Глава 9.

Генерирование контактных элементов

Содержание

9. Генерирование контактных элементов

9.1. Применение контактных элементов -----------------------------------------------9-3

9.2. Создание контактных элементов --------------------------------------------------- 9-3

9.2.1. Симметричный и асимметричный контакт поверхностей --------9-3

9.2.2. Дополнительные аспекты моделирования контакта ---------------9-6

9.1. Применение контактных элементов

В сложных контактных задачах невозможно заранее предсказать, какие области двух поверхностей окажутся во взаимном контакте. Для моделирования контакта типа поверхность-поверхность используются элементы контакта общего вида: CONTAC48 и CONTAC49. В расчетной модели следует указать пару контактирующих поверхностей, одна из которых является исходной поверхностью, а другая - ответной поверхностью. Затем программа сможет генерировать набор контактных элементов между этими двумя поверхностями.

9.2. Создание контактных элементов

Для создания элементов контакта типа поверхность-поверхность можно использовать приведенную ниже процедуру.

1. Получить сеточную область контактирующих поверхностей созданием сетки поверхностей или объемов с теми типами конечных элементов, которые выбраны для этих поверхностей или объемов (используется команда AMESH или команда VMESH или соответствующий маршрут меню Main Menu> Preprocessor>-Meshing-Mesh>meshing option (опции построения сетки)).

2. Сгруппировать узлы на ответной поверхности в один компонент и узлы на контактной поверхности в другой компонент. Для создания компонентов используется логика выбора (Utility Menu>Select>Entities) и команда CM (маршрут меню Utility Menu> Select>Comp/Assembly>Create Component).

3. Задать атрибуты контактных элементов. (Тип элемента должен быть CONTAC48 или CONTAC49.)

4. Использовать команду GCGEN (маршрут меню Main Menu>Preprocessor> Create>Elements>At ContactSrf) для идентификации исходной и ответной поверхностей с помощью имен и для генерации контактных элементов между этими именованными поверхностями.

Если именованные поверхности присоединены к объемам, которые имеют сетку твердотельных элементов, программа может задать направление внешней нормали к ответной поверхности контакта, что необходимо для решения контактной задачи. Если балочные или оболочечные элементы образуют некоторые ответные поверхности контакта, следует в команде GCGEN указать, какая из сторон элемента (нижняя или верхняя) является такой ответной поверхностью.

9.2.1. Симметричный и асимметричный контакт поверхностей

Существует опция задания ассиметричной или симметричной контактной модели. Задание пары контактирующих поверхностей одной командой GCGEN создает асимметричную контактную модель. В этом случае одна из поверхностей является исходной поверхностью, а другая - ответной. И наоборот, следует использовать две команды GCGEN, чтобы идентифицировать каждую из поверхностей и как исходную поверхность, и как ответную. Этот случай рассматривается как симметричное моделирование контакта.

Например, рассмотрим две поверхности, А и B. Поверхность А может быть исходной поверхностью, а поверхность B - ответной поверхностью при использовании одной команды GCGEN, либо поверхность B будет исходной поверхностью, а поверхность A - ответной при задании второй команды GCGEN.

Пример части листинга ввода при генерирования контактных элементов в препроцессоре PREP7 приведен ниже:

NSEL, S, NODE, .. ! Выбор узлов на исходной поверхности

CM, CONTACT, NODE ! Эти узлы образуют компонент CONTACT

NSEL, S, NODE,... ! Выбор узлов на ответной поверхности

CM, TARGET, NODE ! Новые узлы образуют компонент TARGET

NSEL,ALL

GCGEN,CONTACT,TARGET ! Создание контактных элементов между поверхностями (ассиметричный контакт)

GCGEN,TARGET,CONTACT ! Компоненты переупорядочены - вторая команда GCGEN создают симметричные условие контакта

Подробнее о командах NSEL, CM и GCGEN см. в их описании.

В общем случае симметричные условия контакта являются более предпочтительным способом моделирования, поскольку в этом случае не требуется уделять внимание тому, какая из поверхностей является исходной, а какая - ответной. Напротив, ассиметричное контактное моделирование требует соблюдения следующих правил для разделения этих двух поверхностей:

• Если область контакта одной поверхности является плоской или выпуклой, а область контакта другой поверхности представляет собой острое ребро или она является вогнутой, то ответной поверхностью должна быть плоская/вогнутая поверхность.

Узлы и поверхность (выпуклая) контакта

Ответная поверхность (плоская или вогнутая)

• Если обе области контакта плоские, выбор исходной и ответной поверхностей произволен.

Каждая поверхность может быть как контактной, так и касательной

• Если обе контактных области выпуклые (и не являются острыми ребрами), ответной поверхностью должна быть более плоская из них.

• Если из двух контактных областей одна представляет собой острое ребро, то поверхность острого ребра должна быть исходной поверхностью.

• Если обе контактные области имеют острые ребра или волнистую поверхность (чередование вогнутостей и выпуклостей), выбор ответной поверхности зависит от конфигурации поверхностей после их контактного взаимодействия. В таких случаях предпочтительнее использовать условия симметричного контакта.

9.2.2. Дополнительные аспекты моделирования контакта

Наборы узлов на контактирующих поверхностях не обязаны совпадать друг с другом. Более того, если контактирующие поверхности и в самом деле совпадают во всех узлах, потребуется указать некоторое значение для вещественной константы TOLS, чтобы получить более эффективное решение. (Более подробно см. " Использование нелинейных элементов с переменным статусом" в Главе 8 Руководства ANSYS Structural Analylsis Guide.)

Возможности программы ANSYS, используемые при решении контактных задач, ориентированы на применение линейных элементов (т.е. без срединных узлов). В общем случае следует исходить из рекомендации строить контактирующие поверхности только из элементов, не имеющих срединных узлов. Единственное исключение из данной рекомендации можно допустить для двумерной контактной задачи, когда срединные узлы конечного элемента находятся только на исходной поверхности. (Элементы CONTAC48 соединяют узлы исходной поверхности с ответной поверхностью. Если срединные узлы находятся на ответной поверхности, они будут игнорироваться командой GCGEN.)

При решении трехмерных контактных задач возможны ситуации, когда процесс поиска взаимного контакта во время решения задачи срывается из-за того, что ответная поверхность содержит сильно деформированные или искривленные четырехугольные грани элементов. (Программа информирует пользователя об этом с помощью сообщений WARNING.) Подобные отказы происходят в том случае, когда граница контактной поверхности не является плоской. Если программа обнаруживает искривленные грани элемента ответной поверхности, то определяет базу контактного элемента для усредненного значения координат узлов, порождая неопределенное положение ответной поверхности. Следует, однако, обратить внимание на то, что треугольные грани элемента никогда не становятся искривленными, потому что три его узла всегда определяют некоторую плоскость. Таким образом, отмеченную выше трудность можно легко преодолеть, выбирая для опции Shape значение TRI при задании команды GCGEN и создавая, таким образом, треугольные поверхностные элементы CONTAC49. Получающиеся в результате основания треугольных контактных элементов точно совпадут с каждым угловым узлом расположенных ниже элементов, как бы сильно не были искривлены грани четырехугольных элементов.