结构接触分析介绍.doc

概述
接触问题是一种高度非线性行为,需要较多的计算机资源。为了进行切实有效的计算,理解问题的物理特性和建立合理的模型是很重要的。
接触问题存在两个较大的难点:其一,在用户求解问题之前,用户通常不知道接触区域。随载荷、材料、边界条件和其它因素的不同,表面之间可以接触或者分开,这往往在很大程度上是难以预料的,并且还可能是突然变化的。其二,大多数的接触问题需要考虑摩擦作用,有几种摩擦定律和模型可供挑选,它们都是非线性的。摩擦效应可能是无序的,所以摩擦使问题的收敛性成为一个难点。
注意--如果在模型中,不考虑摩擦,且物体之间的总是保持接触,则可以应用约束方程或自由度藕合来代替接触。约束方程仅在小应变分析( NLGEOM ,off)中可用。见《ANSYS Modeling and Meshing Guide》中的§12,Coupling and Constraint Equations。
除了上面两个难点外,许多接触问题还必须涉及到多物理场影响,如接触区域的热传导、电流等。
显式动态接触分析能力
除了本章讨论的隐式接触分析外,ANSYS还在ANSYS/LS-DYNA中提供了显式接触分析功能。显式接触分析对于短时间接触-碰撞问题比较理想。关于ANSYS/LS-DYNA的更多的信息参见《ANSYS/LS-DYNA User"s Guide》。
一般接触分类
接触问题分为两种基本类型:刚体─柔体的接触,柔体─柔体的接触。在刚体─柔体的接触问题中,接触面的一个或多个被当作刚体,(与它接触的变形体相比,有大得多的刚度)。一般情况下,一种软材料和一种硬材料接触时,可以假定为刚体─柔体的接触,许多金属成形问题归为此类接触。柔体─柔体的接触是一种更普遍的类型,在这种情况下,两个接触体都是变形体(有相似的刚度)。柔体─柔体接触的一个例子是栓接法兰。
ANSYS接触分析功能
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5-1 ANSYS接触分析功能
点-点
点-面
面
- 面
CONTAC 12
CONTAC
52
CONTA
178
CONTAC
26
CONTAC
48
CONTAC
49
CONTAC171,172 TARGET 169
CONTAC 173, 174 TARGET 170
点-点
Y
Y
Y
点-面
Y
Y
Y
面-面
Y
Y
Y
Y
2-D
Y
Y
Y
Y
Y
Y
3-D
Y
Y
Y
Y
滑动
小
小
小
大
大
大
大
大
曲面
Y
Y
圆柱间隙
Y
Y
纯Lagrange乘子
Y
增加Lagrange乘子
Y
Y
Y
Y
Y
接触刚度
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
自动网格工具
EINTF
EINTF
None
GCGEN
GCGEN
ESURF
ESURF
低阶
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
高阶
Y
Y
Y
刚体-柔体
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
柔体-柔体
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
热接触
Y
Y
Y
Y
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。参见§。
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