Контактная стабилизация

Аватар пользователя Ruslan Abdrahimov
0 766

Когда дело доходит до выполнения нелинейного анализа, сообщения об ошибках сходимости являются наиболее распространенным камнем преткновения. Нелинейность, или другими словами, изменение матрицы жесткости при выполнении расчета может быть связано с податливостью (пластичностью), деформацией конструкции (например, при деформации удочки) или изменением статуса контакта.

При использовании неявной схемы интегрирования, как правило, невозможно заранее предсказать, как изменится жёсткость конструкции, поэтому при настройке модели следует соблюдать особую осторожность.

Одна из основных трудностей, возникающих при выполнении нелинейного анализа, заключается в обнаружении изменения статуса контакта.

В конечно-элементном анализе, контакты обрабатываются как пружины, которые создаются между контактными поверхностями для достижения желаемого поведения контакта. Эти пружины включены в общую матрицу жесткости. Итак:

        Fc = Kc·Xp

        Fc: контактная сила
        Kc: контактная жесткость
        Xp: величина проникновения

В качестве примера рассмотрим случай, когда контакт не был установлен из-за начальных зазоров в файле CAD. Зазор означает, что Xp будет нулевым, а результирующие контактные силы (Fc) будут равны нулю. Это приводит к дисбалансу сил, и поскольку в статическом анализе не учитываются инерционные эффекты, узлы в теле будут иметь бесконечные скорости. Типичное сообщение об ошибке решателя приведено ниже:

 

В таблице «Initial Information» в «Contact Tool» будут выделены неправильно заданные контакты. Проверка этой информации перед решением модели является хорошей практикой и может сэкономить много времени на решение и отладку. В этом примере проблема заключается в начальном зазоре 0,14204 мм, который привел к возникновению контактов в начале решения.

Одним из подходов к решению этой проблемы было бы задание начального шага нагрузки, на котором применяется перемещение к телу с недостающими ограничениями, для установления контакта на последующих шагах, на которых применяются рабочие нагрузки. Это перемещение затем может быть деактивировано, так как модель будет стабилизирована.

Хотя этот подход будет работать, он потребует дополнительных усилий пользователя для настройки и тестирования дополнительного шага нагрузки, который не является необходимой частью желаемых результатов анализа.

Чтобы решить эту проблему, в релизе 14 версии ANSYS, была добавлена функция, называемая демпфированием контакта.

Поскольку контакт не обнаружен, зазор приводит к возрастанию псевдоскорости между подшагами, и рассчитывается демпфирующая сила, чтобы предотвратить «улетание». Коэффициенты демпфирования рассчитываются как функция от зазора и радиуса срабатывания контакта «pinball radius».

Этот параметр находится в разделе «Advanced» в окне «Details» для интересующего контакта. Важным шагом сейчас является задание стабилизирующего коэффициента демпфирования.

Какое значение нужно использовать? Какая демпфирующая сила необходима? Как можно проверить результаты?

Это функция проиллюстрировано с помощью простого контактного анализа.

Контурный график величины зазора в «Contact Tool» показывает, что расстояние между контактными элементами достигает 1 мм.

На первом этапе (LS1 = 1 с) применяется простая нагрузка «Bearing load», и предполагается, что контакт будет инициирован, затем будет применено вращение на 45°, которое, как ожидается, приведет к перемещению из-за коэффициента трения 0,4 (LS2 = 2с).

Для получения результата энергии (/ POST26 ENERSOL в интерфейсе Mechanical APDL) использовался фрагмент вставки команд APDL для автоматической записи в текстовый файл в пользовательской папке проекта «user_file».

Чтобы определить влияние коэффициента демпфирования, были получены четыре решения с коэффициентом, варьирующимся от 1 до 0,001.

Искусственная энергия из-за стабилизации контакта

Этот график показывает искусственную энергию, созданную контактным демпфированием, чтобы облегчить процесс инициации контакта. Количество итераций, необходимых для решения модели, варьировалось от 189 до 211 от самого низкого до самого высокого коэффициента демпфирования.

Сила демпфирования прямо пропорциональна коэффициенту демпфирования, указанному пользователем (по умолчанию = 1). Это также зависит от перемещения во времени на текущем подшаге и радиуса действия контакта «pinball radius».

        

        dn: коэффициент демпфирования в нормальном направлении
        FDMN: стабилизирующий коэффициент демпфирования в нормальном направлении (по умолчанию = 1.0)
        PINB, Upinb: радиус действия контакта «pinball radius»
        Un: контактный зазор в нормальном направлении

Если коэффициент демпфирования очень велик, прилагаемая сила может быть слишком высокой, следовательно, сходимость может стать более трудной. Это иллюстрируется количеством необходимых итераций.

В этом конкретном случае демпфирующая сила требуется только для стабилизации модели и предотвращения «улетания» колеса, поэтому меньший коэффициент демпфирования, например, 0,01, может быть достаточен.

Другое преимущество этого метода состоит в том, что эффект, подразумеваемый формулами, является временным. Когда контакт инициируется, конструкция стабилизируется, и демпфирующие силы постепенно исчезают.

Во время второго этапа нагружения возникает скачок демпфирующей силы, который усиливается вместе со значением FDMN. Причина в том, что демпфирование действует как для нормального, так и для касательного направления контакта.

        

        dt: коэффициент демпфирования в касательном направлении
        FDMN: стабилизирующий коэффициент демпфирования в нормальном направлении (по умолчанию = 1.0)
        FDMT: стабилизирующий коэффициент демпфирования в касательном направлении (по умолчанию = 0.001)
        PINB, Upinb: радиус действия контакта «pinball radius»
        Un: контактный зазор в нормальном направлении

Это касательное демпфирование использует ранее определенный коэффициент нормального демпфирования (FDMN), рассчитанное по коэффициенту демпфирования в касательном направлении (FDMT), обеспечивающее эффект стабилизации в этом направлении.

Это выглядит просто великолепно, теперь можно применять нагружение моментом без опасений, вместо использования вращения, описанного выше.

Искусственная энергия за счет стабилизации контакта/энергии жесткости

Этот график искусственной энергии стабилизации/энергии жесткости элемента показывает, что искусственная энергия доминирует в начале решения, но постепенно становится незначительной по мере стабилизации решения и получения реалистичного отклика.

Оба подхода, рассмотренные здесь, дают хорошее решение для этой конкретной задачи, однако возможны сценарии, в которых подход начального смещения не будет подходящим или будет неудобным из-за других особенностей модели. Стабилизация контакта обеспечивает упрощенный метод для достижения решения модели, содержащей контактные нелинейности. Настройка модели не должна быть искусством или чем-то вроде черной магии, и приятно видеть, что усовершенствования функционала в ANSYS признали необходимость упростить этот процесс.

Оригинал статьи: NON-LINEAR FEA: CONTACT STABILISATION

 

Добавить комментарий

Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии