ANSYS Workbench瞬态接触非线性收敛案例分析全解

问题描述：

瞬态接触材料非线 性收敛问题，一直是仿真分析中比较头疼的一块，因为网格划分不合理、接触设置不当、 边界设置不合理、载荷步设置不充分、载荷子步设置不合理、载荷加载方式不对等等都会导致计算不收敛。
 

1. 仿真模型及前期设置

模型简化：

为分析螺旋线变形，特设计下图模型进行仿真分析，模型包括螺旋线、三根挤压杆、支撑架三部分。三根挤压杆与支撑架宽度方向零对零配合，长度方向有一定间隙

图1 螺旋线挤压模型

螺旋线模型包括三部分：首尾各 4 圈分别做为一分部，中间 16 圈为一部分。模型这样处理主要是考虑螺旋线端处会出现应力奇异点，在显示应力变形时，只看中间部分螺旋即可。

图2 三段螺旋线模型

与螺旋接触处的挤压杆头需做特殊处理，保证挤压过程螺旋线与挤压杆接触充分。

part 设置：

三段螺旋线设置为一个 part ，其他模型进行接触设置。

图3 螺旋线part设置

材料参数设置：

螺旋线材料为 Mo1，材料设置塑性，柔性体，三根挤压杆材料为 1Cr18Ni9Ti , 设置为刚体，支撑件材料为 1Cr18Ni9Ti，设置为柔性体，具体设置如图 4。

图4 挤压杆材料参数设置

坐标系设置：需分别对螺旋线、三根挤压杆设置局部坐标系。螺旋线设置局部柱坐标系，设置如图 5，为了在结果分析时显示径向变形。

图5 螺旋线柱坐标系设置

三根挤压杆分别设置局部坐标系如图 6，X方向沿径向向外。

图6 挤压杆局部坐标系设置

接触设置：

三根挤压杆与支撑杆之间设置接触，摩擦系数 0.05，其他设置不做变化，使用默认，挤压杆设置为目标体。摩擦系数根据仿真经验取0.05。

图7 挤压杆与支撑杆接触设置

三根挤压杆与三段螺旋线设置接触，摩擦系数 0.1，其他设置不做变化，使用默认，挤压杆设置为目标体。摩擦系数根据仿真经验取 0.1。

图8 挤压杆与螺旋线接触设置

网格划分：

网格大小设置不匹配或使用四面体网格设置会影响计算收敛，关键部位网格适当细化。多次计算不收敛后，网格最终设置螺

旋线网格大小为 0.08mm，挤压杆网格大小为 0.1mm，支撑杆网格大小为 1mm，网格数 441032，如图 9。螺旋线网格使用六面体，如图 10。四面体网格会影响计算收敛，不同的网格大小设置会影响计算收敛。

图9 模型网格

图10 螺旋线网格

时间步设置：时间步设置直接关系计算收敛，在其他条件不变的情况下，最终通过多次调解时间步和时间子步完成收敛。每次计算不收敛发生在哪步，就对应增加子步，重复进行计算，直到完成收敛。

最终时间步设置为 5 步，第 1 步设置如图 11，最大子步 40，第 2 步，最大子步 40，第 3 步最大子步 30，第 4 步最大子步 30，第 5 步最大子步 30。开大变形，自动时间步设置为 On。默认条件不做变化。

图11 载荷时间步设置

边界设置：支撑杆两端面设置固定约束，如图12

图12 固定约束

位移载荷：

对三根挤压杆分别设置位移载荷，选择对应的局部坐标系，具体设置如图 13，为了保证收敛，第一步施加一个小位移，第二步及以后步按照具体需求施加。

在案例分析中，希望看到螺旋线在载荷 0.0025，0.005mm，0.0075mm，......，0.01mm，0.02mm，...，一直到 0.07mm 等多个位移载荷下螺旋线的应力和变形情况，由于计算需要很大的内存空间，因此案例分多次计算，每次只计算 5 步。

图13 位移载荷

2. 仿真结果

根据仿真分析，我们可以得到不同挤压量时螺旋线各位置的变形情况，如图14，显示挤压量为 0.01mm 时，螺旋线各点的位移变化情况，挤压位置径向向内收缩 0.0120mm，任意挤压位置之间的径向伸出 0.0077mm，螺旋线呈三角状。

图14 挤压量为 0.01mm 时螺旋线各点位移

图 15 给出挤压量为 0.01mm 时，螺旋线变形情况及挤压杆的分布。

图15 挤压量为 0.01mm 时螺旋线各点位移

图16给出挤压量为 0.01mm 时，螺旋线各点的应力情况，挤压收缩处螺旋线已经发生塑性变形，挤压伸长处，螺旋线也发生了塑性变形，挤压收缩和伸长之间中间处应力较小。

图16 挤压量为 0.01mm 时螺旋线各点应力

特别说明：

文章中多次提到默认条件不做变化，是因为在进行螺旋线挤压分析过程中本人也查了很多资料，有很多建议要对默认做修改，在试算过程中对接触设置，子步设置，计算设置的部分设置进行了修改，最终没能完成收敛。因此建议尽量不要随便改变默认设置，除非对设置非常了解。

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