第一十零章 装配体有限元分析

    在连接有不同自由度的单元时必须留心，因为在界面处可能会发生不协调的情况。如果单元彼此不协调，求解时会在两种单元之间传递不适当的力或位移。

    为了保证协调，两个单元必须有相同的自由度。例如，它们必须有相同数目和类型的位移自由度及旋转自由度。此外，自由度必须是耦合的，即它们必须连续地穿过界面处单元的边界。

10.2.1  实体-实体连接

    实体与实体的连接较简单，主要有两种方法：节点耦合和MPC算法。

1．节点耦合

    节点耦合是指共享节点，这种连接方式最简单，且最有效。建立有限元模型时，应使用同一种实体单元（如SOLID185等）划分网格，但可分别定义各实体的材料属性。

2．MPC算法

    MPC算法可用于连接非协调网格，如六面体与四面体交界面（见图10-1）。ANSYS使用目标单元TARGE170和接触单元CONTA173或CONTA174定义MPC算法。第19.3节介绍了面-面接触建模的详细内容，对于MPC算法，仅仅是单元选项和实常数设置不同而已。

图10-1  非协调网格-六面体与四面体交界面

    （1）单元选项

    仅需设置接触单元CONTA173/ CONTA174的单元选项，推荐采用如下设置：

    K2=2(Multipoint constraint (MPC))

    K4=2 (On nodal point-normal to target surface)

    K5=1 (Close gap with auto CNOF)

    K9=1 (Exclude both initial geometrical penetration or gap and offset)

    K12=5 (Bonded (always))

    （2）实常数

    一般地，保持所有默认值可满足工程需要。

10.2.2  实体-板壳连接

    实体单元节点具有3个平动自由度，板壳单元节点具有3个平动自由度和3个转动自由度。为确保自由度协调，可根据实体与板壳连接的具体情况，选用不同的连接方法。本书提供了两种方法：节点耦合和MPC算法。

1．节点耦合

    尽管实体单元节点缺少转动自由度，但在图 10-2 所示的实体-板壳结构中，只需耦合实体与板壳的连接节点，就可保证自由度协调。

2．MPC算法

    在图 10-3 所示的实体-板壳结构中，板壳形成平面，由于其节点具有转动自由度，即使采用了节点耦合，也可绕连接交线转动。在这种情况下，可采用MPC算法连接非协调网格。ANSYS使用目标单元TARGE170（覆盖于实体单元表面）和接触单元CONTA175（位于板壳单元边界）定义MPC算法。第19.4节介绍了点-面接触建模的详细内容，对于MPC算法，仅仅是单元选项和实常数设置不同而已。

图10-2  节点耦合连接实体与板壳单元

图10-3  MPC算法连接实体与板壳单元

    注意：对于MPC算法，CONTA175支持高阶下伏单元。

    （1）单元选项

    仅需设置接触单元CONTA175的单元选项，推荐采用如下设置：

    K2=2 (Multipoint constraint (MPC))

    K5=1 (Close gap with auto CNOF)

    K9=1 (Exclude both initial geometrical penetration or gap and offset)

    K11=1 (Include)

    K12=5 (Bonded (always))

    （2）实常数

    一般地，保持所有默认值可满足工程需要。