Юрий Кабанов, ЗАО «ЕМТ Р»

В настоящей статье приводится описание новых контактных элементов ANSYS 11.0.

Последняя версия ANSYS 11.0 представляет собой дальнейшее развитие единой среды про­граммного комплекса ANSYS и включает интег­рированный набор продуктов ANSYS, ANSYS CFX и ANSYS ICEM CFD, а также новые улуч­шения расчетной среды ANSYS Workbench. Все это позволяет пользователю работать в объеди­ненной среде моделирования и решать широ­кий круг промышленных и научных задач, в том числе выполнять расчет вращающихся машин, композитов, литья и штамповки металлов, мик­роэлектронных устройств, нестационарных тур­булентных течений и создавать расчетные сетки для тонкостенных конструкций с учетом сварных швов. Кроме того, появились новые возможнос­ти для моделирования и расчета контактных за­дач благодаря улучшениям, внесенным в основ­ные контактные алгоритмы, и появлению новых контактных элементов.

Основные свойства элементов типа «Линия с поверхностью»

В ANSYS 11.0 появился новый контактный эле­мент CONTA177, позволяющий моделировать трехмерный контакт между деформируемыми сегментами линии или кривой и сегментами трехмерной поверхности (TARGE170). Элемент CONTA177 можно применять как для моделиро­вания контакта между трехмерными балочными и твердотельными, так и между оболочечными и твердотельными конструкциями (контакт между ребром оболочечного элемента конструкции и гранью твердого тела). В этих случаях элемент CONTA177 может создаваться на основных эле­ментах типа Beam или Pipe и на ребрах оболо- чечных элементов (Shell).

Элемент CONTA177

Элемент CONTA177

Элемент CONTA177 (см. рисунок) использу­ется совместно с элементами BEAM4, BEAM24, BEAM188, BEAM189, PIPE16, PIPE20 и оболоч­ками первого и второго порядка SHELL181 и SHELL281.

Элемент CONTA177 определяется двумя узлами в случае, если основные балочные или оболочечные элементы модели не имеют сре­динных узлов, либо тремя узлами в случае квад­ратичных элементов. Каждый узел элемента имеет три степени свободы: линейные переме­щения UX, UY, UZ. Ось Х направлена вдоль ли­нии, соединяющей узлы I и J. Корректное распо­ложение узлов контактного элемента CONTA177 играет важную роль при генерации контактной пары. Узлы должны быть упорядочены равно­мерно по длине линии.

Элемент CONTA177 поддерживает нели­нейности, большие прогибы, опцию рождения и смерти элементов, а также функцию debonding, которая будет описана далее.

Учет трения

Элемент CONTA177 поддерживает изотропную и ортотропную модели трения Кулона. В случае изотропной модели трения задается один ко­эффициент трения MU с помощью команды ТВ (рекомендуется) или MP. Ортотропная модель трения требует учета двух коэффициентов тре­ния MU1 и MU2, соответствующих главным на­правлениям.

Основные допущения и ограничения

При работе с элементом CONTA177 необходимо учитывать следующие особенности: • при задании величины перемещения кон­тактной поверхности CNOF учитывает­ся эффект толщины основных балочных элементов со стороны контактной поверх­ности;

  • учитывается толщина основных оболочеч- ных элементов со стороны целевой поверх­ности путем установки опции элемента KEYOPT(11) равной 1;
  • поскольку элемент CONTA177 является не­линейным, требуется применение полного метода Ньютона— Рафсона в опциях ре­шателя (NROPT= FullN-R);
  • коэффициент нормальной контактной жест­кости FKNне должен быть слишком боль­шим во избежание появления численной неустойчивости решения;
  • параметр FKNдолжен быть достаточно малым по величине в случае примене­ния расширенного алгоритма Лагранжа (AugmentedLagrangeMethod) и задания допуска на проникание FTOLN;
  • для таких типов анализа, как модальный, при анализе потери устойчивости считает­ся, что начальный статус элемента не из­меняется;
  • элемент CONTA177 подходит для приме­нения в нелинейном статическом и в пол­ном нелинейном переходном анализах (nonlinearfulltransientanalyses).

Debonding

Новая операция debonding применяется для мо­делирования процесса расслоения материала, состоящего из нескольких слоев, контакт меж­ду которыми определялся как bonded с опция­ми контактного алгоритма Augmented Lagrange Method или на основе метода Pure Penalty Meth­od. Зона когезии (сцепления) слоев материала должна быть использована для определения поведения сцепления-расцепления контактного интерфейса. Функцию debonding поддерживают следующие контактные элементы: CONTA171, CONTA172, CONTA173, CONTA174, CONTA175, CONTA176 и CONTA177.

Улучшения в МРС-алгоритме

Изменения в контактных и целевых элементах, внесенные в ANSYS 11.0, значительно улучшили выполнение контактного анализа на основе мно­готочечных связей (MPC-contact). Предыдущая версия МРС-контакта с возможностью большого вращения основывалась на допущении относи­тельно малых шагов вращения. Это ограниче­ние в 11-й версии ANSYS было устранено, что позволило повысить точность и сходимость ре­шения на основе МРС-контакта с типом контак­та bonded или no separation.

Опция KEYOPT (4) элементов TARGE 169 и TARGE170 позволяет контролировать индивиду­альные степени свободы при работе с больши­ми сборками, состоящими из оболочечных или твердотельных элементов с МРС-контактом.