Лучшие практики для моделирования поверхности контактов и связей в Ansys

Понимание контактного и связанного моделирования поверхности в Ansys

Контактное и связанное моделирование поверхности в Ansys Mechanical является критическим аспектом моделирования того, как различные части структуры взаимодействуют в различных условиях, включая определение того, как поверхности вступают в контакт, касаются ли они, слайд или отделены. Эти методы имеют основополагающее значение для анализа конечных элементов (FEA) при работе с сборками, системами с несколькими телами и сложными структурными взаимодействиями. Правильная реализация контактного моделирования гарантирует, что результаты моделирования точно отражают поведение в реальном мире, предотвращая дорогостоящие ошибки проектирования и позволяя инженерам оптимизировать свои проекты с уверенностью.

Ansys Mechanical предлагает широкий спектр вариантов контакта для точного моделирования этих взаимодействий, включая связанные, фрикционные и неразделительные контакты, причем каждый вариант обеспечивает уникальный контроль над поведением взаимодействующих поверхностей, позволяя инженерам адаптировать моделирование для отражения реальных сценариев.Сложность моделирования контактов заключается в выборе соответствующего типа контакта, метода формулировки и алгоритма обнаружения, который наилучшим образом представляет физическое поведение анализируемой системы.

Выбор типа контакта, наряду с точными настройками параметров, такими как жесткость, демпфирование и методы обнаружения контакта, играет ключевую роль в обеспечении точных и надежных результатов моделирования.Понимание этих параметров и их влияния на результаты моделирования имеет важное значение для любого инженера, работающего с Ansys, для получения значимых и действенных результатов.

Основные типы контактов в Ansys

Обязательный контакт

Если контактные области связаны, то не допускается скольжение или разделение между гранями или краями, и следует думать о регионе как о склеенном. Этот тип контакта позволяет получить линейное решение, поскольку длина контакта / площадь не изменится во время применения нагрузки. Связанные контакты идеально подходят для моделирования сварных соединений, клеевых связей или любого сценария, когда два компонента постоянно присоединены.

Такой контакт в реальности не существует, но он очень полезен при приближении нескольких ситуаций, таких как сварные соединения, клеевые контакты или даже некоторые болтовые соединения.При использовании склеенных контактов важно понимать, что они создают идеальное соединение между поверхностями, которое не всегда может представлять фактическое физическое поведение, особенно в экстремальных условиях нагрузки, когда может произойти отказ клея или сварки.

Если контакт определяется по математической модели, любые пробелы будут закрыты, а любое первоначальное проникновение будет проигнорировано. Эта характеристика делает связанные контакты особенно полезными при работе с моделями САПР, которые могут иметь небольшие пробелы из-за допусков моделирования или при упрощении сложных геометрий.

Нет раздельного контакта

При отсутствии контакта разделения, аналогичного контакту скрепленного, не происходит проникновения или разделения между контактирующими лицами, однако, в отличие от контактного контакта, допускается скольжение без трения в направлении, касающемся поверхностей, что означает, что лица остаются в постоянном контакте, но могут свободно скользить друг по другу без сопротивления. Этот тип контакта особенно полезен для сценариев моделирования, когда компоненты должны оставаться в контакте, но не жестко закреплены друг с другом.

После обнаружения контакта, затем цель и контактная поверхность связаны для остальной части анализа, при этом возможно скольжение, но узлы, находящиеся в контакте, связаны с поверхностью цели в нормальном направлении. Такое поведение делает отсутствие контакта разделения идеальным для таких приложений, как пресс-подгонки, помехи или компоненты, которые механически ограничены, чтобы оставаться в контакте.

Без трения контакт

При бестрениевом контакте проникновение не допускается, но контактирующие поверхности свободно скользят друг против друга и разделяются без какого-либо сопротивления, что делает этот тип контакта идеальным для сценариев, где поверхности взаимодействуют без каких-либо сил трения.Предполагается нулевой коэффициент трения, что позволяет свободно скользить.

Это решение нелинейно, поскольку площадь контакта может изменяться при нагрузке. Безтрениевой контакт обычно используется в предварительных анализах или при моделировании смазанных поверхностей, где эффекты трения незначительны. Однако инженеры должны знать, что это упрощение может не охватывать все аспекты реального поведения.

Трение контакт

В этой обстановке две контактирующие геометрии могут нести напряжения сдвига до определенной величины по всему интерфейсу, прежде чем они начнут скольжение относительно друг друга.Трение контакта является наиболее реалистичным представлением поведения контакта во многих инженерных приложениях, поскольку оно объясняет сопротивление скольжению, которое возникает между большинством материальных поверхностей.

Переход на трение контакт (с заданным коэффициентом трения) дает разные результаты. Коэффициент трения должен быть тщательно подобран на основе свойств материала и условий поверхности для обеспечения точных результатов моделирования. Этот параметр существенно влияет на распределение напряжения, перенос нагрузки и общую структурную реакцию.

Грубый контакт

Подобно установке без трения, грубые контактные модели идеально грубого фрикционного контакта, где нет скольжения, что соответствует бесконечному коэффициенту трения между контактирующими телами.Этот тип контакта полезен при моделировании поверхностей с чрезвычайно высоким трением или когда скольжение физически предотвращается такими поверхностными особенностями, как сцепление зубов или серраций.

Эффективная настройка контактных поверхностей

Идентификация контактных и целевых поверхностей

Контакт и цель образуют контактную пару, и в простых терминах, когда два отдельных тела касаются друг друга, контакт и цель представляют два тела, а это означает, что узлы на контактных поверхностях будут препятствовать проникновению в объем целевой поверхности.Правильное обозначение контактных и целевых поверхностей имеет решающее значение для точных результатов моделирования.

В тех случаях, когда одно тело имеет более сложную геометрию, а другое относительно плоское или простое, сложная поверхность должна быть назначена в качестве контактной стороны, в то время как более простая, более плоская поверхность должна быть установлена в качестве цели.Эта лучшая практика помогает улучшить конвергенцию и вычислительную эффективность за счет снижения сложности расчетов контакта.

При определении контактных пар инженеры должны тщательно учитывать геометрию и ожидаемое поведение взаимодействующих поверхностей.Основной признак обнаружения контакта в Ansys может автоматизировать большую часть этого процесса, но ручная проверка всегда рекомендуется для обеспечения правильной идентификации всех критических областей контакта.

Контактные настройки поведения

Асимметричный контакт означает, что узлы на поверхности контакта не проникают в поверхность цели, и это, как правило, наиболее эффективный метод моделирования контакта лицом к лицу для твердых тел. Симметричный контакт означает, что узлы на поверхности контакта и цели не проникают друг в друга, и это вычислительно дороже, чем асимметричный контакт.

Выбор между асимметричным и симметричным поведением контакта зависит от конкретного применения и ожидаемых условий контакта.Асимметричный контакт обычно предпочтителен для большинства приложений из-за его вычислительной эффективности, в то время как симметричный контакт может быть необходим, когда обе поверхности имеют схожую сложность или когда требуется более точное распределение силы.

Использование контактного инструмента

Инструмент Контакт в Ansys Mechanical предоставляет необходимые возможности предварительной обработки для управления проблемами, связанными с неточностями, вызванными сеткой, гарантируя, что области контакта правильно выровнены и условия контакта четко определены перед запуском моделирования, с возможностями предварительной обработки, которые позволяют пользователям оценивать и корректировать настройки контакта перед решением модели.

Перед запуском любого моделирования всегда потратьте несколько минут, чтобы проверить свой контактный статус с помощью инструмента Contact Tool, проверить качество сетки на интерфейсах и убедиться, что ваши средства управления выводом активны. Этот простой шаг может предотвратить многие распространенные проблемы, связанные с контактом, и сэкономить значительное время устранения неполадок в процессе анализа.

Методы контактной формулы

Метод чистого наказания

Чистый метод штрафа использует жесткость контакта для предотвращения проникновения между поверхностями.Хотя этот метод является вычислительно эффективным и в целом обеспечивает хорошую конвергенцию, он позволяет произойти некоторое проникновение, которое может быть приемлемым или неприемлемым в зависимости от требований приложения и величины проникновения относительно геометрии модели.

Допустимое проникновение может быть порядка 1е-6 мм. Допустимый уровень проникновения сильно зависит от масштаба модели и требований к точности анализа. Для крупных конструкций малые проникновения могут быть незначительными, в то время как для прецизионных применений могут быть неприемлемы даже микроскопические проникновения.

Дополненный метод Лагранжа

Для склеенных или неразделенных типов Augmented Lagrange предлагает хорошую точность с разумной конвергенцией, и в целом Augmented Lagrange является сладким пятном.Эта формулировка сочетает в себе преимущества как штрафных, так и многократных методов Lagrange, итеративно корректирующих контактные силы для минимизации проникновения при сохранении разумных характеристик конвергенции.

Метод дополненного лагранжа часто является рекомендуемой отправной точкой для большинства контактных анализов, поскольку он обеспечивает хороший баланс между точностью и вычислительной эффективностью. Он выполняет дополнительные итерации, чтобы уменьшить проникновение до приемлемых уровней, избегая при этом трудностей конвергенции, иногда связанных с чистыми методами множителя Лагранжа.

Нормальный метод Лагранжа

Для точных контактов (например, помех) используйте Normal Lagrange. Хотя этот метод может привести к более точным результатам с точки зрения проникновения, он требует прямого решателя и может столкнуться с проблемами конвергенции из-за потенциала для «разборки».

Метод Нормального Лагранжа обеспечивает нулевое проникновение, вводя в систему уравнений множители Лагранжа.Хотя это обеспечивает наиболее точное представление контакта, это может привести к трудностям сходимости, особенно в моделях со многими контактными парами или сложными контактными условиями.Инженеры должны использовать этот метод, когда проникновение должно быть сведено к минимуму и должны быть готовы вкладывать дополнительное время в устранение неполадок сходимости.

Метод многоточечного ограничения (MPC)

Другой метод обработки контактов типа «связано и не разделено» — подход с множественным ограничением точек (MPC), который отличается от методов мультипликатора на основе штрафа или лагранжевого мультипликатора, предлагая простой и эффективный способ моделирования контактных взаимодействий с использованием внутренних уравнений ограничения для «связывания» смещений контактирующих поверхностей вместе, эффективного управления большими деформациями и обеспечения линейного поведения контакта в случаях малого отклонения.

Особенно выгодно при решении проблем конвергенции, служащей альтернативой корректировке жесткости контакта.Сформуляция ККМ особенно полезна для склеенных и неразъединенных контактов, где статус контакта не изменяется в ходе анализа, обеспечивая надежный и эффективный метод решения.

Методы обнаружения контактов

Обнаружение точки Гаусса

Метод точки интеграции поверхности позволяет дополнительным точкам обнаруживать проникновение между поверхностями и является методом по умолчанию для метода Penalty и Augmented Lagrange, однако он является плохим, когда контакт происходит на углах или краях.Этот метод оценивает контакт в точках интеграции контактных элементов, обеспечивая плавное распределение давления контакта для хорошо выровненных поверхностей.

Обнаружение точек Гаусса хорошо работает для большинства общих сценариев контакта, особенно когда контакт происходит по относительно плоским или мягко изогнутым поверхностям.Однако его ограничения на углах и краях означают, что следует рассмотреть альтернативные методы обнаружения для геометрий с резкими особенностями или точечными контактами.

Методы нодального обнаружения

Методы обнаружения на основе узлов являются стандартными для метода MPC и Normal Lagrange, а для контактов на углах (таких как проблемы с помехой, модели резьбовых разъемов) наилучшие результаты получаются при использовании либо Nodal - Normal to Target, либо Normal for Contact. Эти методы оценивают контакт в узлах контактной поверхности, делая их более подходящими для точечных контактов и краевых контактов.

Методы узлового обнаружения особенно важны для приложений, включающих помехи, резьбовые соединения или любой сценарий, при котором контакт происходит в дискретных точках или по острым краям.Выбор между «Обычным для цели» и «Обычным от контакта» зависит от геометрии и ожидаемого поведения контакта.

Нодаль-проецируемое обнаружение

Метод обнаружения «Нодаль-проецируемая норма от контакта» был найден для создания участков отклонения и напряжения, которые были предпочтительнее, чем те, которые были получены в результате альтернативных настроек.Проецируемый выбор является относительно новым дополнением к Ansys. Этот метод обнаружения проектирует контактные узлы на поверхность цели, повышая точность для определенных сценариев контакта, особенно тех, которые включают элементы оболочки или изогнутые поверхности.

Сетчатые соображения для контактного моделирования

Качество сетки на контактных интерфейсах

Плохое качество сетки в твердых элементах может вызвать проблемы с конвергенцией, а сложная проблема контакта может расходиться просто из-за сетки, поэтому используйте агрессивную проверку формы для нелинейных проблем контакта. Качество сетки особенно важно в контактных областях, где градиенты напряжения обычно высоки, и точный перенос силы имеет важное значение.

В целом конвергенция значительно улучшается за счет упрощения определений контактов и уточнения сетки в контактных областях. Применение локальной уточнения сетки в контактных областях гарантирует, что контактные элементы имеют достаточное разрешение для точного захвата распределения контактного давления и концентраций напряжения.

Выбор типа элемента

Первое соображение заключается в том, чтобы иметь узлы на каждой стороне линии интерфейса, что позволит линейной сетке хорошо вести себя с контактными элементами.Квадратные элементы могут помочь в этом, но линейные элементы имеют тенденцию иметь меньше проблем с конвергенцией в контактных моделях.

10-узлы Тетс хороши для кривых контактных поверхностей, а 8-узлы Хекс хороши для плоских контактных поверхностей.Выбор между линейными и квадратичными элементами, а также между тетраэдральными и гексаэдрическими элементами должен основываться на геометрии контактных поверхностей и требуемой точности анализа.

Меш-присоединение

Физическая геометрия имеет клиренс между двумя концентрическими кругами, но из-за сетчатых различий между двумя кругами создается искусственная интерференция вместе с искусственным напряжением, и конвергенция будет зависеть от разрешения интерференции и будет легче, если нет искусственной интерференции, которая также даст более плавные графики давления.

Выравнивание сетки между контактными и целевыми поверхностями может существенно влиять как на точность, так и на конвергенцию. По возможности использование согласованных сеток или контактно-совместимых размеров сетки может устранить искусственные проникновения и улучшить качество раствора. Для сложных геометрий, где идеальное выравнивание невозможно, соответствующие настройки контакта и составы могут компенсировать несоответствия сетки.

Расширенные настройки контактов и параметры

Пинбол Радиус

Радиус пинбола используется для определения сферической области вокруг каждой точки обнаружения контакта, где вычисляются силы контакта и взаимодействия, и этот радиус помогает сгладить и приблизить распределение силы контакта, обеспечивая более точное и стабильное контактное взаимодействие.Радиус пинбола автоматически вычисляется на основе размера геометрии, однако он также может быть вручную отрегулирован в деталях каждого определения контакта.

Для проблем интерференции, убедитесь, что радиус пинбола больше, чем максимальная интерференция, и в связанных контактах и контактах без разделения, любая область между поверхностями, которая касается или лежит в пределах радиуса пинбола, будет считаться контактной. Правильный выбор радиуса пинбола имеет решающее значение для обеспечения того, чтобы все предполагаемые области контакта были обнаружены и что силы контакта рассчитаны правильно.

Если вы вводите большой пинбол, у вас будут риски для введения ложной области, поэтому используйте большой пинбол для шага нагрузки, который разрешает помехи и использует маленький пинбол для других шагов. Радиус пинбола можно регулировать для различных шагов нагрузки, чтобы оптимизировать обнаружение контакта для изменения условий контакта на протяжении всего анализа.

Варианты межсетевого лечения

В анализе конечных элементов контакты между частями обеспечиваются на основе сетки модели, которая часто вводит сложности во время предварительной обработки, поскольку, хотя геометрия САПР идеально определена, процесс дискретизации сетки может привести к небольшим зазорам или начальным проникновениям между контактирующими поверхностями из-за приближения непрерывных поверхностей элементами, и эти неточности, вызванные сеткой, имеют решающее значение для устранения, поскольку они влияют на то, как моделируются контактные взаимодействия, и могут влиять на точность и стабильность моделирования.

Начальная сетка с нежелательными зазорами и или проникновением между контактными поверхностями приводит к трудностям в конвергенции, а опция «Настройка на касание» удалит зазор численно и предполагает, что поверхности касаются друг друга. Этот вариант обработки интерфейса может помочь преодолеть первоначальные геометрические несовершенства в модели, хотя инженеры должны знать, что он изменяет геометрию и может влиять на распределение напряжений вблизи контактного интерфейса.

Терпимость к проникновению

Эта установка позволяет вводить значение или фактор для проникновения контакта. Допуск проникновения определяет приемлемое количество проникновения между контактными поверхностями при использовании формул на основе штрафа. Этот параметр должен быть тщательно сбалансирован - слишком большая допуск позволяет нереалистичное проникновение, в то время как слишком малая допуск может вызвать трудности с конвергенцией.

Соответствующая допускаемость проникновения зависит от масштаба модели, свойств материала и требований к точности анализа.Для большинства приложений настройки, контролируемые программой по умолчанию, обеспечивают разумные результаты, но ручная настройка может потребоваться для специализированных приложений или при возникновении проблем с конвергенцией.

Нормальная жесткость

Нормальное значение жесткости определяет поведение контакта при проникновении, обеспечивая «силу восстановления», позволяющую проникающим узлам оставаться в пределах заданной толерантности к проникновению.Контактная жесткость является критическим параметром в составах на основе штрафа, влияя как на величину проникновения, так и на поведение конвергенции раствора.

Более высокая жесткость контакта уменьшает проникновение, но может привести к трудностям сходимости, в то время как более низкая жесткость улучшает сходимость, но позволяет больше проникновения. Оптимальное значение жесткости зависит от свойств материала контактирующих тел и ожидаемого давления контакта. Ansys обычно автоматически вычисляет соответствующие значения жесткости, но ручная настройка может быть необходима для сложных сценариев контакта.

Моделирование помех и начальных проникновений

Устранение первоначальных пробелов и проникновений

Первоначальные пробелы и проникновения в контактных моделях могут возникать из САПР допусков, сетчатой дискретизации или преднамеренных конструктивных особенностей, таких как помехи подходит. Эти начальные условия должны быть надлежащим образом обработаны для обеспечения точных результатов моделирования и хорошего поведения конвергенции.

Эта настройка происходит, когда толерантность к обнаружению контакта слишком высока, что типично, когда в модели есть небольшие функции, которые имеют общую большую ограничивающий ящик, поскольку эти слои тонкие по сравнению с общим размером модели, поэтому вы должны установить «Тип толерантности» на «Ценность» в папке «Контакты» в разделе «Контакты» в разделе «Контакты» и ввести размер меньше толщины слоя.

Меш-морфинг для настройки контактов

Сетчатое преобразование (команда: Cnch,morph) регулирует контактные поверхности без напряжения движения сетки, перемещает контактные узлы, чтобы закрыть зазоры и удалить проникновение (аналогично cncheck,adjust), и превращает полученную сетку для улучшения качества сетки. Эта передовая техника может помочь решить первоначальные проблемы контакта при сохранении хорошего качества сетки по всей модели.

Сетчатое преобразование особенно полезно для моделей со значительными начальными проникновениями или разрывами, которые не могут быть легко решены с помощью модификаций геометрии.Настраивая сетку, а не геометрию, этот подход поддерживает намерение проектирования, обеспечивая надлежащие условия контакта для анализа.

Моделирование помех Fits

Помехи являются общими в механических сборках и требуют особого рассмотрения при контактном моделировании. Помехи должны быть решены во время анализа, как правило, с помощью многоступенчатого подхода, когда помехи постепенно вводятся или удаляются.

Смещение контактной поверхности (CNOF) может использоваться в качестве функции времени посредством табличного ввода, с использованием табличного ввода для указания таблицы, в которой величина CNOF с течением времени скатывается вниз от возможных максимальных значений помех к нулю. Такой подход позволяет контролировать разрешение помех, улучшая конвергенцию и обеспечивая реалистичные распределения напряжений.

Лучшие практики для моделирования поверхности с привязкой

Когда использовать прикрепленные контакты

Связанные контакты следует использовать при моделировании постоянных соединений между компонентами, такими как сварные соединения, клеевые связи или пресс-подогнанные сборки, где не ожидается относительного движения.Однако инженерам следует тщательно рассмотреть, является ли скрепленный контакт наиболее подходящим представлением физической системы.

Выбор контакта может существенно повлиять на результаты, поскольку связанный контакт может ложно указывать на безопасность, в то время как фрикционная модель выявляет более высокие напряжения (хотя в некоторых случаях неправильное моделирование также может привести к недооценке напряжений и, следовательно, к чрезмерной разработке деталей). Это подчеркивает важность понимания физического поведения системы и выбора типов контактов, которые точно представляют это поведение.

Альтернативы принудительным контактам

Вы можете поделиться топологией в SpaceClaim или DesignModeler, чтобы она сеты все эти слои как узлы, подключенные, без контактов и материала идеально связаны. Используйте опцию «Общая топология» в SpaceClaim или DesignModuler между двумя телами, которая соединяет / разделяет узлы на каждой стороне, применяя конформную сетку на этих лицах, поэтому вам не нужно применять связанную сетку или соединение больше для соединения этих двух лиц, и если ваша цель состоит в том, чтобы только передать силу (не вдаваясь в слишком подробную информацию о том, сколько силы передается), то основной вариант выбрать для общей топологии между этими лицами.

Общий топология часто предпочтительнее склеенного контакта, когда цель состоит в том, чтобы просто соединить тела без необходимости извлечения контактных сил или когда проблемы сходимости возникают с склеенными контактами. Такой подход создает идеально связанное соединение на уровне сетки, устраняя необходимость в контактных элементах и связанных с ними вычислительных накладных расходах.

Обязательный контакт против фиксированных суставов

Когда между лицами, которые должны быть «склеены», существует значительный разрыв, фиксированный сустав всегда будет работать, просто выбирая два лица, но прикрепленный контакт может не создавать никаких контактных элементов, и тела не будут склеены, поэтому корректирующее действие заключается в том, чтобы ввести радиус Pinball, чтобы убедиться, что контактные элементы созданы, и вы всегда должны вставить контактный инструмент и создать начальный контактный статус, прежде чем начать Solver, хотя вам не нужно делать это для фиксированных суставов.

Фиксированные соединения и связанные контакты служат аналогичным целям, но имеют различные реализации и ограничения. Фиксированные соединения более надежны для больших промежутков и не требуют создания контактных элементов, в то время как связанные контакты обеспечивают более подробную информацию о силе и лучше работают для личных соединений с небольшими промежутками или без них.

Устранение проблем с контактами

Мониторинг контактного состояния

Всегда проверяйте статус контакта после решения, чтобы проверить правильное взаимодействие. Результаты статуса контакта предоставляют ценную информацию о том, являются ли контакты открытыми, закрытыми, скользящими или слипающимися во время анализа. Эта информация необходима для проверки того, что моделирование ведет себя так, как ожидалось, и для выявления потенциальных проблем.

Контактное состояние можно визуализировать через контурные графики, показывающие контактное давление, проникновение контакта, разрыв контакта и контактное состояние.Эти результаты помогают инженерам понять, как нагрузки передаются через контактные интерфейсы и соответствует ли поведение контакта физическим ожиданиям.

Трудности конвергенции

Небольшие решения, такие как использование «No Separation» вместо «Frictional» или назначение контакта после сетки, могут значительно повлиять на конвергенцию и точность. Используйте No Separation вместо Frictional, когда поверхности не ожидаются, чтобы открыться — это улучшает конвергенцию, сохраняя реалистичное движение.

При возникновении проблем конвергенции инженеры должны систематически оценивать настройки контактов, качество сетки и выбор формулировок.Упрощение определений контактов, уточнение сеток в контактных областях и корректировка параметров контакта, таких как жесткость и толерантность к проникновению, часто могут решить проблемы конвергенции.

Проблемы чрезмерного ограничения

На наличие нулевых поворотных предупреждений указывает наличие очень большой остаточной силы (порядков величины, превышающих обычно применяемую силу), за которой следует очень легкая конвергенция, поэтому сначала проверьте потенциальные сверхограничения с помощью контактного инструмента.

Для решения проблем, связанных с перенапряжением, инженеры должны пересмотреть все определения контактов и граничные условия для выявления избыточных ограничений.Удаление перекрытых контактных пар, сливающихся пар или переворачивания контактных и целевых поверхностей часто может устранить перенапряжения и улучшить качество решения.

Специализированные контактные сценарии

Контакты Shell-to-Shell

В этой статье рассматривается установка для использования с сопряженным контактным сопряжением через зазор между плоскостями среднего тела с большим отклонением нелинейного анализа, как если бы поверхностные тела были созданы на средней плоскости тонких твердых тел, которые они приближают, поверхностные тела, которые лежат друг на друге, будут иметь зазор между средними плоскостями, причем размер зазора часто больше, чем допуск, используемый в автоматическом создании контактных пар, когда геометрия импортируется в Workbench Mechanical.

Контакты между оболочками требуют особого внимания, поскольку элементы оболочки представляют собой тонкие структуры со смещенными средними плоскостями. Контакт должен быть надлежащим образом определен для учета толщины и ориентации оболочки, обеспечивая взаимодействие правильных поверхностей и соответствующую передачу сил.

Контакт с пластичностью

Связанный контакт использует уравнения для соединения узлов вместе, но эти уравнения не знают о модели материала пластичности, поскольку элементы, которые имеют модель материала пластичности, должны свободно следовать этой модели без дополнительных уравнений, препятствующих им. При моделировании пластической деформации скрепленные контакты могут быть неуместными, потому что они ограничивают относительное движение между поверхностями способами, которые противоречат потоку пластика.

Для анализа пластичности инженеры должны рассмотреть возможность использования фрикционных или неразделенных контактов, которые позволяют относительное движение, связанное с пластической деформацией, при сохранении контакта между поверхностями. Альтернативно, общая топология может быть более подходящей, если тела должны оставаться идеально связанными, несмотря на пластическую деформацию.

Контакты в динамическом анализе

Контактное поведение в динамических анализах существенно отличается от статического анализа в силу зависящего от времени характера контактных взаимодействий.Воздействие, вибрация и другие динамические эффекты могут вызывать быстрые изменения в контактном статусе, требующие тщательного подбора временных размеров шага и параметров контакта.

Для переходного динамического анализа демпфирование стабилизации контакта может помочь улучшить конвергенцию, добавив искусственное демпфирование к контактным взаимодействиям.Однако это демпфирование должно тщательно контролироваться, чтобы избежать введения нереалистичного рассеивания энергии, которое может повлиять на точность предсказаний динамического ответа.

Рассмотрение вопросов вычислительной эффективности

Упрощение контактных определений

Устранение ненужных деталей в крепежах или аппаратных средствах, не влияющих на перенос нагрузки.Упрощение определений контактов путем удаления некритических контактных пар или замены подробных моделей контактов упрощенными представлениями может значительно снизить вычислительные затраты без ущерба для точности в результатах, представляющих интерес.

Инженеры должны сосредоточить вычислительные ресурсы на областях контакта, которые имеют решающее значение для целей анализа.Вторичные области контакта, которые оказывают минимальное влияние на общую структурную реакцию, часто могут быть упрощены или даже устранены, сокращая время решения и улучшая конвергенцию.

Контактная поисковая оптимизация

Обычно для запуска анализа не следует использовать большой PINB, так как время поиска контактов увеличится.Радиус пинбола напрямую влияет на вычислительную стоимость обнаружения контактов, так как большие радиусы пинбола требуют поиска большего количества целевых элементов для каждого контактного узла.

Оптимизация радиуса пинбола, чтобы быть достаточно большим, чтобы захватить все предполагаемые контактные взаимодействия, но не больше, может значительно сократить время поиска контактов. Для моделей с несколькими контактными парами эта оптимизация может привести к значительной вычислительной экономии.

Линейные и нелинейные контактные решения

Для связанного и неразрывного контакта, если в модели не существует других нелинейностей (пластичность, большая деформация или односторонний контакт), линейное решение (без равновесной итерации) достаточно хорошо для получения точного решения.При необходимости использование линейных контактных решений может значительно сократить время решения по сравнению с нелинейными решениями.

Для моделей, имеющих только скрепленные или неразделительные контакты и не имеющих других источников нелинейности, линейное контактное поведение устраняет необходимость в равновесных итерациях, что приводит к времени решения, сопоставимому с линейным статичным анализом.Этот подход особенно полезен для больших моделей со многими контактными парами.

Проверка и проверка

Проверка контактных сил

Реакции контактных сил обеспечивают критическую информацию для проверки результатов моделирования. Сумма контактных сил должна уравновешивать применяемые нагрузки, а распределение контактных сил должно быть физически обоснованным на основе геометрии и условий нагрузки.

Инженеры должны извлекать и анализировать результаты воздействия контактных сил, чтобы обеспечить передачу нагрузок через контактные интерфейсы, как ожидается. Неожиданное распределение или дисбаланс сил может указывать на проблемы с определениями контактов, качеством сетки или граничными условиями, которые необходимо решить.

Сравнение типов контактов

FEA хороша только как вводимая информация, и при настройке симуляций необходимо правильное инженерное суждение.Когда существует неопределенность относительно соответствующего типа контакта для данного приложения, проведение сравнительных анализов с различными типами контактов может дать ценную информацию о чувствительности результатов к предположениям о контактах.

Сравнивая результаты моделей сцепленных, фрикционных и бесфрикционных контактов, инженеры могут понять диапазон возможных поведений и принимать обоснованные решения о том, какой тип контакта лучше всего представляет физическую систему. Этот подход также помогает определить, существенно ли допущения контакта влияют на критические параметры проектирования.

Экспериментальная корреляция

По возможности результаты моделирования должны быть соотнесены с экспериментальными данными для проверки допущений контактного моделирования.Расхождения между моделированием и экспериментом могут указывать на то, что параметры контакта, такие как коэффициенты трения, жесткость контакта или выбор типа контакта, должны быть скорректированы.

Экспериментальная валидация особенно важна для проблем с доминированием контактов, где на общий структурный ответ сильно влияет поведение контактов.Тщательные корреляционные исследования могут помочь установить лучшие практики для моделирования контактов в конкретных областях применения.

Краткое изложение лучших практик

Предварительная подготовка к анализу

• Выберите подходящие блоки: Выберите блоки mm-N для большинства моделей контактов.Постоянные блоки помогают избежать численных проблем и облегчают интерпретацию параметров контакта.
• Чистая геометрия: Удалите небольшие особенности и пробелы, которые не влияют на анализ, но усложняют обнаружение контакта. Убедитесь, что поверхности, предназначенные для контакта, правильно выровнены.
• Стратегия контактов по плану: Выявить все пары контактов до сетки и принять решение о соответствующих типах контактов на основе физического поведения.Подумайте, может ли общая топология или другие альтернативы быть более подходящими, чем элементы контакта.
• Определение контактных и целевых поверхностей: Назначение сложных поверхностей в качестве контактных и более простых поверхностей в качестве мишени для повышения вычислительной эффективности.

Стратегия сетки

• Уточнить сетку в контактных областях: Применять локальную сетку для обеспечения адекватного разрешения распределения контактного давления и градиентов напряжения. Плохое качество сетки в контактных областях является общей причиной проблем конвергенции.
• Выравнивание сеток, когда это возможно: Для непосредственного контакта выравнивание узлов по интерфейсу повышает точность и конвергенцию. Используйте элементы управления размерами или функции контактной сетки для достижения хорошего выравнивания.
• Выберите подходящие типы элементов: Используйте квадратичные элементы для изогнутых поверхностей и линейных элементов, когда конвергенция является сложной. Рассмотрим гексаэдрические элементы для плоских контактных поверхностей и тетраэдрические элементы для сложных геометрий.
• Проверить качество сетки: Используйте агрессивную проверку формы для нелинейных проблем контакта, чтобы определить и исправить некачественные элементы, которые могут вызвать проблемы с конвергенцией.

Контактные настройки

• Выберите тип контакта, основанный на физике: Выберите связь для постоянных соединений, фрикцион для реалистичного поведения скольжения, отсутствие разделения, когда поверхности должны оставаться в контакте, но могут скользить, и без трения для предварительного анализа или смазанных поверхностей.
• Выберите соответствующую формулировку: Используйте дополненный лагранж в качестве отправной точки для большинства анализов, нормальный лагранж для точного контакта с минимальным проникновением и MPC для связанных контактов с проблемами конвергенции.
• Следует использовать метод обнаружения узлов для угловых и краевых контактов, обнаружение точек Гаусса для общего контакта лицом к лицу и рассмотреть методы, проецируемые на узловые контакты для контактов с оболочкой или изогнутых поверхностей.
• Настройте радиус пинбола, когда это необходимо: Убедитесь, что радиус пинбола достаточно велик, чтобы обнаружить все предполагаемые контакты, но не настолько велик, чтобы создать ложные области контакта или увеличить вычислительные затраты без необходимости.
• Настройте обработку интерфейса: Используйте «Настроить на касание» для закрытия небольших зазоров от дискретизации сетки, но имейте в виду, что это изменяет геометрию и может повлиять на распределение напряжений.