ANSYS与ABAQUS接触分析技术深究——全面对比与解析

本文是《ANSYS与ABAQUS比较之系列篇》的第四部分，旨在对比两个主流有限元软件在接触分析问题处理上的异同，具体关注案例以半径10mm圆形薄片压在90mm \(\times\) 30mm矩形板顶边中间的场景为例，分析基于两软件的求解过程、接触设置、几何建模、网格化以及求解策略，并通过计算结果对比探讨不同软件的表现和适用于特定场景的考量。

问题描述

考虑半径为10mm的圆形薄片在90mm \(\times\) 30mm矩形板上的接触分析问题，矩形板材料为钢材（弹性模量为210GPa，泊松比为0.3），薄片视为刚体材料。分析的边界条件为加压光源载荷6kN于圆片中心，假设接触面之间无摩擦。




2. 问题分析思路


对接触分析问题进行自上而下的解析：

1. 问题分类：本次分析为静力学问题，且为三维轴对称问题，使用ANSYS的工作模式时，通过设置二维分析类型进行处理。

2. 接触分析特性：所分析问题具有非线性接触特性，运用无摩擦接触设置。

3. 几何对称性：由于几何模型关于Y轴对称，因此，为提高求解效率，仅选取模型的右侧进行分析以达到简化的假设目标。

3. 求解步骤详解


ANSYS求解过程：

1. 打开ANSYS WORKBENCH：创建静力学分析模块，明确分析数据类型。

2. 参数定义：设定钢材的弹性模量和泊松比，材料定义为2.1e11 Pa和0.3。

3. 创建几何模型：构建完整的圆片及矩形板模型。

4. 赋予材料属性：长方形板采用已定义的特性，圆形定位为刚体，设定厚度0.001m。

5. 对称约束施加：沿X轴定义模型的剪切方向约束，以此确保几何模型的稳定性。


6. 远程点创建：为施加载荷设计，与半圆面关联，位置精确设置。


7. 选择接触方式：针对无摩擦接触算法执行设置，保持默认参数不变。


8. 网格划分：面网格尺寸设定为0.0015m，与上篇相应参数保持一致。


9. 约束加载：对矩形板的边施以固定约束，确保边界条件满足实际物理场景。


10. 施加载荷场景：运用远程载荷功能向圆片施加垂直下的集中载荷6kN。


11. 求解策略：为求解求解过程中可能出现的大变形现象，选择启用大变形求解器。


12. 求解与后处理：执行求解操作，并通过后处理功能检查模型的变形和应力状态。


发现起始预测结果显示半圆形薄片产生刚性位移，实际与矩形板并未接触。

通过修改接触表面设置为 `Adjust to touch`，允许间隙调整以达到接触状态。

刍新计算后得到精确的变形和应力值，分别为0.17534mm与902.81MPa。

4. 结果比较与讨论


对比Abaqus与ANSYS：


收敛性能：两者均展现出快速且稳定的收敛特性。

结果对比：ABAQUS计算的应力值为606.5MPa，ANSYS则计算为902.81MPa。ANSYS的米塞斯应力计算值是ABAQUS的1.5倍之多，造成较大的相对误差。

真实应力值评估：因材料已达到屈服边界，寻找更为准确的应力值需要设置材料的塑性行为，并与实验室实验数据进行比较。进一步的分析与研究应深入层面材料规定后的精确性及预测能力。

总结：从上述分析可以看出，不同软件对同一物理模型的处理方式及计算结果存在差异，并非仅限于软件特性的不同，还涉及到模型构建、接触设置以及后续求解策略等多个方面。因此，在进行复杂或特定类型分析问题时，软件选择应综合考虑模型特点、计算效率与结果的稳定性，以获取最优化的分析结果。

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