技巧 | 接觸非線性應(yīng)用(二)

2017-10-25 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

在上一期內(nèi)容中,介紹到接觸非線性不收斂的一些原因以及解決辦法,這一節(jié)我們就著對接觸非線性的一些技巧做更多介紹。本文主要通過六個方面介紹接觸非線性的應(yīng)用:

1、設(shè)置正確的單位系統(tǒng)

2、網(wǎng)格質(zhì)量

3、合理使用Worksheet

4、接觸的離散化

5、接觸探尋方法

6、Pinball半徑的選擇

1設(shè)置正確的單位系統(tǒng)

在Workbench中,在設(shè)置單位制度時候,可以根據(jù)自己的需求進(jìn)行多次單位制的更改,然而同一個數(shù)據(jù)在不同的單位制下都可能由于計(jì)數(shù)位的不同而導(dǎo)致錯誤。因?yàn)樵诓煌膯挝恢浦?計(jì)算中的容差、精度、或者數(shù)值等都會發(fā)生改變。單位系統(tǒng)造成收斂困難主要是由于接觸的長度太短、彈性模量或者力/質(zhì)量數(shù)值太大導(dǎo)致的。因此在這個地方建議大家使用mm-N的單位去處理大多數(shù)的接觸模型。

2網(wǎng)格質(zhì)量

在接觸非線性應(yīng)用技巧(二)中我們介紹到網(wǎng)格的奇異性會導(dǎo)致計(jì)算的不收斂。在實(shí)體仿真計(jì)算中出現(xiàn)收斂問題大多都是由于網(wǎng)格質(zhì)量不好造成的。網(wǎng)格的劃分對結(jié)構(gòu)的計(jì)算是至關(guān)重要的。在網(wǎng)格的質(zhì)量控制中為了便于收斂計(jì)算有四小的技巧:

1)Mesh中網(wǎng)格的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇;

2)觀察網(wǎng)格的尺寸過渡是否平滑;

3)單元類型選擇;

4)接觸網(wǎng)格加密。

1 、Mesh中網(wǎng)格的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇

在有限元計(jì)算中,在處理線性問題與非線性問題時候,選擇不同的網(wǎng)格劃分標(biāo)準(zhǔn),可以使得在處理問題有意外的功效。在Mesh的功能下Quality選項(xiàng)中有一個Error Limits選項(xiàng)。選項(xiàng)下有2種標(biāo)準(zhǔn):Standard Mechanical和Aggressive Mechanical。在處理線性問題時候可以在Mesh中直接使用Standard Mechanical;在處理非線性問題時候時候建議使用Aggressive Mechanical,能收到不錯的收斂效果。

2、網(wǎng)格的尺寸過渡是否平滑

網(wǎng)格尺寸過渡也包括兩個方面:

1)彎曲結(jié)構(gòu)

在結(jié)構(gòu)當(dāng)存在彎曲結(jié)構(gòu)時,需要在彎曲面上布置更多的節(jié)點(diǎn),才能保證計(jì)算的連續(xù)性和穩(wěn)定性。當(dāng)結(jié)構(gòu)在外部載荷作用下發(fā)生彎曲變形的時候同樣需要在彎曲面上劃分較密的網(wǎng)格。

2)網(wǎng)格密度變化的連續(xù)性

在網(wǎng)格劃分時,需要根據(jù)研究的重點(diǎn)對實(shí)體上的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密。在設(shè)置網(wǎng)格密度時候需要保證網(wǎng)格的變化連續(xù),不能發(fā)生較快的變化。當(dāng)網(wǎng)格變化較快的時候會導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)上數(shù)據(jù)的傳遞出現(xiàn)問題,使得仿真計(jì)算不收斂。

3、單元類型選擇

在網(wǎng)格劃分的時候需要保證使用的單元類型盡量保持一致。使用類似的網(wǎng)格單元,比如說混用SOLID185、SOLID186單元的收斂性就比使用SOLID92與SOLID185單元的效果要好的多。和網(wǎng)格尺寸可以避免這一類問題。對接觸面上的網(wǎng)格進(jìn)行劃分,網(wǎng)格過渡要比較緩慢。

4、接觸網(wǎng)格加密

有限元計(jì)算在接觸區(qū)域靠接觸對之間的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳遞。接觸區(qū)域較密的網(wǎng)格能保證傳遞的數(shù)據(jù)的正確性,不會由于同一單元不同節(jié)點(diǎn)數(shù)值相差較大而導(dǎo)致計(jì)算的不收斂。如下圖,再做接觸分析的時候盡量選擇右邊較密的這種網(wǎng)格形式。

合理使用Worksheet

使用Contact Tool工具可以快速的了解接觸之間的狀態(tài),包括滲透量、間隙值還有接觸類型等相關(guān)數(shù)據(jù)。

在使用Contact Tool工具時,會根據(jù)不同的顏色提示不用的接觸狀態(tài)。

接觸的離散化

在接觸區(qū)域除了網(wǎng)格的加密還需要注意單元離散化的類型。

在上圖中有兩種單元類型,左圖是8節(jié)點(diǎn)單元,右圖是10節(jié)點(diǎn)單元。兩種不同的單元類型在計(jì)算中有不一樣的表現(xiàn)。在本案例中分析面與面之間的接觸:

單元類型

特點(diǎn)

8節(jié)點(diǎn)單元

1)可以保證接觸更有效;

2)對平面接觸非常有用;

3)僅僅只能對簡單的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分;

10節(jié)點(diǎn)單元

1)對曲面接觸更有效

2)對復(fù)雜的結(jié)構(gòu)的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格更優(yōu)效

3)結(jié)果更為平滑

接觸探尋方法

在接觸選項(xiàng)中,接觸的探尋方法不同,求解的結(jié)果也有略微的不同;

1、默認(rèn)的方法(On Gauss Point)

這種接觸探尋方式在結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)角處會出現(xiàn)誤差

2、Nodal-Normal From Contact和Nodal-Normal To Target

這兩種方法區(qū)別在于是是從接觸面開始探尋還是目標(biāo)面開始進(jìn)行探尋。

這種探尋方法使得在平面圖中壓力更加平滑,然而需要更長的的收斂時間,比第一種默認(rèn)的方法時間增加30%,并且在面與面這種接觸類型不穩(wěn)定。

3、Nodal Projection from contact

通過接觸節(jié)點(diǎn)的投影計(jì)算,這種算法耗費(fèi)的工作量最大,時間時間最長。

Pinball半徑的選擇

在ANSYS內(nèi)部關(guān)于接觸有三種狀態(tài):遠(yuǎn)場、近場、接觸。這三種狀態(tài)是根據(jù)接觸面與目標(biāo)面之間距離與Pinball半徑進(jìn)行比較的。對于干擾問題,確保彈球的半徑大于最大的干擾。在綁定接觸和不分離接觸之間的任何區(qū)域表面接觸或在彈球的半徑將認(rèn)為是在于接觸。

Pinball半徑是一個在接觸結(jié)果中最重要的參數(shù)、通過Contact Tool工具獲得模型之間的最大間隙,設(shè)置PINB=最大間隙+最大間隙的十分之一。如果接觸Pinball太大了,將引入一些非接觸的區(qū)域。通常情況下設(shè)置較大的Pinball半徑會增加非常多的計(jì)算時間。

Case 1:

User defined pinball region PINB 0.10000E-02

Case 2:

Default pinball region factor PINB 1.0000

The resulting pinball region 0.17553E-03

	CASE 1	CASE 2
CPU CONTACT SEARCH	2199.251	57.313
CONTACT ELEMENTS	399.591	236.996
OTHER ELEMENTS	328.731	227.731
EQUATION SOLVER	456.250	416.250
TOTAL SYSTEM	3383.140	938.290