SimSolid的接触非线性功能探讨

SimSolid的好，SimSolid的快，相信各位同学都有所耳闻，或者早已有所体会。

那它有没有什么不足之处呢？

当然，我们说的不是已知的文档说明中还不支持的功能。

今天我们来探讨一下SimSolid的接触非线性的功能，看看它是否完美。

第一部分

曾经，有一个这样的模型摆在我的面前，我思绪万千，苦试求解器不得收敛。

恰逢，Optistruct的接触和非线性分析的能力大幅增强，问题终于得以解决。

(广告：对Optistruct接触感兴趣的同学可以学习我的这门课程《Optistruct中的接触》。)

假如，我们的SimSolid可以快速、准确的解决这个问题，那岂不妙哉？

 因此，在拿到最新版SimSolid时，我脑海中直接就蹦出了这一问题。

模型如图所示，是我们常见的变速器或者减速器齿轮组。对于减速器的原理这里不再详细阐述。扭矩从一端输入，另一端输出，中间是几组齿轮组。

问题描述：

工况简单，模拟启动瞬间，即输入端给定扭矩，输出端进行约束固定。

复杂点在于模型是一个略为复杂的装配体。即便简化掉轴承，还有齿轮间的配合接触。

考察对象是齿轮的应力，能否承受峰值扭矩。

 对于这种工程问题，传统有限元解决通常有以下几个难点：

1、几何模型的调整修复有难度，齿轮需要配合，而我们从CAD同事拿到的模型多半情况下是没有配合好的。特征较多，需要花费较长时间进行几何修复。

2、建模困难，涉及到好几个齿轮，齿轮间的间隙较小，网格要划分精细；保证接触面网格不能穿透，且有较高的质量

3、涉及到接触问题，收敛困难。使用abaqus和optistruct对这个模型进行求解，除了要划分较高的网格质量外，还要进行接触的控制，计算相对耗时较长。

  

Optistruct的计算结果如下图所示：

 

 

SimSolid求解设置 

装配复杂，工况简单，这类分析正对SimSolid的胃口。但唯一需要再进一步考虑的是，齿轮间的接触状态不能使用绑定接触，绑定接触与实际的接触状态相差太大，需要将接触设置为可分离的滑动接触。在SimSolid声明的非线性分析类型中是支持接触非线性的，因此“非线性接触的能力“正是本次分析需要验证的功能。

依据上述的边界条件，我们进行了如下的设置。

边界条件如下所示：

分析类型设置：

接触方法的设置：

 SimSolid的接触在导入模型的时候通过搜索距离的定义可以自动的创建，如果没有创建可以后期手动创建。

接触关系的设置：

 

将可分析的接触均设置为可分离接触，并设置摩擦系数

SimSolid的计算结果：

 

首先，分析速度还是一如既往的快。

但计算结果不理想，应力与Optistruct的计算结果相差太大？最大应力位置和值均差异较大，且不合理。

当然，我也尝试进行调整了模型，分析工况设置和接触设置的调整。

但无论用什么模式，怎么调整参数，结果都相差较大。

 调整的分析模型：去除轴承轮，尝试打开应力适应等选项。

分析结果：这个结果应力位置至少是合理的，但是应力值还是要远大于Optistruct的解。

第二部分

那这是什么原因造成的呢，本来接触就是一个复杂的问题。如果继续用这个模型来研究或许我们找不到问题的原因。

最好的方法是退而求其次找一个简单的问题来进行研究。

所以，下面我就用下面这个小例子来做研究。

这个例子也是Altair官方的模型。

使用这个模型会碰到以下两个问题：

1、 FEM模型导入的问题；2、边界条件的问题。

1、FEM模型导入的问题

其中官方提供的模型是fem模型，那SimSolid目前并不支持fem文件的导入，所以我们首先要做的是fem文件怎么转换成一个SimSolid可以读取文件的问题。

SimSolid可以支持的文件有各类CAD文件和STL文件。那我们就有两个大的思路，一个是将fem文件转换为CAD模型，一个是转换为STL文件。对Hypermesh熟悉那就可以快速解决这个问题，关于这一部分不是本文讨论的重点，如果我们手头上有网格文件，没有几何文件，想拿来用SimSolid做对比分析碰到困难，可以查看这个教程《Hypermesh接口——Mesh_to_STL》。

2、边界条件的问题

由于SimSolid暂时不支持 大变形非线性+接触非线性 同时进行，所以我把原始模型中的边界条件稍微的进行了调整。

边界条件如图所示：

这里还要提一下，本来计划的是让转动轮来做主动轮，但是SimSolid目前还不支持施加旋转方向的强制位移，故分析换了一种思路。建议后续可以添加这一功能。

最后的计算结果如下图所示：

变形情况：从动画上看，SimSolid的接触是可以很好的处理边界的这种关系的，可以做到真正的分离接触。且由于给定是是强制位移，故变形量也没有太大差异。  

应力结果：但从应力结果的值上看有一些问题。

应力值与Optistruct的应力结果相差几个数量级(左Optistruct，右SimSolid)。

同样，还是切换了不同的求解方法，不同的接触设置等

最后的应力结果还是相差太多。 

百思不得其解，最后，考虑SimSolid勾选接触的时，不能勾选大变形，那它的接触是不是并不能真正的分离？用optistruct进行了验证，发现果真如此。当我们在Optistruct中使用Freeze接触类型时，与SimSolid计算得到的应力结果是一致的。

 

 

从这个模型大致可以得出以下的结论：

从变形结果来看，SimSolid处理接触的方法可以做到形变上的接触；但是应力的求解却是按照绑定接触来计算的。这一结论仅对本文中的类似模型有效，或许是bug，对于求解类似的问题是有一定问题的。所以目前大家如果用到类似此类结构且包含接触的分析时，需要注意到这一点。

另外，总结以下SimSolid可以改进的几个小建议，

1、建议强制位移可以增加旋转强制位移;

2、建议后处理结果中可以框选局部显示局部区域；

3、建议改进剖面截取方式，可以更加精确的控制，比如选择方向或者输入轴。

 

SimSolid本已很惊艳，正是对它有更高的期许，才写下了这篇。

文中涉及到的问题或许有谬误，也请批评指正；

或许不成熟的小建议或许在未来的一天已经不是问题，愿SimSolid未来更加强大。

未来可期！

注：本文成文与2020年8月23日，SimSolid版本号：2020.0.0 。

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