ANSYS--MPC应用

1、ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.Table of Contents1.介绍2.MPC 用于 SOLID-SOLID, SHELL-SHELL 的连接3.MPC 用于 SOLID-SHELL 的连接4.MPC 用于 SOLID-BEAM 和 SHELL-BEAM 的连接5.MPC 用于 FE 模型与载荷点的连接ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.1. 介绍：什么是介绍：什么是 MPC? MPC 的含义：多点约束的含义：多点约束LROTZUYUYCE2, 3 , 1, 2 , 1 , 1 , 0 , 2 ,

2、)(20)2() 1 ()2()() 1 ()()3()2()1()3()2()3()1(ROTZSinLUYUYLROTZSinUYLROTZSinUYMPC对于小转动对于小转动)(20)3()2()1(ROTZLUYUY431LL2梁实体)1(UY)2(UY)3(ROTZ)(01ijCuCujLjjiANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.1. 介绍：为什么需要介绍：为什么需要 MPC? 连接不同的网格：连接不同的网格： 如果几何在拓扑上是不连接的，可以分别划分网格，然后用 MPC 进行连接各 FE 模型：几何几何用用 MPC 连接连接不同的网格不同

3、的网格应力分布应力分布ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc. 连接不同的单元类型：连接不同的单元类型： 如果在连接区域使用了不同的单元类型，由于节点自由度不同，连通性是不一致的。使用 MPC 可以使 FE 模型的连通性一致。几何几何用用 MPC 连接实体与壳体连接实体与壳体变形变形1. 介绍：用介绍：用MPC 作什么作什么? ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc. 施加远处的载荷：施加远处的载荷： 如果载荷点不在 FE 模型上，使用 MPC 可以实现载荷点与 FE 模型的连接：用用 MPC 连接载荷点和连接载荷

4、点和 FE 模型模型应力分布应力分布1.介绍：用介绍：用MPC 作什么作什么? ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.1. 介绍：为什么不用已有的接触算法？介绍：为什么不用已有的接触算法？ 结果可能依赖于接触刚度：结果可能依赖于接触刚度： 现有的 bonded 接触算法使用了惩罚方法 (penalty method)，由于接触刚度 (引起病态条件) 和穿透，可能会影响结果的精度。 即使对小变形问题也需要大量迭代才能达到满意的平衡。即使对小变形问题也需要大量迭代才能达到满意的平衡。 即使是线性问题，通常也需要迭代。 在模态分析中，有时会出现虚假的自然频率

5、。 这是因为使用了接触刚度。 只处理平移自由度只处理平移自由度 对于接触面与目标面的距离非零的情况； 不能处理 Shell 与 beam 装配的情况。ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.1.介绍：为什么不用已有的接触算法？介绍：为什么不用已有的接触算法？ 只适于小应变的情况只适于小应变的情况 因为现有的 CE 方法总是使用初始的节点定位； RBE3 约束单元只支持低阶单元约束单元只支持低阶单元 10 节点四面体单元是最常使用的单元； 在 RBE3 的主节点上，不允许施加位移约束。的主节点上，不允许施加位移约束。ANSYS, Inc. Propriet

6、ary 2004 ANSYS, Inc.1. 介绍：新的介绍：新的 MPC 方法的优点方法的优点 MPC 方程由软件内部创建：方程由软件内部创建： 不需要用户手工定义 MPC 方程，用户只需将连接视为 “绑定” (bonded) 接触， ANSYS 将自动生成 MPC。 接触表面的节点自由度将被自动消除： 这可以提高求解效率。 不需要输入接触刚度：不需要输入接触刚度： 不再需要通过多次尝试来保证求解精度； 对于小变形问题，它表现为对于小变形问题，它表现为 “真线性接触真线性接触” 特性：特性： 求解系统方程时不需要迭代； 对于大变形问题，在每一步迭代时更新 MPC 方程。ANSYS, Inc.

7、 Proprietary 2004 ANSYS, Inc.1.介绍：新的介绍：新的 MPC 方法的优点方法的优点 不仅可以约束平移自由度，而且可以约束转动自由度：不仅可以约束平移自由度，而且可以约束转动自由度： 可以改善求解精度，并使 solid-shell, shell-shell, solid-beam 及 shell-beam 之间的连接更合理。 对于接触对定义，也很容易生成内部的对于接触对定义，也很容易生成内部的 MPC： 对于了解如何定义接触的用户，也没有什么新东西。 与与 MSC/Nastran (RBE3 型型) 不同不同 自动考虑形状函数，不需要权因子； 不仅可以施加力，也可以

8、施加位移约束。ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc. 过程过程:1)将连接视为接触面，使用命令或 Contact Wizard 来定义接触面和目标面：2)设置接触单元选项 (keyoptions)：KEYOPT(2)=2 激活 MPC 方法KEYOPT(4)=2基于节点KEYOPT(12)=5 或 6设置为 “绑定 (bonded) ” 接触3)Run the analysis注意：如果接触面和目标面的网格相似，注意：如果接触面和目标面的网格相似，MPC 方法给出与连续网格相同方法给出与连续网格相同 的结果。的结果。 如果接触面和目标面的网格相差较大，

9、如果接触面和目标面的网格相差较大，MPC 方法给出的界面处的方法给出的界面处的 应力梯度将受到影响，网格越接近，结果越好。应力梯度将受到影响，网格越接近，结果越好。2. 将将 MPC 连接用于连接用于 SOLID-SOLID, SHELL-SHELL ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.2. 将将 MPC 连接用于连接用于 SOLID-SOLID, SHELL-SHELL 精度测试精度测试15E520*5.62EI3PL33Solid45 结果结果E=2e5 Nu=0 F=62.510120精确解：精确解：位移位移应力应力使用使用 MPC 于不同网格

10、的连接于不同网格的连接使用使用 MPC 于相似网格于相似网格ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.模型模型-1: 网格非常类似：网格非常类似： SMAX=1.71 模型模型-2: 网格非常不同：网格非常不同： SMAX=1.71模型模型-3: 一致网格：一致网格： SMAX=1.712. 将将 MPC 连接用于连接用于 SOLID-SOLID, SHELL-SHELL ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.如果存在几何穿透：如果存在几何穿透：1)设置设置 PINBALL 以捕获接触以捕获接触2)使用使用 KEY

11、OPT(9)=1 以忽略穿透以忽略穿透模型模型-2: 穿透以及穿透以及 KEYOPT(9)=1 SMAX=1.71KEYOPT(9)=0KEYOPT(9)=12. 将将 MPC 连接用于连接用于 SOLID-SOLID, SHELL-SHELL ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.如果几何上有间隙：如果几何上有间隙： 1) 设置设置 PINBALL 以捕获接触以捕获接触 2) 使用使用 KEYOPT(9)=1 以忽略穿透以忽略穿透Mx -2: 间隙以及间隙以及 KEYOPT(9)=1 SMAX=1.73KEYOPT(9)=0KEYOPT(9)=12.

12、 将将 MPC 连接用于连接用于 SOLID-SOLID, SHELL-SHELL ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.3bbbD20 d10 g110M3211.741.74 11.74 精确解：精确解：应力集中应力集中HexTets2. 将将 MPC 连接用于连接用于 SOLID-SOLID, SHELL-SHELL ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.一致的实体网格一致的实体网格MPC 用于不同的实体网格用于不同的实体网格MPC 连接用于连接用于 SOLID-SOLID (静力分析静力分析)位移位移位

13、移位移应力应力应力应力2. 将将 MPC 连接用于连接用于 SOLID-SOLID, SHELL-SHELL ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.一致的实体网格一致的实体网格MPC 用于不同的实体网格用于不同的实体网格MPC 连接用于连接用于 SOLID-SOLID (模态分析模态分析)0.04%0.09%0.08%0.05%0.07%0.05%2. 将将 MPC 连接用于连接用于 SOLID-SOLID, SHELL-SHELL ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.MPC 用于不同网格连接，用于不同网格连

14、接，无偏移无偏移一致的壳体网格一致的壳体网格MPC 用于不同网格连接，用于不同网格连接，有偏移有偏移MPC 连接用于连接用于 SHELL-SHELL (静力分析静力分析) 位移位移Stress位移位移Stress2. 将将 MPC 连接用于连接用于 SOLID-SOLID, SHELL-SHELL ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.MPC 用于不同网格连接用于不同网格连接，无偏移，无偏移一致的壳体网格一致的壳体网格MPC 用于不同网格连接，用于不同网格连接，有偏移有偏移MPC 连接用于连接用于 SHELL-SHELL ( 模态分析模态分析)1 11

15、1.35 2203.86 3227.26 4272.38 5323.39 6361.170.02%0.04%0.02%0.01%0.07%0.17%1 111.37 2203.95 3227.34 4272.42 5323.63 6361.851 111.37 2203.95 3227.34 4272.42 5323.63 6361.850.02%0.04%0.02%0.01%0.07%0.17%2. 将将 MPC 连接用于连接用于 SOLID-SOLID, SHELL-SHELL ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.MPC 连接用于连接用于 SHE

16、LL-SHELL (边界对边界边界对边界)Contact175Target1702. 将将 MPC 连接用于连接用于 SOLID-SOLID, SHELL-SHELL ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.使用使用 MPC 方法的绑定接触方法的绑定接触单个零件的结果单个零件的结果Part-1Part-2Part- 3 to 5Part- 6 to 8示例：示例：2. 将将 MPC 连接用于连接用于 SOLID-SOLID, SHELL-SHELL ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.实体网格于壳体网格不需要对

17、齐过程：过程：1) 将连接处理为接触，对实体使用 Target170，对壳体使用 Contact175。 2) 设置接触单元 Contact175 选项 (keyoptions): KEYOPT(2)=2 激活 MPC 方法 KEYOPT(12)=5 或 6设置为绑定接触3) 设置目标单元 Target170 选项：KEYOPT(5)=0自动约束类型探测 (default)KEYOPT(5)=1实体-实体约束 (没有旋转自由度被约束)KEYOPT(5)=2壳体-壳体约束 (同时约束平移和旋转自由度)KEYOPT(5)=3壳体-实体约束 (壳体边界同时约束平移和旋转自由度； 实体表面上只约束平移

18、)4) 执行分析2. 将将 MPC 连接用于连接用于 SOLID-SHELL ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.精度测试精度测试15E520*5.62EI3PL33E=2e5 Nu=0 F=62.510120精确解精确解位移位移应力应力用用 MPC 连接连接 Solid-shell一致实体网格一致实体网格2. 将将 MPC 连接用于连接用于 SOLID-SHELL ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.壳体单元 (厚度 t )实体单元接触单元(以前的)最初的最初的 FEA 模型模型目标单元TARG170(在

19、实体顶部)MPC 方程(仅平移自由度)虚拟 shell solid表面Shell thickness新虚拟壳体单元SHELL181新接触单元CONTA175方法方法 1: solid-solid 约束约束虚拟壳体用 SHSD,ID 生成KEYOPT(5)=12. 将将 MPC 连接用于连接用于 SOLID-SHELL ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.新虚拟壳体单元SHELL181 方法方法 2: shell-shell 约束约束MPC 方程(平移+转动自由度)壳体边界 虚拟壳体FTOLN影响距离壳体单元 (厚度 t )实体单元接触单元(以前的)初

20、始初始 FEA 模型模型目标单元TARG170(在实体顶部)虚拟壳体由 SHSD,ID 产生KEYOPT(5)=22. 将将 MPC 连接用于连接用于 SOLID-SHELL ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.MPC 方程壳体边界 实体表面FTOLN影响距离方法方法 3: shell-solid 约束约束壳体单元 (厚度 t )实体单元接触单元(以前的)初始初始 FEA 模型模型目标单元TARG170(在实体顶部)KEYOPT(5)=3不需要虚拟壳体2. 将将 MPC 连接用于连接用于 SOLID-SHELL ANSYS, Inc. Proprie

21、tary 2004 ANSYS, Inc.MPC 方程壳体边界 实体表面FTOLN影响距离方法方法3 shell-solid 约束约束总结：对大多数应用，可以用默认的 KEYOPT(5)=0 或 3。许多测试情况表明，使用 KEYOPT(5)=2 可以得到最好的结果。MPC 方程(仅平移自由度)虚拟壳体 实体表面壳体厚度新虚拟壳体单元SHELL181新接触单元CONTA175方法方法1： solid-solid 约束约束方法方法2： shell-shell 约束约束新虚拟壳体单元SHELL181MPC 方程(平移 + 转动自由度)壳体边界 虚拟壳体FTOLN影响距离KEYOPT(5)=1SHS

22、D,IDKEYOPT(5)=2SHSD,IDKEYOPT(5)=0,32. 将将 MPC 连接用于连接用于 SOLID-SHELL ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.两种消除接触面与目标面间隙的方法：两种消除接触面与目标面间隙的方法：1) 如果接触面法线与目标面相交，可以使用如果接触面法线与目标面相交，可以使用 PSOLVE 命令延伸接触面命令延伸接触面接触面接触面目标面目标面间隙间隙间隙间隙 使用使用 PSOLVE 前前接触面接触面目标面目标面使用使用 PSOLVE 后后PSOLVE/solupsolve,elformfini/soluanty,

23、modalmodopt,lanb,7mxpand,7solv示例：示例：2. 将将 MPC 连接用于连接用于 SOLID-SHELL ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.模态分析模态分析MPC Distance=0.1SET FREQ 1 0.0000 2 0.11336E-02 3 0.19459E-02 40.72671E-01 5 0.23382 6 2.7936 7 95.110SET FREQ 1 0.0000 2 0.0000 3 0.0000 4 0.12203E-02 5 0.10909E-02 6 0.13362E-02 7 94.

24、876一致网格一致网格SET FREQ 1 0.0000 2 0.0000 3 0.34178E-03 4 0.11133E-02 5 0.11707E-02 6 0.34944E-02 7 94.933KEYOPT(9)=1With PSOLVEWithout PSOLVE2. 将将 MPC 连接用于连接用于 SHELL-SHELL ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.2) 如果接触面法线与目标面不相交，如果使用如果接触面法线与目标面不相交，如果使用 KEYOPT(5)=4，仍像接触节点和目标仍像接触节点和目标段在段在 pinball 范围内部一样

25、创建约束方程。范围内部一样创建约束方程。对这一情况，对这一情况，PSOLVE 不能移动节不能移动节点。应该使用点。应该使用 KEYOPT(5)=4。否则将不产生约束，不管否则将不产生约束，不管 PINBALL 的大小。的大小。2. 将将 MPC 连接用于连接用于 SHELL-SHELL ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.模态分析模态分析MPC Distance=0.1KEYOPT(5) 默认默认KEYOPT(5)=4SET FREQ 1 0.0000 2 0.0000 3 0.21223E-03 4 0.90930E-03 5 0.12339E-0

26、2 6 0.34500E-02 7 97.702SET FREQ 1 0.0000 2 0.11336E-02 3 0.19459E-02 40.72671E-01 5 0.23382 6 2.7936 7 95.110SET FREQ 1 0.0000 2 0.0000 3 0.0000 4 0.12203E-02 5 0.10909E-02 6 0.13362E-02 7 94.876一致网格一致网格2. 将将 MPC 连接用于连接用于 SHELL-SHELL ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.实体实体Solid-ShellMPC2nd App

27、roach方法方法 3SMX=25.32. 将将 MPC 连接用于连接用于 SOLID-SHELL ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.1 111.99 2206.05 3229.44 4273.70 5324.42 6368.720.02%0.04%0.01%0.17%0.32%0.38%1 112.08 2206.14 3229.42 4274.16 5325.47 6370.14一致的实体网格一致的实体网格方法方法3： shell-solid 约束约束模态分析模态分析2. 将将 MPC 连接用于连接用于 SOLID-SHELL ANSYS, I

28、nc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.有限元模型有限元模型实体实体壳体壳体边界条件边界条件结果结果2. 将将 MPC 连接用于连接用于 SOLID-SHELL ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.一致的实体网格一致的实体网格壳体壳体 实体实体 MPC 约束约束2. 将将 MPC 连接用于连接用于 SOLID-SHELL ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.初始实体初始实体简化特征后的实体简化特征后的实体2. 将将 MPC 连接用于连接用于 SOLID-SHELL ANSYS, In

29、c. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.壳体壳体 实体实体 MPC 约束约束2. 将将 MPC 连接用于连接用于 SOLID-SHELL ANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc. 过程：过程：1)将实体表面和/或壳体边界作为接触面，将梁节点作为目标的 pilot 节点，不需要添加目标面。2)设置接触单元选项：KEYOPT(2)=2 激活 MPC 方法KEYOPT(12)=5 或 6设置为绑定接触KEYOPT(4)=1力 - 分布表面KEYOPT(4)=2刚性约束表面3) 执行分析3. MPC 约束用于约束用于 SOLID-BEAM 和和 SHELL-BEAMANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.实体结果实体结果Solid-Beam，使用，使用 MPCKEYOPT(4)=2刚性约束表面3. MPC 约束用于约束用于 SOLID-BEAM 和和 SHELL-BEAMANSYS, Inc. Proprietary 2004 ANSYS, Inc.实体结果实体结果Solid-Beam，使用，使用 MPCKEYOPT(4)=1力 分布表面3. MPC 约束用于约束用于 SOLID-BEAM 和和 SHELL-BEAMANSYS, Inc. Propriet