接触分析7多点接触.ppt

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1、多点约束多点约束(MPC)第七章第七章Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining Manual多点约束算法（多点约束算法（MPC）提供了一个极为有效的接触模拟算法，能够）提供了一个极为有效的接触模拟算法，能够处理很多在处理很多在ANSYS7.1之前都难以模拟的问题之前都难以模拟的问题该章节我们将详细讨论该章节我们将详细讨论MPC算法及其使用算法及其使用多点约束多点约束(MPC)章节综述章节综述Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining Ma

2、nual该章包括以下几个主题该章包括以下几个主题:A.背景背景绑定，无分离接触绑定，无分离接触基于表面的约束基于表面的约束传统绑定接触的局限性传统绑定接触的局限性CERIG,RBE3的不足的不足MPC算法的优势算法的优势B.实体对实体的多点绑定接触实体对实体的多点绑定接触C.壳体对壳体的多点绑定接触壳体对壳体的多点绑定接触D.壳体对实体的多点绑定接触壳体对实体的多点绑定接触E.梁对壳体梁对壳体/实体的多点绑定接触实体的多点绑定接触F.基于表面的多点约束基于表面的多点约束G.注释注释多点约束多点约束(MPC)章节综述章节综述Advanced Contact&FastenersAdvanced C

3、ontact&FastenersTraining Manual在第三章中我们提起过，在第三章中我们提起过，MPC算法使用内部生成的约束方程在接触算法使用内部生成的约束方程在接触面上保证协调面上保证协调:接触节点的自由度被消除接触节点的自由度被消除.不需要法向刚度和切向刚度不需要法向刚度和切向刚度.对于小变形问题对于小变形问题,求解平衡方程时不需迭代求解平衡方程时不需迭代.表现出线性接触行为表现出线性接触行为.对于大变形问题对于大变形问题,MPC约束方程在每一步的迭代过程中都要进行校正约束方程在每一步的迭代过程中都要进行校正.该方法仅对该方法仅对绑定接触绑定接触和和无分离接触无分离接触适用适用.

4、对称接触对中不可用对称接触对中不可用ANSYS会自动转换成不对称接触会自动转换成不对称接触MPC 法在法在点点接触点点接触中中不适用不适用多点约束多点约束(MPC)A.背景背景Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining ManualMPC法可以绑定不同的单元类型，即使交界面的网格不兼容法可以绑定不同的单元类型，即使交界面的网格不兼容:实体对实体实体对实体壳体对壳体壳体对壳体壳体对实体壳体对实体梁对实体梁对实体/壳体壳体 多点约束多点约束(MPC).背景背景Advanced Contact&FastenersAdvan

5、ced Contact&FastenersTraining ManualMPC法可用作表面约束法可用作表面约束刚体约束表面刚体约束表面(CERIG类型类型 MPC)力分布表面力分布表面(RBE3类型类型 MPC)Torque多点约束多点约束(MPC).背景背景CERIGRBE3Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining Manual绑定约束和无分离约束的局限绑定约束和无分离约束的局限:结果取决于指定的接触刚度结果取决于指定的接触刚度.即使是小变形问题中也需要进行多次迭代以调整穿透量即使是小变形问题中也需要进行多次迭代

6、以调整穿透量.模态分析中偶尔会出现失真的自然频率模态分析中偶尔会出现失真的自然频率.只能施加平动自由度约束只能施加平动自由度约束.CERIG 和和 RBE3的局限：的局限：仅适合于小应变仅适合于小应变.RBE3 只支持力约束只支持力约束.RBE3 需要手动定义权值需要手动定义权值.（MPC 表面约束自动计算权值）表面约束自动计算权值）多点约束多点约束(MPC).背景背景Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining ManualMPC算法的优势算法的优势:求解效率比传统的绑定接触要高求解效率比传统的绑定接触要高:对于较大

7、的装配模型使用对于较大的装配模型使用MPC绑定或无分离算法，计算时间要比其它算法绑定或无分离算法，计算时间要比其它算法快快.多点约束多点约束(MPC).背景背景接触算法接触算法迭代次数迭代次数CPU 时间时间(秒秒)增强增强Lagrange法法42710MPC法法1880Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining ManualMPC算法的优势：算法的优势：容易使用容易使用:接触向导和手动定义中都可设置接触向导和手动定义中都可设置MPC算法算法.不需要输入接触刚度不需要输入接触刚度.求解中自动生成约束求解中自动生成约束

8、考虑了形状效应，不需手动输入权值考虑了形状效应，不需手动输入权值对于基于表面的约束，支持力约束和位移约束对于基于表面的约束，支持力约束和位移约束.多点约束多点约束(MPC).背景背景Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining ManualMPC算法的优势：算法的优势：很容易就能模拟壳体实体、梁实体、梁壳体的组合效应很容易就能模拟壳体实体、梁实体、梁壳体的组合效应:支持网格的不兼容支持网格的不兼容梁、壳、实体单元上的节点不需要对准梁、壳、实体单元上的节点不需要对准多点约束多点约束(MPC).背景背景Advanced C

9、ontact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining Manual使用实体对实体的多点绑定或无分离接触非常简单使用实体对实体的多点绑定或无分离接触非常简单.使用使用CONTA169-174创建面面接触对创建面面接触对接触行为设为绑定接触行为设为绑定(KEYOPT(12)=4,5,或或 6)接触探测设为节点接触探测设为节点(KEYOPT(4)=1 或或 2)接触算法设为接触算法设为 MPC(KEYOPT(2)=2)内部多点约束会在求解中自动生成内部多点约束会在求解中自动生成扭矩Solve多点约束多点约束(MPC)B.实体对实体的多点绑定接触实体对实

10、体的多点绑定接触Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining Manual对壳体壳体的绑定接触，使用对壳体壳体的绑定接触，使用CONTA175和和TARGE170单元在壳的单元在壳的边缘创建点面接触对边缘创建点面接触对.也可使用面面接触单元也可使用面面接触单元 CONTA173-174，节点探测设为垂直于目标面，节点探测设为垂直于目标面(KEYOPT(4)=2),但此方法通常比使用但此方法通常比使用 CONTA175单元的效率要低单元的效率要低.设置接触行为为绑定设置接触行为为绑定(KEYOPT(12)=5 或或 6)

11、设置接触算法为设置接触算法为 MPC(KEYOPT(2)=2)内部多点约束会在求解中自动生成内部多点约束会在求解中自动生成节点的平动自由度和转动自由节点的平动自由度和转动自由度在交界面处都被约束住度在交界面处都被约束住多点约束多点约束(MPC)C.壳体对壳体的多点绑定接触壳体对壳体的多点绑定接触Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining Manual对于壳体对实体的多点绑定接触，基本步骤和上述类似，但由于壳体和对于壳体对实体的多点绑定接触，基本步骤和上述类似，但由于壳体和实体交界面的复杂性，一些额外的选项需要设置实体

12、交界面的复杂性，一些额外的选项需要设置创建点面接触对创建点面接触对CONTA175（壳体上单元交界面的边界）（壳体上单元交界面的边界）TARGE170（实体上单元交界面的边界）（实体上单元交界面的边界）设置接触行为为绑定接触设置接触行为为绑定接触(KEYOPT(12)=5 或或 6)设置接触算法为设置接触算法为 MPC(KEYOPT(2)=2)设置设置MPC 约束类型约束类型(TARGE170,KEYOPT(5)=0,1,2,3,4)在目标面上建立虚拟壳在目标面上建立虚拟壳(当需要时当需要时)壳单元壳单元实体单元实体单元接触单元接触单元(CONTA175)目标单元目标单元(TARG170)(实

13、体上实体上表面表面)多点约束多点约束(MPC)D.壳体对实体的多点绑定接触壳体对实体的多点绑定接触*Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining Manual虚拟壳虚拟壳当创建壳体对实体的多点绑定接触时，用户可在实体表面附上一个额外当创建壳体对实体的多点绑定接触时，用户可在实体表面附上一个额外的壳单元（虚拟壳），并在实体、壳和附加的壳上定义约束方程的壳单元（虚拟壳），并在实体、壳和附加的壳上定义约束方程.当需要时，该选项可以更好的模拟壳体和实体之间的载荷传递当需要时，该选项可以更好的模拟壳体和实体之间的载荷传递.多点约

14、束多点约束(MPC).壳体对实体的多点绑定接触壳体对实体的多点绑定接触Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining ManualMPC选项允许用户控制哪些自由度用于生成内部约束，总结如下选项允许用户控制哪些自由度用于生成内部约束，总结如下:TARGE170,KEYOPT(5)=0,自动约束自动约束(缺省缺省)TARGE170,KEYOPT(5)=1,只有平动位移被约束只有平动位移被约束TARGE170,KEYOPT(5)=2,平动和转动位移都被约束平动和转动位移都被约束TARGE170,KEYTOPT(5)=3,壳节点

15、上的平动和转动位移都被约束壳节点上的平动和转动位移都被约束,实体节点实体节点上只有平动位移被约束上只有平动位移被约束TARGE170,KEYOPT(5)=4,(8.1版本新选项版本新选项)下面我们对其作详细讨论下面我们对其作详细讨论.多点约束多点约束(MPC).壳体对实体的多点绑定接触壳体对实体的多点绑定接触Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining ManualTARGE170,KEYOPT(5)=0,自动约束自动约束(缺省设置缺省设置)大多数情况下，大多数情况下，ANSYS对壳体实体组合约束平动和转动自由度对壳体

16、实体组合约束平动和转动自由度.多点约束多点约束(MPC).壳体对实体的多点绑定接触壳体对实体的多点绑定接触Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining ManualTARGE170,KEYOPT(5)=1:实体实体约束实体实体约束在实体表面创建虚拟壳单元（在实体表面创建虚拟壳单元（SHSD命令）命令）只有平动位移被约束只有平动位移被约束壳单元和虚拟壳单元的节点重合壳单元和虚拟壳单元的节点重合CONTA175 单元处在虚拟壳单元和实体单元的交界节点上单元处在虚拟壳单元和实体单元的交界节点上虚拟壳虚拟壳壳厚度壳厚度多点约束

17、多点约束(MPC).壳体对实体的多点绑定接触壳体对实体的多点绑定接触Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining ManualTARGE170,KEYOP(5)=2:壳体实体约束壳体实体约束:使用使用SHSD命令在实体表面创建虚拟壳命令在实体表面创建虚拟壳平动和转动自由度被约束平动和转动自由度被约束虚拟壳和实体表面节点重合虚拟壳和实体表面节点重合CONTA175单元仍然存在于壳边缘单元仍然存在于壳边缘虚拟壳和壳之间存在自由度约束虚拟壳和壳之间存在自由度约束虚拟壳虚拟壳多点约束多点约束(MPC).壳体对实体的多点绑定接触

18、壳体对实体的多点绑定接触Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining ManualTARGE170,KEYOP(5)=3:壳体实体约束壳体实体约束不需要虚拟壳不需要虚拟壳壳边缘上的平动和转动自由度被约束壳边缘上的平动和转动自由度被约束;实体表面只有平动自由度被约束实体表面只有平动自由度被约束.当壳和实体都处在接触或目标同一边当壳和实体都处在接触或目标同一边.否则该选项和否则该选项和KEYOPT(5)=0相同相同.多点约束多点约束(MPC).壳体对实体的多点绑定接触壳体对实体的多点绑定接触Advanced Contact

19、&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining ManualTARGE170,KEYOP(5)=4:壳实体约束，所有方向壳实体约束，所有方向如果接触法向和目标法向相交，那么和如果接触法向和目标法向相交，那么和 KEYOPT(5)=3相同相同.否则处于否则处于Pinball区域内的节点仍然使用约束方程区域内的节点仍然使用约束方程多点约束多点约束(MPC).壳体对实体的多点绑定接触壳体对实体的多点绑定接触 目标法向目标法向 接触法向接触法向Pinball 区域Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&Fasten

20、ersTraining Manual对于壳体实体接触该选择哪个选项？对于壳体实体接触该选择哪个选项？对于许多问题，所有的选项都能产生相同的或非常相近的结果对于许多问题，所有的选项都能产生相同的或非常相近的结果.最好的选项取决于几何的复杂程度和施加在装配上的载荷最好的选项取决于几何的复杂程度和施加在装配上的载荷.如果壳体在壳实体交界处承受很大的平面外扭矩，如果壳体在壳实体交界处承受很大的平面外扭矩，KEYOPT(5)=1 或或 2 使用虚拟壳较好使用虚拟壳较好.大多数情况大多数情况,KEYOPT(5)=0 或或 3 较合适较合适.如果不能确定是否使用如果不能确定是否使用 KEYOPT(5)=0,

21、3,可使用可使用 KEYOP(5)=1,2 验证验证计算结果计算结果.对于壳和实体之间存在可以忽略的小的间隙，那么可以使用对于壳和实体之间存在可以忽略的小的间隙，那么可以使用KEYOPT(5)=4.多点约束多点约束(MPC).壳体对实体的多点绑定接触壳体对实体的多点绑定接触Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining Manual使用三维实体单元采用实体和壳模拟,用MPC算法连接Contact175和Target170单元考虑一个三维突缘体的例子考虑一个三维突缘体的例子:多点约束多点约束(MPC).壳体对实体的多点绑定

22、接触壳体对实体的多点绑定接触Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining Manual实体实体(KEYOP(5)=1)MPC 有虚拟壳平动自由度被约束DMX=104.2SMX=1.44自动约束(KEYOP(5)=0,3)MPC,无虚拟壳单元 DMX=107.2SMX=1.41壳体壳体(KEYOP(5)=2)MPC 有虚拟壳单元(平动和转动自由度被约束)DMX=103.2SMX=1.40实体单元DMX=101.5SMX=1.22多点约束多点约束(MPC).壳体对实体的多点绑定接触壳体对实体的多点绑定接触Advanced

23、Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining Manual使用使用 TARGE169/170 的导向节点建立和的导向节点建立和 CONTA171-175单元的连接类单元的连接类似于使用似于使用 CERIG 和和RBE3 命令命令:把梁和实体把梁和实体/壳体绑定壳体绑定在面和边上施加位移或力约束在面和边上施加位移或力约束扭矩多点约束多点约束(MPC)E.梁对壳体梁对壳体/实体的多点绑定接触实体的多点绑定接触Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining Manual

24、对梁实体单元使用对梁实体单元使用MPC法的步骤法的步骤:创建点面接触对创建点面接触对使用梁边缘上的节点创建使用梁边缘上的节点创建CONTA175单元单元(ESURF命令命令)TARGE170使用梁端的导向点使用梁端的导向点(参考命令：参考命令：KMESH、TSHAP、PILOT、E)设置接触行为为绑定设置接触行为为绑定(KEYOPT(12)=5 or 6)设置接触算法为设置接触算法为 MPC（KEYOPT(2)=2）如果使用如果使用 CONTA171-174,设置设置RBE3或或CERIG（KEYOPT(4)=1,2）如果使用如果使用 CONTA175,设置设置 CERIG 或或 RBE3（K

25、EYOPT(4)=0,1）导向节点梁单元表面节点上的接触单元多点约束多点约束(MPC).梁对壳体梁对壳体/实体的多点绑定接触实体的多点绑定接触Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining Manual对梁壳单元使用对梁壳单元使用MPC法的步骤法的步骤:创建点面接触对创建点面接触对使用壳边缘上的节点创建使用壳边缘上的节点创建CONTA175单元单元(ESURF命令命令)TARGE170使用梁端的导向点使用梁端的导向点(参考命令：参考命令：KMESH、TSHAP、PILOT、E)设置接触行为为绑定设置接触行为为绑定(KEY

26、OPT(12)=5 or 6)设置接触算法为设置接触算法为 MPC（KEYOPT(2)=2）如果使用如果使用 CONTA173-174,设置设置RBE3或或CERIG（KEYOPT(4)=1,2）如果使用如果使用 CONTA175,设置设置 CERIG 或或 RBE3（KEYOPT(4)=0,1）导向节点Beam element壳体边缘节点上的CONTA175单元多点约束多点约束(MPC).梁对壳体梁对壳体/实体的多点绑定接触实体的多点绑定接触Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining Manual创建基于表面的约束

27、（创建基于表面的约束（CERIG或或RBE3型型MPC），在表面和边缘上施加），在表面和边缘上施加位移和力位移和力:创建节点表面接触对创建节点表面接触对在从节点上建立在从节点上建立CONTA175单元单元(ESURF)TARGE169/170 导向节点作为主节点导向节点作为主节点(KMESH、TSHAP、PILOT、E)设置接触行为为绑定设置接触行为为绑定(KEYOPT(12)=5 or 6)设置接触算法为设置接触算法为 MPC(KEYOPT(2)=2)设置设置CERIG 或或 RBE3 类型为类型为 CONTA175（KEYOPT(4)=0,1）定义要约束的定义要约束的DOF（使用（使用TA

28、RGE170,KEYOP(4)）在导向节点上施加位移和力在导向节点上施加位移和力.CONTA175 单元 在从节点上导向节点作为主节点多点约束多点约束(MPC)F.基于表面的多点约束基于表面的多点约束Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining Manual创建基于表面的约束：创建基于表面的约束：定义定义DOF约束集约束集:用户可以控制要约束的用户可以控制要约束的DOF（使用（使用KEYOP(4)输入输入6个数值）个数值）.6个数字分别为个数字分别为 ROTZ,ROTY,ROTX,UZ,UY,UX的值的值.1 表示表示

29、DOF为激活状态为激活状态.0代表非激活状态代表非激活状态.例如例如:KEYOPT(4)=“100011”表示表示 ROTZ,UY,UX 将在将在MPC法中使用法中使用.KEYOPT(4)=“11”表示表示 UY 和和UX 被激活，被激活，0可忽略可忽略.任何不包括在任何不包括在MPC中的自由度应该被约束中的自由度应该被约束.缺省状态为缺省状态为 KEYOPT(4)=“111111”多点约束多点约束(MPC).基于表面的多点约束基于表面的多点约束Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining Manual创建基于表面的约

30、束创建基于表面的约束:基于表面的基于表面的MPC法也可以通过接触向导创建，和创建接触对类似法也可以通过接触向导创建，和创建接触对类似.多点约束多点约束(MPC).基于表面的多点约束基于表面的多点约束定义主节点(导向节点)定义从节点(接触)定义约束类型和DOF集Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining Manual基于表面的约束基于表面的约束（对比（对比CERIG 和和 RBE3）CERIG-CERIG-接触面在载荷作用下仍维持初始形状，载荷作为位移转换成刚体接触接触面在载荷作用下仍维持初始形状，载荷作为位移转换成刚

31、体接触.RBE3-RBE3-接触面在载荷作用下允许变形，载荷作为力和力矩转换成柔体接触接触面在载荷作用下允许变形，载荷作为力和力矩转换成柔体接触.初始接触面初始接触面CERIG，使用，使用 CONTA175 Keyopt(4)=0施加了位移和转施加了位移和转动的导向节点动的导向节点变形后的刚变形后的刚体接触面体接触面RBE3，使用，使用CONTA175 Keyopt(4)=1初始接触面初始接触面变形后的柔体变形后的柔体接触面接触面施加了位移和转施加了位移和转动的导向节点动的导向节点多点约束多点约束(MPC).基于表面的多点约束基于表面的多点约束Advanced Contact&Fastener

32、sAdvanced Contact&FastenersTraining Manual和一般接触对不同，当使用和一般接触对不同，当使用TARGET169/170导向节点作为主节点建导向节点作为主节点建立基于表面的约束时，模型中不必存在刚性目标面立基于表面的约束时，模型中不必存在刚性目标面.MPC选项对于使用CONTA 171-175单元的热、电磁分析同样适用(例如 22X 耦合场单元).更多情况可参考第十章更多情况可参考第十章.热接触热接触MPC 可使用可使用 THOPT,QUASI 快速求解选项以优化运行时间快速求解选项以优化运行时间.多点约束多点约束(MPC)G.注释注释Advanced C

33、ontact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining Manual多点约束多点约束(MPC)注释注释使用使用MPC算法时的一些限制算法时的一些限制:对于基于对于基于MPC法的接触，一定要设置节点探测选项。如果激活法的接触，一定要设置节点探测选项。如果激活MPC算算法前没有进行设置的话，对面面接触单元法前没有进行设置的话，对面面接触单元(CONTA171-174）设置）设置KEYOPT(4)=2 CONTA175 始终使用节点探测始终使用节点探测当刚性体是基本图元时（例如球体、圆锥、圆柱等），当刚性体是基本图元时（例如球体、圆锥、圆柱等），MPC选

34、项不支选项不支持刚体柔体接触持刚体柔体接触因为约束方程是内部生成的，因为约束方程是内部生成的，MPC算法不能得到与接触相关的后处理算法不能得到与接触相关的后处理数据（例如数据（例如CONT,PRES或或ETABLE中的条目）中的条目）Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining Manual在结构上施加位移约束和扭矩在结构上施加位移约束和扭矩请参考请参考 workshop 中的相关章节中的相关章节.W7A.梁对壳体的多点约束接触梁对壳体的多点约束接触W7B.基于表面的多点约束基于表面的多点约束多点约束多点约束(MPC).MPC WORKSHOP