原創 張老師 仿真秀
導讀：Ansys Mechanical具有強大的非線性計算能力，能夠對幾何非線性、材料非線性、接觸非線性、混合非線性（塑性和接觸等）、非線性屈曲等計算問題進行非常好的模擬仿真，是目前最強大的非線性問題計算軟件之一。
一、結構非線性的定義
江邊漁者垂釣的魚竿、承載運動器重量的輪胎、重型機械零件的鍛造、薄板零件的衝壓與折彎等，都涉及結構非線性問題。
對這些結構繪製載荷與變形的曲線，均不再符合胡克定理 ，而表現出非線性結構的基本特性，結構剛度不再是常量，而成為函數變量。
二、非線性行為類型
1、幾何非線性
當結構經受大變形時，變化的幾何形狀可能會引起結構的非線性響應。例如魚竿提線的過程、大型殼體結構非線性屈曲的過程，都屬於幾何非線性問題。
2、材料非線性
金屬塑性、橡膠材料超彈體與粘彈性、混凝土問題、率相關性蠕變等問題都是典型的材料非線性問題。
圖1 混合非線性
3、接觸非線性
接觸是種普遍的非線性行為，是狀態變化非線性類型中特殊而重要的子集。當零件彼此之間接觸與分離，接觸剛度會發生相應的改變。
非線性問題通常不會單一出現，Ansys Mechanical具有同時處理混合非線性問題的能力，如圖1所示就是混合非線性的問題，同時考慮金屬的塑性與接觸的非線性問題。
四、構建非線性模型
適度的非線性行為求解採用的幾何設置、網格通常無需修正，與線性行為一致。多數情況需要對若干特性進行修正，包括單元的特性、非線性材料數據（塑性、蠕變、超彈體等）、幾何建模（奇異引起不收斂問題）等。如下設置與修改，可能有益於非線性分析問題的收斂。
1、修改【Mesh】→【Shape Checking】選項為“Aggressive Mechanical”或“Nonlinear Mechanical”，如圖2所示，這能夠提供一種增強的單元質量處理大應變分析中過度扭曲。
2、修改【Geometry】→【Element Control】選項為“Manual”，可以在完全積分與減縮積分策略中進行切換。該選項影響單元中積分點的數量，如圖3所示。例如強制修改完全積分應用於高階單元（默認採用一致減縮積分），這通常有助於厚度上僅有一層單元的結構，以提高計算求解精度。
3、默認情況下，結構單元將默認採用具有中間節點的高階單元。通過圖4中所示進行高階單元（Kept）與低階單元（Dropped）的轉換。
圖2 Shape Checking
圖3 Element Control
圖4 Element Midside Nodes
五、Workbench輪-軌接觸有限元分析
1、問題描述
圖5 輪-軌接觸模型
如圖所示給出了輪-軌接觸模型，該模型由圓形鋼質輪和鋼質平板組成，輪和軌道的材料都為結構鋼。完全固定約束軌道底面，在鋼質輪子的內孔施加運動副載荷，包括垂直壓力1000N和旋轉速度，旋轉速度在0到1s之間由0RPM加速到100RPM，摩擦係數為0.1。
2、軟件的基本設置方法
啟動Workbench，雙擊Workbench工具箱中的用戶系統Transient Structural，彈出如圖所示的瞬態結構動力學分析系統。
圖6 導入模型
單擊Connection>Contacts>Frictional-SolidTo Solid，彈出如圖所示接觸細節設置面板，設置接觸類型（Type）為Frictional，摩擦係數為0.1，具體設置如圖所示。
圖7 接觸細節設置面板
右擊Connection>Insert>Joint，在彈出的如圖所示的運動副設置細節面板，設置連接類型（Connection Type）為體-地面連接（Body-Ground），設置類型（Type）為通用運動副（General），釋放X和Y方向的平動自由度，釋放繞Z方向的轉動自由度，選擇作用位置為輪子的內孔表面。
圖8 運動副設置細節面板
彈出如圖所示的網格劃分細節設置面板，設置Relevance Center為中級（Medium），其他保持默認設置，然後右擊Mesh，選擇Generate Mesh，生成的網格如圖所示。
圖9 網格劃分細節設置面板
單擊Analysis Settings，彈出如圖所示的結構瞬態動力學分析設置面板，將自動時間步（Auto Time Stepping）設置為On，定義方式（Define By）設置為Substeps，初始子步為（Initial Substeps）100，最小子步（Minimum Substeps）為50，最大子步為2000，將Large Deflection設置為On，表示打開了大變形分析。
圖 10 分析設置細節面板
右擊Transient，選擇Insert>Fixed，在細節窗口彈出如圖所示的位移約束細節設置面板，選擇軌道的底面，單擊Apply。
圖11
右擊Transient，選擇Insert>Joint Load，單擊Joint Load，顯示如圖所示的運動副載荷設置面板，下列選擇運動副為General-Ground To Solid，DOF為Y Displacement，Type為Force，然後在右側彈出的表格中輸入載荷為-1000N
圖 12運動副載荷設置面板
右擊Transient，選擇Insert>Joint Load，單擊Joint Load，顯示如圖所示的運動副載荷設置面板，下列選擇運動副為General-Ground To Solid，DOF為RotationZ，Type為Rotational Velocity，然後在右側彈出的表格中輸入轉速0-0；1-（-100），負號表示轉動方向。
圖 13 運動副載荷設置面板
選擇Transient>Solution，右擊Solution，選擇Solve。
圖 14 182e-3s時刻的等效應力雲圖
圖15 最大等效應力與時間的關係
六、直播-Ansys 結構裝配體仿真案例難點解析
以上是筆者關於ANSYS Workbench輪-軌接觸有限元分析，希望對大家學習有所幫助。受仿真秀平臺的邀請筆者將在《畢業在季，拒絕代寫》系列活動第四期公開直播-
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（1）本套高級課程涵蓋的知識點：
1.接觸非線性概述
1.1 接觸計算的工程應用
1.2 接觸單元與目標單元
1.3 實常數與關鍵字
1.4接觸計算插入命令
1.5 範例-赫茲接觸非線性計算
2.接觸非線性計算原理
2.1 接觸計算客觀性三原則
2.2 建立接觸關係的方法（接觸對；通用接觸）
2.3 對稱接觸與非對稱接觸
2.4 接觸作用模式
2.5 接觸計算算法
2.6 實例-雙懸臂樑接觸變形計算
3.接觸非線性計算控制參數
3.1 接觸剛度（法向+切向）
3.2 穿透容差（法向+切向）
3.3顫振控制參數
3.4 球形區域
3.5 接觸剪裁
3.6接觸計算精度評判參數
3.7 實例
1-圓柱-平面赫茲接觸精確解
2-錐形銷拉拔接觸非線性計算
4.初始接觸狀態與接觸收斂關係
4.1 接觸狀態檢查位置（間隙與穿透）
4.2 接觸狀態接觸工具
4.3 接觸狀態調整與收斂性
4.5 穩定阻尼
4.6 實例
1-實例-過盈配合結構裝配應力、傳遞扭矩和軸力計算
2-實例-間隙配合結構接觸非線性計算
5.接觸計算後處理與數據提取
5.1 接觸計算結果類型
5.2 ANSYS WB可提取接觸
5.3 接觸數據提取的高級操作5.4-實例-碟片彈簧壓縮接觸非線性計算
6.接觸高級設置
6.1 剛-柔接觸
6.2 殼體接觸
6.3 點焊連接
6.4螺栓預緊連接
6.4實例
1-點焊連接結構
2-螺栓預緊連接接觸計算
3-薄殼剛-柔接觸衝壓計算
7.通用接觸計算
7.1通用接觸簡介
7.2 通用接觸的定義命令
7.3 通用接觸的控制命令7.4 實例-基於通用接觸的橡膠塊擠壓計算
8.粘結結構界面失效計算
8.1內聚力模型
8.2模型的輸入參數8.3 實例- T型膠粘接頭的界面開裂計算
9.摩擦生熱問題
9.1 庫倫摩擦模型
9.2 摩擦參數
9.3 摩擦係數模型
9.4 多物理場耦合單元
9.5 熱接觸導熱係數
9.6 基於命令施加熱邊界9.7 實例：制動器熱結構耦合摩擦生熱計算
10.產品跌落碰撞衝擊接觸
10.1 產品垂直跌落理論計算
10.2 碰撞接觸時間步控制方法
10.3 接觸定義10.4 實例-自由落體衝擊接觸計算
11.橡膠接觸密封計算
11.1 常用橡膠模型
11.2 流體密封判定準則
11.3 流體壓力滲透載荷
11.4 實例-O形橡膠密封圈的密封性計算
12.接觸磨損計算
12.1磨損模型簡介
12.2 Archard 磨損模型
12.3 磨損體積量提取
12.4 實例-微動接觸磨損計算
13.接觸計算不收斂的解決方法
13.1 計算不收斂的提示信息
13.2 不同提示信息的處理方法
13.3 改善收斂性的參數修改順序
14.綜合實例解析
14.1 結構熱膨脹接觸計算
14.2 鋼-橡膠輥滾動摩擦驅動接觸
14.3齒輪接觸計算
（2）適合哪些人學習
1、學習型仿真工程師
2、理工科院校學生
3、由設計人員轉向分析的工程師
4、想系統學習ansys接觸非線性計算的各類工程師
（3）講師介紹
張老師，仿真秀優秀講師，有限元培訓學員超過5000+具有紮實的力學理論基礎和17年的結構，傳熱，流體，多物理場耦合和疲勞軟件工程應用經驗。以第一作者身份，出版有限元著作6部，目前累計培訓學員超過5000+，有豐富的有限元工程應用經驗.
擅長的軟件ANSYS經典環境，ANSYS Workbench ，Fluent，nCode和LS-DYNA；擅長的領域：結構強度與剛度評估，結構振動與衝擊，非線性材料計算，複合材料設計，螺栓連接結構分析，過盈配合結構分析，橡膠產品有限元計算，結構的疲勞，損傷和斷裂計算；界面增韌機理研究；智能材料斷裂計算；優化，多場耦合分析（流-固；熱-固；流-熱-固）；流體的動力學計算和爆炸衝擊計算。
作者：張老師 仿真秀專欄作者
聲明：原創文章，本文部分內容引自仿真秀專欄作者付穌昇撰稿的《ANSYS Mechanical非線性接觸功能基礎概述，瞭解一下下嗎？》，在此致謝。本文首發仿真秀公眾號（ID:fangzhenxiu2018）,本文已經被授權，部分圖片源自網絡，如有不當請聯繫我們，歡迎分享，禁止私自轉載，轉載請聯繫我們。
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