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1、多点约束 (MPC),第七章,多点约束算法（MPC）提供了一个极为有效的接触模拟算法，能够处理很多在ANSYS7.1之前都难以模拟的问题 该章节我们将详细讨论MPC算法及其使用,多点约束 (MPC) 章节综述,该章包括以下几个主题: 背景 绑定，无分离接触 基于表面的约束 传统绑定接触的局限性 CERIG, RBE3的不足 MPC算法的优势 实体对实体的多点绑定接触 壳体对壳体的多点绑定接触 壳体对实体的多点绑定接触 梁对壳体/实体的多点绑定接触 基于表面的多点约束 注释,多点约束(MPC) 章节综述,在第三章中我们提起过，MPC算法使用内部生成的约束方程在接触面上保证协调: 接触节点的自由度
2、被消除. 不需要法向刚度和切向刚度. 对于小变形问题, 求解平衡方程时不需迭代. 表现出线性接触行为. 对于大变形问题, MPC约束方程在每一步的迭代过程中都要进行校正. 该方法仅对绑定接触和无分离接触适用. 对称接触对中不可用 ANSYS会自动转换成不对称接触 MPC 法在点点接触中不适用,多点约束(MPC) A. 背景,MPC法可以绑定不同的单元类型，即使交界面的网格不兼容: 实体对实体 壳体对壳体 壳体对实体 梁对实体/壳体,多点约束(MPC) .背景,MPC法可用作表面约束 刚体约束表面 (CERIG类型 MPC) 力分布表面 (RBE3类型 MPC),多点约束(MPC) .背景,CE
3、RIG,RBE3,绑定约束和无分离约束的局限: 结果取决于指定的接触刚度. 即使是小变形问题中也需要进行多次迭代以调整穿透量. 模态分析中偶尔会出现失真的自然频率. 只能施加平动自由度约束. CERIG 和 RBE3的局限： 仅适合于小应变. RBE3 只支持力约束. RBE3 需要手动定义权值.（ MPC 表面约束自动计算权值）,多点约束(MPC) .背景,MPC算法的优势: 求解效率比传统的绑定接触要高: 对于较大的装配模型使用MPC绑定或无分离算法，计算时间要比其它算法快.,多点约束(MPC) .背景,MPC算法的优势： 容易使用: 接触向导和手动定义中都可设置MPC算法. 不需要输入接
4、触刚度. 求解中自动生成约束 考虑了形状效应，不需手动输入权值 对于基于表面的约束，支持力约束和位移约束.,多点约束(MPC) .背景,MPC算法的优势： 很容易就能模拟壳体实体、梁实体、梁壳体的组合效应: 支持网格的不兼容 梁、壳、实体单元上的节点不需要对准,多点约束(MPC) .背景,使用实体对实体的多点绑定或无分离接触非常简单. 使用CONTA169-174创建面面接触对 接触行为设为绑定 (KEYOPT(12) = 4, 5, 或 6) 接触探测设为节点 (KEYOPT(4) = 1 或 2) 接触算法设为 MPC (KEYOPT(2) = 2) 内部多点约束会在求解中自动生成,扭矩,
5、Solve,多点约束(MPC) B.实体对实体的多点绑定接触,对壳体壳体的绑定接触，使用CONTA175和TARGE170单元在壳的边缘创建点面接触对. 也可使用面面接触单元 CONTA173-174 ，节点探测设为垂直于目标面(KEYOPT(4)=2), 但此方法通常比使用 CONTA175单元的效率要低. 设置接触行为为绑定 (KEYOPT(12) = 5 或 6) 设置接触算法为 MPC (KEYOPT(2) = 2) 内部多点约束会在求解中自动生成,节点的平动自由度和转动自由度在交界面处都被约束住,多点约束(MPC) C.壳体对壳体的多点绑定接触,对于壳体对实体的多点绑定接触，基本步骤
6、和上述类似，但由于壳体和实体交界面的复杂性，一些额外的选项需要设置 创建点面接触对 CONTA175（壳体上单元交界面的边界） TARGE170（实体上单元交界面的边界） 设置接触行为为绑定接触 (KEYOPT(12) = 5 或 6) 设置接触算法为 MPC(KEYOPT(2) = 2) 设置MPC 约束类型 (TARGE170, KEYOPT(5) = 0,1,2,3,4) 在目标面上建立虚拟壳(当需要时),壳单元,实体单元,接触单元 (CONTA175),目标单元 (TARG170) (实体上表面),多点约束(MPC) D.壳体对实体的多点绑定接触,*,虚拟壳,当创建壳体对实体的多点绑定
7、接触时，用户可在实体表面附上一个额外的壳单元（虚拟壳），并在实体、壳和附加的壳上定义约束方程. 当需要时，该选项可以更好的模拟壳体和实体之间的载荷传递.,多点约束(MPC) .壳体对实体的多点绑定接触,MPC选项允许用户控制哪些自由度用于生成内部约束，总结如下: TARGE170, KEYOPT(5)=0,自动约束 (缺省) TARGE170, KEYOPT(5)=1, 只有平动位移被约束 TARGE170, KEYOPT(5)=2, 平动和转动位移都被约束 TARGE170, KEYTOPT(5)=3,壳节点上的平动和转动位移都被约束,实体节点上只有平动位移被约束 TARGE170, KEY
8、OPT(5)=4, (8.1版本新选项) 下面我们对其作详细讨论.,多点约束(MPC) .壳体对实体的多点绑定接触,TARGE170, KEYOPT(5)=0, 自动约束 (缺省设置) 大多数情况下，ANSYS对壳体实体组合约束平动和转动自由度.,多点约束(MPC) .壳体对实体的多点绑定接触,TARGE170, KEYOPT(5)=1: 实体实体约束 在实体表面创建虚拟壳单元（SHSD命令） 只有平动位移被约束 壳单元和虚拟壳单元的节点重合 CONTA175 单元处在虚拟壳单元和实体单元的交界节点上,虚拟壳,壳厚度,多点约束(MPC) .壳体对实体的多点绑定接触,TARGE170, KEYO
9、P(5)=2: 壳体实体约束: 使用SHSD命令在实体表面创建虚拟壳 平动和转动自由度被约束 虚拟壳和实体表面节点重合 CONTA175单元仍然存在于壳边缘 虚拟壳和壳之间存在自由度约束,虚拟壳,多点约束(MPC) .壳体对实体的多点绑定接触,TARGE170, KEYOP(5)=3:壳体实体约束 不需要虚拟壳 壳边缘上的平动和转动自由度被约束;实体表面只有平动自由度被约束. 当壳和实体都处在接触或目标同一边. 否则该选项和KEYOPT(5)=0相同.,多点约束(MPC) .壳体对实体的多点绑定接触,TARGE170, KEYOP(5)=4:壳实体约束，所有方向 如果接触法向和目标法向相交，那
10、么和 KEYOPT(5)=3相同.否则处于Pinball区域内的节点仍然使用约束方程,多点约束(MPC) .壳体对实体的多点绑定接触,目标法向,接触法向,Pinball 区域,对于壳体实体接触该选择哪个选项？ 对于许多问题，所有的选项都能产生相同的或非常相近的结果. 最好的选项取决于几何的复杂程度和施加在装配上的载荷. 如果壳体在壳实体交界处承受很大的平面外扭矩，KEYOPT(5)= 1 或 2 使用虚拟壳较好. 大多数情况, KEYOPT(5)= 0 或 3 较合适. 如果不能确定是否使用 KEYOPT(5)=0,3 , 可使用 KEYOP(5)=1,2 验证计算结果. 对于壳和实体之间存在
11、可以忽略的小的间隙，那么可以使用KEYOPT(5)=4.,多点约束(MPC) .壳体对实体的多点绑定接触,使用三维实体单元,采用实体和壳模拟,用MPC算法连接 Contact175和Target170单元,考虑一个三维突缘体的例子:,多点约束(MPC) .壳体对实体的多点绑定接触,实体实体(KEYOP(5)=1) MPC 有虚拟壳 平动自由度被约束 DMX=104.2 SMX=1.44,自动约束 (KEYOP(5)=0,3) MPC, 无虚拟壳单元 DMX=107.2 SMX=1.41,壳体壳体 (KEYOP(5)=2) MPC 有虚拟壳单元 (平动和转动自由度被约束) DMX=103.2 S
12、MX=1.40,实体单元 DMX=101.5 SMX=1.22,多点约束(MPC) .壳体对实体的多点绑定接触,使用 TARGE169/170 的导向节点建立和 CONTA171-175单元的连接类似于使用 CERIG 和RBE3 命令: 把梁和实体/壳体绑定 在面和边上施加位移或力约束,多点约束(MPC) E.梁对壳体/实体的多点绑定接触,对梁实体单元使用MPC法的步骤: 创建点面接触对 使用梁边缘上的节点创建CONTA175单元 (ESURF命令) TARGE170使用梁端的导向点(参考命令：KMESH 、 TSHAP、PILOT 、 E) 设置接触行为为绑定( KEYOPT(12) =
13、5 or 6) 设置接触算法为 MPC （ KEYOPT(2) = 2） 如果使用 CONTA171-174, 设置RBE3或CERIG（ KEYOPT(4)=1,2） 如果使用 CONTA175, 设置 CERIG 或 RBE3 （ KEYOPT(4)=0,1）,导向节点,梁单元,表面节点上的接触单元,多点约束(MPC) .梁对壳体/实体的多点绑定接触,对梁壳单元使用MPC法的步骤: 创建点面接触对 使用壳边缘上的节点创建CONTA175单元 (ESURF命令) TARGE170使用梁端的导向点(参考命令：KMESH 、 TSHAP、PILOT 、 E) 设置接触行为为绑定( KEYOPT(
14、12) = 5 or 6) 设置接触算法为 MPC （ KEYOPT(2) = 2） 如果使用 CONTA173-174,设置RBE3或CERIG（ KEYOPT(4)=1,2） 如果使用 CONTA175, 设置 CERIG 或 RBE3 （ KEYOPT(4)=0,1）,导向节点,Beam element,壳体边缘节点上的CONTA175单元,多点约束(MPC) .梁对壳体/实体的多点绑定接触,创建基于表面的约束（CERIG或RBE3型MPC），在表面和边缘上施加位移和力: 创建节点表面接触对 在从节点上建立CONTA175单元 (ESURF) TARGE169/170 导向节点作为主节点
15、 (KMESH 、TSHAP、PILOT 、E) 设置接触行为为绑定(KEYOPT(12) = 5 or 6) 设置接触算法为 MPC(KEYOPT(2) = 2) 设置CERIG 或 RBE3 类型为 CONTA175（KEYOPT(4)=0,1） 定义要约束的DOF（使用TARGE170, KEYOP(4) ） 在导向节点上施加位移和力.,CONTA175 单元 在从节点上,导向节点作为主节点,多点约束(MPC) F.基于表面的多点约束,创建基于表面的约束： 定义DOF约束集: 用户可以控制要约束的DOF（使用KEYOP(4)输入6个数值） . 6个数字分别为 ROTZ, ROTY, RO
16、TX, UZ, UY, UX的值. 1 表示DOF为激活状态. 0代表非激活状态. 例如: KEYOPT(4) = “100011” 表示 ROTZ, UY, UX 将在MPC法中使用. KEYOPT(4) = “11” 表示 UY 和UX 被激活，0可忽略. 任何不包括在MPC中的自由度应该被约束. 缺省状态为 KEYOPT(4) =“111111”,多点约束(MPC) .基于表面的多点约束,创建基于表面的约束: 基于表面的MPC法也可以通过接触向导创建，和创建接触对类似.,多点约束(MPC) .基于表面的多点约束,定义主节点 (导向节点),定义从节点 (接触),定义约束类型和DOF集,基于
17、表面的约束 （对比CERIG 和 RBE3 ） CERIG -接触面在载荷作用下仍维持初始形状，载荷作为位移转换成刚体接触. RBE3 -接触面在载荷作用下允许变形，载荷作为力和力矩转换成柔体接触.,初始接触面,CERIG ，使用 CONTA175 Keyopt(4)=0,施加了位移和转动的导向节点,变形后的刚体接触面,RBE3 ，使用CONTA175 Keyopt(4)=1,初始接触面,变形后的柔体接触面,施加了位移和转动的导向节点,多点约束(MPC) .基于表面的多点约束,和一般接触对不同，当使用TARGET169/170导向节点作为主节点建立基于表面的约束时，模型中不必存在刚性目标面.
18、MPC选项对于使用CONTA 171-175单元的热、电磁分析同样适用(例如 22X 耦合场单元). 更多情况可参考第十章. 热接触MPC 可使用 THOPT,QUASI 快速求解选项以优化运行时间.,多点约束(MPC) G. 注释,多点约束(MPC) 注释,使用MPC算法时的一些限制: 对于基于MPC法的接触，一定要设置节点探测选项。如果激活MPC算法前没有进行设置的话，对面面接触单元(CONTA171-174）设置KEYOPT(4)=2 CONTA175 始终使用节点探测 当刚性体是基本图元时（例如球体、圆锥、圆柱等），MPC选项不支持刚体柔体接触 因为约束方程是内部生成的，MPC算法不能得到与接触相关的后处理数据（例如CONT,PRES或ETABLE中的条目）,在结构上施加位移约束和扭矩请参考 workshop 中的相关章节. W7A.梁对壳体的多点约束接触 W7B.基于表面的多点约束,多点约束(MPC) . MPC WORKSHOP,