ANSYS结构非线性分析3文档格式.docx
《ANSYS结构非线性分析3文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《ANSYS结构非线性分析3文档格式.docx（79页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
命令：
AMESH
VMESH
GUI：
MainMenu>
Preprocessor>
Mesh
5.4.4识别接触对
用户必须判断模型在变形期间哪些地方可能发生接触。
一旦已经判断出潜在的接触面，就应该通过目标单元和接触单元来定义它们，目标和接触单元将跟踪变形阶段的运动。
构成一个接触对的目标单元和接触单元通过共享的实常数号联系起来。
接触区域可以任意定义，然而为了更有效地进行计算（主要指CPU时间），用户可能想定义更小的局部化的接触区域，但要保证它足以描述所需要的所有接触行为。
不同的接触对必须通过不同的实常数号来定义，即使实常数没有变化。
但不限制允许的面的数目。
图5-1局部接触区域
由于几何模型和潜在变形的多样性，有时候一个接触面的同一区域可能与多个目标面产生接触关系。
在这种情况下，应该定义多个接触对（使用多组覆盖接触单元）。
每个接触对有不同的实常数号。
见图5-1。
5.4.5指定接触面和目标面
接触单元被限制不得穿透目标面。
但是，目标单元可以穿透接触面。
对于刚体-柔体接触，目标面总是刚体表面，而接触面总是柔体表面。
对于柔体-柔体接触，选择那一个面作为接触面或目标面可能会引起穿透量的不同，从而影响求解结果。
这可参照下面的论述：
如凸面预期与一个平面或凹面接触，则平面/凹面应当指定为目标面；
如一个面有较密的网格，而相比较之下，另一个面网格较粗，则较密网格的面应当是接触面，而较粗网格的面则为目标面；
如一个面比另一个面刚，则较柔的面应当指定为接触面，而较刚的面则为目标面；
如果高阶单元位于一个外表面，而低阶单元位于另一个面，则前者应指定为接触面，后者则为目标面；
如果一个面明显地比另一个面大（如一个面包围其他面），则较大的面应指定为目标面。
上面的论述对于不对称接触是正确的。
但不对称接触可能不能满足模型需要。
下面一小节祥细论述不对称接触和对称接触的差异，并简要说明需要对称接触的一些场合。
5.4.6不对称接触与对称接触
不对称接触定义为所有的接触单元在一个面上，而所有的目标单元在另一个面上的情况。
有时候也称为“单向接触”。
这在模拟面-面接触时最为有效。
但是，在某些环境下，不对称接触不能满足要求。
在这些情况下，可以把任一个面指定为目标面和接触面。
然后在接触的面之间生成二组接触对（或仅是一个接触对，如自接触情况）。
这就称为对称接触，有时也称为“双向接触”。
显然，对称接触不如非对称接触效率高。
但是，许多分析要求应用对称接触（典型地，是为了减少穿透）。
要求对称接触的情况如下：
接触面和目标面区分不十分清楚；
二个面都有十分粗糙的网格。
对称接触算法比非对称接触算法在更多的面上施加了接触约束条件。
如果二个面上的网格相同并且足够密，则对称接触算法可能不会显著改变运行，而事实上可能更费CPU时间。
在这种情况下，拾取一个面为目标面，而另一个面为接触面。
在任何接触模型中，可以混合不同的接触对：
刚体-柔体或柔体-柔体接触对；
对称接触或非线称接触。
但在一个接触对中只能有一种类型。
5.4.7定义目标面
目标面可以是2D或3D的刚体或柔体的面。
对于柔体目标面，一般应用ESURF命令来沿现有网格的边界生成目标单元。
也可以按相同的方法来生成柔体接触面（见§
5.4.8）。
用户不应当应用下列刚性目标面作为柔体接触面：
ARC,CARC,CIRC,CYL1,CONE,SPHE或PILO。
对于刚体目标面的情况论述如下。
在2D情况下，刚性目标面的形状可以通过一系列直线、圆弧和抛物线来描述，所有这些都可以用TARGE169单元来表示。
另外，可以使用它们的任意组合来描述复杂的目标面。
在3D情况下，目标面的形状可以通过三角面、圆柱面、圆锥面和球面来描述，所有这些都可以用TAPGE170单元来表示。
对于一个复杂的、任意形状的目标面，可以使用低阶/高阶三角形和四边形来给它建模。
5.4.7.1控制节点
刚性目标面可能会与“控制（pilot）节点”联系起来，它实际上是一个只有一个节点的单元，其运动控制整个目标面的运动，因此可以把控制节点作为刚性目标的控制器。
整个目标面的力/力矩和转动/位移可以只通过控制节点来表示。
控制节点可能是目标单元中的一个节点，也可能是一个任意位置的节点。
只有当需要转动或力矩载荷时，控制节点的位置才是重要的。
如果用户定义了控制节点，ANSYS程序只在控制节点上检查边界条件，而忽略其它节点上的任何约束。
注意--当前的接触向导不支持生成控制节点。
用户可以在接触向导外定义控制节点。
5.4.7.2基本图元
用户可以使用基本几何图元，如圆、圆柱、圆锥、球，来模拟目标面（它需要实常数来定义半径）。
也可以组合图元与一般的直线、抛物线、三角形和四边形来定义目标面。
5.4.7.3单元类型和实常数
在生成目标单元之前，首先必须定义单元类型（2维的TARGE169单元，或3维的TARGE170单元）。
ET
mainmenu>
preprocessor>
ElementType>
Add/Edit/Delete
随后必须设置目标单元的实常数。
Real
mainmenn>
realconstants
对于TARGE169单元和TARGE170单元，仅需设置实常数R1和R2（如果需要的话）。
关于目标单元、单元形状、实常数的完整描述，参见《ANSYSElementsReference》中TARGE169单元和TARGE170单元的论述。
注意--只有在使用直接生成法建立目标单元时，才需要指定实常数R1、R2。
另外除了直接生成法，用户也可以使用ANSYS网格划分工具生成目标单元，下面解释这两种方法。
5.4.7.4使用直接生成法建立刚性目标单元
为了直接生成目标单元，使用下面的命令和菜单。
TSHAP
modeling-create>
Elements>
ElemAttributes
随后指定单元形状，可能的形状有：
直线（2D）
抛物线（2-D）
顺时针的圆弧（2-D）
反时针的圆弧（2-D）
圆（2-D）
三角形（3-D）
圆柱（3-D）
圆锥（3-D）
球（3-D）
控制节点（2-D和3-D）
一旦用户指定目标单元形状，所有以后生成的单元都将保持这个形状，除非用户指定另外一种形状。
注意--不能在同一个目标面上混合2D和3D目标单元。
注意--不能在同一个目标面上混合刚体目标单元和柔体目标单元。
在求解期间，ANSYS对具有下伏单元的目标单元指定为可变形状态，而对没有下伏单元的目标单元指定为刚体状态。
如果删除柔性表面的下伏单元的一部分，在求解时会出现一个错误。
用户可以用标准的ANSYS直接生成技术生成节点和单元。
参见《ANSYSModelingandMeshingGuide》§
9。
N
E
modeling-create>
nodes
Elements
在建立单元之后，可以通过列表单元来验证单元形状。
ELIST
utilitymenu>
list>
Nodes+Attributes
5.4.7.5使用ANSYS网格划分工具生成刚性目标单元
用户也可以用标准的ANSYS网格划分功能让程序自动地生成目标单元。
ANSYS程序会基于体模型生成合适的目标单元形状，而忽略TSHAP命令的选项。
为了生成一个控制（Pilot）节点，使用下面的命令或GUI路径：
KMESH
meshing-mesh>
keypoints
注意：
KMESH总是生成控制节点。
为了生成一个2D刚性目标单元，使用下面的命令和GUI路径。
ANSYS在每条线上生成一条单一的线，在B-样条曲线上生成抛物线线段，在每条圆弧和倒角线上生成圆弧线段，参见图5-2。
如果所有的圆弧形成一个封闭的圆，ANSYS生成一个单一的圆，参见图5-3。
但是，如果围成封闭圆的弧是从外部输入（如IGES）的几何实体，则ANSYS可能无法生成一个单一的圆。
LMESH
lines
图5-2ANSYS几何实体和相应的刚性目标单元
图5-3从圆弧线段生成单一的圆
为了生成3D的目标单元，使用下面的命令或GUI路径。
-meshing-mesh>
Areas
如果实体模型的表面部分形成了一个完整的球、圆柱或圆锥，那么ANSYS程序通过AMESH命令，自动生成一个基本3D目标单元。
因为生成较少的单元，从而使用户分析计算更有效率。
对任意形状的表面，应该使用AMESH命令来生成目标单元。
在这种情况下，网格形状的质量不重要。
而目标单元的形状是否能较好地模拟刚性面的表面几何形状显得更重要。
在所有可能的面上，推荐使用映射网格。
如果在表面边界上没有曲率，则在网格划分时，指定那条边界分为一份。
刚体TAREG169单元总是在一根线上按一个单元这样来分网，而忽略LESIZE命令的设置。
缺省的单元形状是四边形。
如果要用三角形目标单元，应用MSHAPE,1。
图5-4示出任意目标面的网格布局。
下面的命令或GUI路径，将尽可能地生成一个映射网格（如果不能进行映射，它将生成自由网格）。
MSHKFY，2
-Areas-TargetSurf
图5-4任意目标面的网格布局
如果目标面是平面（或接近平面），用户可以选择低阶目标单元（3节点三角形或4节点四边形单元）。
如果目标面是曲面，用户应该选择高阶目标单元（6节点三角形或8节点四边形单元）。
为此在目标单元定义中设置KEYOPT
（1）=1。
注意--低阶单元致使获取穿透和间隙时CPU的开销较小；
但是，分网后的面可能不够光滑。
高阶单元则在获取穿透和间隙时CPU的开销较大；
但是需要较少的单元就可以离散整个目标曲面。
注意--如果通过程序分网（KMESH、LMESH、ESURF命令）来建立目标单元，则忽略TSHAP命令，而ANSYS自动选择合适的形状。
5.4.7.5.1建模和网格划分的一些诀窍
一个目标面可能由两个或多个不连续的区域组成。
用户应该尽可能地通过定义多个目标面，来使接触区域限于局部（每个目标面有一个不同的实常数号）。
刚性面上的形状不限制，不要求光滑。
但是，要保证刚性目标面上曲面的离散足够。
过粗的网格离散可能导致收敛问题。
如果刚性面有一个尖锐的凸角，求解大的滑动问题时很难获得收敛结果。
为了避免这些建模问题，在实体模型上使用线或面的倒角来使尖角光滑化，或者在曲率突变的区域使用更细的网格或使用高阶单元，见图5-5。
图5-5凸角的光滑化
5.4.7.5.2检验目标面的节点号顺序（接触方向）
目标面的节点号顺序是重要的，因为它定义了接触方向。
对2D接触问题，当沿着目标线从第一个节点移向第二个节点时，变形体的接触单元必须位于目标面的右边。
见图5-6。
图5-6正确的节点顺序
对3D接触问题，目标三角形单元号应使刚性面的外法线方向指向接触面。
外法线通过右手法则来定义。
为了检查法线方向，显示单元坐标系。
/PSYMB，ESYS，1
Utilitymenu>
PlotCtrls>
symbols
如果单元法向不指向接触面，选择该单元，反转表面法线的方向。
ESURF,,REVE
preprocossor>
create>
SurftoSurf
或重新定向单元的法向：
ENORM
Move/Modify>
ShellNormals
注意--在目标元素（如完整的圆、圆柱、圆锥、球）上的接触，只能在这些目标元素的外表面上出现。
5.4.8定义柔体的接触面
为了建立柔体的接触面，对于2D接触必须使用接触单元CONFA171或CONFA172接触单元；
对于3D接触必须使用CONTA173或CONTA174接触单元。
程序通过组成柔体表面的接触单元来定义接触面。
接触单元与下伏柔体单元有同样的几何特性。
接触单元与下伏柔体单元必须处于同一阶次（低阶或高阶），以使在边上的节点协调。
高阶接触单元可以通过消除中节点而与低阶下层单元匹配。
下伏单元可能是实体单元、壳单元、2D梁单元。
接触面可以在壳或梁单元任何一边。
下伏单元也可以是超单元。
但是，轴对称调和单元不能用作下伏单元。
与目标面单元一样，用户必须定义接触面的单元类型，然后选择正确的实常数号（在每个接触对中，实常数号必须与它所对应的目标面的实常数号相同），最后生成接触单元。
5.4.8.1单元类型
下面简单描述四种类型的接触单元。
参见《ANSYSElementsReference》。
CONTA171：
这是2D、2个节点的低阶线单元，可位于2D实体、壳或梁单元（如BEAM3、PLANE42或SHELL51）的表面。
CONTA172：
这是2D、3节点的高阶抛物线形单元，可位于有中节点的2D实体或梁单元（如PLANE82或VISCO88）的表面。
CONTA173：
这是3D、4节点的低阶四边形单元，可位于3D实体或壳单元（如SOLID45或SHELL181）的表面。
可退化成3节点的三角形单元。
CONTA174：
这是3D、8节点的高阶四边形单元，可位于有中节点的3D实体或壳单元（如SOLID92、SOLID95或SHELL93）的表面。
可退化成6节点的三角形单元。
Elementtype>
Add/Edit/Delete
5.4.8.2实常数和材料特性
在定义了单元类型之后，需要选择正确的实常数集。
一个接触对中的接触面和目标面必须有相同的实常数号。
每个接触对必须有不同的实常数号。
ANSYS使用下伏单元的材料特性来计算一个合适的接触（或罚）刚度。
在下层单元有用TB命令定义的塑性材料特性（不论激活与否）的情况下，接触的法向刚度可能按照系数100降低。
ANSYS自动为切向（滑动）刚度定义一个与MU和法向刚度成正比的缺省值。
如果下伏单元是一个超单元，接触单元的材料必须与超单元形成时的原始结构单元相同。
5.4.8.3生成接触单元
既可以通过直接生成法生成接触单元，也可以在下层单元的外表面上自动生成接触单元。
推荐采用自动生成法，这种方法更为简单和可靠。
可以通过下面三个步骤，来自动生成接触单元。
１、选择节点
选择已分网的柔体表面的节点。
对每一个面，检查节点排列。
如果用户确定某一部分节点永远不会接触到目标面，用户可以忽略它以便减少计算时间。
然而用户必须保证设有漏掉可能会接触到目标面的节点。
NSEL
UtilityMenu>
Select>
Entities
2、生成接触单元
ESURF
如果接触单元是附在已用实体单元划分网格的面或体上，程序会自动决定接触计算所需的外法向。
如果下层单元是梁或壳单元，则必须指明哪个表面（上表面或下表面）是接触面。
ESURF,,TOP（或BOTIOM）
使用TOP（缺省）生成接触单元，它们的外法向与梁或壳单元的法向相同；
使用BOTIOM生成接触单元，则它们的外法向与梁或壳单元的法向相反。
必须确保梁上的单元或壳单元有一致的法向。
如果下伏单元是实体单元，则TOP或BOTTOM选项不起作用
3、检查接触单元外法向。
当程序进行是否接触的检查时，接触面的外法线方向至关重要。
对于3D单元，按节点顺序号以右手法则来决定单元的外法向。
接触面的外法向应该指向目标面。
否则，在开始分析计算时，程序可能会认为是有过度穿透的面，而很难找到初始解。
在这些情况下，程序一般会立即停止执行。
图5-7说明正确和不正确的外法向。
/PSYMB,ESYS
plotctrls>
图5-7定义接触单元的外法向
当发现单元的外法线方向不正确时，必须通过反转所选择的不正确单元的节点号来改变它们：
或重新定向单元法向：
5.4.9设置实常数和单元关键选项
程序使用20个实常数和数个单元关键选项，来控制面─面接触单元的接触。
参见《ANSYSElementsReference》中对接触单元的描述。
5.4.9.1实常数
在20个实常数中，两个（R1和R2）用来定义目标面单元的几何形状。
剩下的用来控制接触面单元。
R1和R2
定义目标单元几何形状。
FKN
定义法向接触刚度因子。
FTOLN
是基于单元厚度的一个系数，用于计算允许的穿透。
ICONT
定义初始闭合因子。
PINB
定义“Pinball"
区域。
PMIN和PMAX
定义初始穿透的容许范围。
TAUMAR
指定最大的接触摩擦。
CNOF
指定施加于接触面的正或负的偏移值。
FKOP
指定在接触分开时施加的刚度系数。
FKT
指定切向接触刚度。
COHE
制定滑动抗力粘聚力。
TCC
指定热接触传导系数。
FHTG
指定摩擦耗散能量的热转换率。
SBCT
指定Stefan-Boltzman常数。
RDVF
指定辐射观察系数。
FWGT
指定在接触面和目标面之间热分布的权重系数。
FACT
静摩擦系数和动摩擦系数的比率。
DC
静、动摩擦衰减系数。
R
preprocessor>
realconstant
对实常数FKN,FTOLN,ICONT,PINB,PMAX,PMIN,FKOP和FKT，用户既可以定义一个正值，也可以定义一个负值。
程序将正值作为比例因子，将负值作为绝对值。
程序将下伏单元的厚度作为ICON，FTOLN，PINB，PMAX和PMIN的参考值。
例如ICON=0.1表明初始闭合因子是“0.1*下层单元的厚度”。
然而，ICON=-0.1则表示真实调整带是0.1单位。
如果下伏单元是超单元，则将接触单元的最小长度作为厚度。
参见图5-8。
图5-8下层单元的厚度
在模型中，如果单元尺寸变化很大，而且在实常数如ICONT,FTOLN,PINB,PMAX,PMIN中应用比例系数，则可能会出现问题。
因为从比例系数得到的实际结果，取决于下层单元的厚度，这就可能引起大、小单元之间的重大变化。
如果出现这一问题，请用绝对值代替比例系数。
TCC,FHTG,SBCT,RDVF和FWGT仅用于热接触分析[KEYOPT
（1）=1]。
5.4.9.2单元关键选项
每种接触单元都包括数个关键选项。
对大多的接触问题，缺省的关键选项是合适的。
而在某些情况下，可能需要改变缺省值。
下面是可以控制接触行为的一些关键选项：
自由度
KEYOPT
（1）
接触算法（罚函数+拉格朗日乘子或罚函数）
KEYOPT
（2）
存在超单元时的应力状态（仅2D）
KEYOPT（3）
接触检测点的位置（仅低阶接触单元）
KEYOPT（4）
CNOF自动调整
KEYOPT（5）
时间步控制
KEYOPT（7）
伪接触预防
KEYOPT（8）
初始穿透或间隙的影响
KEYOPT（9）
法向和切向接触刚度修正方法控制
KEYOPT（10）
壳的厚度影响
KEYOPT（11）
接触面行为（粗糙、绑定等）KEYOPT（12）
KEYOPT
ET
ElemantType>
Add/Edi
升级会员 