技巧 | 接觸非線性應用(二)

2017-10-25 by:CAE仿真在線來源:互聯網

在上一期內容中,介紹到接觸非線性不收斂的一些原因以及解決辦法,這一節我們就著對接觸非線性的一些技巧做更多介紹。本文主要通過六個方面介紹接觸非線性的應用:

1、設置正確的單位系統

2、網格質量

3、合理使用Worksheet

4、接觸的離散化

5、接觸探尋方法

6、Pinball半徑的選擇

1設置正確的單位系統

在Workbench中,在設置單位制度時候,可以根據自己的需求進行多次單位制的更改,然而同一個數據在不同的單位制下都可能由于計數位的不同而導致錯誤。因為在不同的單位制中,計算中的容差、精度、或者數值等都會發生改變。單位系統造成收斂困難主要是由于接觸的長度太短、彈性模量或者力/質量數值太大導致的。因此在這個地方建議大家使用mm-N的單位去處理大多數的接觸模型。

2網格質量

在接觸非線性應用技巧(二)中我們介紹到網格的奇異性會導致計算的不收斂。在實體仿真計算中出現收斂問題大多都是由于網格質量不好造成的。網格的劃分對結構的計算是至關重要的。在網格的質量控制中為了便于收斂計算有四小的技巧:

1)Mesh中網格的標準進行選擇;

2)觀察網格的尺寸過渡是否平滑;

3)單元類型選擇;

4)接觸網格加密。

1 、Mesh中網格的標準進行選擇

在有限元計算中,在處理線性問題與非線性問題時候,選擇不同的網格劃分標準,可以使得在處理問題有意外的功效。在Mesh的功能下Quality選項中有一個Error Limits選項。選項下有2種標準:Standard Mechanical和Aggressive Mechanical。在處理線性問題時候可以在Mesh中直接使用Standard Mechanical;在處理非線性問題時候時候建議使用Aggressive Mechanical,能收到不錯的收斂效果。

2、網格的尺寸過渡是否平滑

網格尺寸過渡也包括兩個方面:

1)彎曲結構

在結構當存在彎曲結構時,需要在彎曲面上布置更多的節點,才能保證計算的連續性和穩定性。當結構在外部載荷作用下發生彎曲變形的時候同樣需要在彎曲面上劃分較密的網格。

2)網格密度變化的連續性

在網格劃分時,需要根據研究的重點對實體上的網格進行局部加密。在設置網格密度時候需要保證網格的變化連續,不能發生較快的變化。當網格變化較快的時候會導致節點上數據的傳遞出現問題,使得仿真計算不收斂。

3、單元類型選擇

在網格劃分的時候需要保證使用的單元類型盡量保持一致。使用類似的網格單元,比如說混用SOLID185、SOLID186單元的收斂性就比使用SOLID92與SOLID185單元的效果要好的多。和網格尺寸可以避免這一類問題。對接觸面上的網格進行劃分,網格過渡要比較緩慢。

4、接觸網格加密

有限元計算在接觸區域靠接觸對之間的節點進行傳遞。接觸區域較密的網格能保證傳遞的數據的正確性,不會由于同一單元不同節點數值相差較大而導致計算的不收斂。如下圖,再做接觸分析的時候盡量選擇右邊較密的這種網格形式。

合理使用Worksheet

使用Contact Tool工具可以快速的了解接觸之間的狀態,包括滲透量、間隙值還有接觸類型等相關數據。

在使用Contact Tool工具時,會根據不同的顏色提示不用的接觸狀態。

接觸的離散化

在接觸區域除了網格的加密還需要注意單元離散化的類型。

在上圖中有兩種單元類型,左圖是8節點單元,右圖是10節點單元。兩種不同的單元類型在計算中有不一樣的表現。在本案例中分析面與面之間的接觸:

單元類型

特點

8節點單元

1)可以保證接觸更有效;

2)對平面接觸非常有用;

3)僅僅只能對簡單的幾何模型進行網格劃分;

10節點單元

1)對曲面接觸更有效

2)對復雜的結構的非結構網格更優效

3)結果更為平滑

接觸探尋方法

在接觸選項中,接觸的探尋方法不同,求解的結果也有略微的不同;

1、默認的方法(On Gauss Point)

這種接觸探尋方式在結構的轉角處會出現誤差

2、Nodal-Normal From Contact和Nodal-Normal To Target

這兩種方法區別在于是是從接觸面開始探尋還是目標面開始進行探尋。

這種探尋方法使得在平面圖中壓力更加平滑,然而需要更長的的收斂時間,比第一種默認的方法時間增加30%,并且在面與面這種接觸類型不穩定。

3、Nodal Projection from contact

通過接觸節點的投影計算,這種算法耗費的工作量最大,時間時間最長。

Pinball半徑的選擇

在ANSYS內部關于接觸有三種狀態:遠場、近場、接觸。這三種狀態是根據接觸面與目標面之間距離與Pinball半徑進行比較的。對于干擾問題,確保彈球的半徑大于最大的干擾。在綁定接觸和不分離接觸之間的任何區域表面接觸或在彈球的半徑將認為是在于接觸。

Pinball半徑是一個在接觸結果中最重要的參數、通過Contact Tool工具獲得模型之間的最大間隙,設置PINB=最大間隙+最大間隙的十分之一。如果接觸Pinball太大了,將引入一些非接觸的區域。通常情況下設置較大的Pinball半徑會增加非常多的計算時間。

Case 1:

User defined pinball region PINB 0.10000E-02

Case 2:

Default pinball region factor PINB 1.0000

The resulting pinball region 0.17553E-03

	CASE 1	CASE 2
CPU CONTACT SEARCH	2199.251	57.313
CONTACT ELEMENTS	399.591	236.996
OTHER ELEMENTS	328.731	227.731
EQUATION SOLVER	456.250	416.250
TOTAL SYSTEM	3383.140	938.290