请打开随书光盘以下文件夹中的模型文件:
contact-example-2wrongcontact-example-2-wrong. cae模型中的两个刚体分别受到50n的载荷,与下面的方形弹性壳体发生接触,壳体的两条侧边上定义了固支边界条件(如图16-25 所示)。此模型的分析目的是得到壳体在竖直方向的最大位移。
提交分析作业后,分析无法收敛,在msg文件job-contact-exam-ple-2-wrong.msg的结尾看到如下错误信息:
***error:too may attempts made for this increment(尝试次数过多)
请读者找出错误原因并加以更正
图 16-25两个刚体分别受到50n的载荷作用与下面的方形壳体发生接触
提示:在后处理时如果看不到完整的刚体,只看到刚体的截面,应单击菜单vicw-0d1选择 sweep/extide 标签页,选中extude ana1cnes。
解 答
上述“toomanyattemptsmadeforthisincrement(尝试次数过多)”是abaqus/standard 分析中最常见的错误信息之一,它只是告诉用户分析无法收敛,“尝试次数过多”是不收敛的具体表现,而不是造成不收敛的原因。很多用户一看到这类错误信息,首先想到的是修改初始增量步长或最大增量步数,在大多数时候这样做并不能真正解决问题,因为不收敛往往是模型本身存在问题,对于一个错误的模型,无论怎样设置增量步都是无法收敛的。
本实例中的模型问题比较多,下面逐个加以分析:
1)接触面的法向。在msg 文件中看到大量关于“过盈量太大”的信息:contact pair(assembly_surf-shell,assembly rigid-a-1 surf-rigid-a)node shell.
1.101 is overclosed by 5.11618 which is too severe.在【常见问题16-2】中详细讨论了出现这类问题的可能原因,在本实例中,这种“过盈量太大”的信息反复出现,而且无论abaqus/standard 如何通过“折减”来缩小增量步也都无法收敛。这说明模型确实存在“过盈量太大”的问题,而造成这种问题的最常见原因就是没有选择正确的接触面法向方向。
在 visualization 功能模块中单击興(common options)按钮,在 normals 标签页下选中show normals 和 on suraces,在未变形图的模式下,可以看到如图16-26 所示的接触面法向。一对接触面的法向应该是互相指向对方的,图16-26中左侧刚体的法向是错误的。
图 16-26显示接触面的法向
左侧刚体面的名称为sunf-rigid-a,应该重新定义这个面,在定义时选择发生接触的那一侧,其颜色为purple(紫色)。
2)约束刚体位移。完成上述修改后,重新提交分析,发现仍然无法收敛,在msg文件中看到如下警告信息:
***warning:solver problem,zeru pivot when processing node 124 instancerigid-b-i d.o.f.2
overconstraint checks: an overconstraint was detected at node 124 instance rigid-b-i出现这种“零主元”和“过约束”警告信息的原因与第16.2.1节和第16.2.2节的实例是类似的。在初始状态下,模型中的两个刚体和壳体还没有发生接触,在y方向没有定义边界条件,因此没有接触力或支反力来与外载荷形成静力平衡,会出现不确定的刚体位移。
正确的做法是,在施加力载荷的分析步之前增加一个分析步,先不定义力载荷,而是在两个刚体参考点上分别定义一个临时的位移边界条件,使刚体和壳体之间产生微小的过盈量(例如0.0001),然后在下一个分析步再去掉这个临时边界条件,施加力载荷。在计算刚体和壳体之间的距离时,涉及壳体厚度的问题。如果希望考虑壳体厚度,在定义接触时应该像图16-21那样,选择有限滑移(finitesliding)、面对面离散(surfacetosur-face),并且不要选择exclude shell/membrane element thickness。
在property功能模块中查看壳体的截面属性(section),可以看到壳体厚度为0.2mm。模型中的壳体平面是壳的中性面,在考虑壳的厚度时,如果希望在初始状态下壳体平面和刚体底面恰好接触,应该在模型中让二者的距离为0.1mm(即壳体厚度的一半)。综上所述,应该在assembly功能模块中移动两个刚体的位置,使它们的底面和壳体平面相距0.1mm。
在第一个分析步中为刚体参考点定义临时边界条件u2=-0.0001,就可以使刚体和壳体之间产生微小的过盈量。注意,这个过盈量要非常小,以免产生过大的位移和应力,影响最终的计算结果。
3)几何非线性。模型在分析过程中会出现较大的位移,应该在step功能模块中打开几何非线性开关(将nlegeom设为on)。
4)主面的尖角。接触对的主面是刚体表面,此模型的刚体出现了尖角,刚体表面在尖角处的法线方向是奇异的,会导致收敛问题。应该根据工程实际绘制一定的过渡圆角,同时要保证从面始终处在主面法线覆盖范围内,图16-27给出了错误的和正确的做法。
图16-27 定义主面时需要注意的问题a)错误:主面上出现了尖角b)错误:从面超出了主面法线的覆盖范围c)正确:保持主面两侧的竖直边(这样从面始终处在主面法线的盖范围内),并且使用了过渡圆角
一个从面和两个主面接触。此模型中的整个壳体是从面,它同时和两个主面接触这虽然也可以收敛,但会增大计算量。在第16.2.1节中介绍过定义接触面的一个原则,从面应该尽可能地小,不要包含那些不可能发生接触的区域。在本实例中,应该将壳体分割为两部分,分别定义两个从面,各自与其上方的刚体构成接触对。6)网格密度。本实例的分析目的是得到壳体在竖直方向的最大位移,因此不需要在应力集中区域细化网格,但如图16-25所示的网格仍然太粗糙了,应该再细化几倍。
7)对称性。此模型是关于xy平面对称的,应该只取一半建模,在对称面上定义对称边界条件。尽管此模型已经有了足够的边界条件,不一定要靠对称边界条件来约束各个自由度,但建议读者养成良好的建模习惯,模型具有对称性时,应尽可能利用对称性进行建模。
随书光盘的以下文件夹中提供了正确的模型文件:
contact-example-2correctcontact-example-2-correct. cae e
(内容、图片来源:《abaqus有限元分析常见问题解答》,侵删)
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