Achuth Rao, ANSYS, Inc.

В данной статье мы расскажем о новых возможностях программного комплекса ANSYS и ANSYS Workbench, связанных с моделированием реального поведения контактирующих тел.

Точный и корректный расчет различных вариан­тов контакта двух и более тел является чрезвы­чайно важной задачей при проектировании сбо­рок с сопрягаемыми деталями, преднапряженных узлов, сварных соединений и т.п. Такие виды кон­тактного анализа должны учитывать далеко не только CAD-геометрию и допуски на размеры.

Во-первых, область контакта в общем случае неизвестна до начала решения задачи. В зависимости от нагрузок, свойств материа­лов, граничных условий и других факторов, по­верхности могут входит и выходить из контакта непредсказуемо и внезапно. Во-вторых, в боль­шинстве контактных задач необходимо учиты­вать трение. Существует несколько законов и моделей трения, и все они являются нелинейны­ми. Реакция на трение может быть хаотической, что значительно усложняет сходимость задачи. Кроме того, многие контактные задачи могут включать различные связанные эффекты, та­кие как теплопроводность, электрические токи и магнитный поток через области контакта.

Как показано в таблице, программный ком­плекс ANSYS содержит полный набор инстру­ментов контактной технологии для проработки различных вариантов контакта и моделирования сборок. Они хорошо работают с нелинейными и линейными элементами, с широким диапазоном материалов (от металлов до резин), а также со связанными физическими задачами, включая акустику, пьезоэлектричество, термопрочност­ные и термоэлектрические задачи, жидкостно- структурное взаимодействие.

«Контактные» возможности ANSYS

Technology Node-node Node-surface Surface-surface Line-line
Sliding Small Large Large Large
Pure Lagrange + + + +
Augmented Lagrange + + + +
Lagrange (normal)/penalty (tangent) + + + +
MPC + + +
Contact stiffness update Semi-auto Semi-auto Semi-auto Semi-auto
Lower order + + + +
Higher order +(2-D) + +
Rigid-flexible + + + +
Flexible-flexible + + + +
Thermal contact + + +
Electric/magnetic contact + + +

Моделирование контакта в ANSYS Workbench

ANSYS Workbench представляет собой общую платформу для всех расчетов ANSYS и обес­печивает двустороннюю ассоциативную связь с CAD-системами для параметризации анализа. Простая в использовании, эта расчетная среда позволяет конструктору в короткие сроки выпол­нять анализ конструкции и вносить в нее изме­нения по результатам моделирования.

ANSYS Workbench предлагает различные возможности по контактному анализу: автома­тическое определение контакта на CAD-геомет- рии, автоматическое изменение размера расчет­ной сетки в области контакта, предварительное определение поведения контактной поверхности и установки контакта, просмотр и анализ резуль­татов контактного взаимодействия (контактное давление, напряжение, статус и т.д.), а также локальный просмотр результатов для выбран­ных контактных поверхностей.

Workbench предлагает инструменты для ав­томатизации и углубленного анализа контактных задач, что позволяет уменьшить время подготов­ки, расчета и анализа результатов больших сбо­рок на этапе проектирования. В процессе импорта геометрии из CAD-системы детали в сборке авто­матически проверяются на возможность генера­ции контакта между различными сопрягаемыми поверхностями. По умолчанию контактные пары обрабатываются как bonded contact. Посредством панели установок опций контакта каждая пара может быть настроена индивидуально под требу­емый тип анализа: изменение поведения контакт­ной поверхности, контактный алгоритм, а также такие параметры, как коэффициенты трения и др.

В Workbench также существуют инструмен­ты для контроля качества расчетной сетки при измельчении элементов в локальных контактных областях, интересных в плане конечных результа­тов. Локальный просмотр результатов (Scoped Re­sults) позволяет детально анализировать резуль­таты расчета на отдельных контактных парах.

В последние годы в ANSYS постоянно рас­ширяются возможности контакта применитель­но к целому классу инженерных задач: начиная с возможности моделирования точечной сварки с помощью метода многоточечных связей (MPC- алгоритм) и заканчивая реализацией контакта типа «балка — балка».

Многоточечные связи и точечная сварка

Если в модели должно быть учтено трение, а взаимодействие между телами носит связанный характер, то можно применять свойства MPC- алгоритма для создания различных типов кон­тактных сборок и ограничений поверхностей.

Традиционное моделирование точечной сварки требует соответствия расчетных сеток кон­тактирующих поверхностей (совпадения узлов), что представляет значительные трудности и часто сводится к ручному разбиению модели. Причем данный подход не учитывает радиус точечной сварки, что является типичной причиной недо­оценки прочности точечного сварного соедине­ния в тех случаях, когда размер радиуса точечной сварки сопоставим с размером элемента сетки.

Использование технологии MPC для моде­лирования точечной сварки является хорошей альтернативой традиционному подходу. Она позволяет пользователю легко моделировать тонкие листовые детали, которые соединяются между собой точечной сваркой, заклепками или иным крепежом. Точечная сварка может быть создана в любом месте между соединяемыми деталями независимо от характера разбиения на конечные элементы и взаимного расположе­ния узлов. Каждый точечный сварной узел мо­жет соединять две или более поверхностей.

Данная технология имеет ряд важных пре­имуществ:

  • основное сварное соединение легко опреде­ляется двумя скрепляемыми поверхностями и одиночным узлом, называемым узлом сварной точки, на одной из поверхностей;
  • учитываются эффекты от радиуса сварной точки, заданного пользователем. ANSYSбудет создавать внутренние MPC-связи че­рез две ранее определенные контактные пары, располагающиеся на соединяемых точечной сваркой поверхностях. Внутрен­ние уравнения связи (force-distributedcon­straints) связывают совместными переме­щениями узлы на поверхностях, что обес­печивает перемещение сварной точки;
  • сварная точка может быть жесткой (по умолчанию) или деформируемой. Задавая деформируемую сварную точку, пользова­тель просто определяет тип элемента как деформируемая балка перед генерацией сварной точки.

Контакт типа «балка — балка»

Контакт между балками, которые подвержены существенным перемещениям, встречается во многих практических приложениях: водородные датчики, линии водоснабжения, трубопроводы атомных электростанций, кабели проводов и ка­тушки, производство ткани и сетки для теннис­ных ракеток.

Последние достижения в контактной техно­логии позволяют моделировать двумерный кон­такт типа «балка с балкой» с помощью двумер­ных контактных элементов типа «поверхность с поверхностью», а также трехмерный контакт типа «балка — балка» с помощью новых кон­тактных элементов типа «линия с линией» в про­граммном комплексе ANSYS.

Существует три различных варианта пред­ставления трехмерного контакта типа «балка — балка»:

  • внутренний контакт, при котором одна балка скользит по внутренней поверхности другой;
  • внешний контакт, при котором две балки можно считать приблизительно параллель­ными, а контакт происходит по их наруж­ным поверхностям;
  • внешний контакт, осуществляющийся меж­ду внешними поверхностями балок в точке (скрещивающиеся балки). Контактные и целевые элементы могут быть

прикреплены к трехмерным балкам или к трубам, которые представляют собой элементы 1-го или 2-го порядка. Контакт между двумя балками мо­жет быть как упруго-податливым (flexible-flexible), так и жестко-податливым (rigid-flexible).