干货 | 接触非线性应用——解决ANSYS 接触不收敛问题的方法

2017-11-07 by:CAE仿真在线来源:互联网

根据ANSYS的使用者反馈,针对非线性接触问题上的求解,经常会有客户出现不收敛的情况,在调试收敛性上花费大量的时间。本文主要针对ANSYS 接触不收敛问题进行方法上的技巧总结,希望通过本文使大家在ANSYS软件的使用上有更好的体验。

ANSYS接触不收敛的原因有非常多的原因,针对每一种不收敛问题,选择正确的方法都能使不收敛问题解决变得容易起来。在使用软件中,ANSYS接触不收敛原因主要有下面这些原因:

1、接触算法的不正确选择;

2、遗漏了相关的接触对;

3、物体之间接触刚度过大;

4、求解的载荷步较少;

5、奇异;

6、结构发生了刚体位移;

7、结构发生振荡现象;

下面针对这些原因的解决办法进行详细的讲解:

1接触算法的选取原则

ANSYS内部大体上包括5种算法,Pure Penalty,Augmented Lagrange,MPC,Pure Lagrange,Beam。

算法	应用范围
Pure Penalty	Workbench默认算法,计算速度快
Augmented Lagrange	ANSYS经典界面默认算法,计算精度较高,收敛性好
Multipoint Constraint (MPC)	经常和Bonded联合使用,用于大模型的装配定义,可大大降低计算时间,还或用于不同类型单元之间的连接
Lagrange	常用于模拟接触面之间零穿透并且存在摩擦的情况,例如模拟橡胶——金属之间的接触
Beam	主要计算梁与梁之间的接触(使用较少)

在大多数情况下,针对非线性接触问题时候,Augmented Lagrange是最好的收敛算法;当需要研究结构的振荡问题时,由于考虑零渗透问题,选择使用Lagrange方法能更好的提高精度,同时由于零渗透的原因使得计算时间变得更长。

针对非线性接触问题,方法的正确选择,可以使得收敛困难的问题变得容易收敛。

2遗漏接触对

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图1、挤压变形示意图

如图1所示,挤压一个塑性材料结构,结构在外力的作用中,中端出现了褶皱,形成了自接触现象。很多时候工程师由于对工程问题的不够了解,使得相关的接触对发生了遗漏。这一部分遗漏的接触对,使得结构发生变形后单元发生了畸变,不仅影响仿真计算结果精度,在很大程度上使得单元发生扭曲造成结构的不收敛现象。

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图2、解除对的正确建立

除了保证接触对的正确生成,在另外一个层面上,还需要建立正确的接触对形式,如图2所示,第一种法法将每一个面与对应的面生成接触对,第二种方法将接触对进行整合,作为一个接触对。两种方法虽然在形式上都是正确的,然而使用第一种方法时,结构在两个接触对交接处会数值由于偏差,往往使得接触的收敛变的困难;而第二种方法将接触的面作为一个单一接触能避免这种问题的出现,使得接触的收敛性更好。

3接触刚度大

ANSYS求解接触问题的时候,接触刚度对收敛性影响显著。大多数情况下缺省设置有效,但对于以弯曲为主的接触问题,这种缺省设置往往是不能解决问题的。当接触不好收敛的情况下,通过查看收敛曲线,会发现收敛曲线会平行于收敛准则。如下图所示,分别使用FKN=0.1和FKN=0.01两种情况下的接触对收敛曲线,发现选择较小的罚刚度值(FKN),可以是接触收敛更容易。

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当调整接触刚度后,虽然可以调节结构的收敛性,然而接触由于刚度的变化使得渗透量变大,因此需要查看结果中结构之间的渗透量,对结果精度进行判断。

4载荷步少

在求解非线性问题的时候,初始时间步必须不断的调试,使得结构的收敛曲线会在收敛半径以内。

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如果对于大变形问题,通常需要更多的子步,用以捕捉模型受力过程,复杂的载荷则需要使用重启动来多次条件时间步长。

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5奇异

结构发生奇异,收敛困难的原因,很多情况都是在物理意义上,有限元模型不准确造成的。例如:如果使用点载荷去做塑性分析,将没有办法获得收敛结果。因为节点上产生了奇异,局部的奇异会使得整个结构不收敛。这个对于接触分析也是一样的。如果使用简化的结果或者使用太粗的网格,造成的接触区域是点接触,那么很有可能使问题不收敛。