1.概述

基于接觸狀態(tài)，壓力滲透載荷（Pressure-penetrationloads）  可以模擬仿真計(jì)算周圍的液體或空氣滲透到接觸面的影響。用戶可以把流體壓力滲透載荷施加到柔體-柔體或剛體-柔體接觸對(duì)。二維和三維CONTA171、CONTA172、CONTA173和CONTA174面-面接觸單元都支持壓力滲透載荷。

流體壓力可以從一個(gè)或多個(gè)位置滲入到接觸面之間。流體壓力滲透載荷具有路徑依賴的性質(zhì)。滲透路徑可以發(fā)展和變化，這取決于迭代計(jì)算。在每個(gè)迭代開始時(shí)，ANSYS首先檢測(cè)開始承受流體壓力的點(diǎn)。然后ANSYS在這些點(diǎn)中根據(jù)接觸狀態(tài)是打開或丟失來(lái)找出流體的滲透點(diǎn)，此外如果計(jì)算中存在接觸壓力小于用戶自定義壓力滲透準(zhǔn)則中的壓力，則這些點(diǎn)ANSYS也被判定為滲透點(diǎn)。

當(dāng)ANSYS發(fā)現(xiàn)存在滲透接觸條件的點(diǎn)后，這個(gè)點(diǎn)及最靠近這個(gè)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)都將承受流體壓力載荷如圖所示。流體壓力載荷不能施加到接觸狀態(tài)為張開的面上，除非該面的終點(diǎn)或邊緣屬于承受滲透壓力載荷起始點(diǎn)流體壓力從滲透點(diǎn)開始滲透到接觸面和目標(biāo)面之間的界面。當(dāng)重新建立界面接觸時(shí)或接觸壓力大于流體滲透準(zhǔn)則壓力時(shí)，流體滲透可以被中斷。

2.施加流體滲透載荷

流體滲透載荷必須使用SFE命令施加到接觸和目標(biāo)單元上。

SFE,ELEM,1,PRES,,VAL1,VAL2,VAL3,VAL4流體壓力僅能施加到接觸和目標(biāo)單元上的角節(jié)點(diǎn)處CONTA172、CONTA174、TARGE169和TARGE170單元中間節(jié)點(diǎn)上壓力通過(guò)臨近的角節(jié)點(diǎn)上的壓力平均值得到。VAL3和VAL4不能應(yīng)用到二維接觸和目標(biāo)單元上。

施加到接觸或目標(biāo)單元節(jié)點(diǎn)上的壓力值VALi可以常數(shù)也可以是表格名。如果是常數(shù)，根據(jù)KBC命令的設(shè)置壓力幅值可以是階躍變化，也可以是斜坡變化。為了定義表格載荷，表格名要放在百分號(hào)內(nèi)，例如%tabname%。可以使用*DIM命令定義一個(gè)表格。程序僅支持一個(gè)表格并且必須放在VAL1位置，放在其它位置將被忽略。

基于接觸狀態(tài)，流體壓力滲透載荷將被自動(dòng)的施加到接觸和目標(biāo)面上的滲透點(diǎn)。默認(rèn)下，接觸單元的關(guān)鍵字KEYOPT(14)=0，基于當(dāng)前接觸狀態(tài)，流體壓力滲透載荷在迭代計(jì)算中會(huì)隨之變化。在這種情況下，因?yàn)榻佑|狀態(tài)默認(rèn)設(shè)置會(huì)引起不穩(wěn)定的收斂模式。

建議設(shè)置KEYOPT(14)=1，這樣即便在迭代計(jì)算中接觸狀態(tài)發(fā)生變化，壓力滲透載荷也將在開始計(jì)算時(shí)的子步就施加到接觸和目標(biāo)單元上，并在隨后的子步中保持不變。并且要盡量施加較小的增量，才能獲得較精確的解。

當(dāng)定義流體滲透載荷時(shí)，需注意以下幾點(diǎn)：

-對(duì)于對(duì)稱接觸對(duì)的柔-柔接觸，僅能將流體壓力施加到接觸單元上。

-對(duì)于非對(duì)稱接觸對(duì)的柔-柔接觸，一般情況下應(yīng)該將流體壓力施加到當(dāng)前或計(jì)算過(guò)程

中周圍存在液體的接觸和目標(biāo)單元上。如果沒(méi)有流體滲透載荷施加到接觸對(duì)中相關(guān)聯(lián)的接觸單元面上，則ANSYS將忽略施加到目標(biāo)面上的流體滲透載荷。當(dāng)流體壓力滲透載荷施加到接觸和目標(biāo)單元上時(shí)，ANSYS必須為接觸面和目標(biāo)面確定滲透路徑。確定目標(biāo)面上的滲透路徑的迭代過(guò)程非常耗時(shí)，特別對(duì)于三維接觸模型更加耗時(shí)。因此，  建議使用對(duì)稱接觸對(duì)，因?yàn)樵摲椒ú恍枰谀繕?biāo)面上指定流體滲透壓力。

-對(duì)于剛體-柔體接觸，必須將流體壓力施加到接觸單元上。ANSYS將自動(dòng)在剛性目標(biāo)面上施加等效的力來(lái)平衡施加到接觸面上的壓力，施加到剛性面上的流體壓力將被忽略。

-如果在相同的面上定義了多個(gè)接觸對(duì)，則接觸單元可能發(fā)生重疊。對(duì)于這種情況，要小心將流體滲透壓力載荷施加到存在重疊接觸單元的面上。

僅能使用SFE命令將流體滲透壓力載荷施加到接觸和目標(biāo)單元上，其它的壓力載荷命令都是無(wú)效的。此外，不能將壓力施加到下伏單元上。

-ANSYS會(huì)忽略定義在多點(diǎn)約束上的任何流體滲透載荷。

-ANSYS會(huì)自動(dòng)將壓力載荷的剛度影響考慮到總體剛度矩陣中。如果計(jì)算中存在非對(duì)稱矩陣并且希望完成對(duì)壓力載荷剛度的收斂計(jì)算，則輸入NROPT,UNSYM命令。

3.  指定流體滲透開始點(diǎn)

當(dāng)已經(jīng)施加了流體壓力滲透載荷，則流體壓力會(huì)從定義的初始點(diǎn)滲入到接觸單元與目標(biāo)單元之間的界面，可能存在一個(gè)或多個(gè)開始點(diǎn)（startingpoints）。

通過(guò)選擇的二維接觸的自由末端點(diǎn)或三維接觸自由開放邊界上的節(jié)點(diǎn)，ANSYS將自動(dòng)的尋找開始點(diǎn)。自由的含義為單元的周圍沒(méi)有完全被周圍單元包圍，如圖所示。

開始點(diǎn)最先承受流體滲透載荷。如果接觸或目標(biāo)面是連續(xù)閉循環(huán)的，則沒(méi)有默認(rèn)的開始點(diǎn)。可以使用SFE命令，配合該命令中的SFTAi值進(jìn)行指定開始點(diǎn)、滲透點(diǎn)以及移除默認(rèn)的開始點(diǎn)的設(shè)置。

為了指定STAi的設(shè)置，必須設(shè)置SFE命令中的LKEY=2，該命令格式SFE,ELEM,2,PRES,,STA1,STA2,STA3,STA4

4.指定壓力滲透準(zhǔn)則

使用接觸單元實(shí)常數(shù)PPCN能夠指定一個(gè)壓力滲透準(zhǔn)則。當(dāng)接觸壓力小于準(zhǔn)則壓力值時(shí)，開始點(diǎn)就轉(zhuǎn)換為滲透點(diǎn)，也就是說(shuō)流體壓力開始滲透。因此，較大的臨界值將允許流體更加容易發(fā)生滲透。當(dāng)接觸壓力大于準(zhǔn)則壓力值時(shí)，滲透點(diǎn)轉(zhuǎn)換為開始點(diǎn)，也就是說(shuō)流體滲透被中斷。默認(rèn)下，滲透準(zhǔn)則的PPCN等于0。在默認(rèn)設(shè)置下只有當(dāng)接觸狀態(tài)為張開時(shí)才會(huì)發(fā)生流體滲透，而當(dāng)重新發(fā)生接觸時(shí)流體滲透就會(huì)被中斷。用戶可以把PPCN定義為常數(shù)或表格數(shù)據(jù)。表格數(shù)據(jù)可以被定義為接觸點(diǎn)當(dāng)前位置坐標(biāo)、接觸壓力、時(shí)間或溫度的函數(shù)

5.指定流體滲透作用時(shí)間

當(dāng)發(fā)生壓力滲透時(shí)，流體壓力被垂直施加到接觸/目標(biāo)面上。與常規(guī)的壓力載荷相比，施加到子步上的流體壓力大小取決于壓力是常數(shù)輸入還是表格輸入，同時(shí)還取決于是階躍加載還是斜坡加載。

如果瞬時(shí)施加所有的流體壓力，則會(huì)造成在靠近接觸界面附近產(chǎn)出較大的應(yīng)力梯度，從而造成計(jì)算收斂困難。同理，當(dāng)流體壓力突然被移除或突然中斷流體滲透，也會(huì)導(dǎo)致計(jì)算收斂困難。為了穩(wěn)定計(jì)算并提高計(jì)算的收斂性，ANSYS提供了斜坡施加流體壓力的選項(xiàng)，該選項(xiàng)在一個(gè)求解周期中通過(guò)多個(gè)計(jì)算子步線性的增加流體壓力進(jìn)行加載。為了實(shí)現(xiàn)斜坡加載，可以使用接觸單元實(shí)常數(shù)FPAT指定流體滲透作用時(shí)間。輸入正值表示滲透作用時(shí)間等于輸入的時(shí)間乘以載荷步的增量時(shí)間；輸入負(fù)值表示滲透作用時(shí)間就是該數(shù)值的絕對(duì)值。ANSYS的默認(rèn)值為0.01，則默認(rèn)的滲透作用時(shí)間等0.01乘以當(dāng)前載荷步的時(shí)間增量。

在每一個(gè)滲透點(diǎn)，如果當(dāng)前子步的增量時(shí)間小于流體滲透作用時(shí)間，即FPAT>(tn-tn-1)，則流體壓力在滲透作用時(shí)間周期中，從前一個(gè)子步施加的壓力線性變化增加到總的流體壓力，如圖2-3所示。如果FPAT<(tn-tn-1)，則施加當(dāng)前全部的流體壓力如圖2-4所示。在壓力滲透關(guān)閉點(diǎn)，如果當(dāng)前子步的時(shí)間增量小于流體滲透作用時(shí)間，則流體壓力在滲透作用時(shí)間周期中從前一個(gè)子步施加的壓力值線性減小到0，否則流體壓力將被瞬時(shí)刪除。

6.  工程實(shí)例-O型橡膠密封裝置的壓力滲透有限元分析

1-材料參數(shù)

活塞和缸套的材料為結(jié)構(gòu)鋼，  0型密封圈的材料為橡膠，材料模型參數(shù)如下：Neo-

Hookean模型，Mu=20E6Pa，

D1=0.015.

2-邊界條件

完全固定約束缸套的底邊和側(cè)邊，在活塞頂面上施加向下的位移0.007m，然后第二個(gè)載荷步施加流體穿透壓力20MPa。