《ANSYS高级接触分析》.ppt

ANSYS 高级接触问题 接触问题概述 在工程中会遇到大量的接触问题，如齿轮的啮合、法兰联接、机电轴承接触、卡头与卡座、密封、板成形、冲击等等。接触是典型的状态非线性问题，它是一种高度非线性行为。接触例子如下图： §1 接触分类 刚－柔 一个表面是完全刚性的—除刚体运动外无应变、应力和变形，另一表面为软材料构成是可变形的。 只在一个表面特别刚硬并且不关心刚硬物体的应力时有效。 柔－柔 两个接触体都可以变形。 §2 接触单元 ANSYS 采用接触单元来模拟接触问题： 跟踪接触位置； 保证接触协调性（防止接触表面相互穿透）； 在接触表面之间传递接触应力（正压力和摩擦）。 接触单元就是覆盖在分析模型接触面上的一层单元。 在 ANSYS 中可以采用三种不同的单元来模拟接触： 面一面接触单元； 点一面接触单元； 点一点接触单元。 §3 关于耦合和约束方程的应用 如果接触模型没有摩擦，接触区域始终粘在一起，并且分析是小挠度、小转动问题，那么可以用耦合或约束方程代替接触。 使用耦合或约束方程的优点是分析还是线性的 接触问题的一般特性 §1 接触刚度 1、所有的 ANSYS 接触单元都采用罚刚度（接触刚度）来保证接触界面的协调性 §2 摩擦 1、两个接触体的剪切或相互滑动行为可以是无摩擦的，也可以是有摩擦的 无摩擦时允许物体没有阻力地相互滑动； 有摩擦时，物体之间会产生剪切力 (摩擦力)。 2、摩擦消耗能量，并且是路径相关行为。 为获得较高的精度，时间步长必须很小（图2-1） 图2－1 §3 自动时间步、控制 接触单元的 Keyopt（7）选项控制时间步的预报。 0－无控制：不影响时间步尺寸。当自动时间步开关打开时，对于静态问题通常选此项。 1－自动缩减：如果接触状态改变较大，将时间步二分。对于动态问题，自动缩减通常是充分的。 2－合理的：比自动缩减花费时间更长的算法。为保持一个合理的时间载荷增量，需要在接触预测中选择此项。适用于静态分析和连续接触时瞬态分析。 3－最小值：该选项为下一子步预报时间增量的最小值（计算时间很长，建议不用）。这个选项在碰撞和断续接触 (接触状态不断改变) 分析中是有用的。 ·接触分析中自动时间步的其它注意事项： 与所有其它非线性分析一样，对接触问题，时间步长是非常有力的提高收敛性的工具。 采用足够小的时间步长以获得收敛。 对于冲击瞬态分析，必须使用足够数量的计算步以描述表面间的动量转移。 对于路径相关现象（如接触摩擦），相对较小的最大时间步长对计算精度是必须的。 §2 面－面接触单元 §1 概述 面－面接触单元，是模拟任意两个表面间接触的方法。表面可以具有任意形状。是 ANSYS 中最通用的接触单元。精度高、特性丰富还可使用接触向导，建模方便。（其它接触单元目前尚不能用向导）。 面－面接触单元在面的高斯点处传递压力，这种先进技术使面－面接触单元具有很多优点： 与低阶单元和高阶单元都兼容 提供更好的接触结果（于后处理接触压力和摩擦应力） 可考虑壳和梁的厚度，以及壳的厚度变化 半自动接触刚度计算 刚性表面由“控制节点 – pilot node”控制 热接触特性 众多的高级选项来处理复杂问题。 具有众多的高级选项（20 个可用的实常数、2 个材料属性和 30 个可用的单元选项）提供了丰富的特征库，能够用于模拟特殊的效果和处理困难的收敛情况。 然而众多的选项的智能缺省选项可以有效求解许多接触问题而不需要用户介入太多。 通常的做法是：开始使用高级选项之前，先试着采用缺省设置：只指定罚刚度，穿透容差和子步数，然后进行分析。只在采用缺省设置遇到困难时才采用高级选项。 所有的高级选项也可以通过接触向导来控制。 §2 面－面接触单元 使用面－面接触单元计算刚－柔、柔－柔接触分析。 把一个面指定为目标面（Target），另一个面指定为接触面（contant），合起来叫接触对。 接触单元被约束不能侵入目标面，然而目标单元能侵入接触面。 2D目标单元 TARGE169 : §3 面一面接触分析步骤、实例 （不通过接触向导创建接触对） Step 1. 建立基体有限元模型 设置基体单元类型、实常数、材料特性 给基体分网： 命令：AMESH VMESH Step 2. 指定接触面和目标面 对于刚一柔接触，目标面总是刚性面； 对于柔－柔接触，目标面和接触面的不同选择会产生不同的穿透（图3-1），并且影响求解精度。 例如: 超弹密封 St