О настройках жесткости в Bonded контакте

Речь в статье пойдет об одной интересной особенности настроек контакта - значение множителя контактной жесткости (contact stiffness factor) по умолчанию для типа bonded может меняться в зависимости от наличия в модели областей других типов. Это касается и Mechanical, и Mechanical APDL. Если все контакты в модели - bonded, то значение жесткости по умолчанию будет 10. Это означает, что в bonded контактной области, жесткость, скрепляющая две поверхности вместе в 10 раз больше жесткости лежащих ниже твердотельных или оболочечных элементов. Однако, если хотя бы одна контактная область в модели является взаимодействием другого типа, то значение контактной жесткости по умолчанию для ВСЕХ пар становится равным 1.0. Это поведение по умолчанию описано в ANSYS Mechanical APDL Help, в разделе  3.9 по контактам Contact Technology Guide в таблице Table 3.1:

“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.

Итак, почему это должно волновать нас? Существует возможность, что при использовании bonded контакта для моделирования соединения между двумя деталями, результирующие напряжения могут отличаться в зависимости от того все ли контакты bonded или не все. Контактная жесткость во втором случае будет меньше, чем была бы в первом, даже если не-bonded контакт находится в той области модели, которая никак не связана с интересующей нас bonded областью. Просто наличие любого не-bonded контакта приводит к тому, что множитель контактной жесткости для всех пар будет иметь по умолчанию значение -1.0 вместо ожидаемых 10.0.

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.

После решения, можно посмотреть распределение максимального главного напряжения в кольце. Максимальное значение - 41,382.

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.

Информация взята с сайта http://www.padtinc.com/.