ANSYS Workbench 接触(三)

关于WB接触有一些选项上次没有记录下来,感觉挺重要,这里记录下。更为复杂深厚的理论,我也实在是搞不懂,现阶段就这样慢慢领会,什么时候有更好的部分再补充。比较重要的部分如下图所示:

Scoping Method

软件支持两种方法来指定接触面与目标面(在一些软件里面也称为主从接触面),默认是Geometry Selection,比较适用于使用较少的几何建立接触对,手动选择。如果建立接触对需要很多的几何或者说需要选择很多次,可以考虑里面的Named Selection。对于需要多选的或者重复使用的对象,诸如节点、线或者面等,可以考虑将它们放在一个Named Selection里面。
可以简单地认为Named Selecion是一个文件夹或者集合,采用这种方法效率高,且不容易出错。具体操作是:在图形区域选择好要放在一起的对象,单击鼠标右键,选择【Create Named Seletion(N)】,一个或者多个对象都可以使用该功能。
Type

指定要建立的接触类型,目前软件支持六种,可以分为线性接触与非线性接触。WB默认建立的是“绑定接触(Bonded)”,接触面之间在法向与切向均保持初始接触。可以简单地认为,使用“胶水”将两个对象粘在一起。有时候需要的只是转换接触类型,如将绑定接触转化为无摩擦接触,并且可能接触面与目标面指定相反,可以直接选择该接触对,然后单击鼠标右键翻转。因此系统默认探测的生成的接触对不要急于删除,也可以检查修改。

Behavior

接触行为可以是对称接触与非对称接触。可以显著区分目标面与接触面的,如有明显的刚柔区分,优先考虑非对称接触,计算需求会低很多。如果不能明确的区分谁更适合作为接触面,像接触刚度接近或者考虑谁作为目标面的条件相冲突时,可以考虑做对称接触分析,个人觉得还可以做两个非对称分析,两次设定相反,关键还是要看建立接触对的目的。没有提到的是新版本增加的,不同版本功能上差异还是存在的。

Formulation


设定接触算法,不同算法在于模拟真实物理接触时控制穿透所采用的技术有差异。首先看最不需要操心的,MPC配合绑定接触,通常是无需人干预的,也就是他们通常是一起出现的。由之前的简述可知,纯罚函数【Pure Penalty】对于刚度敏感,增广拉格朗日【Augmented Lagrage】则减弱了这种敏感性。剩下的【Normal Lagrange】采用了额外的自由度,而且需要计算该自由度,如果接触对较多,显然会增大计算开销,优势就是理论上可以达到零穿透。具体哪种更好,应该是没有一个统一的结论,只有相对较好。
Detection Method
上次看到赫兹接触的结果是下面这样的,软件在图形区域以不同的颜色显示出接触的状态,图中含有:滑移接触、近场接触以及远场接触。而这种接触的判断是要计算接触点是不是在Pinball里面,在里面才能形成接触对,换句话说接触点的探测对接触状态的判定或者接触分析的结果是有重要影响的。它不就影响着接触对么,接触的结果不是由接触对影响么。接触点的探测与接触算法和接触的几何有关系。

物体中多数还是面之间的接触的,相对于线面接触或者线与线线接触来讲。面与面之间接触节点探测有两种方法:【高斯积分点探测】和【节点探测】。

上图显示出高斯积分点探测对比节点探测,在接触附近显然高斯积分点探测更多,而节点只有一个接触上了。探测接触点的数量也就影响接触对数量,如果在pinball区域能够分布更多的接触对,一个优势在于接触更加稳定可靠。如像右侧仅存在一个节点探测与Pinball内,当结构受到载荷作用时,极其容易就改变了接触状态,即闭合与开放,如此接触刚度就会频繁变化且改变的很剧烈。而较多接触对时,不会一次让所有接触对放开,是一部分开放,一部分接触,逐渐变化,从数值上看可能更加稳定可靠,因此它有利于计算的收敛。面与面接触时,默认采用高斯积分点探测。这样看来似乎高斯积分点比节点探测好很多,那节点探测似乎没啥用。需要注意的是,如果极端一点,将上图接触变得很尖,那么图上与目标面接触的积分点很有可能就不在区域里面,那如何又能够探测到更多的积分点。

从接触面节点的探测用于接触面比目标面光滑的情况;从目标面节点的探测用于目标面比接触面光滑的情况。

Normal Stiffness

这里是设置法向刚度系数(或者说罚刚度系数),它并不是直接设置一个刚度值,而是一个因子。将其设置为手动,可以看见如下图示:

使用该系数是调整刚度值,至于刚度值是怎么计算的,不知道。关于这个问题查资料,得到如下基本关系式:

刚度由罚刚度系数动态调整,后面的函数f为接触对象下层的单元刚度函数。关于单元刚度的函数没有直接调控的地方,应该是软件内部自己计算。因此只能通过罚刚度系数FKN来调整接触刚度,刚度大的穿透小,接触更符合实际,但是收敛也越困难。个人的理解是,接触刚度过大会导致接触状态频繁的改变,需要反复迭代计算,所以计算难度大。如果收敛曲线震荡的十分厉害,可以考虑接触刚度适度调整或者调整接触算法。默认系数是1.0,推荐可变范围0.01-0.1。

Update Stiffness

如果接触不稳定,考虑调整至【Each Iteration】,即每次迭代更新。Aggressive,应该是更加严格的条件。什么叫接触不稳定,个人理解为接触状态频繁改变或者连续改变,如上次的赫兹接触,在局部区域存在着多个接触状态。如果接触状态不太可能发生较大变化,如两个平整的平面相接触,那么可以考虑由程序控制该选项,或者你默认即可,无需操心。
Geometric Modification
上面简单翻译为几何处理,实际上软件做的不是几何层面的处理,而是数值处理。在几何结构上,对象之间可能已经出接触好了,看上去。但是经过网格划分,接触对建立,原本接触好的可能变成开放状态。
几何接触的误差在于计算机以曲代直的误差(仔细放大CAD里面的圆,可以看见其实是一个多边形),而建立接触对以后的误差呢,主要有两方面。接触建立基于单元或者积分点,单元相对于几何存在离散的数值误差,这种主要是数值舍入造成的。而接触的建立是基于接触单元的高斯积分点(或者节点)与目标单元,两个之间可能存在着间隙,也有可能发生穿透。
如果存在太大的初始穿透,接触分析显然是不可取的,因为建立的模型明显偏离实际。而如果存在较大的间隙,也是不可取的,因为结构受到载荷发生移动时,在接触前对象的运动是没有受到阻碍的(刚体位移导致刚度矩阵奇异),刚度矩阵奇异意味着方程组存在着无数多解,而实际结构在边界确定,载荷已知的情况下,其响应应该是已知的,而且唯一的,所以在接触分析之前应该检查接触的状态,看看穿透以及间隙多大。
如果由多个接触对,单击Contact,而单个接触对可以直接插入接触工具,再对接触巩固插入需要检测的对象,如穿透、状态等

检查结果如下

穿透检查

间隙检查

接触状态检查

【Adjust to Touch】调整到接触,并不是移动几何来使得接触上,而是“填充空隙”,是数值上的调整。【Add Offset】,增加偏移,通过该选项可以模拟过盈配合,之后也会学习过盈配合,到时候再总结。下图给出了几何修正:

上面这些是接触里面比较重要的一些选项,先做一个简单的认识,希望以后能够深刻的理解,配合接触分析还有载荷步设置以及后处理一些重要选项。

【推荐一本书】

原本计划再理解一点然后再推荐给跟我一样基础薄弱的学习者,因为个人觉得零基础看起来还是有一点点吃力。但是自己实在是太懒又太笨,不知道啥时候才能看个大概,所以先推荐吧,也许不会的还可以一起交流。
《ANSYS Workbench有限元分析实例详解(静力学)》,整本书都只有静力学的内容,可以说是比较深刻的。因为书籍可能会再版,更高的评价留给以后。

内容专一。四五百也只有静力学内容,这是很难得的,因为一本书籍想要收获多个方面的读者,如结构、流体、优化等。要写的比较全面,书籍势必不会太薄,要写薄一点也很难有一个系统性的概述。因此比较恰当的是,一本书只有一个点。

值得反复阅读。如果一本书你看了就不想再看,要么写得枯燥无味,要么写得晦涩难懂。技术类的书籍虽然很难像玄幻小说那样引人入胜,但是在国内这样一个浮躁的环境下,要标新立异也不见得那么难。“这本书几乎学不到什么操作”,大多数告诉你为什么这么做。看的次数多一点会想要做笔记,可能会有很多自己的想法。到目前为止还没有认真看完一遍,实在是太懒了

没什么废话。个人浅见写一个东西最起码要用自己的话讲,说出来是白话文。之所以保守说“没有什么”,只怕遇到高手看不上。有些书你都读不通顺,还谈什么学习里面的东西。下面是几个片段:

整本书唯一让人遗憾的是,有些地方欲言又止。估计是篇幅有限,所以周老师没有展开讲。书籍有交流群,周老师和一些热心的群友经常给大家答疑解惑。如果基础像我一样薄弱,可以考虑看看这本书。动力学也有,基础太差还没有看。要学动力学的也可以参考
经过多次在WB里面使用【Insert Command】,考虑还是要了解一点基本操作和知识。这几天汇总下资料,过几天分享给大家,一起学习。
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