【弹性力学】研究遇到瓶颈了，求Ansys高手帮忙，有仿真币...

jimogsh

先向大家问声好，大概有四五年没有来这个论坛了，以前一直在Mathematica版混并且蒙版主厚爱在本站和大家讨论过不少问题。最近小弟做的研究用到了Ansys，然而我过去并没有接触过这个软件，所以差不多是从0开始学，现在用的是Workbench在进行一个简单的研究，然而由于力学基础不够好还是遇到了不少问题。所以在此向大家请教。

我在做的模拟是用一个刚质小球压一个弹性材料（小球位于一个正方体弹性材料一个面的中心位置，受到面向弹性材料中心方向的力。下图做了对称，只显示1/4，同时为了方便施加力及减少网格数，把小球削去了顶部），我的目的是要让模拟计算的弹性材料形变结果(即小球压出的压痕深度）和理论公式计算的结果符合一致。






   

我可以给出一组数据如下：材料的E=5000Pa, nu=0.49, 向下压的力=0.4nN, 正方体边长=100um,小球半径=2.5um, 接触为无摩擦接触。按照这组数据得出的压痕深度应当为0.09404um。但我反复调试参数，得出的结果却总比理论计算的少大概3%到5%。然而这是一个力学的研究，对精度要求比较高。我觉得更大的可能还是我对ansys软件的使用不够了解，所以希望本版的高手们多多帮忙帮我找出问题所在。

在此我有一些问题想向大家提问：
1，接触区域我知道应该是无摩擦接触，Formulation我选了Augmented Lagrange，其他没变。这样设置是否合理:
2，像本问题只在接触区域附近一小块区域有形变有应力的情形，应当如何划分网格更合理？是否适合使用submodel？
3，本问题真实想模拟的是按压到一个无限半空间的弹性材料的，参考了他人的研究结果选取了正方体边长为100um，不过我参考的成果是用comsol做出来的，这个正方体的尺寸对结果的影响大不大？
4，本实验中弹性材料非常软（E=5000Pa），施加的力也极小（0.4nN），这么小的负载是否会影响计算的精度？
5，如果把小球的stiffness behavior改为rigid是否会更好？如果用刚性体的话需要施加远程力，远程力的location应当如何选择？

谢谢大家！大家的建议我会尽量多给仿真币鼓励！！

离殇

你把网格在细化一倍看看结果，个人觉得网格以及接触参数的设置都影响结果，毕竟是用离散的网格代替连续体，接触面积也不是连续的值，3%~5%的误差以及可以了，换个软件结果又不同

jimogsh

离殇 发表于 2016-6-13 11:25
你把网格在细化一倍看看结果，个人觉得网格以及接触参数的设置都影响结果，毕竟是用离散的网格代替连续体， ...

你说的未尝不对，但去年同样的一个试验一个师兄用comsol做出了0.02%的误差，所以现在我做的3%误差就很扎眼了……一直不知道怎么给导师解释，当然最好还是能提高精度。

离殇

jimogsh 发表于 2016-6-14 04:53
你说的未尝不对，但去年同样的一个试验一个师兄用comsol做出了0.02%的误差，所以现在我做的3%误差就很扎 ...

通过改接触参数可以做到更小的误差，但毕竟是对比理论解的差异而调的参数，个人觉得没什么意义，恰好相等罢了，离散的只能无限逼近，接触面积不是连续值所谓的误差也不过人为设置参数下的结果罢了。

jimogsh

不知谁还有主意帮我减小误差，接近理论计算的结果呢？

dongfeng21d

jimogsh 发表于 2016-6-17 03:40
不知谁还有主意帮我减小误差，接近理论计算的结果呢？

我不会！加油我是来看热闹的

ZS_Shen

1.增大法向接触刚度试试，默认值为1，改为10试一试；相同网格数量下，压力大小应该是有影响的，压力太小导致变形小，接触区域节点少，精度降低

jimogsh

ZS_Shen 发表于 2016-6-23 13:28
1.增大法向接触刚度试试，默认值为1，改为10试一试；相同网格数量下，压力大小应该是有影响的，压力太小导 ...

你的意思就是增大接触刚度，以及加密网格是吧。我已经加密网格了，尽管这样的话每次运算可能都需要四五个小时了……

therender

1.楼主采用的增强型拉格朗日算法比较合理，这个我曾经也考量过，所以楼主不用怀疑算法的问题；
2.楼上说的改变接触刚度不知道楼主试了没有，应该很难收敛吧。
建议：
1.接触区域局部增大网格，mesh里面有操作，大概取接触区域的三倍试试，这样可以兼顾效率和精度；
2.施加远程力我曾经用过，在我印象里用来控制更多自由度的，在楼主的例子中应该不需要；
3.改成rigid我认为没什么用，个人意见，仅供参考。

ybli

好久不来论坛，刚好前不久做过一些ANSYS接触方面的仿真，交流下想法：
1.接触仿真，一个很难避免的问题就是接触面和目标面的穿透，这个值直接就影响了楼主的结果，而且影响还可能会很大。前面大家提到的细化网格、增加接触刚度，自然会改善穿透从而影响最终结果；
2.增强型拉格朗日算法有两个重要参数可根据要求修改。一个是接触刚度，另一个是穿透值。建议楼主计算完后，先查看接触面和目标面之间的穿透是否过大，根据自身精度要求直接设置一个穿透值。然后再偿试细化网格、增加接触刚度，当然这些可能会增加计算时间和收敛难度；

感谢楼主提供的参数和理论结果，有时间试试看，用来研究下接触分析。

jimogsh

谢谢楼上回复的朋友们了，经过很多尝试不成功后，我和教授经过了讨论，他也尝试着和我一起看程序来解决这个问题。但最终的变形太小可能是因为本来向下的力被大块的下方固体分散了方向，使得竖立向下的力变小了，结果导致了变形小于计算的预期值。

现在我已经改用位移载荷替换掉力载荷了。感谢楼上各位的热心回复。我记得我曾经是可以给别人的帖子发食仿真币的，但现在好像没有了。如果版主看到了麻烦给楼上的网友一些鼓励吧。我的300仿真币可以扣掉送给大家。

jimogsh

ybli 发表于 2016-7-1 18:32
好久不来论坛，刚好前不久做过一些ANSYS接触方面的仿真，交流下想法：
1.接触仿真，一个很难避免的问题就是 ...

嗯，你说的很有道理，但我的问题可能是因为力被分散了，结果导致竖直向力的力小于施加的力。我无奈改成位移载荷了。