SolidWorks Simulation最佳应用之接触分析应用技巧

接触（Contact）问题在于实际工程应用中是极为广泛且常见的问题，但现有的固体力学或结构领域的计算机辅助分析仿真软件中，除了泛用型的有限元素分析(Finite Element Method，FEM)软件有提供此方面的功能外，一般整合性的CAD/CAE/CAM软件却较少提供此分析功能，用户遇到此问题时，除了直接藉助泛用型的有限元素软件进行分析，另外常用的方法，即是将分析模型利用CAD或前处理软件将模型建立完成或数据准备完毕后，在输出至有限元素分析软件进行运算，此两种类型，软件在使用及兼容性皆须满足使用者要求，不失为一种可行的分析模式，但如进行接触分析时，除考虑建立分析模型的便利性与精确性外，尚须能兼顾前后处理程序与求解处理程序的整合性，如此对于使用者而言，会是一个较好的分析工作模式，而SOLIDWORKS Simulation即提供了接触问题的整合性分析环境。


接触分析在于描述初始即为接触状态或于承受负载过程中产生接触的零件边界之间的互动情形。在两个相似的劲度值零件之间，使用接触条件相互作用是较好的，而不是以负载/拘束条件方式作用于零件上，若没有接触条件，两个元素之间没有共同的节点，两者彼此都不知道对方存在，在SolidWorks Simulation中，接触条件也可以将相邻的零件结合在一起。


在SolidWorks Simulation接触功能可在组合件与多本体零件中使用，甚至也支持零件本身自体接触。SolidWorks Simulation提供三种接触选项： 设定整体接触（Global Contact）、定义接触组(Local Contact)、定义零组件接触(Component Contact)。
整体接触 在组合件中，不同零件或多本体中不同本体接触面的预设接触条件，但它不会针对点或边线以及两个面积较小的区域设定接触条件。

分为三种接触情况：
– 结合（Bonded）为默认值，接触面在分析前后均是结合在一起，不会有分离的状况。
– 允许贯穿 (Allow Penetration) 使用时机在两者（零组件）之间无互动，若因其它条件,而确使接触面会有互相穿透时,使用允许贯穿接触条件可以加快指令周期 。
–无贯穿 (No Penetration) 零组件之间会互相作用影响，但不会有穿透（干涉）现象。


相容网格(Compatible mesh) vs. 不相容网格(Incompatible mesh)



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– 只有在结合选项可以使用
– 当两个面重迭时:
• 使用兼容的网格，求解准确性较高但网格产生较有可能产生失败
• 使用不兼容的网格，程序会在两个重迭面彼此之间以一内部拘束系住
–如果使用兼容的网格选项进行网格化失败的话，可使用此选项完成网格化程序
–若在接触边线及面之间使用分割线，使其边线重合，网格将会兼容，此选项（不兼容网格）就没作用

定义接触组（局部接触）为组合件及多本体零件中，必须定义组一及组二像素之间的接触。
        手动选择接触组一以及组二像素
        选择接触类型
        若需要的话，可以考虑选择“摩擦”或“缝隙(余隙)”

–        会增加求解复杂性，除非必要否则不要使用
–        真实情形的摩擦系数不易量测及控制，因此使用时要特别注意
–        永远忽略余隙，不论使用者定义面接触组之间初始距离为何
        进阶选项设定，选择接触型式(仅无贯穿和收缩配合可以设定)

自动寻找接触组 在复杂的组合件中，有时很难从外观判断零组件与其它零组件是否有共享区域，或两者之间是否保持在指定的余隙范围内。由程序自动搜寻这是最快找到配对组的方法。


        选择2个以上零组件
        当选择选项”接触面“或”非接触面“，SolidWorks Simulation将自动判断可能的接触配对组
        类型可以选择“无贯穿”、”结合“或”允许贯穿“
        “无贯穿”可以选择:
–        节点对节点               
–        节点对曲面
–        曲面对曲面

零组件之接触 对所选零组件之间或与其它零组件共享的所有面积设定预设接触条件
        若不想所有接触面都是结合的，通常整体接触设定为允许贯穿
        使用零组件接触个别定义，此时整体接触不勾选

接触定义层级  当一个像素同时有多种接触情形时，会以下列方式判断:
–        局部接触条件会覆盖过整体以及零件接触条件
–        零件接触条件会覆盖过整体接触条件
–        整体接触条件仅用于没有设定零件或局部接触条件的接触面上

接触类型：
        无贯穿：节点对节点、节点对曲面及曲面对曲面
–        使用接触设定的主要方式
–        定义模型中不能互相穿透的区域
        结合
–        “熔接”或”焊接”的像素
        收缩配合(Shrink Fit)
–        允许相互有干涉配合作用
        允许贯穿
        虚拟墙壁（Virtual Wall）
–        当零件接触一弹性或一刚性平坦面时使用
–        只能设定在单一零件上
–        必须选择一个参考基准面
–        仅支持静态研究
–        与基础(接地)螺栓搭配时
无贯穿接触选项：
节点对节点（Node to Node）
        间隙元素
        仅适用于初始接触的面
        假设接触正向力方向以及接触点在分析过程中不会改变
        施加的力量必须与接触正向力互相平行
        若有滑动情形则不适用此选项
        接触面应该要相对平坦或者平行
        SolidWorks Simulation会在来源面及目标面之间建立同位节点，节点之间不会互相合并

节点对曲面（Node to Surface）
        间隙元素会连接来源面上的节点以及目标面上的元素面
        不同于节点对节点间隙接触:
–        接触像素一开始不一定要接触
–        接触力的方向是由于接触像素的变形形状判断出来
–        接触像素上的节点不需要互相对应


曲面对曲面（Surface to Surface）
        适用于一般负载下的复杂接触
        能获得较高的准确性，但需花较多时间
        当接触像素的面积太小时，或者变形过程中只有线或点接触时，不建议使用此选项。在该情况下，请使用节点对曲面选项



组一像素与组二像素
        SolidWorks Simulation将接触配对组选择的2个像素区分为”组一“以及”组二”
        有一种检视方式就是假设”组一(来源面)“作用在”组二(目标面)“上
–        SolidWorks Simulation会尝试将组一像素投影至组二像素上
        若将两者的像素互换，结果可能会有差别
        在下列状况中，组一与组二的选择方式不重要:
–        允许贯穿
–        结合接触并且使用兼容网格选项
–        无贯穿并且使用节点对节点选项
        在其它的接触状况，选择组一以及组二会对于运算收敛状况以及求解时间影响很大，包含收缩配合情形
        单一像素可以在接触配对组中被指定为组一像素，也可以在另一个接触配对组中被指定为组二像素
        组一以及组二选项可以同时选择多个接触像素
–        所有组一像素或组二像素都必须属于单一个实体（零件）



选择组二像素
        一般而言，组二应该选择接触组中两个零件刚性较高的
        组一选项可以选择顶点、边线、面，但组二选项只能选择面
–        顶点及边线只能用在节点对曲面
        组二必须比组一面平坦且区域大
        组二网格可以切割得比来源面粗
        组二在接触区域不应该有尖角或者小导角

        理论上，组一面与组二面应该可以互换
        在组二像素上最好有小圆角
        若组一面与组二面不能互换，最好的方式是产生2~3个接触配对组
其它接触分析技巧
        善用分割线(Split Lines)减少组一像素区域可以加快求解时间
        使用分割线减少组二像素区域对求解时间不会有影响
        一般而言，在接触面若有较精细的网格，则在求解接触收敛时会较好且较快
        组二的网格若太精细反而可能会造成收敛问题

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作者：实威国际www.swtc.com

讲的不错