Ansys Workbench尖角接触分析案例深度剖析

目前常见的ANSYS Workbench接触教程里，当接触对几何包含尖角时，通常建议对尖角倒圆。最近笔者在解决2个分析实例时，发现通过网格和接触属性的合理设置，尖角同样可以收敛。

(一)  接触发生后几何不再分离。

1.     问题描述

几何建模如图，在Design Modeler内生成2个面体。

Engineering data中添加材料：软件材料库自带的非线性铝合金(Aluminum Alloy NL)。设置分析类型为2D。

2. 分析设置

建立static structural任务后进入分析页面，圆形面体材料设为软件自带structural steel，方形面体材料设为Aluminum Alloy NL。建立摩擦接触，contact为方形面体的上部和左侧的2条边，target为圆形面体的外圆边，摩擦系数0.2，其它所有接触设置为默认。

不添加任何网格设置，按默认状态生成网格(默认单元尺寸为10.522mm)：

3.  边界条件和求解

Analysis setting中打开自动时间步，初始子步100，最小子步10，最大子步1000。打开大变形。圆形面体的外圆周边设为fixed support，方形面体的底板边设为displacement：X向-100mm，Y向0。

开始求解，772步后收敛：

变形动画：

4. 圆形面体几何更改

试着增加问题难度。进入Design modeler，利用主菜单concept下的spit edge把圆形面体的外圆边变为上下等分的2个半圆边:

回到分析页面，几何更新后，圆形面体材料改为Aluminum Alloy NL，接触的target改为圆形面体的底部半圆边:

网格不变。边界条件里，圆形面体的顶部半圆边设为fixed support，其余不变。开始求解后，125步后不收敛(时间为0.3178秒)。

查看Newton-Raphson残余力，发现尖角处为最大值。此时怀疑尖角导致不收敛。

5.  长方形面体几何更改

在Design Modeler内，对长方形面体要发生接触的尖角倒圆(R3):

接触设置里contact加入生成的圆角边：

然而重新计算后依然在0.3178秒时不收敛，Newton-Raphson残余力如图：

即使加密网格(默认单元尺寸为1mm)，重新计算后依然在0.3178秒时不收敛：

6. 长方形面体几何不更改

前面增加的圆角抑制，网格使用默认单元尺寸，接触的contact自动更新为2条直边，更改接触的设置如下：

再次求解，461步后收敛：

变形动画：

7. 局部加密网格，接触设置不改

保持接触设置为默认，方形面体顶部和左侧的边网格加密如下(edge sizing单元尺寸取6mm):

计算也可以收敛，但需要943步：

可见，或者加密网格，或者接触属性被合理设置，接触对里的尖角不需倒圆也可达到计算收敛。

下面是2个尖角与target接触又分离仍然不需倒圆的例子。

(二)接触发生后几何再次分离。

1.     问题描述

在Design Modeler里建立2个面体如图。图中3个加亮显示的边是为了减小网格数量split edge后得到的，设置分析类型为2D。

2. 分析设置

建立static structural任务后进入分析页面，2个面体材料均指定为软件自带的Structural Steel

NL。建立摩擦接触，contact为N形面体的3条边，target为L形面体的5条边，摩擦系数0.2，其它所有接触设置为默认。

生成网格，单元尺寸为0.5mm：

边界条件，L形面体最右侧的边fixed support，N形面体左侧的边Y向位移-4mm，X向0mm。

求解后，不收敛：

Newton-Raphson残余力：

加密网格，对参与接触的6条边设置edge sizing，单元尺寸0.16mm，

再次求解后，456步后收敛：

变形动画：

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