Среди практических вопросов при расчете конструкций на механическую прочность довольно распространены вопросы по настройкам контактных пар: типы контактов, формулировка, значения различных настроек.

Очень трудно дать единую рекомендацию на все случаи жизни. Что можно сказать точно: недавно в ANSYS Mechanical появилась новая настройка «small-sliding contact» (контакт с малым скольжением), которая теперь используется по умолчанию для всех контактных пар в расчётах с малыми деформациями, а также для контактных пар типа «bonded» в прочих расчётах.

Модель контактной пары с малым скольжением (small-sliding) позволяет решать задачи, вызывавшие затруднение в рамках использовавшейся ранее модели конечного скольжения (finite-sliding). Также необходимо отметить, что новая модель обеспечивает достаточную точность расчета и при этом приводит к существенному повышению его скорости.

Компания ANSYS провела обширные исследования по использованию модели «small sliding» в расчётах с контактными парами типа «bonded» в рамках малых деформаций. По итогам этих исследований модель «small sliding» была признана не только достаточно точной, но и существенно ускоряющий вычислительный процесс. Модель может применяться для всех задач, кроме тех, в которых присутствует значительное относительное проскальзывание контактирующих поверхностей.

Основные принципы работы модели «small-sliding»

Модель «small-sliding» построена в предположении, что в контактных парах в ходе всего моделируемого процесса не происходит значительного смещения. Если быть более точным, относительное перемещение (скольжение) элементов относительно друг друга не будет превышать 20% от длины элемента на контактной поверхности. При этом необходимо отметить, что в геометрически нелинейных расчётах (large deflection > on) модель «small-sliding» допускает неограниченной взаимное вращение в контактной паре.

В используемой ранее модели «finite-sliding» (конечное скольжение) величина скольжения заранее не ограничивалась. Конечно, в процессе расчёта задачи с этой моделью тоже можно получить малую величину скольжения, но для этого понадобится больше ресурсов, чем при использовании новой модели «small-sliding».

В рамках модели «small sliding» каждая контрольная точка (?0, ?0) для определения состояния контакта (contact detection point) контактного элемента (contact element) будет взаимодействовать с соответствующим целевым элементом (target element) на протяжении всего расчета, как показано на рисунке выше. Все пары точек для взаимодействия определяются один раз на основе исходного состояния контакта.

Преимущества использования модели «small-sliding» при выполнении прочностных расчетов

По результатам исследований компания ANSYS установила, что использование модели «small-sliding contact» повышает устойчивость и скорость расчётов.

Во-первых, контактная поверхность с малым скольжением не может соскользнуть с целевой поверхности. Также в таких моделях не будут возникать резкие скачки вследствие внезапного изменения состояния контактной пары при взаимном проникновении поверхностей.

Важно, что использование модели малых скольжений (small-sliding) позволяет решать сложные задачи, которые имели проблемы со сходимостью в рамках используемой ранее модели конечного скольжения (finite-sliding). Особенно такие случаи характерны для задач с низким качеством геометрической модели и сетки, а также при наличии негладких поверхностей контакта.

Еще одно преимущество модели «small-sliding» заключается в том, что установление связи узлов на контактных парах происходит только один раз в начале расчёта. На последующих итерациях соответствие узлов считается неизменным. Ранее (до версии ANSYS 18.2 включительно) соответствие узлов пересчитывалось на каждой итерации. Исключение этого этапа расчёта обеспечивает существенную экономию времени.

Неизменность соответствия узлов также приводит к тому, что при использовании прямого решателя (Sparse solver) структура матрицы жесткости также остаётся неизменной в ходе всего расчета. А это, в свою очередь, убирает необходимость в оптимизации порядка уравнений на каждом расчетном шаге, что не только уменьшает количество необходимого процессорного времени, но и улучшает масштабируемость задачи.

Основные принципы выбора между моделями «small-sliding» и «finite-sliding»

Что касается точности расчёта, в большинстве случаев результаты, полученные с опциями «small-sliding» и «finite-sliding», почти не отличаются. Однако это справедливо только для случаев, в которых величина относительного скольжения в контактных парах действительно мала.

Если в задаче присутствуют контактные пары со значительным относительным скольжением, использование опции «small-sliding» может привести к нефизичным результатам. Кроме того, в некоторых случаях могут даже возникнуть проблемы со сходимостью задачи.

При анализе результатов расчёта необходимо обратить внимание на выводимые параметры контактного взаимодействия и удостовериться, что условие о малом скольжении не нарушается. Кроме того, ANSYS позволяет контролировать величину скольжения в режиме реального времени в процессе проведения расчёта. В случае, если в задаче присутствует большое скольжение, необходимо вернуться к модели «finite-sliding».

Ниже представлен пример сообщения в выводе решателя ANSYS, которое возникает при появлении скольжения, превышающего допустимый предел модели «small-sliding»:

В целом, использование модели «small-sliding» позволяет улучшить устойчивость, эффективность и скорость решения по сравнению с применявшейся ранее моделью «finite-sliding», однако необходимо убедиться, что для моделируемой задачи допущение о малых скольжениях является обоснованным.

Дополнительная информация о модели «small-sliding» содержится в данном материале (на английском языке).

Источник: ansys-blog.com
Автор: Yongyi Zhu