干貨 | 接觸非線性應(yīng)用——解決ANSYS 接觸不收斂問題的方法

2017-11-07 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

根據(jù)ANSYS的使用者反饋,針對非線性接觸問題上的求解,經(jīng)常會有客戶出現(xiàn)不收斂的情況,在調(diào)試收斂性上花費大量的時間。本文主要針對ANSYS 接觸不收斂問題進行方法上的技巧總結(jié),希望通過本文使大家在ANSYS軟件的使用上有更好的體驗。

ANSYS接觸不收斂的原因有非常多的原因,針對每一種不收斂問題,選擇正確的方法都能使不收斂問題解決變得容易起來。在使用軟件中,ANSYS接觸不收斂原因主要有下面這些原因:

1、接觸算法的不正確選擇;

2、遺漏了相關(guān)的接觸對;

3、物體之間接觸剛度過大;

4、求解的載荷步較少;

5、奇異;

6、結(jié)構(gòu)發(fā)生了剛體位移;

7、結(jié)構(gòu)發(fā)生振蕩現(xiàn)象;

下面針對這些原因的解決辦法進行詳細的講解:

1接觸算法的選取原則

ANSYS內(nèi)部大體上包括5種算法,Pure Penalty,Augmented Lagrange,MPC,Pure Lagrange,Beam。

算法	應(yīng)用范圍
Pure Penalty	Workbench默認算法,計算速度快
Augmented Lagrange	ANSYS經(jīng)典界面默認算法,計算精度較高,收斂性好
Multipoint Constraint (MPC)	經(jīng)常和Bonded聯(lián)合使用,用于大模型的裝配定義,可大大降低計算時間,還或用于不同類型單元之間的連接
Lagrange	常用于模擬接觸面之間零穿透并且存在摩擦的情況,例如模擬橡膠——金屬之間的接觸
Beam	主要計算梁與梁之間的接觸(使用較少)

在大多數(shù)情況下,針對非線性接觸問題時候,Augmented Lagrange是最好的收斂算法;當需要研究結(jié)構(gòu)的振蕩問題時,由于考慮零滲透問題,選擇使用Lagrange方法能更好的提高精度,同時由于零滲透的原因使得計算時間變得更長。

針對非線性接觸問題,方法的正確選擇,可以使得收斂困難的問題變得容易收斂。

2遺漏接觸對

干貨 | 接觸非線性應(yīng)用——解決ANSYS 接觸不收斂問題的方法ansys培訓的效果圖片1

圖1、擠壓變形示意圖

如圖1所示,擠壓一個塑性材料結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)在外力的作用中,中端出現(xiàn)了褶皺,形成了自接觸現(xiàn)象。很多時候工程師由于對工程問題的不夠了解,使得相關(guān)的接觸對發(fā)生了遺漏。這一部分遺漏的接觸對,使得結(jié)構(gòu)發(fā)生變形后單元發(fā)生了畸變,不僅影響仿真計算結(jié)果精度,在很大程度上使得單元發(fā)生扭曲造成結(jié)構(gòu)的不收斂現(xiàn)象。

干貨 | 接觸非線性應(yīng)用——解決ANSYS 接觸不收斂問題的方法ansys培訓的效果圖片2

圖2、解除對的正確建立

除了保證接觸對的正確生成,在另外一個層面上,還需要建立正確的接觸對形式,如圖2所示,第一種法法將每一個面與對應(yīng)的面生成接觸對,第二種方法將接觸對進行整合,作為一個接觸對。兩種方法雖然在形式上都是正確的,然而使用第一種方法時,結(jié)構(gòu)在兩個接觸對交接處會數(shù)值由于偏差,往往使得接觸的收斂變的困難;而第二種方法將接觸的面作為一個單一接觸能避免這種問題的出現(xiàn),使得接觸的收斂性更好。

3接觸剛度大

ANSYS求解接觸問題的時候,接觸剛度對收斂性影響顯著。大多數(shù)情況下缺省設(shè)置有效,但對于以彎曲為主的接觸問題,這種缺省設(shè)置往往是不能解決問題的。當接觸不好收斂的情況下,通過查看收斂曲線,會發(fā)現(xiàn)收斂曲線會平行于收斂準則。如下圖所示,分別使用FKN=0.1和FKN=0.01兩種情況下的接觸對收斂曲線,發(fā)現(xiàn)選擇較小的罰剛度值(FKN),可以是接觸收斂更容易。

干貨 | 接觸非線性應(yīng)用——解決ANSYS 接觸不收斂問題的方法ansys培訓的效果圖片3

當調(diào)整接觸剛度后,雖然可以調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的收斂性,然而接觸由于剛度的變化使得滲透量變大,因此需要查看結(jié)果中結(jié)構(gòu)之間的滲透量,對結(jié)果精度進行判斷。

4載荷步少

在求解非線性問題的時候,初始時間步必須不斷的調(diào)試,使得結(jié)構(gòu)的收斂曲線會在收斂半徑以內(nèi)。

干貨 | 接觸非線性應(yīng)用——解決ANSYS 接觸不收斂問題的方法ansys培訓的效果圖片4

如果對于大變形問題,通常需要更多的子步,用以捕捉模型受力過程,復(fù)雜的載荷則需要使用重啟動來多次條件時間步長。

干貨 | 接觸非線性應(yīng)用——解決ANSYS 接觸不收斂問題的方法ansys結(jié)構(gòu)分析圖片5

5奇異

結(jié)構(gòu)發(fā)生奇異,收斂困難的原因,很多情況都是在物理意義上,有限元模型不準確造成的。例如:如果使用點載荷去做塑性分析,將沒有辦法獲得收斂結(jié)果。因為節(jié)點上產(chǎn)生了奇異,局部的奇異會使得整個結(jié)構(gòu)不收斂。這個對于接觸分析也是一樣的。如果使用簡化的結(jié)果或者使用太粗的網(wǎng)格,造成的接觸區(qū)域是點接觸,那么很有可能使問題不收斂。

干貨 | 接觸非線性應(yīng)用——解決ANSYS 接觸不收斂問題的方法ansys結(jié)構(gòu)分析圖片6

奇異性造成不收斂的另外一個原因是單元中同時夾雜著三角形單元和四邊形單元,導(dǎo)致求解單元的方程和單元發(fā)生了混亂。如果一些元素在局部扭曲使得結(jié)果發(fā)生錯誤,可以嘗試使用較粗的網(wǎng)格劃分這個區(qū)域,以避免這些問題。

干貨 | 接觸非線性應(yīng)用——解決ANSYS 接觸不收斂問題的方法ansys結(jié)構(gòu)分析圖片7

6剛體位移

除了網(wǎng)格,單元設(shè)置方面導(dǎo)致接觸不收斂。由于數(shù)值問題導(dǎo)致有限元模型不正確,這個就是我們常說的結(jié)構(gòu)發(fā)生了剛體位移。

干貨 | 接觸非線性應(yīng)用——解決ANSYS 接觸不收斂問題的方法ansys結(jié)構(gòu)分析圖片8

導(dǎo)致剛體位移,大多數(shù)情況都是由于建模不嚴謹導(dǎo)致模型之間有間隙或者穿透,因此需要在軟件中關(guān)閉間隙或者穿透,或者通過CONTACT Tools對結(jié)構(gòu)的接觸滲透間隙值進行審查。

7振蕩

導(dǎo)致結(jié)構(gòu)接觸不收斂的另外一個原因是由于結(jié)構(gòu)在受力過程中發(fā)生了振蕩。當結(jié)構(gòu)發(fā)生振動的時,可以通過引入小的摩擦系數(shù)加載所有的接觸單元上(摩擦系數(shù)可以用MU=0.01or0.1)緩解結(jié)構(gòu)振蕩的效果,使得接觸的收斂性更好。