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2016-10-07 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
5.4.9 設(shè)置實(shí)常數(shù)和單元關(guān)鍵選項(xiàng)
程序使用20個(gè)實(shí)常數(shù)和數(shù)個(gè)單元關(guān)鍵選項(xiàng),來控制面─面接觸單元的接觸。參見《ANSYS Elements Reference》中對接觸單元的描述。
5.4.9.1 實(shí)常數(shù)
在20個(gè)實(shí)常數(shù)中,兩個(gè)(R1和R2)用來定義目標(biāo)面單元的幾何形狀。剩下的用來控制接觸面單元。
R1和R2 定義目標(biāo)單元幾何形狀。
FKN 定義法向接觸剛度因子。
FTOLN 是基于單元厚度的一個(gè)系數(shù),用于計(jì)算允許的穿透。
ICONT 定義初始閉合因子。
PINB 定義“Pinball"區(qū)域。
PMIN和PMAX 定義初始穿透的容許范圍。
TAUMAR 指定最大的接觸摩擦。
CNOF 指定施加于接觸面的正或負(fù)的偏移值。
FKOP 指定在接觸分開時(shí)施加的剛度系數(shù)。
FKT 指定切向接觸剛度。
COHE 制定滑動(dòng)抗力粘聚力。
TCC 指定熱接觸傳導(dǎo)系數(shù)。
FHTG 指定摩擦耗散能量的熱轉(zhuǎn)換率。
SBCT 指定 Stefan-Boltzman 常數(shù)。
RDVF 指定輻射觀察系數(shù)。
FWGT 指定在接觸面和目標(biāo)面之間熱分布的權(quán)重系數(shù)。
FACT 靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)的比率。
DC 靜、動(dòng)摩擦衰減系數(shù)。
命令:R
GUI:main menu> preprocessor>real constant
對 實(shí)常數(shù) FKN, FTOLN, ICONT, PINB, PMAX, PMIN, FKOP 和 FKT,用戶既可以定義一個(gè)正值,也可以定義一個(gè)負(fù)值。程序?qū)⒄底鳛楸壤蜃?將負(fù)值作為絕對值。程序?qū)⑾路鼏卧暮穸茸鳛? ICON,FTOLN,PINB,PMAX 和 PMIN 的參考值。例如 ICON = 0.1 表明初始閉合因子是“0.1*下層單元的厚度”。然而,ICON = -0.1 則表示真實(shí)調(diào)整帶是 0.1 單位。如果下伏單元是超單元,則將接觸單元的最小長度作為厚度。參見圖5-8。
圖5-8 下層單元的厚度
在 模型中,如果單元尺寸變化很大,而且在實(shí)常數(shù)如 ICONT, FTOLN, PINB, PMAX, PMIN 中應(yīng)用比例系數(shù),則可能會(huì)出現(xiàn)問題。因?yàn)閺谋壤禂?shù)得到的實(shí)際結(jié)果,取決于下層單元的厚度,這就可能引起大、小單元之間的重大變化。如果出現(xiàn)這一問題,請 用絕對值代替比例系數(shù)。
TCC, FHTG, SBCT, RDVF 和 FWGT 僅用于熱接觸分析[KEYOPT(1)=1]。
5.4.9.2 單元關(guān)鍵選項(xiàng)
每種接觸單元都包括數(shù)個(gè)關(guān)鍵選項(xiàng)。對大多的接觸問題,缺省的關(guān)鍵選項(xiàng)是合適的。而在某些情況下,可能需要改變?nèi)笔≈怠Ｏ旅媸强梢钥刂平佑|行為的一些關(guān)鍵選項(xiàng):
自由度 KEYOPT(1)
接觸算法(罰函數(shù)+拉格朗日乘子或罰函數(shù)) KEYOPT(2)
存在超單元時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)(僅2D) KEYOPT(3)
接觸檢測點(diǎn)的位置(僅低階接觸單元) KEYOPT(4)
CNOF自動(dòng)調(diào)整 KEYOPT(5)
時(shí)間步控制 KEYOPT(7)
偽接觸預(yù)防KEYOPT(8)
初始穿透或間隙的影響 KEYOPT(9)
法向和切向接觸剛度修正方法控制 KEYOPT(10)
殼的厚度影響 KEYOPT(11)
接觸面行為(粗糙、綁定等) KEYOPT(12)
命令:KEYOPT
ET
GUI:main menu>preprocessor>Elemant Type>Add/Edit/Delete
5.4.9.3 選擇接觸算法
對面─面接觸單元,程序可以使用增進(jìn)的拉格朗日方法或罰函數(shù)方法。通過單元關(guān)鍵字 KEYOPT(2)來指定。
增進(jìn)的拉格朗日方法是為了找到精確的拉格朗日乘子(即接觸力),而對罰函數(shù)進(jìn)行一系列修正迭代。與罰函數(shù)的方法相比,拉格朗日方法容易得到良態(tài)條件,對接觸剛度的敏感性較小。然而,在有些分析中,增進(jìn)的拉格朗日方法可能需要更多的迭代,特別是在變形后網(wǎng)格變得太扭曲時(shí)。
使 用拉格朗日方法的同時(shí)應(yīng)使用實(shí)常數(shù) FTOLN。FTOLN 為拉格朗日方法指定容許的最大穿透。如果程序發(fā)現(xiàn)穿透大于此值時(shí),即使不平衡力和位移增量已經(jīng)滿足了收斂準(zhǔn)則,總的求解仍被當(dāng)作不收斂處理。FTLON 的缺省值為0.1。用戶可以改變這個(gè)值,但要注意,如果此值太小,可能會(huì)造成太多的迭代次數(shù)或者不收斂。
5.4.9.4 確定接觸剛度
所 有的接觸問題都需要定義接觸剛度,兩個(gè)表面之間穿透量的大小取決于接觸剛度。過大的接觸剛度可能會(huì)引起總剛矩陣的病態(tài),從而造成收斂困難。一般來說,應(yīng)該 選取足夠大的接觸剛度以保證接觸穿透小到可以接受,但同時(shí)又應(yīng)該讓接觸剛度足夠小以不致引起總剛矩陣的病態(tài)而保證收斂性。
ANSYS 程序根據(jù)下伏柔體單元的材料特性,來估計(jì)一個(gè)缺省的接觸剛度值。用戶可用實(shí)常數(shù) FKN 來為接觸剛度指定一個(gè)比例因子或指定一個(gè)絕對值。比例因子一般在0.01和10之間;對于大變形問題,選1是比較好的;而對于彎曲為主的問題,通常為 0.01~0.1。用戶應(yīng)當(dāng)總是檢驗(yàn)以使穿透到達(dá)極小值,而又避免過多的迭代次數(shù)。
注意--FTOLN 和 FKN 從一個(gè)荷載步到另一個(gè)荷載步中,都可以修改。也可以在重啟動(dòng)中修改。這時(shí),必須定義KEYOPT(10)=1,2。
為了確定一個(gè)較好的接觸剛度值,可能需要一些經(jīng)驗(yàn)。用戶可以按下面的步驟來進(jìn)行嘗試:
1、 開始時(shí)取一個(gè)較低的值。低估值要比高估值好,因?yàn)橛梢粋€(gè)較低的接觸剛度導(dǎo)致的穿透問題,比過高的接觸剛度導(dǎo)致的收斂性困難,要容易解決。
2、 對前幾個(gè)子步進(jìn)行計(jì)算分析,直到最終荷載的一個(gè)比例(剛好完全建立接觸)。
3、 檢查每一子步中的穿透量和平衡迭代次數(shù)。如果總體收斂困難是由過大的穿透引起的(而不是由不平衡力和位移增量引起的),那么可能低估了FKN 的值,或者是將 FTOLN 的值取得大小。如果總體的收斂困難是由于不平衡力和位移增量達(dá)到收斂值時(shí)需要過多的迭代次數(shù),而不是由于過大的穿透量引起的,那么 FKN 的值可能被高估。
4、 按需要調(diào)整 FKN 或 FTOLN 的值,重新進(jìn)行完整的分析。
注意--如果穿透控制變成總體平衡迭代中的主因(如果為使問題收斂到穿透容差內(nèi),比收斂到不平衡力的容差內(nèi),需要更多的迭代),用戶應(yīng)該增大 FTOLN 值,以允許更多的穿透,或增大 FKN。
5.4.9.5 選擇摩擦類型
在 基本的庫侖摩擦模型中,兩個(gè)接觸面在開始相互滑動(dòng)之前,在它們的界面上會(huì)有達(dá)到某一大小的剪應(yīng)力產(chǎn)生。這種狀態(tài)稱為粘合狀態(tài)(stick)。庫侖摩擦模型 定義了一個(gè)等效剪應(yīng)力τ,在某一法向壓應(yīng)力p作用下剪應(yīng)力達(dá)到此值時(shí)表面開始滑動(dòng) (τ=μp+COHE,其中μ是摩擦系數(shù)--MU--作為材料特性定義,而 COHE 是粘聚力)。一旦剪應(yīng)力超過此值后,兩個(gè)表面之間將開始相互滑動(dòng)。這種狀態(tài),叫作滑動(dòng)狀態(tài)(Sliding)。粘合/滑動(dòng)計(jì)算決定什么時(shí)候一個(gè)點(diǎn)從粘合狀 態(tài)到滑動(dòng)狀態(tài),或從滑動(dòng)狀態(tài)變到粘合狀態(tài)。摩擦系數(shù)可以是任一非負(fù)值,程序缺省值為表面之間無摩擦。對于粗糙或綁定接觸( KEYOPT(12)=1、3、5、6),程序?qū)⒉还芙o定的 MU 值而認(rèn)為摩擦阻力無限大。
程序提供了一個(gè)人為指定最大等效剪應(yīng)力的選項(xiàng),不管接觸壓力值的大小,如果等效剪應(yīng)力達(dá)到此值時(shí),即發(fā)生滑動(dòng),見圖5-9。為了指定接觸界面上最大容許剪應(yīng)力,設(shè)置常數(shù) TAUMAX (缺省為1.0E20)。這個(gè)剪應(yīng)力極限,通常用于在接觸壓力非常大的時(shí)候(如在某些加工過程中)的一些情況,以至于用庫侖理論計(jì)算出的界面剪應(yīng)力超過了材料的屈服極限。TAUMAX 的一個(gè)合理上限估值為
圖5-9 摩擦模式
5.4.9.5.1 靜、動(dòng)摩擦系數(shù)
摩擦系數(shù)依賴于接觸面的相對滑動(dòng)速度,通常靜摩擦系數(shù)高于動(dòng)摩擦系數(shù)。
ANSYS提供了如下表示的指數(shù)衰減摩擦模型:
μ=MU×(1+(FACT-1)exp(-DC×Vrel)
其中:
μ 為摩擦系數(shù)。
MU動(dòng)摩擦系數(shù),用MP命令輸入。
FACT是靜摩擦系數(shù)與動(dòng)摩擦系數(shù)之比,缺省為最小值1.0。
DC為衰減系數(shù),缺省為0.0,單位為time/length。因此,時(shí)間在靜態(tài)分析中有一些意義。
Vrel是ANSYS計(jì)算的滑動(dòng)速度。
如果知道靜、動(dòng)摩擦系數(shù)和至少一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)(μ1,Vrel),則可以確定摩擦衰減系數(shù)為:
如果不指定衰減系數(shù),且FACT大于1.0,當(dāng)接觸進(jìn)入滑動(dòng)狀態(tài)時(shí),摩擦系數(shù)會(huì)從靜摩擦系數(shù)突變到動(dòng)摩擦系數(shù),這種行為類似于CONTAC46和CONTAC49單元所用的動(dòng)摩擦模型,因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致收斂困難,所以不建議采用。
5.4.9.5.2 對稱、不對稱求解器
對 無摩擦、粗糙和綁定接觸,接觸單元?jiǎng)偠染仃囀菍ΨQ的。而涉及到摩擦的接觸問題產(chǎn)生一個(gè)不對稱的剛度。在每次迭代使用不對稱的求解器,比對稱的求解器需要更 多的計(jì)算時(shí)間。因此ANSYS程序采用對稱化算法。通過采用這種算法大多數(shù)摩擦接觸問題,能夠使用對稱系統(tǒng)的求解器來求解。如果摩擦應(yīng)力在整個(gè)位移場內(nèi)有 相當(dāng)大的影響,并且摩擦應(yīng)力的大小高度依賴于求解過程,則對剛度陣的任何對稱近似都可能導(dǎo)致收斂性降低。在這種情況下,選擇不對稱求解選項(xiàng)(NROPT,UNSYM)來改善收斂性。
5.4.9.6 選擇接觸檢查的位置
接觸檢查點(diǎn)位于接觸單元的積分點(diǎn)上。在積分點(diǎn)上,接觸單元不穿透進(jìn)入目標(biāo)面。然而,目標(biāo)面能穿透進(jìn)入接觸面。見圖5-10。
圖5-10 接觸檢查點(diǎn)位于高斯積分點(diǎn)上
圖5-11 接觸檢查點(diǎn)位于節(jié)點(diǎn)上
ANSYS 面─面接觸單元使用高斯積分點(diǎn)作為缺省值,高斯積分點(diǎn)通常會(huì)比 Newton-Cotes/Lobatto 節(jié)點(diǎn)積分方案產(chǎn)生更精確的結(jié)果,Newton-cotes/Lobatto 用節(jié)點(diǎn)本身作為積分點(diǎn)。通過KEYOPT(4)來選擇用戶想使用的方法。這一選項(xiàng)僅適用于低階接觸( CONTAC171 和 CONTAC173)。然而,使用節(jié)點(diǎn)本身作為積分點(diǎn)僅應(yīng)該用于角接觸問題(看圖5-11)。
注意,使用節(jié)點(diǎn)作為接觸檢查點(diǎn)可能會(huì)導(dǎo)致其它收斂性問題,例如“滑脫”(節(jié)點(diǎn)滑出目標(biāo)面的邊界),見圖5-12。對大多數(shù)的點(diǎn)─面的接觸問題,我們推薦使用其它的點(diǎn)─面的接觸單元,例如CONTAC26、CONTAC48 和 CONTAC49。見本書§5.5。
圖5-12 節(jié)點(diǎn)滑脫
5.4.9.7 調(diào)整初始接觸條件
在動(dòng)態(tài)分析中,剛體運(yùn)動(dòng)一般不會(huì)引起問題。然而在靜力分析中,當(dāng)物體沒有足夠的約束時(shí)會(huì)產(chǎn)生剛體運(yùn)動(dòng),有可能引起錯(cuò)誤而終止計(jì)算。
在僅僅通過接觸的出現(xiàn)來約束剛體運(yùn)動(dòng)時(shí),必須保證在初始幾何體中,接觸對是接觸的。換句話說,用戶要建立模型以便接觸對是“剛好接觸”的。然而這樣做,可能會(huì)遇到以下問題:
剛體外形常常是復(fù)雜的,很難決定第一個(gè)接觸點(diǎn)發(fā)生在哪兒。
既使實(shí)體模型在初始時(shí)處于接觸狀態(tài),在網(wǎng)格劃分后由于數(shù)值舍入誤差,兩個(gè)面的單元網(wǎng)格之間也可能會(huì)產(chǎn)生小縫隙。
接觸單元的積分點(diǎn)和目標(biāo)單元之間可能有小縫隙。
同理,在目標(biāo)面和接觸面之間可能發(fā)生過大的初始穿透。在這種情況下,接觸單元可能會(huì)高估接觸力,導(dǎo)致不收斂或接觸面之間脫開接觸關(guān)系。
定義初始接觸也許是建立接觸分析模型時(shí)最重要的方面。因此,程序提供了幾種方法來調(diào)整接觸對的初始接觸條件。
注意:下面的技巧可以在開始分析時(shí)獨(dú)立執(zhí)行,或幾個(gè)聯(lián)合起來執(zhí)行。它們是為了消除由于生成網(wǎng)格造成的數(shù)值舍入誤差而引起的小間隙或穿透,而不是為了改正網(wǎng)格或幾何數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤。
1、應(yīng)用實(shí)常數(shù) CNOF 來指定一個(gè)接觸面偏移。
指定正的值來使整個(gè)接觸面偏向目標(biāo)面。 指定負(fù)的值來使接觸面離開目標(biāo)面。
ANSYS 能夠自動(dòng)提供 CNOF 值到剛好閉合間隙或減少初始穿透。如下設(shè)置KEYOPT(5):
=1: 閉合間隙;
=2: 減少初始穿透;
=3: 閉合間隙或減少初始穿透。
如果設(shè)置了 KEYOPT(5)>0 ,則 ICONT 缺省值為0。
2、 使用實(shí)常數(shù) ICONT 來指定一個(gè)小的初始接觸環(huán),初始接觸環(huán)是指沿著目標(biāo)面的“調(diào)整環(huán)”的深度。如果沒有人為指定 ICONT 的值,程序會(huì)根據(jù)幾何尺寸來給 ICONT 提供一個(gè)小值(但有意義的值),同時(shí)輸出一個(gè)表示什么值被指定的警告信息。 ICONT 正值表示相對于下層單元厚度的比例因子;負(fù)值表示接觸環(huán)的絕對值。任何落在“調(diào)整環(huán)”域內(nèi)的接觸檢查點(diǎn)被自動(dòng)移到目標(biāo)面上,(參見圖5-13a)。建議使用一個(gè)十分小的 ICONT 值,否則可能會(huì)發(fā)生嚴(yán)重不連續(xù)(看圖5-13b)
圖5-13 用ICON進(jìn)行接觸面的調(diào)整。(a)調(diào)整前;(b)調(diào)整后
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