ANSYS中的自动接触技术

作者：安世亚太 林翰

欢迎访问e展厅 展厅 2 CAE/模拟仿真展厅 通用有限元分析软件, 结构分析软件, 动力学分析软件, 声学分析软件, 板料冲压成形模拟软件, ... 现代CAE技术可以对相当大规模的问题进行分析，这种分析可以是复杂的接触问题（在CAD中称为“装配”）。装配体的分析模拟是公认的最尖端的CAD/CAE技术之一，这项技术使得人们得以精确的预测一个多零部件的结构的性能。 传统的，也是最直接的装配方法是先简单的导入装配体的各个零部件，确定它们的空间相对位置，然后人为地确定各零部件在整个装配体中的接触关系，建立接触单元。此过程在其他CAE软件中须采用手工方式完成，不仅需要漫长的虚拟整机建立过程，同时，还需要工程师对结构的各项指标、限制、风险全面的了解。 每一个有经验的有限元分析工程师都知道，没有任何两个接触问题是完全一样的，装配问题的复杂性在某种程度上肯定了ANSYS在这个领域的成就——ANSYS可以对各种不同的接触问题进行非常好，而且简便的模拟。一个装配体的ANSYS有限元分析过程可以简单的归纳为： 建立模型并划分网格 识别零部件相互关系 施加边界条件以及环境参量 求解并复查结果 事实上在ANSYS默认的设定中，当一个装配体的CAD模型被倒入的时候，接触关系已经被自动的探测了，而接触区域被指定为面/面关系。这个默认的设定可以在“Simulation Contact”设定选项的Option对话框中更改。默认的接触自动探测属性适合于大多数的接触问题。然而，附加的接触关系控制设定拓宽了可以模拟的接触类型。在接触关系控制设定中： 全局属性：包括自动接触探测的基本设定，以及高亮显示的接触区域的透明度设定，这些设定将会影响所有的接触区域。 接触区域控制：包括接触属性浏览，区域接触类型设定，以及其他的一些高级控制选项，例如设定接触模拟方程，法向刚度，热传导设定，以及pinball区域设定等等。 更加详细地，自动接触探测的基本设定包含：容差设定（Tolerance setting），即容差类型以及容差值的设定；接触探测的种类设定（例如设定探测面/面接触，面/边接触以及边/边接触）等；接触探测种类优先权设定（例如设定面/面接触优先于其他种类的接触）等。 在接触区域控制的接触类型设定中，ANSYS可以模拟如下的多种接触类型： 固结（Bonded），即完全绑定，无摩擦也无滑动。 不分离（No separation），和固结类似，不过在小范围内允许无摩擦的滑动。 无摩擦（Frictionless），部件之间摩擦系数为0，允许法相分离。 粗糙（Rough），与无摩擦类型相似，只是部件之间不允许接触滑动。 有摩擦的（Frictional），部件之间会因摩擦系数而产生剪切力。 在接触区域控制的高级设定中，使用者甚至可以设定潜在的接触模拟方法，在ANSYS 9.0版本中有如下选择： 广义拉格朗日法（Augmented Lagrange） 罚函数法（Pure Penalty） 多点约束法（Multipoint constraint，MPC） 拉格朗日法（Normal Lagrange） 具体每种模拟方法的数学模型在此不逐一介绍，简单介绍一下比较年轻的内部多点约束(MPC)算法。 MPC算法适用于面对面、点对面的接触单元。使用该方法时，ANSYS会根据接触运动建立MPC方程。内部MPC方法能够克服传统接触法则和其他多点约束方法的缺点。若与粘结接触结合使用，MPC方法可简化下列形式的接触装配和运动约束：固-固装配、壳-壳装配、壳-固装配、梁-固装配、刚性面约束以及任意面的载荷分布。 内部MPC 方法可以克服传统接触算法和ANSYS中的其他多点约束工具的缺点，例如：接触面节点的自由度被消去；可以减小系统方程求解的波前大小；不需要输入接触刚度；对于小变形问题，它代表真实的线性接触行为；求解系统方程时不需要平衡迭代；对于大变形问题，MPC方程在每个平衡迭代中不断进行更新，克服了传统约束方程只适用于小应变的限制条件。 此外值得一提的是，相比普通的罚函数方法，广义拉格朗日法常常能得到更好的模拟结果，对接触刚度系数也不是那么的敏感，然而在某些分析算例中，广义拉格朗日方法需要更多的迭代次数，也就是收敛的比较慢一些。 针对装配结构有限元模拟的实际问题，ANSYS提供了强大的装配结构模拟能力和完备而易用的接触自动检测功能。运用CAD模型“链接”技术，在建立装配模型“链接”的过程中，自动探测装配关系，同时完成“接触”单元的建立，从而将人为干预最小化。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (4/12/2005)