芯耀
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引言
前文討論了裝配體結(jié)構(gòu)力學(xué)分析中基于幾何、自由度、運(yùn)動(dòng)副和接觸等幾種處理方式。
裝配體結(jié)構(gòu)力學(xué)分析(1) —— 裝配體的幾種處理方式
裝配體結(jié)構(gòu)力學(xué)分析(2) —— 幾何 / 自由度 / 運(yùn)動(dòng)副的處理
裝配體結(jié)構(gòu)力學(xué)分析(3) —— 接觸分析基礎(chǔ)
本篇主要討論接觸分析的一些基本分析參數(shù)。
接觸分析
以 Workbench 為例，介紹基本的參數(shù)設(shè)置。一個(gè)通用的基礎(chǔ)設(shè)置如下，不同版本的 ANSYS 可能布局略有不同。
接觸面(ContactSurface)和目標(biāo)面(TargetSurface)：
如采用對(duì)稱形式，即接觸面和目標(biāo)面等價(jià)，可隨意設(shè)置，但一般還是應(yīng)盡量注意；
如采用非對(duì)稱形式，即接觸面和目標(biāo)面應(yīng)遵循一定的原則；
通?？偟脑瓌t是：目標(biāo)面是剛性的或剛度大的，區(qū)域大的，作為“背景”的；
目標(biāo)面剛度較大，接觸面剛度較小；
目標(biāo)面單元尺寸較粗，接觸面單元尺寸較細(xì)；
目標(biāo)面區(qū)域較大，接觸面區(qū)域較小，即基礎(chǔ)法線上，目標(biāo)面區(qū)域完全覆蓋接觸面區(qū)域。
接觸行為模式(Type):
接觸行為模式是最重要的設(shè)置，直接決定了仿真的準(zhǔn)確性和收斂性；
線性分析中，非線性接觸會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)化為線性接觸，即保持初始狀態(tài)；
接觸行為模式具體可見(jiàn)前文。
裝配體結(jié)構(gòu)力學(xué)分析(3) —— 接觸分析基礎(chǔ)
接觸表現(xiàn)形式(Behavior)
前文已有討論，本篇不詳述；
接觸修剪(TrimContact)：
通過(guò)接觸修剪可以通過(guò)程序判斷減少接觸單元，提高求解效率；
在程序控制下，對(duì)于手動(dòng)添加的接觸，以及在大變形時(shí)會(huì)被關(guān)閉；
通常選擇程序控制，不做修改即可。
接觸算法(Formulation)：
不同的接觸行為模式可選擇不同的算法；
當(dāng)收斂困難時(shí)，可調(diào)整不同算法嘗試收斂；
前文已有討論，本篇不展開(kāi)。
接觸探測(cè)方法(DetectionMethod)：
主要區(qū)別是通過(guò)高斯點(diǎn)接觸還是節(jié)點(diǎn)接觸；
MPC 和 NormalLagrange 無(wú)法通過(guò)高斯點(diǎn)接觸。
穿透容差和彈性滑動(dòng)容差(PenetrationTolerance、ElasticSlip Tolerance):
可通過(guò)真實(shí)值(設(shè)置為負(fù)值)或系數(shù)控制(設(shè)置為正值)；
通常選擇程序控制，不做修改。
約束類型(ConstraintType)：
當(dāng)選擇 MPC 時(shí)，可選擇約束類型；
主要設(shè)置自由度如何匹配。
法向接觸剛度(NormalStiffness)：
法向接觸剛度對(duì)于接觸問(wèn)題的收斂是決定性的，也是最重要的；
自動(dòng)形成接觸剛度或手動(dòng)輸入接觸剛度，如輸入比例通常為 0.01-10；
較大的接觸剛度可使穿透量減小，獲取相對(duì)較準(zhǔn)確的結(jié)果，但容易引起求解過(guò)程震蕩或發(fā)散；
當(dāng)收斂困難時(shí)，應(yīng)從較小的接觸剛度開(kāi)始，調(diào)整不同數(shù)值進(jìn)行嘗試，同時(shí)應(yīng)兼顧精度和效率。
法向接觸剛度更新(UpdateStiffness)：
法向接觸剛度更新設(shè)置允許在迭代過(guò)程中不斷更新接觸剛度；
接觸剛度會(huì)根據(jù)迭代狀態(tài)自動(dòng)更新剛度，可同時(shí)提高精度和收斂性；
設(shè)置分為不更新(默認(rèn)值)、等效迭代步更新和載荷子步更新；
當(dāng)收斂困難時(shí)，可調(diào)整不同選項(xiàng)進(jìn)行嘗試。
穩(wěn)定化數(shù)值阻尼系數(shù)(StabilizationDamping Factor)：
當(dāng)接觸面存在一個(gè)小空隙時(shí)，添加阻尼增強(qiáng)收斂性；
應(yīng)設(shè)置一個(gè)合適大小的阻尼，阻止剛體運(yùn)動(dòng)，同時(shí)防止引入的阻尼過(guò)大影響結(jié)果；
通常設(shè)置為 1.0；
當(dāng)設(shè)置為 0.0 時(shí)，系統(tǒng)在第一個(gè)載荷步時(shí)仍然會(huì)使用這種阻尼，當(dāng)設(shè)置大于 0 時(shí)則每個(gè)載荷步都會(huì)應(yīng)用此阻尼系數(shù)。
接觸半徑(PinballRegion)：
通過(guò)圓形(2D)球形(3D)鄰域設(shè)置接觸搜索范圍；
當(dāng)接觸面存在一個(gè)小空隙時(shí)，可通過(guò)接觸半徑設(shè)置，確保其處于接觸狀態(tài)；
需要注意的是，過(guò)大空隙通過(guò)接觸半徑設(shè)置強(qiáng)行連接，可能會(huì)傳遞一些不存在的虛假載荷。
時(shí)間步長(zhǎng)控制(TimeStep Controls)：
設(shè)置是否主動(dòng)調(diào)整子步時(shí)長(zhǎng)，默認(rèn)為不調(diào)節(jié)；
當(dāng)在分析過(guò)程中，出現(xiàn)過(guò)大的穿透或顯著的接觸狀態(tài)變化，開(kāi)啟 AutomaticBisection 則會(huì)自動(dòng)減半時(shí)間步長(zhǎng)；
Predictfor Impact 選項(xiàng)與 Automatic Bisection 類似，不僅如此，該選項(xiàng)還會(huì)通過(guò)接觸狀態(tài)預(yù)測(cè)最小的時(shí)間步長(zhǎng)，當(dāng)接觸狀態(tài)變化劇烈或復(fù)雜時(shí)，推薦視同該設(shè)置；
時(shí)間步長(zhǎng)控制對(duì)結(jié)果收斂影響較大，當(dāng)收斂困難時(shí)，調(diào)整不同選項(xiàng)進(jìn)行嘗試。
接觸面處理(InterfaceTreatment)：
當(dāng)接觸面存在小的空隙時(shí)，可通過(guò)該選項(xiàng)調(diào)整
默認(rèn)為通過(guò)手動(dòng)輸入偏移實(shí)現(xiàn)(AddOffset, No Ramping)；
手動(dòng)輸入偏移可通過(guò)漸變實(shí)現(xiàn)(AddOffset, Ramped Effects)；
通過(guò)自動(dòng)調(diào)整接觸(Adjustto Touch)可消除接觸模型中的小縫隙。
接觸的相關(guān)設(shè)置大致如上所述，隨著版本的更新也在不斷增加和調(diào)整，APDL 中可以設(shè)置更多，如一些容差、最大值、摩擦生熱等，在 Workbench 中可通過(guò)插入命令實(shí)現(xiàn)。
需要說(shuō)明的是，以上介紹大多針對(duì)非線性接觸，線性接觸通常不存在收斂問(wèn)題。另外，非線性接觸相對(duì)難度較大，收斂困難，復(fù)雜程度較一般分析高很多，在不確定應(yīng)該如何設(shè)置時(shí)，采用程序控制的方式是第一值得推薦的方法，在不能收斂或結(jié)果不理想時(shí)，可逐步嘗試一些選項(xiàng)，以實(shí)現(xiàn)滿意的分析。
收斂判斷
一般非線性分析中，可以設(shè)置一些參數(shù)調(diào)整收斂性，如自動(dòng)步長(zhǎng)、Newton-Raphson 方法選項(xiàng)、收斂準(zhǔn)則、線性搜索、弧長(zhǎng)法等，具體的分析介紹不在此列出。
在接觸分析中特殊的是，需要足夠小的接觸穿透，過(guò)大的接觸穿透不符合實(shí)際，即使計(jì)算結(jié)果收斂了，我們?nèi)匀徽J(rèn)為該結(jié)果是不可靠的，但是穿透要小到什么程度，沒(méi)有一個(gè)具體的數(shù)值，通常可與接觸面的變形比較，通常需要小好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，此時(shí)接觸模型的參數(shù)不會(huì)過(guò)多影響真實(shí)結(jié)果。
最后
本篇主要討論了接觸分析的基本參數(shù)設(shè)置，下文將討論整個(gè)接觸分析的流程以及前后處理。
