Ansys Workbench連接關(guān)系——接觸分析實(shí)例詳解

當(dāng)幾何體存在多個零部件時，需要確定零部件之間的相互關(guān)系，在Mechanical中可以創(chuàng)建的連接關(guān)系如下：

·接觸Connect

·網(wǎng)格接觸Mesh Connection

·關(guān)節(jié)連接Joint

·梁連接Beam Connection

·彈簧Spring

·軸承Bearings

·點(diǎn)焊spot Weld

·末端釋放End Releaser（應(yīng)用于梁、殼單元）

·幾何體交互Body Interaction (應(yīng)用于顯示動力學(xué)中）

僅有接觸Connect、網(wǎng)格接觸Mesh Connection、關(guān)節(jié)連接Joint可以自動生成。

本文主要介紹接觸，其余連接類型將在以后文章中介紹。

通常兩個獨(dú)立表面之間相互接觸并相切時，稱為接觸。接觸類型中，能夠粘合在一起或不能分離的接觸為線性接觸，能夠分離和碰撞的接觸為非線性接觸（狀態(tài)非線性），非線性接觸需要消耗大量的計(jì)算資源，因此設(shè)置有效的接觸參數(shù)至關(guān)重要。

接觸狀態(tài)可分為分離狀態(tài)、粘接接觸狀態(tài)、滑動接觸狀態(tài)。

非線性接觸：在形成接觸的不同物體的表面之間，可以沿法向分開和沿切向相互移動，但不能發(fā)生相互滲透，可傳遞法向壓縮與切向摩擦力，但不能傳遞拉伸力。接觸面接觸時產(chǎn)生接觸約束，接觸面一旦分離，約束失效。此時的接觸表現(xiàn)為強(qiáng)非線性，隨著接觸狀態(tài)的改變，接觸表面的法線和切向剛度都有顯著變化。剛度突變會導(dǎo)致嚴(yán)重的收斂困難。

接觸狀態(tài)

導(dǎo)入到Mechanical中的裝配體自動生成的接觸為綁定接觸，最快捷的修改方法是找到這個接觸對，修改屬性中的接觸類型。

若遇到自動生成失敗或生成不全，可能是因?yàn)榱慵g的間隙超過了容差值。修改容差后可再次重新生成。

點(diǎn)擊特征數(shù)中Connections下的第一個Contacts，將容差類型Tolerance Type改為Value，Tolerance value的值適當(dāng)調(diào)大。然后右擊Contacts——Create Automatic Connections（創(chuàng)建自動連接），便重新自動生成了綁定接觸。

若Connections下無Contacts項(xiàng)，可右擊Connections——Insert——Connection Group ，如上文修改屬性，然后重新生成。

若要新建接觸集合，只需要右擊特種樹中的Connectiong——Insert——Manual Contact Region（手動接觸區(qū)域）。便創(chuàng)建了新的接觸集合和接觸對，若右擊Connectiong下的集合名Contacts——Insert——Manual Contact Region，則在此集合內(nèi)部創(chuàng)建接觸對，不新建接觸集合。

創(chuàng)建接觸對

工具欄接觸類型選

也可以點(diǎn)擊Connectiong或下屬的集合名，在工具欄點(diǎn)擊Contact的下拉菜單，找到要創(chuàng)建的接觸對。

在屬性中設(shè)置了接觸類型外，還需要選擇接觸對的接觸面和目標(biāo)面，設(shè)置后自動出現(xiàn)Contact Bodies（接觸體）和Tatget Bodies（目標(biāo)體）。

當(dāng)接觸面和目標(biāo)面重疊不好點(diǎn)選時，可以通過工具欄的爆炸實(shí)圖工具使裝配體模型爆炸開，或者使用Connections工具條的Body Viewsz工具分窗顯示。

爆炸中心

可選裝配體中心或坐標(biāo)系心

拖動滑塊使裝配體爆炸

爆炸試圖工具

接觸面選擇

生成接觸對后，還需要對其進(jìn)行設(shè)置，必須設(shè)置的項(xiàng)目為接觸類型，其余可選擇性設(shè)置的項(xiàng)目包括接觸行為、接觸修剪、接觸算法、檢測方法、懲罰精度、彈性滑移精度、法向剛度、剛度更新、彈球區(qū)域等等。

定義

接觸類型：默認(rèn)為綁定

接觸查找方式：自動/手動

接觸行為：程序控制/對稱/非對稱/自動非對稱

接觸修剪：主要用來減少接觸計(jì)算中的計(jì)算區(qū)域，提高計(jì)算效率，一般使用程序控制即可。

是否抑制：默認(rèn)為否

高級

接觸算法：程序控制（默認(rèn)為罰函數(shù)）

探測方法：程序控制

穿透容差：程序控制

切向滑移容差：程序控制

法向剛度：程序控制/手動

剛度更新：從不/每次迭代后/每次迭代后嚴(yán)格更新

彈球區(qū)域：程序控制/程序自動檢測/指定半徑

幾何修飾

接觸幾何體矯正：無/光滑/螺栓截面

目標(biāo)幾何體矯正：無/光滑

創(chuàng)建接觸對

在Mechanical中，系統(tǒng)提供了5種接觸類型：

·綁定Bonded：即接觸界面焊接在一起，既不能分離也不能滑動。

·不分離No Separation：不允許分離，允許微量自由滑動。

·無摩擦Frictionless：允許分離，允許自由滑動。

·粗糙Rough：允許分離，不允許滑動。

·摩擦Frictional：允許分離，允許有摩擦的滑動。

·強(qiáng)制摩擦滑動 Forced Frictional Sliding：在每個接觸點(diǎn)上施加一個切向阻力，僅用于顯示動力學(xué)。

接觸類型修改

幾種類型對比如下：

注意：

1，摩擦接觸中， 摩擦系數(shù)>0.2時計(jì)算結(jié)果會提示，不用處理。

2，非線性接觸不適用于模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析的線性分析，定義的非線性接觸將被忽略。

在Mechanical中接觸面顯示為紅色, 目標(biāo)面顯示為藍(lán)色。程序默認(rèn)為對稱接觸( Symmetric )，此時任何一邊都可穿透到另一邊。對稱接觸行為更容易建立，但需要較大計(jì)算量。選擇非對稱接觸(Asymmetric)時，接觸面的節(jié)點(diǎn)不能穿透目標(biāo)面。選擇自動非對稱接觸(Auto Asymmetric )時接觸面和目標(biāo)面的指定可在內(nèi)部互換。只有罰函數(shù)和增強(qiáng)拉格朗日算法支持對稱行為，普通拉格朗日和MPC（多點(diǎn)約束）算法要求使用非對稱行為。

對于非對稱接觸行為，手工選擇接觸表面時應(yīng)遵循以下原則:

1, 當(dāng)凸面與平面或凹面接觸時，應(yīng)選擇平面或凹面為目標(biāo)面。

2, 當(dāng)硬表面和軟表面接觸時，應(yīng)選擇硬表面為目標(biāo)面。

3, 當(dāng)大表面和小表面接觸時，應(yīng)選擇大表面為目標(biāo)面。

4, 如果結(jié)構(gòu)已劃分網(wǎng)格，應(yīng)選擇較粗糙一方的表面為目標(biāo)面。

5，剛度相同的大小面接觸時，應(yīng)選大面為目標(biāo)面。

為了阻止接觸表面相互穿透，在相互接觸處需要建立一定的規(guī)則，即接觸算法。ANSYS 采用的是接觸約束算法，它提供了如下五種接觸約束算法：

·?罰函數(shù)法Pure Penalty（程序控制默認(rèn)使用的算法）

·?拉格朗日法Normal lagrange?

·?增強(qiáng)拉格朗日法Augmented Lagrange

·?多點(diǎn)約束方程法MРC

·?梁約束法 Beam

接觸表面穿透示意圖

對于工程實(shí)踐應(yīng)用，我們一般選擇程序控制的選項(xiàng)，我們不需要知道每種算法的詳細(xì)理論，只需要了解他們的原理及如何應(yīng)用。

接觸算法調(diào)用是在接觸的屬性——Advanced——Formulation中，程序控制Program Controlled默認(rèn)罰函數(shù)算法，你可以根據(jù)自己的實(shí)際工況來選擇更適合的接觸算法 。

接觸算法選擇

2.4.1罰函數(shù)法Pure Penalty 

罰函數(shù)法用一個接觸彈簧來在兩個面間建立關(guān)系，彈簧剛度被稱為懲罰參數(shù)，其實(shí)就是接觸剛度。當(dāng)兩面分開時，彈簧不起作用；當(dāng)面開始穿透時，彈簧起作用，根據(jù)胡克定律：F = K x ，此處的 K 為法向剛度 ，x為穿透深度。

罰函數(shù)示意圖

這種算法的精度較依賴于接觸剛度和穿透量的大小。接觸剛度越大，則穿透越小，但是接觸剛度過大會導(dǎo)致整體剛度矩陣出現(xiàn)病態(tài)和收斂的困難。因此，理想的剛度就是既要能保證滲透較小，又要保證整體剛度矩陣。

當(dāng)接觸方法為程序控制/罰函數(shù)或增強(qiáng)的拉格拉日時，其他設(shè)置如下：

其他設(shè)置參數(shù)

接觸算法：罰函數(shù)

探測方法：程序控制

穿透容差：程序控制

切向滑移容差：程序控制

法向剛度：程序控制/手動

剛度更新：從不/每次迭代后/每次迭代后嚴(yán)格更新

彈球區(qū)域：程序控制/程序自動檢測/指定半徑

積分點(diǎn)

節(jié)點(diǎn)-接觸面法向

節(jié)點(diǎn)-目標(biāo)面法向

節(jié)點(diǎn)-接觸面法向投影

探測方法

穿透容差與彈性滑移容差

2.4.2增強(qiáng)拉格朗日法Augmented Lagrange

增強(qiáng)拉格朗日是在罰函數(shù)的方法上衍生出來的一種方法，他與罰函數(shù)法類似，但是在計(jì)算接觸壓力時，引入了附加項(xiàng)λ，即F = K x+λ，使得接觸壓力對于接觸剛度的敏感性降低，更利于在給定的接觸剛度較大的時候收斂，可以一定程度上提高計(jì)算精度，但同時也會造成收斂時間加長。

在大變形問題的無摩擦或摩擦問題中，建議將程序控制（即罰函數(shù)）算法修改為增強(qiáng)拉格朗日，因?yàn)樵鰪?qiáng)拉格拉日的公式增加了額外的控制自動減少滲透的功能。

2.4.3拉格朗日法Normal lagrange

拉格朗日法不同于罰函數(shù)法，不采用力與位移的關(guān)系來求解接觸力，而是把接觸作為一個獨(dú)立的自由度直接求解。

該方法可得到0或近似0的穿透量，是一種精確的接觸算法，但是需要使用直接求解器來求解，在接觸狀態(tài)發(fā)生急劇變化時時，容易發(fā)生計(jì)算震顫從而較難收斂 。

2.4.4多點(diǎn)約束方程法MРC

多點(diǎn)約束法適用于綁定接觸（Bonded）、不分離(No seperation)這兩種線性約束。他在接觸面間添加一個聯(lián)結(jié)使兩個面之間不出現(xiàn)分離。多點(diǎn)約束法支持大變形效應(yīng)。

2.4.5梁約束法 Beam

梁約束法，顧名思義，就是在兩個接觸面之間添加無質(zhì)量的梁進(jìn)行聯(lián)結(jié)，這種算法只適用于綁定接觸（Bonded）。

總結(jié)：幾種接觸算法對比見下表

對于線性接觸的MPC和Beam算法，其收斂性和計(jì)算速度最優(yōu)。對于另外三種接觸算法，一般情況下，從計(jì)算精度和收斂性上的排序?yàn)椋?/p>

收斂性：罰函數(shù)>增強(qiáng)拉格朗日>拉格朗日

精度：拉格朗日>增強(qiáng)拉格朗日≥罰函數(shù)

計(jì)算花費(fèi)時間：拉格朗日>增強(qiáng)拉格朗日>罰函數(shù)

但對于個別情況，可能需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行測試對比。

對于工程應(yīng)用人員，可以先使用程序控制來嘗試計(jì)算，之后再根據(jù)計(jì)算結(jié)果

和計(jì)算時間的評估來決定使用哪一種接觸算法。

幾何修正選項(xiàng)含：接觸面處理，接觸面幾何修正，目標(biāo)面幾何修正。其中當(dāng)接觸類型為非線性接觸（無摩擦、摩擦、粗糙）時才會出現(xiàn)接觸界面處理選項(xiàng)。

幾何修正選項(xiàng)

2.5.1接觸界面處理Interface Treatment

當(dāng)接觸類型為線性接觸（綁定，不分離）時，程序?qū)⒑雎愿缮媾c間隙，不需要修正。

當(dāng)接觸類型為非線性接觸（無摩擦、摩擦、粗糙）時，需要修正間隙或干涉。有時候CAD模型不一定有間隙，但是在有限元軟件劃分網(wǎng)格離散化后，會出現(xiàn)間隙，如下圖

用戶可以設(shè)置為無增量的偏移（Add Offset，No Ramping）；線性增量偏移（Add Offset，Ramped Effects）；自動接觸（Adjust To Touch）。

無增量的偏移和線性增量偏移下，默認(rèn)接觸偏移Offset為0。

線性接觸中，程序通過建立一個足夠大Pinball半徑允許忽略接觸和目標(biāo)面間任何間隙和干涉。但是對于非線性接觸接觸，初始縫隙無法被自動忽略，這是因?yàn)樗锌赡艽韼缀涡畔ⅲㄏ嗷ソ佑|或脫離接觸）。

1，Adjusted to Touch

推薦使用此設(shè)置，界面上存在的間隙將會自動補(bǔ)償?shù)浇佑|狀態(tài)，界面上存在的干涉將被自動消除。（需間隙和干涉在彈球范圍內(nèi)）

2，Add Offset

能夠自定義來指定允許接觸面偏移的正負(fù)距離。正值代表關(guān)閉縫隙。負(fù)值增大縫隙。

Add Offset有兩個選項(xiàng)：

(1) Add Offset, Ramped Effects：一個載荷步分割為幾個子步逐步施加，難于收斂的干涉問題建議使用。

(2) Add Offset, No Ramping：一個子步一次完成載荷施加。

2.5.2接觸面幾何修正Contact Geometry Correction

用戶可以在該選項(xiàng)中選擇圓面光滑（Smoothing）和螺栓截面（Bolt Thread）。

1，螺栓截面(Bolt Thread)

Bolt Thread能夠利用簡化圓柱模擬螺栓連接，一般設(shè)置過程包括：

(1)創(chuàng)建接觸關(guān)系，如圖所示。

(2) 接觸幾何修正：定義Orientation方向，上圖本例中采用Revolute Axis建立坐標(biāo)系需要設(shè)置起始點(diǎn)Starting Point和終止點(diǎn)Ending Point。

(3)建立起始點(diǎn)和終止點(diǎn)坐標(biāo)系，如圖所示。

(4)定義螺栓螺紋基本參數(shù)，例如平均螺紋直徑Mean Pitch Diameter，螺距Pitch Diameter，牙型角Thread Angle，單、多線螺紋Thread Type以及左右手定則Handedness等。

2.5.3目標(biāo)面幾何修正Target Geometry Correction

用戶只能選擇圓面光滑功能。

對方大型裝配體，可能出現(xiàn)若干微小干涉與間隙問題，若想要全部到CAD中處理將花費(fèi)大量時間和精力。此時我們可以用到SC軟件提供的前處理功能。

３.１.1模型干涉的前處理

右擊項(xiàng)目的Geometry，選擇使用Spaceclaim編輯，在SC中點(diǎn)擊準(zhǔn)備——干涉，干涉部位以紅色顯示，點(diǎn)擊干涉部位或左上角的√，干涉部位被移出。默認(rèn)是從較大的幾何體中刪除干涉部分，如果想反轉(zhuǎn)可以勾選左側(cè)修復(fù)選項(xiàng)下的“從較小主體中去除”。

３.1.2模型間隙的前處理

Spaceclaim可以檢測間隙，但是不能直接消除間隙，以下提供一種使用SC前處理消除間隙的方法。

在SC中，點(diǎn)擊準(zhǔn)備——間隙，在左側(cè)查找選項(xiàng)中設(shè)置要查找的間隙距離，回車后模型的間隙以紅色高亮顯示。

鎖定不需要改變的模型，然后選擇設(shè)計(jì)——拖動工具，拖動本例的圓柱面或平面，使模型相互穿透，然后再按3.1.1修建干涉部位。注意此方法只作為臨時處理方法，不被推薦，因?yàn)橥蟿雍竽Ｐ驮O(shè)計(jì)尺寸改變，更推薦設(shè)計(jì)者到原設(shè)計(jì)中去修改。

在非線性接觸中，我們需要關(guān)注干涉與間隙。對于在建模過程中不易察覺的細(xì)微干涉與間隙，或者在網(wǎng)格劃分后產(chǎn)生的細(xì)微間隙，均可以通過Mechanical中的接觸設(shè)置使得細(xì)微的干涉與間隙消除。如下圖，左側(cè)接觸有細(xì)微干涉，右側(cè)接觸有細(xì)微間隙，兩對接觸均要求粗糙接觸。

在接觸對設(shè)置中，接觸類型改為粗糙Rough，將Interface Treatment改為自動接觸（Adjust to Touch），程序會自動消除干涉與間隙。

邊界條件如下：固定2個矩形塊下面端面，以遠(yuǎn)程位移約束2個半圓柱形的上端面的X、Z方向的位移和Z方向的旋轉(zhuǎn)，給2個上端面分別施加500N向下的力。

應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如下

機(jī)械設(shè)計(jì)中，一定會遇到過盈配合問題，由于裝配過程一般采用冷凍內(nèi)圈、加熱外圈的工藝，所以也稱為冷縮配合。此時我們關(guān)心的是內(nèi)外圈裝配后的配合應(yīng)力，所以不能使用模型修改前處理，也不能使用自動配合的方法消除過盈量。

如下圖，內(nèi)圈外徑100.1mm，外圈內(nèi)徑100mm，均為合金鋼。接觸為摩擦，系數(shù)0.2，不設(shè)置偏移量。遠(yuǎn)程約束內(nèi)圈的孔的6個自由度，行為Behavior為默認(rèn)的柔性Deformable。

其實(shí)本例也可以采用1/4或1/8模型分析，或者使用2D分析，這將在以后的文章中介紹。

寫在最后，Workbench的接觸問題先介紹到這里，當(dāng)然內(nèi)容也有許多漏洞，希望對大家有所幫助，還望不吝賜教。