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、運動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 / 運動副的處理
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)：
如采用對稱形式，即接觸面和目標(biāo)面等價，可隨意設(shè)置，但一般還是應(yīng)盡量注意；
如采用非對稱形式，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，非線性接觸會自動轉(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)：
通過接觸修剪可以通過程序判斷減少接觸單元，提高求解效率；
在程序控制下，對于手動添加的接觸，以及在大變形時會被關(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，可調(diào)整不同算法嘗試收斂；
前文已有討論，本篇不展開。
接觸探測方法(DetectionMethod)：
主要區(qū)別是通過高斯點接觸還是節(jié)點接觸；
MPC 和 NormalLagrange 無法通過高斯點接觸。
穿透容差和彈性滑動容差(PenetrationTolerance、ElasticSlip Tolerance):
可通過真實值(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，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)：
法向接觸剛度對于接觸問題的收斂是決定性的，也是最重要的；
自動形成接觸剛度或手動輸入接觸剛度，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，獲取相對較準(zhǔn)確的結(jié)果，但容易引起求解過程震蕩或發(fā)散；
當(dāng)收斂困難時，應(yīng)從較小的接觸剛度開始，調(diào)整不同數(shù)值進行嘗試，同時應(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)置允許在迭代過程中不斷更新接觸剛度；
接觸剛度會根據(jù)迭代狀態(tài)自動更新剛度，可同時提高精度和收斂性；
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，可調(diào)整不同選項進行嘗試。
穩(wěn)定化數(shù)值阻尼系數(shù)(StabilizationDamping Factor)：
當(dāng)接觸面存在一個小空隙時，添加阻尼增強收斂性；
應(yīng)設(shè)置一個合適大小的阻尼，阻止剛體運動，同時防止引入的阻尼過大影響結(jié)果；
通常設(shè)置為 1.0；
當(dāng)設(shè)置為 0.0 時，系統(tǒng)在第一個載荷步時仍然會使用這種阻尼，當(dāng)設(shè)置大于 0 時則每個載荷步都會應(yīng)用此阻尼系數(shù)。
接觸半徑(PinballRegion)：
通過圓形(2D)球形(3D)鄰域設(shè)置接觸搜索范圍；
當(dāng)接觸面存在一個小空隙時，可通過接觸半徑設(shè)置，確保其處于接觸狀態(tài)；
需要注意的是，過大空隙通過接觸半徑設(shè)置強行連接，可能會傳遞一些不存在的虛假載荷。
時間步長控制(TimeStep Controls)：
設(shè)置是否主動調(diào)整子步時長，默認(rèn)為不調(diào)節(jié)；
當(dāng)在分析過程中，出現(xiàn)過大的穿透或顯著的接觸狀態(tài)變化，開啟 AutomaticBisection 則會自動減半時間步長；
Predictfor Impact 選項與 Automatic Bisection 類似，不僅如此，該選項還會通過接觸狀態(tài)預(yù)測最小的時間步長，當(dāng)接觸狀態(tài)變化劇烈或復(fù)雜時，推薦視同該設(shè)置；
時間步長控制對結(jié)果收斂影響較大，當(dāng)收斂困難時，調(diào)整不同選項進行嘗試。
接觸面處理(InterfaceTreatment)：
當(dāng)接觸面存在小的空隙時，可通過該選項調(diào)整
默認(rèn)為通過手動輸入偏移實現(xiàn)(AddOffset, No Ramping)；
手動輸入偏移可通過漸變實現(xiàn)(AddOffset, Ramped Effects)；
通過自動調(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 中可通過插入命令實現(xiàn)。
需要說明的是，以上介紹大多針對非線性接觸，線性接觸通常不存在收斂問題。另外，非線性接觸相對難度較大，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，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，可逐步嘗試一些選項，以實現(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，如自動步長、Newton-Raphson 方法選項、收斂準(zhǔn)則、線性搜索、弧長法等，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，過大的接觸穿透不符合實際，即使計算結(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，沒有一個具體的數(shù)值，通?？膳c接觸面的變形比較，通常需要小好幾個數(shù)量級，此時接觸模型的參數(shù)不會過多影響真實結(jié)果。
最后
本篇主要討論了接觸分析的基本參數(shù)設(shè)置，下文將討論整個接觸分析的流程以及前后處理。
