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).