ANSYS接触分析中的一些注意事项和技巧

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© Written by J.Y. WANG

关于耦合或约束方程的适用情况
1、如果接触模型没有摩擦, 接触区域始终粘在一起, 并且分析是小挠度、小转动问题, 那么可以用耦合或约束方程代替接触。使用耦合或约束方程的优点是分析还是线性的。

关于接触刚度
2、罚刚度越大, 接触表面的侵入量越小。然而, 若此值太大,则会由于病态条件而引起收敛困难。可以通过一些实验来确定一个合适的接触刚度, 使求解收敛,而且侵入量可以接受。
3、接触刚度是接触面的相对刚度的函数。对于块状实体, 通常赫兹接触刚度适用于罚刚度, 可以这样估算:k = fE。式中f 是介于0.1~10之间的系数, E是较软的接触材料的弹性模量。设f=1 通常是一个较好的起始值。

关于目标/接触面的选择
4、指定接触和目标表面的目的是将接触检查点增加到最大数。对于刚体对柔体接触, 目标面总是刚体表面。对于柔体对柔体接触, 目标面和接触面的选择会引起不同量的侵入, 从而影响求解精度：
•如果凸面与平面或凹面接触, 那么平面或凹面应该是目标面；
•如果一个表面网格粗糙, 而另一个表面网格较细, 那么网格粗糙的表面应该是目标面；
•如果一个表面比另一个表面的刚度大, 那么刚度大的表面应该是目标面；
•如果一个表面划分为高次单元, 而另一个表面划分为低次单元, 那么划分为低次单元的表面应该是目标面；
•如果一个表面比另一个表面大, 那么更大的表面应该是目标面。
5、接触对由实常数号来确定，目标单元和接触单元必须共用相同的实常数号。
在实常数中应该设置罚刚度比例系数(FKN)和拉格朗日乘子侵入比例系数(FTOLN)。FKN 通常介于0.01~10之间。 对于体积变形问题, 用值1.0(默认), 对于以弯曲变形为主的问题, 用值0.1。FTOLN 默认为0.1。 可以改变此值, 但若容差太小, 会使迭代数过多或不收敛。

关于求解选项
6、不用自适应下降。对于面对面接触问题, 自适应下降对于收敛不能提供任何帮助；
7、使用一个合理的平衡迭代数目, 通常是25；
8、因为对于大时间增量, 迭代计算会变得不稳定, 用线性搜索来稳定计算；
9、将预测器打开, 大转动或动态分析除外。
10、对于小应变、小位移和小滑动问题，要关上大变形效应开关，这样设置将加快接触搜索速度。

关于刚体位移
11、在静态分析中, 开始不连接在一起的两个(或多个)物体, 在建立接触前, 会产生刚体运动。如果在求解中的任一时刻, 两个物体没有联系, 刚度矩阵就会奇异。 ANSYS将会发出一个负主元警告信息。由于物体初始时没有联系, 要克服刚体位移有几个选项：

•在“恰好碰上”的位置建立几何模型
要求知道“恰好碰上”的位置在哪里。如果表面是曲面或者不规则, 则难以确定。但由于有限元网格的数值修整, 物体之间会存在小间隙或侵入，可能引起不收敛或接触物体的分离。

•动力学
在动力分析中, 惯性作用可以阻止刚体运动. 克服刚体运动的一种选择是动态地求解问题。将需要加上质量和阻尼, 使求解从静态转换到动态。但在一个“静态”模型中, 要缓冲掉不想要的动态影响并不总是那么容易。

•位移控制
该技术用强加的位移使两物体进入接触状态。然后, 可以通过一个空载荷步, 使该问题从位移控制求解转换到力控制求解。但对于复杂加载, 施加哪个位移并不总是那么明显。具体步骤一般为：
载荷步1 用一个强加的小位移使物体进入初始接触状态。
载荷步2 从位移控制转换到力控制。删除强加的位移, 加上反作用力, 并用一个子步求解(由于此系统没有变化, 该载荷步应该经过一次或两次迭代就收敛)。
载荷步3 继续进行载荷历史加载。

•软弹簧
该技术使用接地软弹簧来阻止刚体运动。与系统刚度相比, 弹簧刚度应该可以忽略。弹簧与基座相连, 可以将地上节点的反作用力与总的反作用力相比, 以确保弹簧对求解没有影响。初始载荷必须足够小, 从而引起弹簧的小变形, 这样接触单元才能认识侵入。需要做些实验, 使目标单元不“穿过”接触表面。

•用不分离接触
模拟对象的实际物理过程需要是属于不分离的情况。

•调整初始接触条件
以用实常数ICONT或PMIN和PMAX去调整初始接触条件,以阻止刚体位移。ICONT将接触面上在调整带内的节点移到目标面上。PMIN和PMAX 实际地将刚性面移进目标。

转-Ansys施加弯矩扭矩的几种方法

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Ansys施加弯矩扭矩的几种方法<转帖>

a)方法简介：
1．将矩转换成一对的力偶，直接施加在对应的节点上面。
2．在构件中心部位建立一个节点，定义为mass21单元，然后跟其他受力节点耦合，形成刚性区域，就是用cerig命令。然后直接加转矩到主节点，即中心节点上面。
3．使用mpc184单元。是在构件中心部位建立一个节点,跟其他受力节点分别形成多根刚性梁，从而形成刚性面。最后也是直接加载荷到中心节点上面，通过刚性梁来传递载荷。
4．通过rbe3命令。该方法与方法2很接近。
5．基于表面边界法：主要通过定义一个接触表面和一个目标节点接触来实现，弯矩荷载可以通过在目标节点上用“F”命令施加。

b)方法说明：
方法1，通过转换为集中力或均布力，比如施加扭矩，把端面节点改成柱坐标，然后等效为施加环向的节点力；而施加弯矩，可以将力矩转化为端面的剪切均布力；但这种方法比较容易出现应力集中现象；
方法2，定义局部刚性区域。该方法有个不足，它在端面额外的增加了一定的刚度，只能适用于小变形分析。
方法3，相对方法2来说，采用刚性梁单元，适用范围更广一些，对于大应变分析也能很好的适用。但在小应变分析下，方法2和方法3没有什么区别。
方法4，定义一个主节点，施加了分布力面，应该说跟实际比较接近一点，但端面的结果好像不是很理想，结果有点偏大，在远离端面处的位置跟实际很符合。
方法5，它具体的受力形式有如下两种：
刚性表面边界（Rigid surface constraint）－认为接触面是刚性的，没有变形，和通过节点耦合命令CERIG比较相似；
分布力边界（Force-distributed constraint）－允许接触面的变形，和边界定义命令RBE3相似。
使用这种方法，需要用KEYOPT(2) = 2打开接触单元的MPC（多点接触边界）算法。

c)命令流示例：
下面用不同的方法来实现的命令流。

方法1：不介绍了

方法2：定义局部刚性区域
/PREP7
ET,1,95
ET,2,21
KEYOPT,2,3,0
R,1,1E-6
MP,EX,1,2.01e5
MP,PRXY,1,0.3
CYLIND,15,10,0,200,0,360,
wpro,,90,
vsbw,all
wpro,,,90
vsbw,all
WPCSYS,-1,0
K,17 , , ,210
lsel,s,,,13,16,1
lesize,all, , ,8, , , , ,1
lsel,s,,,22
lesize,all, , ,4, , , , ,1
lsel,s, , ,17,20,1
lsel,a, , ,26,27,1
lsel,a, , ,30,31,1
lesize,all, , ,20,0.4, , , ,1
alls
vmesh,all
!下面一段开始各个方法有所不同，由于前面的建模一样，后面的例子就不再给出
ksel,s,,,17
type,2
real,1
kmesh,all
allsel
nsel,s,loc,z,200,210
npolt
CERIG,node(0,0,210),ALL,ALL, , , ,
!CERIG命令定义局部刚性区域
allsel
/SOLU
f,node(0,0,210),mz,10e5
FINISH
!以下一段边界条件的施加各种方法一样，后面例子也不再赘述
/SOL
nsel,s,loc,z,0
d,all,all
allsel
solve

方法3：使用MPC184单元定义刚性梁
……
et,2,184
keyopt,2,1,1
nsel,s,loc,z,200
n,15000 ,0,0,210
type,2
*get,nnum,node,0,count
*get,ND,node,0,num,min
*do,i,2,nnum
!节点个数是nnum，只需要生成nnum个mpc单元
E, 15000,ND
ND=NDNEXT(ND)
*enddo
allsel
/SOLU
f,node(0,0,210),mz,10e5
FINISH
……

方法4：rbe3命令
……
ET,2,21
KEYOPT,2,3,0
R,1,1E-6
K,17 , , ,210
ksel,s,,,17
type,2
real,1
kmesh,all
allsel
nsel,s,loc,z,200
*get,nnum,node,0,count
*get,ND,node,0,num,min
*dim,sla,array,nnum
*dim,sla2,array,nnum
*do,i,1,nnum
sla(i)=ND
sla2(i)=ND
ND=NDNEXT(ND)
*enddo
allsel
rbe3,node(0,0,210),all, sla,sla2
/SOLU
f,node(0,0,210),mz,10e5
FINISH
……