搜索接触非线性ANSYS分析入门
2017-04-26 by:CAE仿真在线 来源:互联网
以连续体模型为基准,研究接触非线性模型的计算精度,包括压力和位移加载方式的影响、渗透容差的影响、非匹配网格的影响、接触面和目标面选取的影响。
目标面和接触面的选取原则:
-
如果一个表面比另一个表面硬,则硬面为目标面。
-
如果一个表面大于另一个表面,则大的表面为目标面。
-
如果一个表面为高阶另一个表面为低阶,则低阶表面为目标面。
-
如果一个凸表面与一个平面或凹面接触,应该选择平面或凹面为目标面。
-
如果一个表面有粗糙的网格而另一个表面网格细密,则选择粗糙的网格表面为目标面。
一、问题描述
为分析接触非线性问题,设计了2个模型。第1个模型为1块板;第2个模型是将第1个板切成2块板,切割成的2块板之间创建接触关系。第1个为连续体模型,以此为基准,研究第2个接触非线性模型的计算精度。
问题分析与计算结果:
1.连续体模型
连续体模型仍然切割成2块板,两块板几何面之间的关键点和线是共用的,划分单元后,两块板之间的节点也是共用的。有限元参与计算的是单元和节点,与多少个几何体无关,只要模型的节点和单元连续,建立的仍然是连续体模型。
下图中,面编号以A开头,线编号以L开头,关键点编号是纯数字。上下几何面A1和A2之间共用关键点和线。
下图是节点编号,在红线位置处为上下几何面之间共用节点。
下图是边界条件,施加压力100MPa
下图是整个板Y方向位移云图,往下压缩了0.0455 mm,假想的下板压缩了0.01140 mm。
下图是整个板X和Y方向应力云图,分别为-30 MPa和-100 MPa。
2.接触非线性模型
切割成2块板,两块板几何面之间的关键点和线是不共用的,划分单元后,两块板之间的节点也是不共用的。有限元参与计算的单元和节点是不连续的,需要创建接触关系,采用接触非线性模型才能计算。
上下板的节点不匹配,上下板之间在红色位置处是初始无间隙也没有嵌入。下板单元n1取11份,上板单元n2取22份
(1)粗糙网格表面为目标面,细密网格为接触面。上板上端位移加载0.0455mm,将默认的渗透容差系数0.1修改成0.001。
下图是上下板的X和Y方向应力云图,分别为-29.986 MPa和99.954 MPa。与连续体模型的计算结果十分吻合
下图是上下板之间的接触压力为99.954 MPa,渗透量为0.2084e-4 mm。
(2)细密网格为目标面,粗糙网格表面为接触面。其他条件与(1)相同。
下图是上下板的X和Y方向应力云图,与连续体模型的计算结果存在较大误差
3.接触非线性模型计算结果汇总
以连续体模型为基准,比值是接触非线性模型与连续体模型的计算结果之比。
网格匹配,创建接触,透容差渗透容差系数FTOLN=0.1为默认值。加载方式分压力加载(100MPa)和位移加载(-0.0455mm)。单元离散:下板单元n1份,上板单元n2份。
表1 渗透容差的影响(网格匹配,单元n1=n2=11份)。
压力加载方式,接触设置默认条件下,具有很高的精度。位移加载方式,渗透容差系数越小,精度越高。
表2 非匹配网格的影响(粗糙网格表面为目标面,细密网格为接触面)
接触面单元是目标面单元的偶数倍时,具有很高的精度。不是偶数倍时,接触单元份数越多,精度越高。
表3 非匹配网格的影响(细密网格为目标面,粗糙网格表面为接触面)
接触单元份数一定条件下,目标单元越多,精度急剧降低,造成错误的解。接触创建时,务必引起高度注意!
二、GUI步骤
1.进入ANSYS
程序→ ANSYS 15.0→ ANSYS Product Launcher→ 改变working directory到指定文件夹→ 在job name输入:file。
2.设置计算类型
Main Menu> Preferences→选择Structural→ OK。
4.定义单元属性
(1)定义单元类型
Main Menu> Preprocessor>Element Type> Add/Edit/Delete→ Add→ 选择PLANE183单元,即在左列表框中选择Solid,在右列表框中选择8 node 183→ OK。
(2)定义材料参数
Main Menu> Preprocessor>Material Props> Material Models→ Structural→ Linear→ Elastic→ Isotropic→ EX: 2E5,PRXY: 0.3→ OK。
5.建立几何模型
Main Menu> Preprocessor>Modeling> Create> Areas> Circle> By Dimensions→ 建立第1个板几何面→ Apply→ 第2个板几何面→ OK。
第1个板几何面
第2个板几何面
6.划分网格
(1)显示线和线的编号
①显示线:Utility Menu >Plot> Lines。
②显示线的编号:Utility Menu >Plotctrls>Numbering→ LINE:On。
(2)设置线的份数
Main Menu> Preprocessor> Meshing> Mesh Tool→ 在Size Controls下方选择Lines Set→ 拾取L1→ NDIV: 11→ OK。同样的操作步骤,L2分3份,L6分9份,L7分22份。
(3)划分网格:Main Menu >Preprocessor>Meshing >MeshTool →Mesh →Pick All →OK。
7.创建接触
(1)选择所有:Utility Menu> Select> Everything。
(2)创建接触,形成接触对
①Contanct Manager,见图中红色方框→Contact Wizard,见图中红色方框。
②创建目标面,左侧Lines,右侧Target Type: Flexible,Pick Target→拾取L3→ Next→
③创建接触面,左侧Contact Surface: Lines,右侧Contact ElementType: Surface-to-Surface,Pick Contact→拾取L5→ Next→
④选择材料:Material ID: 1,法向接触无摩擦,摩擦系数取0→ Create→ Finish,接触对已创建完成,实常数为3。
⑤查看接触属性,将渗透容差系数默认值0.1修改成0.001→ OK→关闭Contanct Manager。
⑥查看接触单元和目标单元类型:MainMenu> Preprocessor> Element Type> Add/Edit/Delete→ Type 3 CONTA172 → Options→ Cancel→ Close。接触单元选项里面有很多默认设置。
⑦查看实常数,也就是接触对:Main Menu> Preprocessor>Real Constants> Add/Edit/Delete→ Set 3→ Edit→ Type 3 CONTA172→ OK→ Cancel。渗透容差系数以及修改成0.001。
8.施加边界条件
(1)下端线L1施加UY约束:
Main Menu>Preprocessor> Loads> Define Loads> Apply > Structural>Displacement > On Lines→ 拾取L1→ Lab2:UY→ OK。
(2)左右两端线施加UX约束:
Main Menu>Preprocessor> Loads> Define Loads> Apply > Structural>Displacement > On Lines→ 拾取L2、L4、L6和L8 → Lab2:UX→ OK。
(3)施加强制位移:
Main Menu>Preprocessor> Loads> Define Loads> Apply > Structural>Displacement > On Lines→ 拾取L7→ Lab2:UY;VALUE:-0.0455→ OK。
(4)求解前保存模型:Utility Menu> File> Saveas→ 输入Load.db。
9.求解
(1)求解前选择所有:Utility Menu> Select> Everything。务必选择所有,才能使所有节点和单元参与计算。
(2)开始求解计算:Main Menu> Solution> Slove>Current LS→ File> Close→ OK→ [Sloution is done]: Close,完成求解计算。
(3)求解后保存模型:Utility Menu> File> Saveas→ 输入Solve.db。
10.后处理
(1)云图显示应力分布:
Main Menu> GeneralPostproc> Plot Results> Contour Plot> Nodal Solu→ 选择Stress
→ 选择X-Component of stress→OK。
→ 选择Y-Component of stress→OK。
(2)云图显示接触压力:
①云图显示接触压力
Main Menu> GeneralPostproc> Plot Results> Contour Plot> Nodal Solu→ 选择Contact→ Contact pressure→ OK。
②云图显示接触渗透量
Main Menu> GeneralPostproc> Plot Results> Contour Plot> Nodal Solu→ Contact→ Contact penetration→OK。
(3)云图显示下板位移分布:
①选择下板面:UtilityMenu> Select> Entities→ 从上往下依次选择Areas, ByNum/Pick, From Full→拾取下板面→ OK。
②显示下板面:Utility Menu> Plot> Areas。
③选择下板面的单元:Utility Menu> Select>Everything Below→Selected Areas→ OK。
④显示下板面的单元:Utility Menu> Plot>Element。
⑤下板Y方向位移云图:Main Menu >GeneralPostproc >Plot Results >Contour Plot >Nodal Solu →Nodal Solution → DOFSolution → Y-Component of displacement →OK。
三、GUI步骤视频版
四、APDL步骤
1、连续体模型
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、接触非线性模型
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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