ANSYS 中 MPC 的应用.docx
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ANSYS中MPC的应用
ANSYS中MPC的应用
目 录
1. 介绍
2. MPC 用于 SOLID-SOLID,SHELL-SHELL 的连接
3. MPC 用于 SOLID-SHELL 的连接
4. MPC 用于 SHELL-SHELL 的连接
5. MPC 用于 SOLID-BEAM 和 SHELL-BEAM 的连接
6. MPC 用于 FE 模型与载荷点的连接
1. 介绍：
（1） 什么是 MPC?
MPC 的含义：
多点约束，表达式可写为：
示例：
（2） 为什么需要 MPC?
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连接不同的网格：
– 如果几何在拓扑上是不连接的，可以分别划分网格，然后用 MPC 进行连接各 FE 模型：
（3）使用 MPC做什么?
a. 连接不同的单元类型：
– 如果在连接区域使用了不同的单元类型，由于节点自由度不同，连通性是不一致的。
使用 MPC 可以使 FE 模型的连通性一致。
b. 施加远处的载荷：
如果载荷点不在 FE 模型上，使用 MPC 可以实现载荷点与 FE 模型的连接：
（4） 为什么不用已有的接触算法？
a. 结果可能依赖于接触刚度：
– 现有的 bonded 接触算法使用了惩罚方法 （penaltymethod），由于接触刚度 （引起病态条件）和穿透，可能会影响结果的精度。
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b. 即使对小变形问题也需要大量迭代才能达到满意的平衡。
– 即使是线性问题，通常也需要迭代。
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c.在模态分析中，有时会出现虚假的自然频率。
– 这是因为使用了接触刚度。
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d.只处理平移自由度
– -对于接触面与目标面的距离非零的情况；
– -不能处理 Shell 与 beam 装配的情况。
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e. 只适于小应变的情况
– 因为现有的 CE 方法总是使用初始的节点定位；
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f. RBE3 约束单元只支持低阶单元
–
10 节点四面体单元是最常使用的单元；
g.在 RBE3 的主节点上，不允许施加位移约束。
（5） 新的 MPC 方法的优点
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a. MPC 方程由软件内部创建：
– 不需要用户手工定义 MPC 方程，用户只需将连接视为 “绑定” （bonded） 接触， ANSYS 将自动生成 MPC。
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b. 接触表面的节点自由度将被自动消除：
– 这可以提高求解效率。
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c. 不需要输入接触刚度：
– 不再需要通过多次尝试来保证求解精度；
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d. 对于小变形问题，它表现为 “真线性接触” 特性：
– 求解系统方程时不需要迭代；
e. 对于大变形问题，在每一步迭代时更新 MPC 方程。
f. 不仅可以约束平移自由度，而且可以约束转动自由度：
– 可以改善求解精度，并使 solid-shell,shell-shell,solid-beam 及 shell-beam 之间的连接更合理。
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g. 对于接触对定义，也很容易生成内部的 MPC：
– 对于了解如何定义接触的用户，也没有什么新东西。
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h. 与 MSC/Nastran（RBE3 型） 不同
– - 自动考虑形状函数，不需要权因子；
– - 不仅可以施加力，也可以施加位移约束。
2. 将 MPC 连接用于 SOLID-SOLID,SHELL-SHELL
过程:
1） 将连接视为接触面，使用命令或 ContactWizard 来定义接触面和目标面：
2） 设置接触单元选项 （keyoptions）：
KEYOPT
（2）=2 激活 MPC 方法
KEYOPT（4）=2 基于节点
KEYOPT（12）=5 或 6 设置为 “绑定 （bonded） ” 接触
3） 执行分析
注意：
如接触面和目标面的网格相似，MPC 方法给出与连续网格相同的结果。
如接触面和目标面的网格相差较大，MPC 方法给出的界面处的应力梯度将受到影响，网格越相近，结果越好。
以下是使用MPC时，对不同情况的计算结果精度的测试：
a. 网格相似性
b.网格一致性
c.几何穿透影响
d.几何间隙
e.应力集中的情况
f. MPC 连接用于 SOLID-SOLID - 静力分析
g. MPC 连接用于 SOLID-SOLID - 模态分析
h. MPC 连接用于 SHELL-SHELL- 静力分析
h. MPC 连接用于 SHELL-SHELL- 模态分析
i. MPC 连接用于 SHELL-SHELL- 边界对边界
j. MPC 连接用于接触
3. 将 MPC 连接用于 SOLID-SHELL
实体网格与壳体网格不需要对齐。
A.过程：
1）将连接处理为接触，对实体使用 Target170，对壳体使用 Contact175。
2） 设置接触单元 Contact175 选项 （keyoptions）:
KEYOPT
（2）=2 激活 MPC 方法
KEYOPT（12）=5 或 6 设置为绑定接触
3） 设置目标单元 Target170 选项：
KEYOPT（5）=0 自动约束类型探测 （default）
KEYOPT（5）=1 实体-实体约束 （没有旋转自由度被约束）
KEYOPT（5）=2 壳体-壳体约束 （同时约束平移和旋转自由度）
KEYOPT（5）=3 壳体-实体约束 （壳体边界同时约束平移和旋转自由度；实体表面上只约束平移）
4） 执行分析
B.计算精度：
以下是将MPC连接用于SOLID-SHELL连接时的一些精度测试结果：
a.不同网格的连接：
b.虚拟壳体SHSD-KEYOPT（5）=1
c.虚拟壳体SHSD-KEYOPT（5）=2
d.不使用虚拟壳体SHSD-KEYOPT（5）=3
e.总结
示例：
4. 将 MPC 连接用于 SHELL-SHELL
a. 两种消除接触面与目标面间隙的方法：
1） 如果接触面法线与目标面相交，可以使用 PSOLVE 命令延伸接触面
GUI菜单：
MainMenu>Solution>Solve>PartialSolu
2） 如果接触面法线与目标面不相交，可以使用 KEYOPT（5）=4，仍像接触节点和目标段在pinball 范围内部一样创建约束方程。
5.MPC 约束用于 SOLID-BEAM 和 SHELL-BEAM
过程：
1） 1） 将实体表面和/或壳体边界作为接触面，将梁节点作为目标的 pilot 节点，不需要添加目标面。
2） 2） 设置接触单元选项：
KEYOPT
（2）=2 激活 MPC 方法
KEYOPT（12）=5 或 6 设置为绑定接触
KEYOPT（4）=1 力 - 分布表面
KEYOPT（4）=2 刚性约束表面
3） 执行分析
示例1：
实体结果与实体-梁连接结果的比较，下面右图中间分为实体和梁两段，用MPC连接到一起：
1. 刚性约束表面工况
2. 表面分布力工况
示例2：
示例3：
实体结果与壳体-梁连接结果的比较，下面右图中间分为壳体和梁两段，用MPC连接到一起：
工况1：
刚性约束面
工况2：
表面分布力
6. 用 MPC 连接 FE 模型和加载点
过程：
1） 1） 将 FE 表面和/或边界作为接触面，加载节点作为目标 pilot 节点，不需要添加目标面。
2） 2） 设置接触单元选项：
KEYOPT
（2）=2 激活 MPC 方法
KEYOPT（12）=5or6 设置为绑定接触
KEYOPT（4）=1 力 – 分布表面
KEYOPT（4）=2 刚性约束表面
3） 执行分析
示例：
工况1：
刚性约束表面
工况2：
表面分布力
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