POLITECHNIKA SZCZECIŃSKA

KATEDRA MECHANIKI I PODSTAW KONSTRUKCJI MASZYN

Ćwiczenie nr 11

Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych

Numeryczne metody analizy konstrukcji

Analiza zagadnienia kontaktowego

Szczecin 2002

Opis ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z modelowaniem zagadnień kontaktowych, które ze względu na swoja naturę wprowadzają do badanej struktury nieliniowość (co objawia się tym, że obliczenia są przeprowadzane w sposób iteracyjny).

Z uwagi na złożoność obliczeń nieliniowych i czas trwania tych obliczeń badany model będzie modelem płaskim (Rys. 1).

Rysunek 1: Schemat modelu

POSTPROCESOR

Badany model jest z aluminium (E=70000 MPa; ν= 0.32) i zostanie zamodelowany elementami tarczowymi PLANE42 (Solid >> Quad 4node 42).

Do zamodelowania kontaktu posłużą nam elementy kontaktowe Contac 2D pt-to-surf 48.

Rysunek 2: Geometria i lokalizacja węzłów w elemencie kontaktowym CONTAC48

Jak widać na Rysunku 2 Elementy kontaktowe CONTAC48 są tworzone między węzłami należącymi do powierzchni Contac Surface a węzłami należącymi do powierzchni Target Surface (w naszym przypadku powierzchnie zastępują linie).Elementy kontaktowe Ansys generuje automatycznie.

Do wyznaczania sił kontaktowych występujących między elementami kontaktowymi używana jest metoda funkcji kary (Penalty function).

Rysunek 3: Opis elementu CONTAC48

Dla tego modelu zostało również przewidziane tarcie między powierzchniami kontaktowymi, dlatego też przy definiowaniu materiału trzeba zdefiniować współczynnik tarcia μ=0.12.

Material Props>>Material Models...>>Structural>>Friction Coefficient

MU = 0.12 OK

Do opisu właściwości elementu kontaktowego potrzebna jest sztywność normalna KN i sztywność styczna KT.

Real Constans>>Add/Edit/Delete...>>Add>>Type2 Contac48>>OK

KN = 2*10⁵ N/mm

KT = 2*10³ N/mm

Tworzenie modelu elementów skończonych

Na początku tworzymy geometrię taką jaka jest przedstawiona na Rysunku 1.

Następnie przy pomocy MeshTool tak dokonać podziałów linii, aby uzyskać następującą siatkę.

Rysunek 4: Siatka elementów

Tworzenie elementów kontaktowych

Aby stworzyć elementy kontaktowe należy najpierw wyselekcjonować węzły należące do powierzchni Contac Surface a następnie węzły należące do powierzchni Target Surface.

Select>>Entities...>>Nodes - By Num/Pick - From Full>>OK

Zaznaczamy węzły leżące na okręgu (węzły 1÷7) OK.

Następnie z tych węzłów tworzymy grupę o nazwie „con”:

Select>>Comp/Asembly>>Create Component…

W pierwszym okienku nadajemy nazwę “con” a w drugim okienku wybieramy Nodes.

Przystępujemy do wyselekcjonowania węzłów należących do Target Surface, które zostaną przyporządkowane grupie o nazwie „tar”.

W tym celu najpierw musimy odwołać selekcję węzłów wchodzących w skład grupy „con”, a następnie wyselekcjonować odpowiednie węzły.

Select>>Everything

Select>>Entities...>>Nodes - By Num/Pick - From Full>>OK

Zaznaczamy węzły 8÷13 OK

Select>>Comp/Asembly>>Create Component…

W pierwszym okienku nadajemy nazwę „tar” a w drugim okienku wybieramy Nodes.

Jak już mamy stworzone dwie grupy „con” i „tar” odwołujemy selekcję węzłów wchodzących w skład grupy „tar”, a następnie przechodzimy do tworzenia elementów kontaktowych.

Select>>Everything

-Modeling-Create>>Elements>>Elem Attribures…

W okienku Element type number wybieramy CONTAC48 OK.

-Modeling-Create>>Elements>>Node to Surf…

Contactor node component CON

Target surf node compon TAR

Limiting radius 25

Target surface Top surface

OK

SOLUTION

Po stworzeniu elementów kontaktowych przystępujemy do zadania warunków brzegowych. Obliczenia w tym zadaniu zostaną przeprowadzone w dwóch etapach:

1. Linie L1 i L2 są całkowicie utwierdzone, natomiast na linii L3 jest zadane przemieszczenie: UY= - 11;

2. Linie L1 i L2 są całkowicie utwierdzone, natomiast w węzłach 1 i 2 jest przyłożona siła: FY = - 200 N.

Rysunek 5: Warunki brzegowe

Analiza zagadnień kontaktowych, jak i tez wszelkiego rodzaju obliczenia nieliniowe, są przeprowadzana w sposób iteracyjny i wymagają ustawienia odpowiednich kryteriów.

W okienku Sol'n Control ... wpisujemy następujące wartości:

W oknie Sol'n Options zaznaczamy jako Equation Solvers - Sparse direct.

Etap 1

Zadajemy warunki brzegowe dla powyższego etapu. Następnie przypisujemy te warunki brzegowe pierwszemu „krokowi” obliczeń:

Write LS Fille>>load step file number n 1 OK

Etap 2

W tym etapie najpierw należy usunąć z linii L3 zadane przemieszczenie, a następnie przyłożyć w węzłach 1 i 2 siłę.

Podobnie jak w etapie 1 zapisujemy te warunki brzegowe w „kroku” nr. 2.

Write LS Fille>>load step file number n 2 OK

Obliczenia

Aby przeprowadzić obliczenia naraz dwóch kroków korzystamy z funkcji:

-Solve->>From LS Files …

Starting LS File number 1

Ending LS File number 2

File number increment 1

OK

W czasie obliczeń ANSYS wyświetli wykresy przedstawiające konwergencje (zbieżność) obliczeń.

GENERAL POSTPROCESOR

W celu obejrzenia wyników dla etapu 1 należy skorzystać z opcji:

-Read Results->> First Set

Aby obejrzeć wyniki dla etapu 2 należy skorzystać z opcji:

-Read Results->>Next Set (albo Last Set)

---