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2013-08-14 by:有限元接触分析 来源:仿真在线
ANSYS接触分析的接触方式
ANSYS支持三种接触方式:点─点,点─面,面─面接触。每种接触方式使用不同的接触单元集,并适用于某一特定类型的问题。
为了给接触问题建模,首先必须认识到模型中的哪些部分可能会相互接触。如果相互作用的其中之一是一点,模型的对应组元是一个节点。如果相互作用的其中之一是一个面,模型的对应组元是单元,如梁单元、壳单元或实体单元。有限元模型通过指定的接触单元来识别可能的接触对,接触单元是覆盖在分析模型接触面之上的一层单元,至于ANSYS使用的接触单元和使用它们的过程,后面会分类详述,然后论述ANSYS接触单元和他们的功能。参见《ANSYS Elements Reference》和《ANSYS Theory Reference》。
表1 ANSYS接触分析功能
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点-点 |
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点-面 |
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面 |
- 面 |
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CONTAC 12 |
CONTAC 52 |
CONTA 178 |
CONTAC 26 |
CONTAC 48 |
CONTAC 49 |
CONTAC171,172 TARGET 169 |
CONTAC 173, 174 TARGET 170 |
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点-点 |
Y |
Y |
Y |
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点-面 |
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Y |
Y |
Y |
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面-面 |
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Y |
Y |
Y |
Y |
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2-D |
Y |
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Y |
Y |
Y |
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Y |
Y |
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3-D |
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Y |
Y |
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Y |
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Y |
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滑动 |
小 |
小 |
小 |
大 |
大 |
大 |
大 |
大 |
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曲面 |
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Y |
Y |
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圆柱间隙 |
Y |
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Y |
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纯Lagrange乘子 |
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Y |
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增加Lagrange乘子 |
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Y |
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Y |
Y |
Y |
Y |
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接触刚度 |
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用户定义 |
半自动 |
用户定义 |
用户定义 |
用户定义 |
半自动 |
半自动 |
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自动网格工具 |
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EINTF |
EINTF |
None |
GCGEN |
GCGEN |
ESURF |
ESURF |
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低阶 |
Y |
Y |
Y |
Y |
Y |
Y |
Y |
Y |
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高阶 |
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Y |
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Y |
Y |
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刚体-柔体 |
Y |
Y |
Y |
Y |
Y |
Y |
Y |
Y |
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柔体-柔体 |
Y |
Y |
Y |
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Y |
Y |
Y |
Y |
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热接触 |
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Y |
Y |
Y |
Y |
1、 面─面的接触单元
ANSYS支持刚体─柔体和柔体─柔体的面─面的接触单元。这些单元应用“目标”面和“接触”面来形成接触对。
分别用TARGE169或TARGE170来模拟2D和3D目标面。
用CONTA171、CONTA172、CONTA173、CONTA174来模拟接触面。
为了建立一个“接触对”,给目标单元和接触单元指定相同的实常数号。
这些面-面接触单元非常适合于过盈装配安装接触或嵌入接触,锻造,深拉问题。与点─面接触单元相比,面─面接触单元有许多优点:
支持面上的低阶和高阶单元(即角节点或有中节点的单元);
支持有大滑动和摩擦的大变形。计算一致刚度阵,可用不对称刚度阵选项;
提供为工程目的需要的更好的接触结果,如法向压力和摩擦应力;
没有刚体表面形状的限制,刚体表面的光滑性不是必须的,允许有自然的或网格离散引起的表面不连续;
与点─面接触单元比,需要较少的接触单元,因而只需较小的磁盘空间和CPU时间,并具有高效的可视化;
允许多种建模控制,例如:
绑定接触,不分离接触,粗糙接触;
渐变初始穿透;
目标面自动移动到初始接触;
平移接触面(考虑梁和单元的厚度),用户定义的接触偏移;
死活能力;
支持热-力耦合分析。
使用这些单元来做为刚性目标面,能模拟2D和3D中的直线(面)和曲线(面),通常用简单的几何形状例如圆、抛物线、球、圆锥、圆柱来模拟曲面。更复杂的刚体形状或普通可变形体,可以应用特殊的前处理技巧来建模。
面-面接触单元不能很好地应用于点-点或点-面接触问题,如管道或铆头装配。在这种情况下,应当应用点-点或点-面接触单元。用户也可以在大多数接触区域应用面-面接触单元,而在少数接触角点应用点-点接触单元。
面-面接触单元只支持一般的静态或瞬态分析,屈曲、模态、谱分析或子结构分析。不支持谐响应分析、缩减或模态叠加瞬态分析,或缩减或模态叠加谐响应分析。
本章后面将分别讨论ANSYS不同接触分析类型的能力。
2、 点─面接触单元
点─面接触单元主要用于给点─面接触行为建模,例如两根梁的相互接触(梁端或尖角节点),铆头装配部件的角点。
如果通过一组节点来定义接触面,生成多个单元,那么可以通过点─面接触单元来模拟面─面的接触问题。面既可以是刚性体也可以是柔性体。这类接触问题的一个典型例子是插头插到插座里。
使用这类接触单元,不需要预先知道确切的接触位置,接触面之间也不需要保持一致的网格。并且允许有大的变形和大的相对滑动,虽然这一功能也可以模拟小的滑动。
CONTACT48 和 CONTACT49单元是点─面的接触单元。这2种单元支持大滑动、大变形、以及接触部件间不同的网格。用户也可以用这2种单元来进行热-机械耦合分析,其中热在接触实体之间的传导非常重要。
应用 CONTACT26 单元用来模拟柔性点─刚性面的接触。对有不光滑刚性面的问题,不推荐采用 CONTACT26 单元,因为在这种环境下,可能导致接触的丢失。在这种情况下,CONTACT48 通过使用伪单元算法,能提供较好的建模能力(参见《ANSYS Theory Reference》),但如果目标面严重不连续,依然可能失败。
3、 点─点接触单元
点─点接触单元主要用于模拟点─点的接触行为。为了使用点─点接触单元,用户需要预先知道接触位置,这类接触问题只能适用于接触面之间有较小相对滑动的情况(即使在几何非线性情况下)。其中一个例子是传统的管道装配模型,其中接触点总是在管端和约束之间。
点─点接触单元也可以用于模拟面─面的接触问题,如果两个面上的节点一一对应,相对滑动又可以忽略不计,两个面位移(转动)保持小量,那么可以用点─点的接触单元来求解面─面的接触问题,过盈装配问题是一个用点─点的接触单元来模拟面─面接触问题的典型例子。
另一个点─点接触单元的应用是表面应力的精确分析,如透平机叶片的分析。
ANSYS的 CONTA178 单元是大多数点-点接触问题的最好选择。它比其他单元提供了范围更广的选项和求解类型。CONTAC12 和 CONTAC52 单元保留的理由,在很大程度上是为了与已有模型的向下兼容。
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