接觸非線性模型的計算精度。

接觸非線性ANSYS分析入門ansys結果圖片3

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問題分析與計算結果:


1.連續(xù)體模型


連續(xù)體模型仍然切割成2塊板,兩塊板幾何面之間的關鍵點和線是共用的,劃分單元后,兩塊板之間的節(jié)點也是共用的。有限元參與計算的是單元和節(jié)點,與多少個幾何體無關,只要模型的節(jié)點和單元連續(xù),建立的仍然是連續(xù)體模型。


下圖中,面編號以A開頭,線編號以L開頭,關鍵點編號是純數(shù)字。上下幾何面A1和A2之間共用關鍵點和線。

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下圖是節(jié)點編號,在紅線位置處為上下幾何面之間共用節(jié)點。

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下圖是邊界條件,施加壓力100MPa

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下圖是整個板Y方向位移云圖,往下壓縮了0.0455 mm,假想的下板壓縮了0.01140 mm。

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下圖是整個板X和Y方向應力云圖,分別為-30 MPa和-100 MPa。

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2.接觸非線性模型



切割成2塊板,兩塊板幾何面之間的關鍵點和線是不共用的,劃分單元后,兩塊板之間的節(jié)點也是不共用的。有限元參與計算的單元和節(jié)點是不連續(xù)的,需要創(chuàng)建接觸關系,采用接觸非線性模型才能計算。

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上下板的節(jié)點不匹配,上下板之間在紅色位置處是初始無間隙也沒有嵌入。下板單元n1取11份,上板單元n2取22份

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(1)粗糙網(wǎng)格表面為目標面,細密網(wǎng)格為接觸面。上板上端位移加載0.0455mm,將默認的滲透容差系數(shù)0.1修改成0.001。


下圖是上下板的X和Y方向應力云圖,分別為-29.986 MPa和99.954 MPa。與連續(xù)體模型的計算結果十分吻合

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下圖是上下板之間的接觸壓力為99.954 MPa,滲透量為0.2084e-4 mm。

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(2)細密網(wǎng)格為目標面,粗糙網(wǎng)格表面為接觸面。其他條件與(1)相同。


下圖是上下板的X和Y方向應力云圖,與連續(xù)體模型的計算結果存在較大誤差

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3.接觸非線性模型計算結果匯總




以連續(xù)體模型為基準,比值是接觸非線性模型與連續(xù)體模型的計算結果之比。


網(wǎng)格匹配,創(chuàng)建接觸,透容差滲透容差系數(shù)FTOLN=0.1為默認值。加載方式分壓力加載(100MPa)和位移加載(-0.0455mm)。單元離散:下板單元n1份,上板單元n2份。


表1 滲透容差的影響(網(wǎng)格匹配,單元n1=n2=11份)。

壓力加載方式,接觸設置默認條件下,具有很高的精度。位移加載方式,滲透容差系數(shù)越小,精度越高。

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表2 非匹配網(wǎng)格的影響(粗糙網(wǎng)格表面為目標面,細密網(wǎng)格為接觸面)

接觸面單元是目標面單元的偶數(shù)倍時,具有很高的精度。不是偶數(shù)倍時,接觸單元份數(shù)越多,精度越高。

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表3 非匹配網(wǎng)格的影響(細密網(wǎng)格為目標面,粗糙網(wǎng)格表面為接觸面)

接觸單元份數(shù)一定條件下,目標單元越多,精度急劇降低,造成錯誤的解。接觸創(chuàng)建時,務必引起高度注意!

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二、GUI步驟


1.進入ANSYS

程序→ ANSYS 15.0→ ANSYS Product Launcher→ 改變working directory到指定文件夾→ 在job name輸入:file。

2.設置計算類型

Main Menu> Preferences→選擇Structural→ OK。

4.定義單元屬性

(1)定義單元類型

Main Menu> Preprocessor>Element Type> Add/Edit/Delete→ Add→ 選擇PLANE183單元,即在左列表框中選擇Solid,在右列表框中選擇8 node 183→ OK。

(2)定義材料參數(shù)

Main Menu> Preprocessor>Material Props> Material Models→ Structural→ Linear→ Elastic→ Isotropic→ EX: 2E5,PRXY: 0.3→ OK。

5.建立幾何模型

Main Menu> Preprocessor>Modeling> Create> Areas> Circle> By Dimensions→ 建立第1個板幾何面→ Apply→ 第2個板幾何面→ OK。

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第1個板幾何面

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第2個板幾何面

6.劃分網(wǎng)格

(1)顯示線和線的編號

①顯示線:Utility Menu >Plot> Lines。

②顯示線的編號:Utility Menu >Plotctrls>Numbering→ LINE:On。

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(2)設置線的份數(shù)

Main Menu> Preprocessor> Meshing> Mesh Tool→ 在Size Controls下方選擇Lines Set→ 拾取L1→ NDIV: 11→ OK。同樣的操作步驟,L2分3份,L6分9份,L7分22份。


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(3)劃分網(wǎng)格:Main Menu >Preprocessor>Meshing >MeshTool →Mesh →Pick All →OK。

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7.創(chuàng)建接觸

(1)選擇所有:Utility Menu> Select> Everything。

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(2)創(chuàng)建接觸,形成接觸對

①Contanct Manager,見圖中紅色方框→Contact Wizard,見圖中紅色方框。

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②創(chuàng)建目標面,左側Lines,右側Target Type: Flexible,Pick Target→拾取L3→ Next→

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③創(chuàng)建接觸面,左側Contact Surface: Lines,右側Contact ElementType: Surface-to-Surface,Pick Contact→拾取L5→ Next→

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④選擇材料:Material ID: 1,法向接觸無摩擦,摩擦系數(shù)取0→ Create→ Finish,接觸對已創(chuàng)建完成,實常數(shù)為3。

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⑤查看接觸屬性,將滲透容差系數(shù)默認值0.1修改成0.001→ OK→關閉Contanct Manager。

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⑥查看接觸單元和目標單元類型:MainMenu> Preprocessor> Element Type> Add/Edit/Delete→ Type 3 CONTA172 → Options→ Cancel→ Close。接觸單元選項里面有很多默認設置。

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⑦查看實常數(shù),也就是接觸對:Main Menu> Preprocessor>Real Constants> Add/Edit/Delete→ Set 3→ Edit→ Type 3 CONTA172→ OK→ Cancel。滲透容差系數(shù)以及修改成0.001。

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8.施加邊界條件

(1)下端線L1施加UY約束:

Main Menu>Preprocessor> Loads> Define Loads> Apply > Structural>Displacement > On Lines→ 拾取L1→ Lab2:UY→ OK。

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(2)左右兩端線施加UX約束:

Main Menu>Preprocessor> Loads> Define Loads> Apply > Structural>Displacement > On Lines→ 拾取L2、L4、L6和L8 → Lab2:UX→ OK。

(3)施加強制位移:

Main Menu>Preprocessor> Loads> Define Loads> Apply > Structural>Displacement > On Lines→ 拾取L7→ Lab2:UY;VALUE:-0.0455→ OK。

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(4)求解前保存模型:Utility Menu> File> Saveas→ 輸入Load.db。

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9.求解

(1)求解前選擇所有:Utility Menu> Select> Everything。務必選擇所有,才能使所有節(jié)點和單元參與計算。

(2)開始求解計算:Main Menu> Solution> Slove>Current LS→ File> Close→ OK→ [Sloution is done]: Close,完成求解計算。

(3)求解后保存模型:Utility Menu> File> Saveas→ 輸入Solve.db。

10.后處理

(1)云圖顯示應力分布:

Main Menu> GeneralPostproc> Plot Results> Contour Plot> Nodal Solu→ 選擇Stress

→ 選擇X-Component of stress→OK。

→ 選擇Y-Component of stress→OK。

(2)云圖顯示接觸壓力:

①云圖顯示接觸壓力

Main Menu> GeneralPostproc> Plot Results> Contour Plot> Nodal Solu→ 選擇Contact→ Contact pressure→ OK。

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②云圖顯示接觸滲透量

Main Menu> GeneralPostproc> Plot Results> Contour Plot> Nodal Solu→ Contact→ Contact penetration→OK。

(3)云圖顯示下板位移分布:

①選擇下板面:UtilityMenu> Select> Entities→ 從上往下依次選擇Areas, ByNum/Pick, From Full→拾取下板面→ OK。

②顯示下板面:Utility Menu> Plot> Areas。

③選擇下板面的單元:Utility Menu> Select>Everything Below→Selected Areas→ OK。

④顯示下板面的單元:Utility Menu> Plot>Element。

⑤下板Y方向位移云圖:Main Menu >GeneralPostproc >Plot Results >Contour Plot >Nodal Solu →Nodal Solution → DOFSolution → Y-Component of displacement →OK。


三、GUI步驟視頻版

四、APDL步驟

1、連續(xù)體模型

L1=200

L2=200

H1=25

H2=75

uyy=0.455e-1


/PREP7

ET,1,PLANE183

MP,EX,1,2e5

MP,PRXY,1,0.3

RECTNG,0,L1,0,H1

RECTNG,0,L1,H1,H1+H2


LESIZE,1, , ,11, , , , ,1

LESIZE,2, , ,3, , , , ,1

LESIZE,6, , ,9, , , , ,1

LESIZE,7, , ,99, , , , ,1

NUMMRG,KP, , , ,LOW


ALLSEL,ALL

MSHAPE,0,2D

MSHKEY,1

AMESH,1

AMESH,2


DL,1, ,UY,0

!DL,7, ,UY,-uyy

DL,4, ,UX,0

DL,8, ,UX,0

DL,2, ,UX,0

DL,6, ,UX,0

SFL,7,PRES,100,

FINISH

/SOL

SOLVE

FINISH

/POST1

ASEL,S, , , 1

ALLSEL,BELOW,AREA

PLNSOL, U,Y, 0,1.0


2、接觸非線性模型

L1=200

L2=200

H1=25

H2=75

uyy=0.455e-1


/PREP7

ET,1,PLANE183

MP,EX,1,2e5

MP,PRXY,1,0.3


RECTNG,0,L1,0,H1

RECTNG,0,L1,H1,H1+H2

LPLOT

/PNUM,LINE,1

LESIZE,1, , ,11, , , , ,1

LESIZE,2, , ,3, , , , ,1

LESIZE,7, , ,22, , , , ,1

LESIZE,6, , ,9, , , , ,1

ALLSEL,ALL

MSHAPE,0,2D

MSHKEY,1

AMESH,all


MP,MU,1,0

MAT,1

R,3

REAL,3

ET,2,169

ET,3,172

KEYOPT,3,9,0

KEYOPT,3,10,2

R,3,

! Generate the target surface

LSEL,S,,,5

TYPE,2

NSLL,S,1

ESLN,S,0

ESURF


! Generate the contact surface

LSEL,S,,,3

TYPE,3

NSLL,S,1

ESLN,S,0

ESURF

ALLSEL


R,3,0,0,0, 0.001,0,0


DL,1, ,UY,0

DL,7, ,UY,-uyy

DL,4, ,UX,0

DL,8, ,UX,0

DL,2, ,UX,0

DL,6, ,UX,0

!SFL,7,PRES,100,


FINISH

/SOL

ALLSEL,ALL

SOLVE

FINISH

/POST1

PLNSOL, CONT,PRES, 0,1.0

/GFORMAT,E,12,4,

ASEL,S, , , 1

ALLSEL,BELOW,AREA

PLNSOL, U,Y, 0,1.0


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