接觸非線性ANSYS分析入門

2017-04-26  by:CAE仿真在線  來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)



以連續(xù)體模型為基準(zhǔn),研究接觸非線性模型的計(jì)算精度,包括壓力和位移加載方式的影響、滲透容差的影響、非匹配網(wǎng)格的影響、接觸面和目標(biāo)面選取的影響。


目標(biāo)面和接觸面的選取原則:

  • 如果一個(gè)表面比另一個(gè)表面硬,則硬面為目標(biāo)面。

  • 如果一個(gè)表面大于另一個(gè)表面,則大的表面為目標(biāo)面。

  • 如果一個(gè)表面為高階另一個(gè)表面為低階,則低階表面為目標(biāo)面。

  • 如果一個(gè)凸表面與一個(gè)平面或凹面接觸,應(yīng)該選擇平面或凹面為目標(biāo)面。

  • 如果一個(gè)表面有粗糙的網(wǎng)格而另一個(gè)表面網(wǎng)格細(xì)密,則選擇粗糙的網(wǎng)格表面為目標(biāo)面。

接觸非線性ANSYS分析入門ansys分析案例圖片1

接觸非線性ANSYS分析入門ansys結(jié)果圖片2

一、問(wèn)題描述



為分析接觸非線性問(wèn)題,設(shè)計(jì)了2個(gè)模型。第1個(gè)模型為1塊板;第2個(gè)模型是將第1個(gè)板切成2塊板,切割成的2塊板之間創(chuàng)建接觸關(guān)系。第1個(gè)為連續(xù)體模型,以此為基準(zhǔn),研究第2個(gè)接觸非線性模型的計(jì)算精度。

接觸非線性ANSYS分析入門ansys結(jié)果圖片3

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問(wèn)題分析與計(jì)算結(jié)果:


1.連續(xù)體模型


連續(xù)體模型仍然切割成2塊板,兩塊板幾何面之間的關(guān)鍵點(diǎn)和線是共用的,劃分單元后,兩塊板之間的節(jié)點(diǎn)也是共用的。有限元參與計(jì)算的是單元和節(jié)點(diǎn),與多少個(gè)幾何體無(wú)關(guān),只要模型的節(jié)點(diǎn)和單元連續(xù),建立的仍然是連續(xù)體模型。


下圖中,面編號(hào)以A開頭,線編號(hào)以L開頭,關(guān)鍵點(diǎn)編號(hào)是純數(shù)字。上下幾何面A1和A2之間共用關(guān)鍵點(diǎn)和線。

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下圖是節(jié)點(diǎn)編號(hào),在紅線位置處為上下幾何面之間共用節(jié)點(diǎn)。

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下圖是邊界條件,施加壓力100MPa

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下圖是整個(gè)板Y方向位移云圖,往下壓縮了0.0455 mm,假想的下板壓縮了0.01140 mm。

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下圖是整個(gè)板X和Y方向應(yīng)力云圖,分別為-30 MPa和-100 MPa。

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2.接觸非線性模型



切割成2塊板,兩塊板幾何面之間的關(guān)鍵點(diǎn)和線是不共用的,劃分單元后,兩塊板之間的節(jié)點(diǎn)也是不共用的。有限元參與計(jì)算的單元和節(jié)點(diǎn)是不連續(xù)的,需要?jiǎng)?chuàng)建接觸關(guān)系,采用接觸非線性模型才能計(jì)算。

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上下板的節(jié)點(diǎn)不匹配,上下板之間在紅色位置處是初始無(wú)間隙也沒(méi)有嵌入。下板單元n1取11份,上板單元n2取22份

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(1)粗糙網(wǎng)格表面為目標(biāo)面,細(xì)密網(wǎng)格為接觸面。上板上端位移加載0.0455mm,將默認(rèn)的滲透容差系數(shù)0.1修改成0.001。


下圖是上下板的X和Y方向應(yīng)力云圖,分別為-29.986 MPa和99.954 MPa。與連續(xù)體模型的計(jì)算結(jié)果十分吻合

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下圖是上下板之間的接觸壓力為99.954 MPa,滲透量為0.2084e-4 mm。

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(2)細(xì)密網(wǎng)格為目標(biāo)面,粗糙網(wǎng)格表面為接觸面。其他條件與(1)相同。


下圖是上下板的X和Y方向應(yīng)力云圖,與連續(xù)體模型的計(jì)算結(jié)果存在較大誤差

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3.接觸非線性模型計(jì)算結(jié)果匯總




以連續(xù)體模型為基準(zhǔn),比值是接觸非線性模型與連續(xù)體模型的計(jì)算結(jié)果之比。


網(wǎng)格匹配,創(chuàng)建接觸,透容差滲透容差系數(shù)FTOLN=0.1為默認(rèn)值。加載方式分壓力加載(100MPa)和位移加載(-0.0455mm)。單元離散:下板單元n1份,上板單元n2份。


表1 滲透容差的影響(網(wǎng)格匹配,單元n1=n2=11份)。

壓力加載方式,接觸設(shè)置默認(rèn)條件下,具有很高的精度。位移加載方式,滲透容差系數(shù)越小,精度越高。

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表2 非匹配網(wǎng)格的影響(粗糙網(wǎng)格表面為目標(biāo)面,細(xì)密網(wǎng)格為接觸面)

接觸面單元是目標(biāo)面單元的偶數(shù)倍時(shí),具有很高的精度。不是偶數(shù)倍時(shí),接觸單元份數(shù)越多,精度越高。

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表3 非匹配網(wǎng)格的影響(細(xì)密網(wǎng)格為目標(biāo)面,粗糙網(wǎng)格表面為接觸面)

接觸單元份數(shù)一定條件下,目標(biāo)單元越多,精度急劇降低,造成錯(cuò)誤的解。接觸創(chuàng)建時(shí),務(wù)必引起高度注意!

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二、GUI步驟


1.進(jìn)入ANSYS

程序→ ANSYS 15.0→ ANSYS Product Launcher→ 改變working directory到指定文件夾→ 在job name輸入:file。

2.設(shè)置計(jì)算類型

Main Menu> Preferences→選擇Structural→ OK。

4.定義單元屬性

(1)定義單元類型

Main Menu> Preprocessor>Element Type> Add/Edit/Delete→ Add→ 選擇PLANE183單元,即在左列表框中選擇Solid,在右列表框中選擇8 node 183→ OK。

(2)定義材料參數(shù)

Main Menu> Preprocessor>Material Props> Material Models→ Structural→ Linear→ Elastic→ Isotropic→ EX: 2E5,PRXY: 0.3→ OK。

5.建立幾何模型

Main Menu> Preprocessor>Modeling> Create> Areas> Circle> By Dimensions→ 建立第1個(gè)板幾何面→ Apply→ 第2個(gè)板幾何面→ OK。

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第1個(gè)板幾何面

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第2個(gè)板幾何面

6.劃分網(wǎng)格

(1)顯示線和線的編號(hào)

①顯示線:Utility Menu >Plot> Lines。

②顯示線的編號(hào):Utility Menu >Plotctrls>Numbering→ LINE:On。

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(2)設(shè)置線的份數(shù)

Main Menu> Preprocessor> Meshing> Mesh Tool→ 在Size Controls下方選擇Lines Set→ 拾取L1→ NDIV: 11→ OK。同樣的操作步驟,L2分3份,L6分9份,L7分22份。


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(3)劃分網(wǎng)格:Main Menu >Preprocessor>Meshing >MeshTool →Mesh →Pick All →OK。

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7.創(chuàng)建接觸

(1)選擇所有:Utility Menu> Select> Everything。

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(2)創(chuàng)建接觸,形成接觸對(duì)

①Contanct Manager,見圖中紅色方框→Contact Wizard,見圖中紅色方框。

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②創(chuàng)建目標(biāo)面,左側(cè)Lines,右側(cè)Target Type: Flexible,Pick Target→拾取L3→ Next→

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③創(chuàng)建接觸面,左側(cè)Contact Surface: Lines,右側(cè)Contact ElementType: Surface-to-Surface,Pick Contact→拾取L5→ Next→

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④選擇材料:Material ID: 1,法向接觸無(wú)摩擦,摩擦系數(shù)取0→ Create→ Finish,接觸對(duì)已創(chuàng)建完成,實(shí)常數(shù)為3。

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⑤查看接觸屬性,將滲透容差系數(shù)默認(rèn)值0.1修改成0.001→ OK→關(guān)閉Contanct Manager。

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⑥查看接觸單元和目標(biāo)單元類型:MainMenu> Preprocessor> Element Type> Add/Edit/Delete→ Type 3 CONTA172 → Options→ Cancel→ Close。接觸單元選項(xiàng)里面有很多默認(rèn)設(shè)置。

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⑦查看實(shí)常數(shù),也就是接觸對(duì):Main Menu> Preprocessor>Real Constants> Add/Edit/Delete→ Set 3→ Edit→ Type 3 CONTA172→ OK→ Cancel。滲透容差系數(shù)以及修改成0.001。

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8.施加邊界條件

(1)下端線L1施加UY約束:

Main Menu>Preprocessor> Loads> Define Loads> Apply > Structural>Displacement > On Lines→ 拾取L1→ Lab2:UY→ OK。

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(2)左右兩端線施加UX約束:

Main Menu>Preprocessor> Loads> Define Loads> Apply > Structural>Displacement > On Lines→ 拾取L2、L4、L6和L8 → Lab2:UX→ OK。

(3)施加強(qiáng)制位移:

Main Menu>Preprocessor> Loads> Define Loads> Apply > Structural>Displacement > On Lines→ 拾取L7→ Lab2:UY;VALUE:-0.0455→ OK。

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(4)求解前保存模型:Utility Menu> File> Saveas→ 輸入Load.db。

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9.求解

(1)求解前選擇所有:Utility Menu> Select> Everything。務(wù)必選擇所有,才能使所有節(jié)點(diǎn)和單元參與計(jì)算。

(2)開始求解計(jì)算:Main Menu> Solution> Slove>Current LS→ File> Close→ OK→ [Sloution is done]: Close,完成求解計(jì)算。

(3)求解后保存模型:Utility Menu> File> Saveas→ 輸入Solve.db。

10.后處理

(1)云圖顯示應(yīng)力分布:

Main Menu> GeneralPostproc> Plot Results> Contour Plot> Nodal Solu→ 選擇Stress

→ 選擇X-Component of stress→OK。

→ 選擇Y-Component of stress→OK。

(2)云圖顯示接觸壓力:

①云圖顯示接觸壓力

Main Menu> GeneralPostproc> Plot Results> Contour Plot> Nodal Solu→ 選擇Contact→ Contact pressure→ OK。

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②云圖顯示接觸滲透量

Main Menu> GeneralPostproc> Plot Results> Contour Plot> Nodal Solu→ Contact→ Contact penetration→OK。

(3)云圖顯示下板位移分布:

①選擇下板面:UtilityMenu> Select> Entities→ 從上往下依次選擇Areas, ByNum/Pick, From Full→拾取下板面→ OK。

②顯示下板面:Utility Menu> Plot> Areas。

③選擇下板面的單元:Utility Menu> Select>Everything Below→Selected Areas→ OK。

④顯示下板面的單元:Utility Menu> Plot>Element。

⑤下板Y方向位移云圖:Main Menu >GeneralPostproc >Plot Results >Contour Plot >Nodal Solu →Nodal Solution → DOFSolution → Y-Component of displacement →OK。


三、GUI步驟視頻版

四、APDL步驟

1、連續(xù)體模型

L1=200

L2=200

H1=25

H2=75

uyy=0.455e-1


/PREP7

ET,1,PLANE183

MP,EX,1,2e5

MP,PRXY,1,0.3

RECTNG,0,L1,0,H1

RECTNG,0,L1,H1,H1+H2


LESIZE,1, , ,11, , , , ,1

LESIZE,2, , ,3, , , , ,1

LESIZE,6, , ,9, , , , ,1

LESIZE,7, , ,99, , , , ,1

NUMMRG,KP, , , ,LOW


ALLSEL,ALL

MSHAPE,0,2D

MSHKEY,1

AMESH,1

AMESH,2


DL,1, ,UY,0

!DL,7, ,UY,-uyy

DL,4, ,UX,0

DL,8, ,UX,0

DL,2, ,UX,0

DL,6, ,UX,0

SFL,7,PRES,100,

FINISH

/SOL

SOLVE

FINISH

/POST1

ASEL,S, , , 1

ALLSEL,BELOW,AREA

PLNSOL, U,Y, 0,1.0


2、接觸非線性模型

L1=200

L2=200

H1=25

H2=75

uyy=0.455e-1


/PREP7

ET,1,PLANE183

MP,EX,1,2e5

MP,PRXY,1,0.3


RECTNG,0,L1,0,H1

RECTNG,0,L1,H1,H1+H2

LPLOT

/PNUM,LINE,1

LESIZE,1, , ,11, , , , ,1

LESIZE,2, , ,3, , , , ,1

LESIZE,7, , ,22, , , , ,1

LESIZE,6, , ,9, , , , ,1

ALLSEL,ALL

MSHAPE,0,2D

MSHKEY,1

AMESH,all


MP,MU,1,0

MAT,1

R,3

REAL,3

ET,2,169

ET,3,172

KEYOPT,3,9,0

KEYOPT,3,10,2

R,3,

! Generate the target surface

LSEL,S,,,5

TYPE,2

NSLL,S,1

ESLN,S,0

ESURF


! Generate the contact surface

LSEL,S,,,3

TYPE,3

NSLL,S,1

ESLN,S,0

ESURF

ALLSEL


R,3,0,0,0, 0.001,0,0


DL,1, ,UY,0

DL,7, ,UY,-uyy

DL,4, ,UX,0

DL,8, ,UX,0

DL,2, ,UX,0

DL,6, ,UX,0

!SFL,7,PRES,100,


FINISH

/SOL

ALLSEL,ALL

SOLVE

FINISH

/POST1

PLNSOL, CONT,PRES, 0,1.0

/GFORMAT,E,12,4,

ASEL,S, , , 1

ALLSEL,BELOW,AREA

PLNSOL, U,Y, 0,1.0


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