《ANSYS结构非线性分析指南(第五—六章)》.doc

第五章?? 接触分析 5.1 概述 接触问题是一种高度非线性行为，需要较多的计算机资源。为了进行切实有效的计算，理解问题的物理特性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，在用户求解问题之前，用户通常不知道接触区域。随载荷、材料、边界条件和其它因素的不同，表面之间可以接触或者分开，这往往在很大程度上是难以预料的，并且还可能是突然变化的。其二，大多数的接触问题需要考虑摩擦作用，有几种摩擦定律和模型可供挑选，它们都是非线性的。摩擦效应可能是无序的，所以摩擦使问题的收敛性成为一个难点。 注意 --如果在模型中，不考虑摩擦，且物体之间的总是保持接触，则可以应用约束方程或自由度藕合来代替接触。约束方程仅在小应变分析( NLGEOM ，off)中可用。见《ANSYS Modeling and Meshing Guide》中的§12，Coupling and Constraint Equations。 除了上面两个难点外，许多接触问题还必须涉及到多物理场影响，如接触区域的热传导、电流等。 5.1.1 显式动态接触分析能力 除了本章讨论的隐式接触分析外，ANSYS还在ANSYS/LS-DYNA中提供了显式接触分析功能。显式接触分析对于短时间接触-碰撞问题比较理想。关于ANSYS/LS-DYNA的更多的信息参见《ANSYS/LS-DYNA Users Guide》。 5.2 一般接触分类 接触问题分为两种基本类型：刚体─柔体的接触，柔体─柔体的接触。在刚体─柔体的接触问题中，接触面的一个或多个被当作刚体，(与它接触的变形体相比，有大得多的刚度)。一般情况下，一种软材料和一种硬材料接触时，可以假定为刚体─柔体的接触，许多金属成形问题归为此类接触。柔体─柔体的接触是一种更普遍的类型，在这种情况下，两个接触体都是变形体(有相似的刚度)。柔体─柔体接触的一个例子是栓接法兰。 5.3 ANSYS接触分析功能 ANSYS支持三种接触方式：点─点，点─面，面─面接触。每种接触方式使用不同的接触单元集，并适用于某一特定类型的问题。 为了给接触问题建模，首先必须认识到模型中的哪些部分可能会相互接触。如果相互作用的其中之一是一点，模型的对应组元是一个节点。如果相互作用的其中之一是一个面，模型的对应组元是单元，如梁单元、壳单元或实体单元。有限元模型通过指定的接触单元来识别可能的接触对，接触单元是覆盖在分析模型接触面之上的一层单元，至于ANSYS使用的接触单元和使用它们的过程，后面会分类详述，然后论述ANSYS接触单元和他们的功能。参见《ANSYS Elements Reference》和《ANSYS Theory Reference》。 表5-1 ANSYS接触分析功能 点-点 点-面 面 - 面 CONTAC 12 CONTAC 52 CONTA 178 CONTAC 26 CONTAC 48 CONTAC 49 CONTAC171,172 TARGET 169 CONTAC 173, 174 TARGET 170 点-点 Y Y Y 点-面 Y Y Y 面-面 Y Y Y Y 2-D Y Y Y Y Y Y 3-D Y Y Y Y 滑动 小 小 小 大 大 大 大 大 曲面 Y Y 圆柱间隙 Y Y 纯Lagrange乘子 Y 增加Lagrange乘子 Y Y Y Y Y 接触刚度 用户定义 半自动 用户定义 用户定义 用户定义 半自动 半自动 自动网格工具 EINTF EINTF None GCGEN GCGEN ESURF ESURF 低阶 Y Y Y Y Y Y Y Y 高阶 Y Y Y 刚体-柔体 Y Y Y Y Y Y Y Y 柔体-柔体 Y Y Y Y Y Y Y 热接触 Y Y Y Y 5.3.1 面─面的接触单元 ANSYS支持刚体─柔体和柔体─柔体的面─面的接触单元。这些单元应用“目标”面和“接触”面来形成接触对。 ?? 分别用TARGE169或TARGE170来模拟2D和3D目标面。 ?? 用CONTA171、CONTA172、CONTA173、CONTA174来模拟接触面。 为了建立一个“接触对”，给目标单元和接触单元指定相同的实常数号。参见§5.4。 这些面-面接触单元非常适合于过盈装配安装接触或嵌入接触，锻造，深拉问题。与点─面接触单元相比，面─面接触单元有许多优点: ?? 支持面上的低阶和高阶单元(即角节点或有中节点的单元)； ?? 支持有大滑动和摩擦的大变形。计算一致刚度阵，可用不