在 Ansys Mechanical 中解决干涉拟合

有意和无意的过盈配合在工程设计和有限元分析 （FEA） 中很常见。当两个组件重叠或接触时，就会发生这种情况，从而产生应力和变形，必须仔细分析以确保功能正常。有意干涉，例如轴和轴承之间的压配合或用于固定金属环的热缩配合，通常用于制造高强度、可靠的组件。然而，由于制造公差、未对准的组件或在网格划分过程中引入的几何调整，可能会出现意外的干扰，从而导致仿真中出现意想不到的挑战。

在 FEA 中，解析过盈拟合需要仔细考虑接触定义、网格质量和求解器设置，以处理这些重叠引入的非线性。CAD 模型表示数学上完美的几何图形，但在网格划分时，离散化过程可能会略微改变模型，引入原始设计中不存在的小重叠或间隙。随着仿真的进行，网格变形和接触交互会使收敛进一步复杂化，从而影响结果的稳定性和准确性。

Ansys Mechanical 提供了强大的工具来应对这些挑战，包括高级接触算法、接触控制方法和多步分析功能。这些功能使工程师能够准确模拟过盈配合，捕获影响装配行为的关键应力分布、变形模式和接触压力。

 

了解 FEA 中的过盈配合

仿真中的过盈配合可能由于以下几个原因而发生：

故意干扰

CAD 模型中设计的重叠（例如压配合、热缩配合或基于干涉的机械组件）可确保组件之间的安全连接。这些配合依靠材料变形来产生高接触压力，从而提供摩擦阻力或密封。

无意的干扰

CAD 表示和 FEA 网格之间的差异可能会产生意外的重叠或间隙。虽然 CAD 模型描绘了理想化的几何图形，但网格划分过程使模型离散化，有时会略微改变尺寸。此外，制造公差会引入实际偏差，而理想化的 CAD 模型中可能无法考虑这些偏差，从而导致仿真中出现意外的接触条件。

本博客探讨了在 Ansys Mechanical 中解决干涉拟合的有效策略。我们将介绍可用的接触算法、网格质量的作用、法向刚度对接触方法的影响，以及管理接触交互的技术。此外，我们还将讨论如何使用多步分析和管理网格变形来克服收敛挑战并获得准确、可靠的结果。无论您是在设计关键装配体还是对意外重叠进行故障排除，这些见解都将帮助您自信地进行干涉配合。

 

联系人工具

在 Ansys Mechanical 中，接触工具有助于管理由于网格离散化而产生的接触交互。该工具提供了所有接触对的全面概述，帮助用户在解决之前识别和解决潜在问题。当发生过盈配合时，无论是有意还是无意，都可以使用接触工具获取有关模型中每个接触的更多信息。它可以插入到工作流程树的 Connections 分支中，并且可以在生成网格后处理初始信息。这是一个非常有用的工具，用于在运行模型之前查看任何可能存在问题的接触。

 

 

Ansys Mechanical 中的接触算法

Ansys Mechanical 提供了多种接触算法来有效处理过盈配合。选择正确的算法会显著影响解决方案的稳定性和准确性。以下是可用方法的简短摘要。有关接触和接触工具的更深入回顾，请参阅我们的博客 Ansys Mechanical 中的接触建模初学者。

纯罚法根据穿透深度和刚度系数 （kn​​).它在计算效率上很高，但需要仔细调整 kn以防止过度穿透或解算器不稳定。降低 kn提高收敛性，但可能会降低准确性，同时增加 Kn限制穿透，但可能导致收敛困难。

增广拉格朗日法建立在纯罚法的基础上，引入了一个额外的拉格朗日乘数项，该项迭代调整接触刚度因子 （kn） 以最大限度地减少渗透。这种混合方法提高了接触力计算的准确性，同时在稳定性和计算效率之间保持了平衡。增广拉格朗日方法对以 k 为单位的调整不太敏感n与纯罚法相比。由于附加的拉格朗日项主动校正穿透，因此求解器不仅仅依赖于 kn以强制执行接触约束。这使它在许多应用中成为更稳健的选择，因为 k 的微小变化n不会严重影响收敛或准确性。但是，此方法确实涉及额外的迭代，这可能会略微增加求解时间。

多点约束 （MPC） 方法通过链接接触曲面之间的节点来严格实施接触约束。这种方法非常适合刚体运动或小变形，但在处理大变形或滑动等重大非线性时灵活性较低。

无摩擦接触算法 （Frictionless Contact Algorithm） 完全基于法向力对接触交互进行建模，忽略了切向阻力。当摩擦力可以忽略不计时，例如在初步分析或简化研究中，它的计算效率很高且很有用。

摩擦接触算法 （Frictional Contact Algorithm） 考虑了法向和切向交互，从而模拟了真实的滑动阻力。此方法可捕获真实世界的接触行为，但会增加计算复杂性，并且需要仔细的求解器设置。

默认情况下，Ansys Mechanical 使用增广拉格朗日方法，因为它在精度和收敛性之间提供了平衡。它能很好地适应大多数接触场景，包括过盈配合，并在不影响溶液稳定性的情况下最大限度地减少穿透，使其成为通用分析的可靠选择。

 

解决过盈配合的技巧 - 多步分析和接触控制

对于过盈配合，一个好的起点是将接触算法切换到纯罚法并降低法向刚度 （kn​).当存在明显的初始干扰或力收敛标准较高时，这尤其有用。降低 kn允许求解器在早期迭代中容忍更大的穿透力，从而有助于稳定模型。

 

对于复杂的干扰场景或高度非线性的问题，利用带有接触控制的多步分析可以显著提高稳定性和准确性。Ansys Mechanical 中的接触步长控制工具允许您在整个分析过程中动态修改特定时间步长的接触行为。插入 Mechanical 接口后（如下所示），您可以选择任何定义的触点，指定所需的时间步长，并确定该触点在该阶段应该是活动（活动）还是非活动（死）。这种灵活性使您能够根据需要在不同的接触算法之间切换，从而确保采用最合适的方法来有效解决模型中的过盈拟合和其他不断变化的接触条件。

 

 

一旦干扰得到解决并进行求解，刚度就可以逐渐增加，或者可以将算法切换回增广拉格朗日以提高精度。这种逐步方法增强了收敛性，并防止了接触力的突然变化导致求解器不稳定。

这些控件可用于在分析步骤之间切换接触算法，或对接触刚度 （kn​​​).例如，逐渐增加 kn在整个仿真过程中，随着干扰的解决和接触压力的稳定，精度得到了提高。

其他有效的技术包括：

• 逐步解决：在多个步骤中逐渐施加干涉或载荷，使求解器能够逐步处理较大的变形和非线性。
• 联系人状态更新：在不同步骤中选择性地激活或停用接触可确保分析捕获真实的装配体行为。

 

网格变形和收敛不稳定性

在分析过程中，网格变形会影响求解器性能并产生收敛挑战。网格质量和单元尺寸在成功解析干涉拟合中起着至关重要的作用。

如果干涉区域中的单元太大，它们可能无法准确捕获局部变形和应力集中，从而导致不切实际的结果或收敛问题。相反，质量差的单元（例如高度扭曲的四面体单元）可能会引入数值不稳定，使求解器难以跟踪接触力和变形的演变。

要提高收敛性，请考虑以下事项：

• 使用较小的载荷步长来降低高度非线性区域中的求解器难度。
• 细化网格或利用二次单元来更准确地捕获应力变化。
• 在 Ansys 中启用非线性稳定设置以帮助求解器收敛。

 

结论

在 Ansys Mechanical 中成功解决干涉拟合需要仔细的预处理、适当的接触设置和求解器调整。确保高质量的网格生成、选择正确的接触算法和微调解决方案控制可以显著提高收敛性和准确性。通过遵循这些最佳实践，工程师可以最大限度地减少求解器的不稳定性，减少计算工作量，并获得可靠的结果。以下指南从上述信息中总结出来，将有助于优化您的工作流程并提高 FEA 仿真中过盈拟合的分辨率。

1. 预处理：

• 查看几何体和网格质量，以最大限度地减少意外干扰。
• 在干涉区域附近使用自适应网格划分或局部细化。

1. 触点定义：

• 根据干扰的规模和类型选择接触算法。
• 调整法向刚度和弹球半径以提高解算器稳定性。

1. 解决方案设置：

• 启用自动时间步长，以便在非线性问题中实现更平滑的收敛。
• 在解决方案期间监控触点状态和渗透情况，以便及早发现潜在问题。

1. 后处理：

• 检查应力、应变和变形分布，以确保获得逼真的结果。
• 验证接触力并验证穿透力是否在可接受的范围内。