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接触分析07


第七章

多点约束 (MPC)

多点约束 (MPC)

章节综述

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多点约束算法(MPC)提供了一个极为有效的接触模拟算法,能够 多点约束算法( )提供了

一个极为有效的接触模拟算法, 处理很多在ANSYS7.1之前都难以模拟的问题 处理很多在 之前都难以模拟的问题

该章节我们将详细讨论 该章节我们将详细讨论MPC算法及其使用 算法及其使用

多点约束(MPC)

章节综述
该章包括以下几个主题: 该章包括以下几个主题 A. 背景
– – – – – 绑定, 绑定,无分离接触 基于表面的约束 传统绑定接触的局限性 CERIG, RBE3的不足 的不足 MPC算法的优势 算法的优势

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B. 实体对实体的多点绑定接触 C. 壳体对壳体的多点绑定接触 D. 壳体对实体的多点绑定接触 E. 梁对壳体 实体的多点绑定接触 梁对壳体/实体的多点绑定接触 F. 基于表面的多点约束

G. 注释

多点约束(MPC)

A. 背景

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在第三章中我们提起过,MPC算法使用内部生成的约束方程在接触 在第三章中我们提起过, 算法使用内部生成的约束方程在接触 面上保证协调: 面上保证协调 接触节点的自由度被消除 接触节点的自由度被消除.
– 不需要法向刚度和切向刚度 不需要法向刚度和切向刚度. – 对于小变形问题 求解平衡方程时不需迭代 对于小变形问题, 求解平衡方程时不需迭代. 表现出线性接触行为. 表现出线性接触行为 – 对于大变形问题 MPC约束方程在每一步的迭代过程中都要进行校正 对于大变形问题, 约束方程在每一步的迭代过程中都要进行校正. 约束方程在每一步的迭代过程中都要进行校正 – 该方法仅对绑定接触和无分离接触适用 该方法仅对绑定接触和无分离接触适用. 绑定接触 适用 – 对称接触对中不可用 ANSYS会自动转换成不对称接触 会自动转换成不对称接触

MPC 法在点-点接触中不适用 法在点 点接触中

多点约束(MPC)

...背景
MPC法可以绑定不同的单元类型,即使交界面的网格不兼容: 法可以绑定不同的单元类型,即使交界面的网格不兼容 法可以绑定不同的单元类型
– 实体对实体 – 壳体对壳体 – 壳体对实体 – 梁对实体 壳体 梁对实体/壳体

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多点约束(MPC)

...背景
MPC法可用作表面约束 法可用作表面约束
– 刚体约束表面 (CERIG类型 MPC) 类型 – 力分布表面 (RBE3类型 MPC) 类型

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CERIG Torque

RBE3

多点约束(MPC)

...背景
绑定约束和无分离约束的局限 绑定约束和无分离约束的局限:
– 结果取决于指定的接触刚度 结果取决于指定的接触刚度. – 即使是小变形问题中也需要进行多次迭代以调整穿透量 即使是小变形问题中也需要进行多次迭代以调整穿透量. – 模态分析中偶尔会出现失真的自然频率 模态分析中偶尔会出现失真的自然频率. – 只能施加平动自由度约束 只能施加平动自由度约束.

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CERIG 和 RBE3的局限: 的局限: 的局限
– 仅适合于小应变 仅适合于小应变. – RBE3 只支持力约束 只支持力约束. – RBE3 需要手动定义权值.( MPC 表面约束自动计算权值) 需要手动定义权值 ( 表面约束自动计算权值)

多点约束(MPC)

...背景
MPC算法的优势: 算法的优势 求解效率比传统的绑定接触要高 求解效率比传统的绑定接触要高:

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– 对于较大的装配模型使用 对于较大的装配模型使用MPC绑定或无分离算法,计算时间要比其它算 绑定或无分离算法, 绑定或无分离算法 法快. 法快

接触算法
增强Lagrange法 法 增强 MPC法 法

迭代次数
4 1

CPU 时间 (秒) 秒
2710 880

多点约束(MPC)

...背景
MPC算法的优势: 算法的优势: 算法的优势 容易使用 容易使用:
– 接触向导和手动定义中都可设置MPC算法 接触向导和手动定义中都可设置 算法. 算法 – 不需要输入接触刚度 不需要输入接触刚度. – 求解中自动生成约束 – 考虑了形状效应,不需手动输入权值 考虑了形状效应,

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对于基于表面的约束,支持力约束和位移约束. 对于基于表面的约束,支持力约束和位移约束

多点约束(MPC)

...背景
MPC算法的优势: 算法的优势: 算法的优势

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很容易就能模拟壳体-实体、梁-实体、梁-壳体的组合效应: 很容易就能模拟壳体-实体、 实体、 壳体的组合效应
– 支持网格的不兼容 – 梁、壳、实体单元上的节点不需要对准

多点约束(MPC)

B.实体对实体的多点绑定接触
使用实体对实体的多点绑定或无分离接触非常简单 使用实体对实体的多点绑定或无分离接触非常简单.
– 使用 使用CONTA169-174创建面-面接触对 创建面- 创建面 – 接触行为设为绑定 (KEYOPT(12) = 4, 5, 或 6) – 接触探测设为节点 (KEYOPT(4) = 1 或 2) – 接触算法设为 MPC (KEYOPT(2) = 2)

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内部多点约束会在求解中自动生成

Solve

扭矩

多点约束(MPC)

C.壳体对壳体的多点绑定接触

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对壳体-壳体的绑定接触,使用CONTA175和TARGE170单元在壳的 对壳体-壳体的绑定接触,使用 和 单元在壳的 边缘创建点-面接触对. 边缘创建点-面接触对
– 也可使用面-面接触单元 CONTA173-174 ,节点探测设为垂直于目标面 也可使用面- (KEYOPT(4)=2), 但此方法通常比使用 CONTA175单元的效率要低 单元的效率要低. 单元的效率要低

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设置接触行为为绑定 (KEYOPT(12) = 5 或 6) 设置接触算法为 MPC (KEYOPT(2) = 2) 内部多点约束会在求解中自动生成

节点的平动自由度和转动自由 度在交界面处都被约束住

多点约束(MPC)

D.壳体对实体的多点绑定接触

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对于壳体对实体的多点绑定接触,基本步骤和上述类似,但由于壳体和 对于壳体对实体的多点绑定接触,基本步骤和上述类似, 实体交界面的复杂性, 实体交界面的复杂性,一些额外的选项需要设置 创建点-面接触对 创建点-
– CONTA175(壳体上单元交界面的边界) (壳体上单元交界面的边界) – TARGE170(实体上单元交界面的边界) (实体上单元交界面的边界) – 设置接触行为为绑定接触 (KEYOPT(12) = 5 或 6) – 设置接触算法为 MPC(KEYOPT(2) = 2) – 设置MPC 约束类型 (TARGE170, KEYOPT(5) = 0,1,2,3,4)

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*
壳单元

在目标面上建立虚拟壳(当需要时)

接触单元 (CONTA175) 目标单元 (TARG170) (实体上 实体上 表面) 表面

实体单元

多点约束(MPC)

...壳体对实体的多点绑定接触

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当创建壳体对实体的多点绑定接触时,用户可在实体表面附上一个额 当创建壳体对实体的多点绑定接触时, 外的壳单元(虚拟壳),并在实体、壳和附加的壳上定义约束方程. ),并在实体 外的壳单元(虚拟壳),并在实体、壳和附加的壳上定义约束方程
– 当需要时,该选项可以更好的模拟壳体和实体之间的载荷传递. 当需要时,该选项可以更好的模拟壳体和实体之间的载荷传递

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虚拟壳

多点约束(MPC)

...壳体对实体的多点绑定接触
– TARGE170, KEYOPT(5)=0,自动约束 (缺省 自动约束 缺省 缺省) – TARGE170, KEYOPT(5)=1, 只有平动位移被约束 – TARGE170, KEYOPT(5)=2, 平动和转动位移都被约束

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MPC选项允许用户控制哪些自由度用于生成内部约束,总结如下: 选项允许用户控制哪些自由度用于生成内部约束,总结如下 选项允许用户控制哪些自由度用于生成内部约束

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– TARGE170, KEYTOPT(5)=3,壳节点上的平动和转动位移都被约束 实体节 壳节点上的平动和转动位移都被约束,实体节 壳节点上的平动和转动位移都被约束 点上只有平动位移被约束 – TARGE170, KEYOPT(5)=4, (8.1版本新选项 版本新选项) 版本新选项

下面我们对其作详细讨论 下面我们对其作详细讨论.

多点约束(MPC)

...壳体对实体的多点绑定接触
TARGE170, KEYOPT(5)=0, 自动约束 (缺省设置 缺省设置) 缺省设置
– 大多数情况下,ANSYS对壳体-实体组合约束平动和转动自由度 大多数情况下, 对壳体- 对壳体 实体组合约束平动和转动自由度.

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多点约束(MPC)

...壳体对实体的多点绑定接触
TARGE170, KEYOPT(5)=1: 实体-实体约束 实体-
– 在实体表面创建虚拟壳单元(SHSD命令) 在实体表面创建虚拟壳单元( 命令) 命令 – 只有平动位移被约束 壳单元和虚拟壳单元的节点重合 CONTA175 单元处在虚拟壳单元和实体单元的交界节点上

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虚拟壳

壳厚度

多点约束(MPC)

...壳体对实体的多点绑定接触
TARGE170, KEYOP(5)=2: 壳体-实体约束 壳体-实体约束:
– 使用 使用SHSD命令在实体表面创建虚拟壳 命令在实体表面创建虚拟壳 – 平动和转动自由度被约束 虚拟壳和实体表面节点重合 CONTA175单元仍然存在于壳边缘 单元仍然存在于壳边缘 虚拟壳和壳之间存在自由度约束

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虚拟壳

多点约束(MPC)

...壳体对实体的多点绑定接触
TARGE170, KEYOP(5)=3:壳体-实体约束 壳体- 壳体
– 不需要虚拟壳

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– 壳边缘上的平动和转动自由度被约束;实体表面只有平动自由度被约束 壳边缘上的平动和转动自由度被约束 实体表面只有平动自由度被约束. 实体表面只有平动自由度被约束 – 当壳和实体都处在接触或目标同一边 否则该选项和 当壳和实体都处在接触或目标同一边. 否则该选项和KEYOPT(5)=0相同 相同. 相同

多点约束(MPC)

...壳体对实体的多点绑定接触
TARGE170, KEYOP(5)=4:壳-实体约束,所有方向 壳 实体约束,

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– 如果接触法向和目标法向相交,那么和 KEYOPT(5)=3相同 否则处于 如果接触法向和目标法向相交, 相同.否则处于 相同 Pinball区域内的节点仍然使用约束方程 区域内的节点仍然使用约束方程

目标法向 接触法向

Pinball 区域

多点约束(MPC)

...壳体对实体的多点绑定接触
对于壳体-实体接触该选择哪个选项? 对于壳体-实体接触该选择哪个选项?
– 对于许多问题,所有的选项都能产生相同的或非常相近的结果. 对于许多问题,所有的选项都能产生相同的或非常相近的结果

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最好的选项取决于几何的复杂程度和施加在装配上的载荷 最好的选项取决于几何的复杂程度和施加在装配上的载荷.
– 如果壳体在壳-实体交界处承受很大的平面外扭矩,KEYOPT(5)= 1 或 如果壳体在壳-实体交界处承受很大的平面外扭矩, 2 使用虚拟壳较好 使用虚拟壳较好. – 大多数情况, KEYOPT(5)= 0 或 3 较合适 较合适. 大多数情况 – 如果不能确定是否使用 KEYOPT(5)=0,3 , 可使用 KEYOP(5)=1,2 验证 计算结果. 计算结果 – 对于壳和实体之间存在可以忽略的小的间隙,那么可以使用 对于壳和实体之间存在可以忽略的小的间隙, KEYOPT(5)=4.

多点约束(MPC)

...壳体对实体的多点绑定接触
考虑一个三维突缘体的例子: 考虑一个三维突缘体的例子

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使用三维实体单元

采用实体和壳模拟,用MPC算法连接 Contact175和Target170单元

多点约束(MPC)

...壳体对实体的多点绑定接触

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实体单元 DMX=101.5 SMX=1.22

自动约束 (KEYOP(5)=0,3) MPC, 无虚拟壳单元 DMX=107.2 SMX=1.41

实体-实体(KEYOP(5)=1) MPC 有虚拟壳 平动自由度被约束 DMX=104.2 SMX=1.44

壳体-壳体 (KEYOP(5)=2) MPC 有虚拟壳单元 (平动和转动自由度被约束) DMX=103.2 SMX=1.40

多点约束(MPC)

E.梁对壳体/实体的多点绑定接触
– 把梁和实体 壳体绑定 把梁和实体/壳体绑定

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使用 TARGE169/170 的导向节点建立和 CONTA171-175单元的连接类 单元的连接类 命令: 似于使用 CERIG 和RBE3 命令

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– 在面和边上施加位移或力约束

扭矩

多点约束(MPC)

...梁对壳体/实体的多点绑定接触
对梁-实体单元使用 法的步骤: 对梁-实体单元使用MPC法的步骤 法的步骤 创建点-面接触对 创建点-
– 使用梁边缘上的节点创建 使用梁边缘上的节点创建CONTA175单元 (ESURF命令 单元 命令) 命令

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– TARGE170使用梁端的导向点 参考命令:KMESH 、 TSHAP、PILOT 、 E) 使用梁端的导向点(参考命令 使用梁端的导向点 参考命令: 、 – 设置接触行为为绑定 KEYOPT(12) = 5 or 6) 设置接触行为为绑定( – 设置接触算法为 MPC ( KEYOPT(2) = 2) ) – 如果使用 CONTA171-174, 设置 设置RBE3或CERIG( KEYOPT(4)=1,2) 或 ( ) – 如果使用 CONTA175, 设置 CERIG 或 RBE3 ( KEYOPT(4)=0,1) )

导向节点

表面节点上的接触 单元

梁单元

多点约束(MPC)

...梁对壳体/实体的多点绑定接触
对梁-壳单元使用 法的步骤: 对梁-壳单元使用MPC法的步骤 法的步骤 创建点面接触对
– 使用壳边缘上的节点创建 使用壳边缘上的节点创建CONTA175单元 (ESURF命令 单元 命令) 命令 – 设置接触行为为绑定 KEYOPT(12) = 5 or 6) 设置接触行为为绑定( – 设置接触算法为 MPC ( KEYOPT(2) = 2) )

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– TARGE170使用梁端的导向点 参考命令:KMESH 、 TSHAP、PILOT 、 E) 使用梁端的导向点(参考命令: 、 使用梁端的导向点 参考命令

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– 如果使用 CONTA173-174,设置 设置RBE3或CERIG( KEYOPT(4)=1,2) 设置 或 ( ) – 如果使用 CONTA175, 设置 CERIG 或 RBE3 ( KEYOPT(4)=0,1) )

导 向 节 点
Beam element

壳体边缘节点上的 CONTA175单元

多点约束(MPC)

F.基于表面的多点约束

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创建基于表面的约束( ),在表面和边缘上施加 创建基于表面的约束(CERIG或RBE3型MPC),在表面和边缘上施加 或 型 ), 位移和力: 位移和力 创建节点-表面接触对 创建节点-
– 在从节点上建立 在从节点上建立CONTA175单元 (ESURF) 单元 – TARGE169/170 导向节点作为主节点 (KMESH 、TSHAP、PILOT 、E) 、 – 设置接触行为为绑定(KEYOPT(12) = 5 or 6) 设置接触行为为绑定 – 设置接触算法为 MPC(KEYOPT(2) = 2) – 设置 设置CERIG 或 RBE3 类型为 CONTA175(KEYOPT(4)=0,1) ( ) – 定义要约束的DOF(使用 定义要约束的 (使用TARGE170, KEYOP(4) )

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在导向节点上施加位移和力 在导向节点上施加位移和力.
导向节点作为主节点 CONTA175 单元 在 从节点上

多点约束(MPC)

...基于表面的多点约束
创建基于表面的约束: 创建基于表面的约束: 定义 定义DOF约束集 约束集: 约束集
– 用户可以控制要约束的 用户可以控制要约束的DOF(使用KEYOP(4)输入 个数值) . (使用 输入6个数值 输入 个数值) 6个数字分别为 ROTZ, ROTY, ROTX, UZ, UY, UX的值 个数字分别为 的值. 的值 1 表示 表示DOF为激活状态 为激活状态. 为激活状态 0代表非激活状态 代表非激活状态. 代表非激活状态

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– 例如: KEYOPT(4) = “100011” 表示 ROTZ, UY, UX 将在MPC法中使用 例如 将在 法中使用. 法中使用 KEYOPT(4) = “11” 表示 UY 和UX 被激活,0可忽略 被激活, 可忽略 可忽略. – 任何不包括在 任何不包括在MPC中的自由度应该被约束 中的自由度应该被约束. 中的自由度应该被约束 – 缺省状态为 KEYOPT(4) =“111111” “

多点约束(MPC)

...基于表面的多点约束
创建基于表面的约束: 创建基于表面的约束

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基于表面的 基于表面的MPC法也可以通过接触向导创建,和创建接触对类似. 法也可以通过接触向导创建,和创建接触对类似 法也可以通过接触向导创建

定义主节点 (导向节点)

定义从节点 (接触)

定义约束类型和 DOF集

多点约束(MPC)

...基于表面的多点约束
对比CERIG 和 RBE3 ) 基于表面的约束 (对比


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接触面在载荷作用下仍维持初始形状,载荷作为位移转换成刚体接触. CERIG -接触面在载荷作用下仍维持初始形状,载荷作为位移转换成刚体接触. 接触面在载荷作用下允许变形,载荷作为力和力矩转换成柔体接触. RBE3 -接触面在载荷作用下允许变形,载荷作为力和力矩转换成柔体接触.

CERIG ,使用 CONTA175 Keyopt(4)=0
施加了位移和转 动的导向节点 变形后的刚 体接触面

RBE3 ,使用 使用CONTA175 Keyopt(4)=1
施加了位移和转 动的导向节点 变形后的柔体 接触面

初始接触面
初始接触面

多点约束(MPC)

G. 注释

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和一般接触对不同,当使用TARGET169/170导向节点作为主节点建 和一般接触对不同,当使用 导向节点作为主节点建 立基于表面的约束时,模型中不必存在刚性目标面. 立基于表面的约束时,模型中不必存在刚性目标面 MPC选项对于使用CONTA 171-175单元的热、电磁分析同样适用(例如 22X 耦合场单元).
– 更多情况可参考第十章 更多情况可参考第十章. – 热接触MPC 可使用 THOPT,QUASI 快速求解选项以优化运行时间. 热接触 快速求解选项以优化运行时间

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多点约束(MPC)

… 注释
使用 使用MPC算法时的一些限制 算法时的一些限制: 算法时的一些限制

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– 对于基于 对于基于MPC法的接触,一定要设置节点探测选项。如果激活MPC算 法的接触,一定要设置节点探测选项。如果激活 法的接触 算 法前没有进行设置的话,对面-面接触单元(CONTA171-174)设置 法前没有进行设置的话,对面-面接触单元 ) KEYOPT(4)=2 CONTA175 始终使用节点探测 – 当刚性体是基本图元时(例如球体、圆锥、圆柱等), 当刚性体是基本图元时(例如球体、圆锥、圆柱等),MPC选项不支 ), 选项不支 持刚体- 持刚体-柔体接触 – 因为约束方程是内部生成的,MPC算法不能得到与接触相关的后处理 因为约束方程是内部生成的, 算法不能得到与接触相关的后处理 数据(例如CONT,PRES或ETABLE中的条目) 中的条目) 数据(例如 或 中的条目

多点约束(MPC)

... MPC … WORKSHOP
W7A.梁对壳体的多点约束接触 梁对壳体的多点约束接触 W7B.基于表面的多点约束 基于表面的多点约束

Training Manual

在结构上施加位移约束和扭矩请参考 workshop 中的相关章节 在结构上施加位移约束和扭矩请参考 中的相关章节.

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