搜索接觸非線性ANSYS分析入門
2017-04-26 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網
以連續(xù)體模型為基準,研究接觸非線性模型的計算精度,包括壓力和位移加載方式的影響、滲透容差的影響、非匹配網格的影響、接觸面和目標面選取的影響。
目標面和接觸面的選取原則:
-
如果一個表面比另一個表面硬,則硬面為目標面。
-
如果一個表面大于另一個表面,則大的表面為目標面。
-
如果一個表面為高階另一個表面為低階,則低階表面為目標面。
-
如果一個凸表面與一個平面或凹面接觸,應該選擇平面或凹面為目標面。
-
如果一個表面有粗糙的網格而另一個表面網格細密,則選擇粗糙的網格表面為目標面。
一、問題描述
為分析接觸非線性問題,設計了2個模型。第1個模型為1塊板;第2個模型是將第1個板切成2塊板,切割成的2塊板之間創(chuàng)建接觸關系。第1個為連續(xù)體模型,以此為基準,研究第2個接觸非線性模型的計算精度。
問題分析與計算結果:
1.連續(xù)體模型
連續(xù)體模型仍然切割成2塊板,兩塊板幾何面之間的關鍵點和線是共用的,劃分單元后,兩塊板之間的節(jié)點也是共用的。有限元參與計算的是單元和節(jié)點,與多少個幾何體無關,只要模型的節(jié)點和單元連續(xù),建立的仍然是連續(xù)體模型。
下圖中,面編號以A開頭,線編號以L開頭,關鍵點編號是純數字。上下幾何面A1和A2之間共用關鍵點和線。
下圖是節(jié)點編號,在紅線位置處為上下幾何面之間共用節(jié)點。
下圖是邊界條件,施加壓力100MPa
下圖是整個板Y方向位移云圖,往下壓縮了0.0455 mm,假想的下板壓縮了0.01140 mm。
下圖是整個板X和Y方向應力云圖,分別為-30 MPa和-100 MPa。
2.接觸非線性模型
切割成2塊板,兩塊板幾何面之間的關鍵點和線是不共用的,劃分單元后,兩塊板之間的節(jié)點也是不共用的。有限元參與計算的單元和節(jié)點是不連續(xù)的,需要創(chuàng)建接觸關系,采用接觸非線性模型才能計算。
上下板的節(jié)點不匹配,上下板之間在紅色位置處是初始無間隙也沒有嵌入。下板單元n1取11份,上板單元n2取22份
(1)粗糙網格表面為目標面,細密網格為接觸面。上板上端位移加載0.0455mm,將默認的滲透容差系數0.1修改成0.001。
下圖是上下板的X和Y方向應力云圖,分別為-29.986 MPa和99.954 MPa。與連續(xù)體模型的計算結果十分吻合
下圖是上下板之間的接觸壓力為99.954 MPa,滲透量為0.2084e-4 mm。
(2)細密網格為目標面,粗糙網格表面為接觸面。其他條件與(1)相同。
下圖是上下板的X和Y方向應力云圖,與連續(xù)體模型的計算結果存在較大誤差
3.接觸非線性模型計算結果匯總
以連續(xù)體模型為基準,比值是接觸非線性模型與連續(xù)體模型的計算結果之比。
網格匹配,創(chuàng)建接觸,透容差滲透容差系數FTOLN=0.1為默認值。加載方式分壓力加載(100MPa)和位移加載(-0.0455mm)。單元離散:下板單元n1份,上板單元n2份。
表1 滲透容差的影響(網格匹配,單元n1=n2=11份)。
壓力加載方式,接觸設置默認條件下,具有很高的精度。位移加載方式,滲透容差系數越小,精度越高。
表2 非匹配網格的影響(粗糙網格表面為目標面,細密網格為接觸面)
接觸面單元是目標面單元的偶數倍時,具有很高的精度。不是偶數倍時,接觸單元份數越多,精度越高。
表3 非匹配網格的影響(細密網格為目標面,粗糙網格表面為接觸面)
接觸單元份數一定條件下,目標單元越多,精度急劇降低,造成錯誤的解。接觸創(chuàng)建時,務必引起高度注意!
二、GUI步驟
1.進入ANSYS
程序→ ANSYS 15.0→ ANSYS Product Launcher→ 改變working directory到指定文件夾→ 在job name輸入:file。
2.設置計算類型
Main Menu> Preferences→選擇Structural→ OK。
4.定義單元屬性
(1)定義單元類型
Main Menu> Preprocessor>Element Type> Add/Edit/Delete→ Add→ 選擇PLANE183單元,即在左列表框中選擇Solid,在右列表框中選擇8 node 183→ OK。
(2)定義材料參數
Main Menu> Preprocessor>Material Props> Material Models→ Structural→ Linear→ Elastic→ Isotropic→ EX: 2E5,PRXY: 0.3→ OK。
5.建立幾何模型
Main Menu> Preprocessor>Modeling> Create> Areas> Circle> By Dimensions→ 建立第1個板幾何面→ Apply→ 第2個板幾何面→ OK。
第1個板幾何面
第2個板幾何面
6.劃分網格
(1)顯示線和線的編號
①顯示線:Utility Menu >Plot> Lines。
②顯示線的編號:Utility Menu >Plotctrls>Numbering→ LINE:On。
(2)設置線的份數
Main Menu> Preprocessor> Meshing> Mesh Tool→ 在Size Controls下方選擇Lines Set→ 拾取L1→ NDIV: 11→ OK。同樣的操作步驟,L2分3份,L6分9份,L7分22份。
(3)劃分網格:Main Menu >Preprocessor>Meshing >MeshTool →Mesh →Pick All →OK。
7.創(chuàng)建接觸
(1)選擇所有:Utility Menu> Select> Everything。
(2)創(chuàng)建接觸,形成接觸對
①Contanct Manager,見圖中紅色方框→Contact Wizard,見圖中紅色方框。
②創(chuàng)建目標面,左側Lines,右側Target Type: Flexible,Pick Target→拾取L3→ Next→
③創(chuàng)建接觸面,左側Contact Surface: Lines,右側Contact ElementType: Surface-to-Surface,Pick Contact→拾取L5→ Next→
④選擇材料:Material ID: 1,法向接觸無摩擦,摩擦系數取0→ Create→ Finish,接觸對已創(chuàng)建完成,實常數為3。
⑤查看接觸屬性,將滲透容差系數默認值0.1修改成0.001→ OK→關閉Contanct Manager。
⑥查看接觸單元和目標單元類型:MainMenu> Preprocessor> Element Type> Add/Edit/Delete→ Type 3 CONTA172 → Options→ Cancel→ Close。接觸單元選項里面有很多默認設置。
⑦查看實常數,也就是接觸對:Main Menu> Preprocessor>Real Constants> Add/Edit/Delete→ Set 3→ Edit→ Type 3 CONTA172→ OK→ Cancel。滲透容差系數以及修改成0.001。
8.施加邊界條件
(1)下端線L1施加UY約束:
Main Menu>Preprocessor> Loads> Define Loads> Apply > Structural>Displacement > On Lines→ 拾取L1→ Lab2:UY→ OK。
(2)左右兩端線施加UX約束:
Main Menu>Preprocessor> Loads> Define Loads> Apply > Structural>Displacement > On Lines→ 拾取L2、L4、L6和L8 → Lab2:UX→ OK。
(3)施加強制位移:
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→ 輸入Load.db。
9.求解
(1)求解前選擇所有:Utility Menu> Select> Everything。務必選擇所有,才能使所有節(jié)點和單元參與計算。
(2)開始求解計算:Main Menu> Solution> Slove>Current LS→ File> Close→ OK→ [Sloution is done]: Close,完成求解計算。
(3)求解后保存模型:Utility Menu> File> Saveas→ 輸入Solve.db。
10.后處理
(1)云圖顯示應力分布:
Main Menu> GeneralPostproc> Plot Results> Contour Plot> Nodal Solu→ 選擇Stress
→ 選擇X-Component of stress→OK。
→ 選擇Y-Component of stress→OK。
(2)云圖顯示接觸壓力:
①云圖顯示接觸壓力
Main Menu> GeneralPostproc> Plot Results> Contour Plot> Nodal Solu→ 選擇Contact→ Contact pressure→ OK。
②云圖顯示接觸滲透量
Main Menu> GeneralPostproc> Plot Results> Contour Plot> Nodal Solu→ Contact→ Contact penetration→OK。
(3)云圖顯示下板位移分布:
①選擇下板面:UtilityMenu> Select> Entities→ 從上往下依次選擇Areas, ByNum/Pick, From Full→拾取下板面→ OK。
②顯示下板面:Utility Menu> Plot> Areas。
③選擇下板面的單元:Utility Menu> Select>Everything Below→Selected Areas→ OK。
④顯示下板面的單元:Utility Menu> Plot>Element。
⑤下板Y方向位移云圖:Main Menu >GeneralPostproc >Plot Results >Contour Plot >Nodal Solu →Nodal Solution → DOFSolution → Y-Component of displacement →OK。
三、GUI步驟視頻版
四、APDL步驟
1、連續(xù)體模型
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、接觸非線性模型
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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