SimSolid的好，SimSolid的快，相信各位同學都有所耳聞，或者早已有所體會。

那它有沒有什么不足之處呢？

當然，我們說的不是已知的文檔說明中還不支持的功能。

今天我們來探討一下SimSolid的接觸非線性的功能，看看它是否完美。

第一部分

曾經，有一個這樣的模型擺在我的面前，我思緒萬千，苦試求解器不得收斂。

恰逢，Optistruct的接觸和非線性分析的能力大幅增強，問題終于得以解決。

(廣告：對Optistruct接觸感興趣的同學可以學習我的這門課程《Optistruct中的接觸》。)

假如，我們的SimSolid可以快速、準確的解決這個問題，那豈不妙哉？

 因此，在拿到最新版SimSolid時，我腦海中直接就蹦出了這一問題。

模型如圖所示，是我們常見的變速器或者減速器齒輪組。對于減速器的原理這里不再詳細闡述。扭矩從一端輸入，另一端輸出，中間是幾組齒輪組。

問題描述：

工況簡單，模擬啟動瞬間，即輸入端給定扭矩，輸出端進行約束固定。

復雜點在于模型是一個略為復雜的裝配體。即便簡化掉軸承，還有齒輪間的配合接觸。

考察對象是齒輪的應力，能否承受峰值扭矩。

 對于這種工程問題，傳統有限元解決通常有以下幾個難點：

1、幾何模型的調整修復有難度，齒輪需要配合，而我們從CAD同事拿到的模型多半情況下是沒有配合好的。特征較多，需要花費較長時間進行幾何修復。

2、建模困難，涉及到好幾個齒輪，齒輪間的間隙較小，網格要劃分精細；保證接觸面網格不能穿透，且有較高的質量

3、涉及到接觸問題，收斂困難。使用abaqus和optistruct對這個模型進行求解，除了要劃分較高的網格質量外，還要進行接觸的控制，計算相對耗時較長。

  

Optistruct的計算結果如下圖所示：

 

 

SimSolid求解設置 

裝配復雜，工況簡單，這類分析正對SimSolid的胃口。但唯一需要再進一步考慮的是，齒輪間的接觸狀態不能使用綁定接觸，綁定接觸與實際的接觸狀態相差太大，需要將接觸設置為可分離的滑動接觸。在SimSolid聲明的非線性分析類型中是支持接觸非線性的，因此“非線性接觸的能力“正是本次分析需要驗證的功能。

依據上述的邊界條件，我們進行了如下的設置。

邊界條件如下所示：

分析類型設置：

接觸方法的設置：

 SimSolid的接觸在導入模型的時候通過搜索距離的定義可以自動的創建，如果沒有創建可以后期手動創建。

接觸關系的設置：

 

將可分析的接觸均設置為可分離接觸，并設置摩擦系數

SimSolid的計算結果：

 

首先，分析速度還是一如既往的快。

但計算結果不理想，應力與Optistruct的計算結果相差太大？最大應力位置和值均差異較大，且不合理。

當然，我也嘗試進行調整了模型，分析工況設置和接觸設置的調整。

但無論用什么模式，怎么調整參數，結果都相差較大。

 調整的分析模型：去除軸承輪，嘗試打開應力適應等選項。

分析結果：這個結果應力位置至少是合理的，但是應力值還是要遠大于Optistruct的解。

第二部分

那這是什么原因造成的呢，本來接觸就是一個復雜的問題。如果繼續用這個模型來研究或許我們找不到問題的原因。

最好的方法是退而求其次找一個簡單的問題來進行研究。

所以，下面我就用下面這個小例子來做研究。

這個例子也是Altair官方的模型。

使用這個模型會碰到以下兩個問題：

1、 FEM模型導入的問題；2、邊界條件的問題。

1、FEM模型導入的問題

其中官方提供的模型是fem模型，那SimSolid目前并不支持fem文件的導入，所以我們首先要做的是fem文件怎么轉換成一個SimSolid可以讀取文件的問題。

SimSolid可以支持的文件有各類CAD文件和STL文件。那我們就有兩個大的思路，一個是將fem文件轉換為CAD模型，一個是轉換為STL文件。對Hypermesh熟悉那就可以快速解決這個問題，關于這一部分不是本文討論的重點，如果我們手頭上有網格文件，沒有幾何文件，想拿來用SimSolid做對比分析碰到困難，可以查看這個教程《Hypermesh接口——Mesh_to_STL》。

2、邊界條件的問題

由于SimSolid暫時不支持 大變形非線性+接觸非線性 同時進行，所以我把原始模型中的邊界條件稍微的進行了調整。

邊界條件如圖所示：

這里還要提一下，本來計劃的是讓轉動輪來做主動輪，但是SimSolid目前還不支持施加旋轉方向的強制位移，故分析換了一種思路。建議后續可以添加這一功能。

最后的計算結果如下圖所示：

變形情況：從動畫上看，SimSolid的接觸是可以很好的處理邊界的這種關系的，可以做到真正的分離接觸。且由于給定是是強制位移，故變形量也沒有太大差異。  

應力結果：但從應力結果的值上看有一些問題。

應力值與Optistruct的應力結果相差幾個數量級(左Optistruct，右SimSolid)。

同樣，還是切換了不同的求解方法，不同的接觸設置等

最后的應力結果還是相差太多。 

百思不得其解，最后，考慮SimSolid勾選接觸的時，不能勾選大變形，那它的接觸是不是并不能真正的分離？用optistruct進行了驗證，發現果真如此。當我們在Optistruct中使用Freeze接觸類型時，與SimSolid計算得到的應力結果是一致的。

 

 

從這個模型大致可以得出以下的結論：

從變形結果來看，SimSolid處理接觸的方法可以做到形變上的接觸；但是應力的求解卻是按照綁定接觸來計算的。這一結論僅對本文中的類似模型有效，或許是bug，對于求解類似的問題是有一定問題的。所以目前大家如果用到類似此類結構且包含接觸的分析時，需要注意到這一點。

另外，總結以下SimSolid可以改進的幾個小建議，

1、建議強制位移可以增加旋轉強制位移;

2、建議后處理結果中可以框選局部顯示局部區域；

3、建議改進剖面截取方式，可以更加精確的控制，比如選擇方向或者輸入軸。

 

SimSolid本已很驚艷，正是對它有更高的期許，才寫下了這篇。

文中涉及到的問題或許有謬誤，也請批評指正；

或許不成熟的小建議或許在未來的一天已經不是問題，愿SimSolid未來更加強大。

未來可期！

注：本文成文與2020年8月23日，SimSolid版本號：2020.0.0 。

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