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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─點,點─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)識到模型中的哪些部分可能會相互接觸。如果相互作用的其中之一是一點,模型的對應(yīng)組元是一個節(jié)點。如果相互作用的其中之一是一個面,模型的對應(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別可能的接觸對,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
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點-點 |
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點-面 |
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面 |
- 面 |
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CONTAC 12 |
CONTAC 52 |
CONTA 178 |
CONTAC 26 |
CONTAC 48 |
CONTAC 49 |
CONTAC171,172 TARGET 169 |
CONTAC 173, 174 TARGET 170 |
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點-點 |
Y |
Y |
Y |
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點-面 |
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Y |
Y |
Y |
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面-面 |
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Y |
Y |
Y |
Y |
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2-D |
Y |
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Y |
Y |
Y |
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Y |
Y |
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3-D |
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Y |
Y |
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Y |
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Y |
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滑動 |
小 |
小 |
小 |
大 |
大 |
大 |
大 |
大 |
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曲面 |
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Y |
Y |
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圓柱間隙 |
Y |
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Y |
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純Lagrange乘子 |
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Y |
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增加Lagrange乘子 |
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Y |
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Y |
Y |
Y |
Y |
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接觸剛度 |
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用戶定義 |
半自動 |
用戶定義 |
用戶定義 |
用戶定義 |
半自動 |
半自動 |
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自動網(wǎng)格工具 |
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EINTF |
EINTF |
None |
GCGEN |
GCGEN |
ESURF |
ESURF |
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低階 |
Y |
Y |
Y |
Y |
Y |
Y |
Y |
Y |
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高階 |
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Y |
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Y |
Y |
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剛體-柔體 |
Y |
Y |
Y |
Y |
Y |
Y |
Y |
Y |
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柔體-柔體 |
Y |
Y |
Y |
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Y |
Y |
Y |
Y |
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熱接觸 |
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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。
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“接觸對”,給目標(biāo)單元和接觸單元指定相同的實常數(shù)號。
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─面接觸單元相比,面─面接觸單元有許多優(yōu)點:
支持面上的低階和高階單元(即角節(jié)點或有中節(jié)點的單元);
支持有大滑動和摩擦的大變形。計算一致剛度陣,可用不對稱剛度陣選項;
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─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時間,并具有高效的可視化;
允許多種建模控制,例如:
綁定接觸,不分離接觸,粗糙接觸;
漸變初始穿透;
目標(biāo)面自動移動到初始接觸;
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-點或點-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-點或點-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)接觸角點應(yīng)用點-點接觸單元。
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─面接觸單元
點─面接觸單元主要用于給點─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),鉚頭裝配部件的角點。
如果通過一組節(jié)點來定義接觸面,生成多個單元,那么可以通過點─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滑動,雖然這一功能也可以模擬小的滑動。
CONTACT48 和 CONTACT49單元是點─面的接觸單元。這2種單元支持大滑動、大變形、以及接觸部件間不同的網(wǎng)格。用戶也可以用這2種單元來進行熱-機械耦合分析,其中熱在接觸實體之間的傳導(dǎo)非常重要。
應(yīng)用 CONTACT26 單元用來模擬柔性點─剛性面的接觸。對有不光滑剛性面的問題,不推薦采用 CONTACT26 單元,因為在這種環(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─點接觸單元
點─點接觸單元主要用于模擬點─點的接觸行為。為了使用點─點接觸單元,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滑動的情況(即使在幾何非線性情況下)。其中一個例子是傳統(tǒng)的管道裝配模型,其中接觸點總是在管端和約束之間。
點─點接觸單元也可以用于模擬面─面的接觸問題,如果兩個面上的節(jié)點一一對應(yīng),相對滑動又可以忽略不計,兩個面位移(轉(zhuǎn)動)保持小量,那么可以用點─點的接觸單元來求解面─面的接觸問題,過盈裝配問題是一個用點─點的接觸單元來模擬面─面接觸問題的典型例子。
另一個點─點接觸單元的應(yīng)用是表面應(yīng)力的精確分析,如透平機葉片的分析。
ANSYS的 CONTA178 單元是大多數(shù)點-點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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