我
又又又又又又又又又
雙雙雙雙雙雙雙雙雙雙雙雙雙
回來了，
斷更一個月是為啥，
因為懶吧。
懶，可我五一都沒休息的呀！
筆者最近想系統(tǒng)的總結(jié)和學(xué)習(xí)一下ANSYS中的接觸模型功能，從接觸模型的一些基本概念學(xué)習(xí)到比較深入接觸數(shù)學(xué)模型的學(xué)習(xí)，再進(jìn)一步理論結(jié)合實際，進(jìn)行一些案例應(yīng)用和分享。但考慮公眾號的可讀性，筆者只介紹接觸模型的一些重點概念，并重點進(jìn)行案例應(yīng)用和分享，若有小伙伴有相應(yīng)的深入需求可一起和筆者進(jìn)行深入探討，共同學(xué)習(xí)。 |
總
接觸問題是一種高度非線性行為，其分析主要存在兩個難點：其一是分析過程中我們并不知道接觸區(qū)域怎么變化，接觸區(qū)域受材料，載荷，邊界條件等影響，其變化可能是瞬間變化的。其二就是大多數(shù)接觸問題是需要考慮摩擦的，大家都知道摩擦這玩意現(xiàn)在應(yīng)該還沒有什么鼻祖級的理論來描述吧。
接觸問題按照接觸體是剛性和柔性可分為剛——柔接觸(如：金屬成型)和柔——柔接觸(如:栓接法蘭)；按照接觸方式可分為:點——點接觸，點——面接觸，面——面接觸。這里線可以理解為二維或者三維的面。
基本概念
接觸對：一
個物體的表面被認(rèn)為是接觸面，另外一個物體的表面被認(rèn)為是目標(biāo)面，接觸面和目標(biāo)面就構(gòu)成了一個接觸對，構(gòu)成接觸對的接觸單元和目標(biāo)單元是通過共享實常數(shù)組聯(lián)系起來的。因此不同的接觸對必須定義不同的實常數(shù)組，即使實常數(shù)沒有變化，也需要定義不同組號，因為如果一個問題中有多個接觸區(qū)域，如果不定義不同的實常數(shù)就無法識別出接觸區(qū)與和目標(biāo)區(qū)的配對關(guān)系，接觸定義就會混亂，
這也是很容易犯的一個錯誤
，因此有幾個接觸對，最好是定義幾個接觸和目標(biāo)單元以及其實常數(shù)，即使所采用的接觸單元一致。
接觸面和目標(biāo)面的選擇原則 |
1、如凸面可能與一個平面或凹面接觸,則平面或凹面應(yīng)當(dāng)為目標(biāo)面。 |
2、如兩個面的網(wǎng)格疏密不同,則較密網(wǎng)格的面應(yīng)為接觸面,而較粗網(wǎng)格的面為目標(biāo)面。 |
3、如一個面比另一個面剛,則較柔的面應(yīng)為接觸面﹐而較剛的面為目標(biāo)面。 |
4、如果高階和低階單元位于不同的面,則高階為接觸面,低階為目標(biāo)面。? |
如果一個面明顯的比另一個面大,則較大的面應(yīng)指定為目標(biāo)面。 |
接觸檢測點與位置：接觸面和目標(biāo)面是否處于接觸狀態(tài),需要通過一系列接觸檢測點的狀態(tài)才能確定，而接觸檢測點位于何處可由單元KEYOPT定義。
接觸檢測點位于接觸單元的積分點上,積分點有
節(jié)點積分
和
高斯積分
兩種(如下圖示)。接觸單元的積分點不能侵入目標(biāo)面,但是原則上目標(biāo)面可以侵入接觸面。
一般情況：
高斯積分點通常會比節(jié)點本身做積分點使方案產(chǎn)生更精確的結(jié)果
。節(jié)點本身做積分點，節(jié)點等效力可能不準(zhǔn)確，且在角接觸問題中會產(chǎn)生“滑脫”(如下圖示)而造成收斂困難。
侵入距離：侵入距離是指沿著接觸面上積分點法向到目標(biāo)面的距離,如下圖示。
pinball運(yùn)算：Pinball 區(qū)域是以接觸單元積分點為中心的圓或球,描述接觸單元周圍“遠(yuǎn)”或“近"場邊界(如下圖示),可影響接觸狀態(tài)的確定和其他許多接觸特性。根據(jù)PINBALL半徑來判斷接觸是處于分離、滑動、黏合哪一個狀態(tài)。
對于大多數(shù)問題,缺省值是比較合適的。
接觸剛度：
接觸問題大多需要定義接觸剛度，
它決定了兩個表面之間侵入量的大小。接觸剛度過大可能會引起病態(tài)的總剛度陣，接觸剛度過小可能會引起接觸侵入過大，造成偽接觸，這兩種情況都會造成收斂困難。因此接觸剛度的大小我們要預(yù)先根據(jù)具體問題有一個初步的估計值，這里的估計值可以根據(jù)經(jīng)驗給出，也可以開始選取一個較小的值進(jìn)行試算并分析平衡迭代次數(shù)，迭代次數(shù)多就說明不易收斂，進(jìn)一步進(jìn)行調(diào)整。
接觸方向：
接觸面的外法線方向與目標(biāo)面的外法線方向必須互指
,即接觸面的外法線方向必須指向目標(biāo)面,同時目標(biāo)面的外法線方向也必須指向接觸面,否則在開始分析計算時,程序可能會認(rèn)為有過度侵入,而很難找到初始解，一般情況下程序會立即停止執(zhí)行。法線方向可用命令/PSYMB顯示單元坐標(biāo)系進(jìn)行檢查(/PSYMB,ESYs,1),如果單元法向不指向?qū)?yīng)面,選擇該單元并采用命令ESURF反轉(zhuǎn)表面法線的方向(ESURF,,REVE),或采用命令ENORM重新定義單元方向(ENORM)。
接觸面行為：
面一面接觸單元支持多種力學(xué)表面作用模式,通過KEYOPT(12）選擇接觸面行為。
| KEYOPT(12)=0代表標(biāo)準(zhǔn)接觸模式,即法向單向接觸。在接觸分離時,法向壓力等于0。 |
| KEYOPT(12)=1代表理想粗糙接觸模式,用來模擬無滑動,表面完全粗糙的摩擦接觸問題,這種模式對應(yīng)摩擦系數(shù)無限大,因此忽略輸入的摩擦系數(shù)MU。 |
| KEYOPT(12)=2代表不分離接觸模式,接觸面和目標(biāo)面一旦接觸,在其后的分析中就連在一起，但容許相對滑動。 |
| KEYOPT(12)=3代表綁定接觸模式,目標(biāo)面和接觸面一旦接觸,隨后就在所有方向上綁定。 |
| KEYOPT(12)=4代表不分離接觸模式,接觸積分點初始在Pinball 區(qū)域內(nèi)或一旦接觸,就總是沿接觸面的法線方向?qū)⒛繕?biāo)面和接觸面連在一起,但容許滑動。 |
| KEYOPT(12)=5代表綁定接觸模式,接觸積分點初始在Pinball 區(qū)域內(nèi)或一旦接觸,就總是沿接觸面的法向和切線方向?qū)⒛繕?biāo)面和接觸面綁定在一起。 |
| KEYOPT(12)=6代表綁定接觸模式,初始處于接觸的接觸積分點保持與目標(biāo)面接觸,而初始處于分離狀態(tài)的接觸積分點,在整個分析期間保持分離狀態(tài)。這個選項與在初始接觸的區(qū)域應(yīng)用CEINTF類似。 |
初始接觸條件：
在建立接觸對時，我們必須注意接觸對模型必須剛好接觸，有時候，建模時剛好接觸，但實際因網(wǎng)格劃分的數(shù)值舍入，的那元網(wǎng)格間可能會產(chǎn)生小的間隙或者侵入。解決該問題，ANSYS提供了多種解決方法，其中最方便的是通過實常數(shù)CNOF定義接觸面偏移，
ANSYS可以自動的提供剛好閉合間隙或者減小初始侵入值的CNOF
，通過KEYOPT()5設(shè)置如下：
此外，還有其它的調(diào)節(jié)方式，其基本原理就是調(diào)節(jié)接觸面和目標(biāo)面進(jìn)行偏移，詳細(xì)說明大家更具需求查看ANSYS幫助文件。
剛性目標(biāo)面和導(dǎo)向節(jié)點：
剛性目標(biāo)面一般可采用命令TSHAP創(chuàng)建目標(biāo)單元。二維情況下,剛性目標(biāo)面的形狀可以是一系列直線,圓弧和拋物線描述(用TARGE169單元表示)。在3D情況下﹐目標(biāo)面的形狀可以通過三角面、圓柱面、圓錐面和球面描述(用TARGE170單元表示)。
剛性目標(biāo)面可用“導(dǎo)向節(jié)點(Pilot Node)”控制整個目標(biāo)面的運(yùn)動,導(dǎo)向節(jié)點實際上是一個只有一個節(jié)點的單元,因此可以把導(dǎo)向節(jié)點作為剛性目標(biāo)的控制器。整個目標(biāo)面的力或力矩、轉(zhuǎn)動或位移只通過導(dǎo)向節(jié)點表述，導(dǎo)向節(jié)點可能是目標(biāo)單元中的一個節(jié)點,也可能是一個任意位置的節(jié)點。只有當(dāng)需要轉(zhuǎn)動或力矩荷載時,導(dǎo)向節(jié)點的位置才重要。如果用戶定義了導(dǎo)向節(jié)點，則ANSYS程序只在導(dǎo)向節(jié)點上檢查邊界條件,而忽略其他節(jié)點上的任何約束。
為控制整個目標(biāo)面的邊界條件和運(yùn)動,在下列情況時必須使用導(dǎo)向節(jié)點:(1)
目標(biāo)面上作用著給定的外力;(2)目標(biāo)面發(fā)生旋轉(zhuǎn);3)目標(biāo)面和其他單元相連,如結(jié)構(gòu)質(zhì)量單元MASS21等;(4)目標(biāo)面的運(yùn)動有平衡條件調(diào)節(jié)。
目標(biāo)單元與接觸單元的生成:
生成目標(biāo)單元有
ESURF法、直接生成法(又分TSHAP法和常規(guī)法)和網(wǎng)格工具法
,而生成接觸單元有EINTF或 ESURF法、直接生成法(僅有常規(guī)法)和網(wǎng)格工具法。EINTF是生成兩節(jié)點單元的命令,而ESURF是在既有面或單元上覆生成單元的命令。TSHAP是生成剛性目標(biāo)面的工具命令,常規(guī)法是先定義節(jié)點(N命令)再創(chuàng)建單元(E命令)的方法。網(wǎng)格工具法是利用分網(wǎng)工具的工具命令,常規(guī)法是先定義節(jié)點(N命令)再創(chuàng)建單元(E命令)的方法。網(wǎng)格工具法是利用分網(wǎng)工具(KMESH,LMESH、AMESH 命令)等生成目標(biāo)單元或接觸單元。這幾種方法各有特色，一般采用ESURF法。
對柔性目標(biāo)面一般采用命令ESURF沿現(xiàn)有網(wǎng)格的邊界生成目標(biāo)單元,而對剛性目標(biāo)面一般采用直接法中的命令TSHAP。命令TSHAP可通過實常數(shù)R1和R2定義目標(biāo)單元(TARGE169 和TARGE170)的形狀。
接觸單元一般采用命令EINTF或ESURF生成,直接生成法中的常規(guī)法顯然應(yīng)用不便,而采用網(wǎng)格工具生成接觸單元也不如ESURF方便。
接觸單元生死選項：
在一些復(fù)雜的接觸過程分析，
我們會控制什么時候接觸起作用，什么時候接觸不起作用。
這時候就要定義接觸單元的生死。面面接觸的接觸單元和目標(biāo)單元允許激活或殺死,而且也跟隨其下覆單元的死活狀態(tài)。該選項可用于模擬復(fù)雜的金屬成型過程,在不同的分析階段,有多個剛性目標(biāo)面需要和接觸面相互作用,回彈模擬常常需要在成型過程的后期移走剛性工具。該選項不能用于不分離或綁定接觸。
接觸摩擦模型：
目前，ANSYS主要提供
庫倫摩擦,靜摩擦系數(shù)和動摩擦系數(shù)
三種定義摩擦的模型，引入摩擦，剛度矩陣是非對稱的，就會用到不對稱的求解器，因此計算時間往往會更多。
續(xù)
敬請期待后續(xù)接觸案例
全文結(jié)束，感謝閱讀。
