Trim contact в ansys что это такое

О настройках жесткости в Bonded контакте

“FKN = 10 for bonded. For all other, FKN = 1.0, but if bonded and other contact behavior exists, FKN = 1 for all.”

(FKN = 10 для bonded контакта. Для всех остальных типов – FKN = 1.0, но если в модели есть и bonded и другие типы контакта, то FKN =1 для всех.).

Рисунок 1 – Модель с различными типами контакта.

Возьмем пример статического расчета простой модели. У нас есть внутренняя колонна с диском в верхней части и два блока, поддерживающих кольцо. Внутренняя колонна и диск полностью отделены от блоков и кольца, не передают никаких нагрузок и никак не взаимодействуют. Изначально все контакты заданы с типом bonded. Все настройки контактов выставлены по умолчанию.

Рисунок 2 – Геометрия тестовой модели

Схема нагружения включает в себя однородную разность температур, а также bearing load на верхнем диске. Оба блока, так же, как и колонна закреплены по всем степеням свободы в основании.

Рисунок 3 – Схема нагружения.

Рисунок 4 – Распределение максимальных главных напряжений

Далее, чтобы продемонстрировать вышеописанное поведение, изменим тип контакта между колонной и диском с bonded на rough, а все прочее оставим без изменений.

Рисунок 5 – Смена типа контакта.

После решения, вновь проверим напряжения в кольце. Максимальное значение упало с 41,283 до 15,277 как видно на рисунке 6. Повторюсь, было сделано единственное изменение в детали модели, никоим образом не связанной с кольцом, в котором мы смотрим напряжения. Изменение напряжений объясняется исключительно изменением настройки типа контакта в совершенно другой детали модели. Причина в том, что жесткость bonded соединения уменьшилась в 10 раз, так что теперь оно существенно мягче, чем было в первоначальном варианте расчета.

Рисунок 6 – Распределение максимальных главных напряжений во втором расчете.

Итак, что же мы, как аналитики должны делать в свете этой информации? Хорошей привычкой будет вручную указывать контактную жесткость для каждой контактной пары, поскольку описанное явление всплывает только при использовании заданных по умолчанию величин. Множители контактной жесткости легко задаются в ANSYS Mechanical в свойствах каждой контактной области. Кроме того, всегда необходимо помнить, что ANSYS, а также другие расчетные инструменты являются именно инструментами. Расчетчик сам должен постараться, чтобы интересующие результаты не были слишком чувствительны к регулируемым факторам, вроде плотности сетки, контактной жесткости или жесткости слабых пружин, и т. д.

Источник

Мифы о контактных элементах Часть 3

Achuth Rao, ANSYS, Inc.

В данной статье мы расскажем о новых возможностях программного комплекса ANSYS и ANSYS Workbench, связанных с моделированием реального поведения контактирующих тел.

Точный и корректный расчет различных вариан­тов контакта двух и более тел является чрезвы­чайно важной задачей при проектировании сбо­рок с сопрягаемыми деталями, преднапряженных узлов, сварных соединений и т.п. Такие виды кон­тактного анализа должны учитывать далеко не только CAD-геометрию и допуски на размеры.

Во-первых, область контакта в общем случае неизвестна до начала решения задачи. В зависимости от нагрузок, свойств материа­лов, граничных условий и других факторов, по­верхности могут входит и выходить из контакта непредсказуемо и внезапно. Во-вторых, в боль­шинстве контактных задач необходимо учиты­вать трение. Существует несколько законов и моделей трения, и все они являются нелинейны­ми. Реакция на трение может быть хаотической, что значительно усложняет сходимость задачи. Кроме того, многие контактные задачи могут включать различные связанные эффекты, та­кие как теплопроводность, электрические токи и магнитный поток через области контакта.

Как показано в таблице, программный ком­плекс ANSYS содержит полный набор инстру­ментов контактной технологии для проработки различных вариантов контакта и моделирования сборок. Они хорошо работают с нелинейными и линейными элементами, с широким диапазоном материалов (от металлов до резин), а также со связанными физическими задачами, включая акустику, пьезоэлектричество, термопрочност­ные и термоэлектрические задачи, жидкостно- структурное взаимодействие.

«Контактные» возможности ANSYS

Моделирование контакта в ANSYS Workbench

ANSYS Workbench представляет собой общую платформу для всех расчетов ANSYS и обес­печивает двустороннюю ассоциативную связь с CAD-системами для параметризации анализа. Простая в использовании, эта расчетная среда позволяет конструктору в короткие сроки выпол­нять анализ конструкции и вносить в нее изме­нения по результатам моделирования.

ANSYS Workbench предлагает различные возможности по контактному анализу: автома­тическое определение контакта на CAD-геомет- рии, автоматическое изменение размера расчет­ной сетки в области контакта, предварительное определение поведения контактной поверхности и установки контакта, просмотр и анализ резуль­татов контактного взаимодействия (контактное давление, напряжение, статус и т.д.), а также локальный просмотр результатов для выбран­ных контактных поверхностей.

Workbench предлагает инструменты для ав­томатизации и углубленного анализа контактных задач, что позволяет уменьшить время подготов­ки, расчета и анализа результатов больших сбо­рок на этапе проектирования. В процессе импорта геометрии из CAD-системы детали в сборке авто­матически проверяются на возможность генера­ции контакта между различными сопрягаемыми поверхностями. По умолчанию контактные пары обрабатываются как bonded contact. Посредством панели установок опций контакта каждая пара может быть настроена индивидуально под требу­емый тип анализа: изменение поведения контакт­ной поверхности, контактный алгоритм, а также такие параметры, как коэффициенты трения и др.

В Workbench также существуют инструмен­ты для контроля качества расчетной сетки при измельчении элементов в локальных контактных областях, интересных в плане конечных результа­тов. Локальный просмотр результатов (Scoped Re­sults) позволяет детально анализировать резуль­таты расчета на отдельных контактных парах.

В последние годы в ANSYS постоянно рас­ширяются возможности контакта применитель­но к целому классу инженерных задач: начиная с возможности моделирования точечной сварки с помощью метода многоточечных связей (MPC- алгоритм) и заканчивая реализацией контакта типа «балка — балка».

Многоточечные связи и точечная сварка

Если в модели должно быть учтено трение, а взаимодействие между телами носит связанный характер, то можно применять свойства MPC- алгоритма для создания различных типов кон­тактных сборок и ограничений поверхностей.

Традиционное моделирование точечной сварки требует соответствия расчетных сеток кон­тактирующих поверхностей (совпадения узлов), что представляет значительные трудности и часто сводится к ручному разбиению модели. Причем данный подход не учитывает радиус точечной сварки, что является типичной причиной недо­оценки прочности точечного сварного соедине­ния в тех случаях, когда размер радиуса точечной сварки сопоставим с размером элемента сетки.

Использование технологии MPC для моде­лирования точечной сварки является хорошей альтернативой традиционному подходу. Она позволяет пользователю легко моделировать тонкие листовые детали, которые соединяются между собой точечной сваркой, заклепками или иным крепежом. Точечная сварка может быть создана в любом месте между соединяемыми деталями независимо от характера разбиения на конечные элементы и взаимного расположе­ния узлов. Каждый точечный сварной узел мо­жет соединять две или более поверхностей.

Данная технология имеет ряд важных пре­имуществ:

Контакт типа «балка — балка»

Контакт между балками, которые подвержены существенным перемещениям, встречается во многих практических приложениях: водородные датчики, линии водоснабжения, трубопроводы атомных электростанций, кабели проводов и ка­тушки, производство ткани и сетки для теннис­ных ракеток.

Последние достижения в контактной техно­логии позволяют моделировать двумерный кон­такт типа «балка с балкой» с помощью двумер­ных контактных элементов типа «поверхность с поверхностью», а также трехмерный контакт типа «балка — балка» с помощью новых кон­тактных элементов типа «линия с линией» в про­граммном комплексе ANSYS.

Существует три различных варианта пред­ставления трехмерного контакта типа «балка — балка»:

прикреплены к трехмерным балкам или к трубам, которые представляют собой элементы 1-го или 2-го порядка. Контакт между двумя балками мо­жет быть как упруго-податливым (flexible-flexible), так и жестко-податливым (rigid-flexible).

Источник

Контактные технологии в действии Часть 2

Юрий Кабанов, ведущий инженер ЗАО «ЕМТ Р»

В первой части статьи мы рассказали о новых контактных эле­ментах, добавленных в ANSYS версии 11.0. Во второй части будут рассмотрены основные контактные алгоритмы, их воз­можности и области применения.

Контактные задачи по своей природе являются нелинейными и требуют для расчета значитель­ных вычислительных ресурсов. Для успешного решения задач контактного взаимодействия необходимо иметь четкое представление о фи­зической природе этого явления. Кроме того, та­кая задача всегда должна решаться поэтапно.

Для контактных задач характерны две про­блемы. Первая состоит в том, что зона контакта до решения задачи неизвестна. В зависимос­ти от внешних нагрузок, граничных условий, свойств материалов и других факторов поверх­ности могут входить в контакт друг с другом и выходить из него внезапно и непредсказуемо. Вторая проблема связана с необходимостью учета трения при моделировании взаимодейс­твия тел. Для этого разработаны специальные модели, которые тоже являются нелинейными.

В дополнение к указанным проблемам имеются определенные сложности при модели­ровании контактных взаимодействий в много­дисциплинарных задачах, а именно: теплопро­водность при высокой температуре и электри­ческие потоки в контактных зонах.

Наиболее важным фактором, влияющим на конечные результаты контактного моделиро­вания, является правильный выбор контактного алгоритма, который зависит от природы кон­тактной задачи, типа используемых контактных элементов и пр.

Рис. 1. Выбор контактного алгоритма

Программный комплекс ANSYS 11.0 пре­доставляет пользователю ряд контактных алго­ритмов, при помощи которых можно оптимально настроить «физику» рассматриваемой пробле­мы, и в совокупности с другими параметрами, такими как нормальная контактная жесткость (FKN), область поиска контакта (Pinball Region, PINB), допуск на проникание (FTOLN), авто­матическая регулировка контакта (Automatic Contact Adjustment), в итоге получить реальную физическую картину контактного взаимодейс­твия.

Все контактные алгоритмы ANSYS доступны через диалоговую панель Contact Wizard в разде­ле Contact Properties, как показано на рис. 1. Кроме того, в этой панели можно задать:

В ANSYS доступны следующие контактные ал­горитмы:

Все указанные алгоритмы справедливы для любых типов контактных элементов, однако контакты типа «узел с узлом» и «линия с лини­ей» имеют некоторые особенности применения, поэтому их мы рассмотрим отдельно.

Метод штрафных функций

Теоретические основы

Рис. 2. Метод штрафных функций

Метод штрафных функций основан на приме­нении контактной «пружины» для определения контактной области между двумя поверхностя­ми (рис. 2).

Жесткость такой искусственно введенной в алгоритм «пружины» называется параметром штрафной функции, или контактной жесткостью.

«Пружина» неактивна, если статус контакта откры­тый (Open), то есть контактирующие поверхности не пришли в соприкосновение одна с другой. При соприкосновении контактирующих поверхностей «пружина» активируется и включается в алгоритм расчета. «Пружина» растягивается на величину А, так что наступает равновесие F = kx А, где k — кон­тактная жесткость. Величина контактного усилия равна величине внешних нагрузок, что обеспечи­вает равновесие в контактной области. Величина А должна быть больше нуля для обеспечения рав­новесия внешних и внутренних сил. В реальности проникновения одной поверхности в другую не происходит, а в ANSYS оно вводится искусственно для успешной генерации контактной пары.

Рис. 3. Осцилляции в зоне контакта

Основные вещественные константы

В качестве вещественных констант (real constants) метод штрафных функций требует за­дания нормальной контактной жесткости (FKN) и касательной контактной жесткости (FKT). По­мимо этого необходимо задать значение допус­ка на внедрение (FTOLN) и значение параметра SLTO, который используется для контроля мак­симально допустимого контактного скольжения при выбранной опции обновления значений каса­тельной контактной жесткости на каждой итера­ции (KEYOPT(IO) = 1 (или 2) или KEYOPT(2) = 3). Для обеспечения точности результатов при ис­пользовании метода штрафных функций необ­ходимо стремиться к минимизации величины проникания А, поскольку минимальное значение А подразумевает максимальное значение кон­тактной жесткости. Однако слишком большая величина контактной жесткости увеличивает время решения и создает трудности сходимости задачи. При слишком большой величине кон­тактной жесткости незначительное проникание (внедрение) контактных поверхностей будет генерировать избыточное контактное усилие, которое потенциально может привести к осцил­ляции контактной поверхности на последующих итерациях решения (рис. 3).

Преимущества

Метод обладает хорошей сходимостью при на­именьшем количестве итераций.

Недостатки

Требуется подбор величины контактной жест­кости (FKN) и допуска на внедрение (FTOLN).

Область применения

Традиционный алгоритм полезен, когда важна быстрая сходимость при минимальной приемле­мой величине проникания.

Расширенный метод Лагранжа

Теоретические основы

Расширенный метод Лагранжа является ос­новным алгоритмом решения контактных за­дач в программном комплексе ANSYS 11.0. Он основан на итеративном представлении мето­да штрафных функций. Основные параметры контакта (контактное давление и напряжение трения) увеличиваются в процессе выполнения равновесных итераций таким образом, чтобы конечное проникание было меньше, чем вели­чина допуска на проникание (FTOLN).

По сравнению с методом штрафных функ­ций расширенный метод Лагранжа, как правило, лучше обеспечивает сходимость решения и ме­нее чувствителен к величине контактной жест­кости (FKN). Однако для ряда контактных задач расширенный метод Лагранжа требует дополни­тельных итераций, особенно если конечно-эле­ментная модель содержит сильно деформиро­ванные или искаженные элементы.

Преимущества

Алгоритм минимизирует внедрение одной кон­тактной поверхности в другую; обладает мень­шей чувствительностью к величине контактной жесткости FKN; имеет лучшие условия сходи­мости, чем в методе штрафных функций.

Недостатки

Расширенный метод Лагранжа требует больше равновесных итераций для достижения сходи­мости, чем метод штрафных функций.

Область применения

Метод эффективен для моделирования контак­та типа «поверхность с поверхностью» и «узел с поверхностью», позволяет получать точные ре­зультаты в большинстве контактных задач.

Метод множителей Лагранжа

Теоретические основы

Метод множителей Лагранжа устанавлива­ет нулевое проникание, когда контакт имеет статус «закрытый» (closed), и «нулевое сколь­жение» (zero slip), в случае если происходит скольжение одной контактной поверхности по другой. Другими словами, в контактный алго­ритм вводится дополнительная степень свободы (contact pressure) для улучшения совместимости контактных поверхностей.

Метод множителей Лагранжа не требует введения величин контактных жесткостей FKN и FKT. Вместо этого задаются параметры, пре­пятствующие появлению «дребезжащего кон­такта» (chattering). В отличие от расширенного метода Лагранжа метод множителей требует более длительного времени расчета.

Преимущества

Метод обеспечивает коррекцию начального проникания в зависимости от текущего статуса контакта и не требует задания нормальной кон­тактной жесткости.

Недостатки

Метод нуждается в большем количестве рав­новесных итераций для получения сходящегося решения.

Необходимо устанавливать дополнитель­ные параметры (FTOLN и TNOP), препятствую­щие появлению «дребезжащего контакта».

Вследствие введения дополнительной сте­пени свободы может наблюдаться «перезакреп­ление» модели (overconstraint).

Область применения

Метод эффективен для моделирования контак­та типа «узел с узлом». Применяется при кри­тических (близких к нулю) значениях начального проникания.

Комбинированный метод штрафных функций и Лагранжа

Теоретические основы

Разновидностью метода множителей Лагранжа является комбинированный метод штрафных функций и Лагранжа, в котором сочетаются ме­тод множителей Лагранжа с нормальной контак­тной жесткостью и метод штрафных функций с касательной контактной жесткостью. Данный метод устанавливает нулевое начальное прони­кание и допускает малое скольжение контакт­ных поверхностей относительно друг друга. Для реализации данного метода требуется зада­ние параметров контроля за «дребезгом» кон­тактных поверхностей (FTOLN и TNOP). Если в контактной задаче присутствует скольжение поверхностей, необходимо задавать максимально допустимую величину упругого скольжения SLTO.

Преимущества

Комбинированный метод позволяет более эф­фективно моделировать трение в контактной паре.

Недостатки

Те же, что и в методе множителей Лагранжа.

Область применения

Метод применяется при критических значени­ях начального проникания или если в поста­новке контактной задачи присутствует модель трения.

Метод внутренних многоточечных связей

Теоретические основы

Метод внутренних многоточечных связей (MPC) является мощным инструментом для модели­рования различных комплексных задач (кон­тактные сборки, кинематические отношения), решить которые при помощи традиционных кон­тактных алгоритмов затруднительно или невоз­можно. Метод создает контактный интерфейс путем генерации внутренних уравнений связи между элементами рассматриваемой конструк­ции. При этом устраняются степени свободы узлов, входящих в контакт. МРС-алгоритм ра­ботает с различными контактными элементами: CONTA171, CONTA172, CONTA173, CONTA174, CONTA175, CONTA176 и CONTA177.

ANSYS «генерирует» МРС-уравнения, ос­нованные на контактной кинематике, и подде­рживает следующие варианты сборок:

Метод внутренних многоточечных связей не требует задания нормальной и касательной жесткостей. Для задач с малыми деформациями не нужны итерации для решения систем уравне­ний. Для задач с большими деформациями МРС- уравнения обновляются на каждой итерации.

Метод работает только с нераздельны­ми контактами или контактами типа «bonded» и не работает с симметричными контактными парами.

MPC-алгоритм действителен для двух мо­делей поверхностных связей (рис. 4 и 5):

МРС-контакт типа Solid-to-Solid

Типовая процедура создания контактной пары выглядит следующим образом:

Внутренние МРС-уравнения связи будут сгенерированы автоматически в процессе рас­чета (рис. 6).

МРС-контакт типа Shell-to-Shell

В случае такого контакта создаются контактные пары типа «узел с поверхностью» на основе эле­ментов CONTA175 на ребрах оболочек, элемен­тов TARGE170 на ответных оболочках модели. Для настройки такого типа контакта использу­ются следующие вещественные константы:

Рис. 6. Автоматическая генерация МРС-уравнений связи

МРС-контакт типа Shell-to-Solid

Контакт типа «Shell-to-Solid» основан на тех же принципах, что и вышеописанные МРС-контак- ты, за исключением дополнительных опций, которые и определяют уникальность этого типа контактного взаимодействия.

Создается контактная пара «узел с поверх­ностью»:

При генерации МРС-контакта типа «Shell- to-Solid» пользователю необходимо определить податливость основных элементов (target) и допол­нительных оболочечных элементов, которые рас­полагаются поверх основных и называются вирту­альными оболочками (рис. 8). Кроме того, необхо­димо явно задать тип уравнений связи между эле­ментами Solid/Shell и виртуальными оболочками.

Эти опции доступны для обеспечения мо­делирования сложных контактных задач и пе­редачи внешних нагрузок между оболочками и твердотельными элементами. Настройки МРС- уравнений позволяют пользователю адаптиро­вать контактный интерфейс к конкретному типу задач.

Ниже приведены основные опции данного типа МРС-контакта:

МРС-контакт типа Beam-to-Shell/Solid

В контакте «Beam-to-Shell/Solid» применяется «пилотный» узел (элемент TARGE169/170) сов­местно с контактными элементами CONTA171- 175. Такой тип контакта используется, например, для соединения балок с оболочками/твердыми телами (рис. 9).

При построении контакта Beam-to-Shell/ Solid («балка с оболочкой/твердым телом») ANSYS создает контактную пару типа «узел с поверхностью» (рис. 10).

Преимущества

Возможность комбинирования различных типов элементов в расчетной модели в контактных областях, передача перемещений, усилий от балок на твердые тела и оболочки, возможность упро­щать расчетную модель, осуществляя переход от твердотельной модели к комбинированной балочно-оболочечной модели.

Недостатки

В некоторых задачах могут наблюдаться трудно­сти в сходимости, возможно изменение статуса контакта в процессе расчета и «перезакрепле­ние» модели.

Область применения

Метод рекомендуется для масштабных сборок, узлов, где традиционный контакт невыгоден вследствие больших затрат времени на генера­цию контактных пар. Кроме того, он применяет­ся для создания контакта между смешанными типами элементов и для связи поверхностей. Нельзя использовать для контакта типа «узел с узлом».

Источник