1、 B r e a k o u t S e s s i o n2 0 0 7 S o l i d W o r k s 用 戶 大 會CAE事業部 / 蔡永鵬 Perry接觸分析應用技巧C O S M O S W o r k s 最佳應用-接觸 ( C o n t a c t )問題在於實際工程應用中是極為廣泛且常見的問題，但現有的固體力學或結構領域的電腦輔助分析模擬軟體中，除了泛用型的有限元素分析軟體有提供此 方 面 的 功 能 外 ， 一 般 整 合 性 的 C A D / C A E /C A M軟體卻較少提供此分析功能，使用者遇到此問題時，除了直接藉助泛用型的有限元素軟體進行分析，另外常用
2、的方法，即是將分析模型利用 CAD或前處理軟體將模型建立完成或資料準備完畢後，在輸出至有限元素分析軟體進行運算，此兩種類型，軟體在使用及相容性皆須滿足使用者要求，不失為一種可行的分析模式，但如進行接觸分析時，除考量建立分析模型的便利性與精確性外，尚須能兼顧前後處理程式與求解處理程式的整合性，如此對於使用者而言，會是一個較好的分析工作模式，而COSMOSWorks即提供了接觸問題的整合性分析環境。接觸分析在於描述初始即為接觸狀態或於承受負載過程中產生接觸的零件邊界之間的互動情形。在兩個相似的勁度值零件之間，使用接觸相互作用是較好的，而不是以負載 /拘束條件方式作用於零件上，若沒有接觸條件，兩個元
3、素之間沒有共同的節點，兩者彼此都不知道對方存在，在 COSMOSWorks中，接觸條件也可以將相鄰的零件結合在一起。在 COSMOSWorks接觸功能可在組合件與多本體零件中使用。 COSMOSWorks提供四種接觸選項：設定整體接觸 (Global.Contact)、定義接觸組 (Local.Contact)、定義零組件之接觸 (Component Contact)以及尋找接觸配對組。結合(Bonded)為預設值，接觸面在分析前後均是結合在一起，不會有分離的狀況。自由/無互動( F r e e ) 使 用 時 機 在 兩 者 ( 零 組件 )之間無互動，若因其它條件,而確使接觸面會有互相穿透
4、時,使用自由接觸條件可以加快運算速度 。無貫穿(No Penetration) 零組件之間會互相作用影響，但不會有穿透 (干涉 )現象。(圖 1)相容網格 vs. 不相容網格整體接觸在組合件中，不同零件或多本體中不同本體接觸面的預設接觸條件，但它不會針對點或邊線以及兩個面積較小的區域設定接觸條件。分為三種接觸情況 (圖 1)：72 | Vol.28 SolidWizard 2007B r e a k o u t S e s s i o n2 0 0 7 S o l i d W o r k s 用 戶 大 會Vol.28 SolidWizard 2007 | 73如果使用相容的網格選項進行網格化
5、失敗的話，可使用此選項完成網格化程序。若在接觸邊線及面之間使用分割線，使其邊線重合，網格將會相容，此選項 (不相容網格 )就沒作用。只有在結合選項可以使用 (圖 2)當兩個面重疊時 (圖 3):定義接觸組(局部接觸 )為組合件及多本體零件中，必須定義來源及目標圖元之間的接觸。 (圖 4)零組件之接觸 手動選擇來源面以及目標面圖元。選擇接觸類型。若需要的話，選擇 “摩擦 ”會增加求解複雜性，除非必要否則不要使用。真實情形的摩擦係數不易量測及控制，因此使用時要特別注意。使用相容的網格，求解準確性較高但網格產生較有可能產生失敗。使用不相容的網格，程式會在兩個重疊面彼此之間以一內部拘束繫住。對所選零組
6、件之間或與其它零組件共用的所有面積設定預設接觸條件。若不想所有接觸面都是結合的，通常整體接觸設定為自由。 (圖 5)使用零組件接觸個別定義。 (圖 6)(圖 2)(圖 3)(圖 4) (圖 5)(圖 6)B r e a k o u t S e s s i o n2 0 0 7 S o l i d W o r k s 用 戶 大 會尋找接觸配對組 在複雜的組合件中，有時很難從外觀判斷零組件與其它零組件是否有共用區域，或兩者之間是否保持在指定的餘隙範圍內。這是最快找到配對組的方法。 (圖 7)接觸定義層級 選擇 2個以上零組件。當選擇選項 ”接觸面 “， COSMOSWorks將自動判斷可能的接觸
7、配對組。類型可以選擇 “無貫穿 ”、 ”結合 “或 ”自由 “。“無貫穿 ”可以選擇:節點對節點 節點對曲面曲面對曲面當一個圖元同時有多種接觸情形時，會以下列方式判斷: (圖 8)接觸類型局部接觸條件會覆蓋過整體以及零件接觸條件。零件接觸條件會覆蓋過整體接觸條件。整體接觸條件僅用於沒有設定零件或局部接觸條件的接觸面上。無貫穿：節點對節點、節點對曲面及曲面對曲面結合使用接觸設定的主要方式。定義模型中不能互相穿透的區域。“熔接 ”或 ”銲接 ”的圖元。收縮配合 (Shrink Fit)允許相互有干涉配合作用 。自由 (無互動 )虛擬牆壁 (Virtual Wall)無貫穿接觸選項當零件接觸一彈性或
8、一剛性平坦面時使用。只能設定在單一零件上。要選擇一個參考基準面。只能在靜態專題。74 | Vol.28 SolidWizard 2007節點對節點 (Node to Node)(圖 9)間隙元素。僅適用於初始接觸的面。假 設 接 觸 正 向 力 方 向 以 及 接 觸 點 在 分 析 過程。中不會改變。施加的力量必須與接觸正向力互相平行。若有滑動情形則不適用此選項。接觸面應該要相對平坦或者平行。COSMOSWorks會在來源面及目標面之間建立同位節點，節點之間不會互相合併。 (圖 7)(圖 8)(圖 9)B r e a k o u t S e s s i o n2007 SolidWorks
9、用 戶 大 會Vol.28 SolidWizard 2007 | 75節點對曲面 (Node to Surface)(圖 10)間隙元素會連接來源面上的節點以及目標面上的元素面 。不同於節點對節點間隙接觸:曲面對曲面 (Surface to Surface)(圖 11)接觸圖元一開始不一定要接觸。接觸力的方向是由於接觸圖元的變形形狀判斷出來。接觸圖元上的節點不需要互相對應。相較於節點對節點及節點對曲面的應用更為普遍。適用於一般負載下的複雜接觸。能獲得較高的準確性，但需花較多時間。當來源面與目標面之間的接觸面積太小，或於變形過程中變成只有一條線或點時，不建議使用此選項。在該情況下，請使用節點對曲
10、面選項。來源面與目標面COSMOSWorks將接觸配對組選擇的 2個圖元區分為”來源面“以及”目標面”。有 一 種 檢 視 方 式 就 是 假 設 ” 來 源 面 “ 作 用在”目標面“上。COSMOSWorks會嘗試將來源圖元投影至目標圖元上。若將兩者的圖元互換，結果可能會有差別。(圖 10)(圖 11)B r e a k o u t S e s s i o n2007 SolidWorks 用 戶 大 會76 | Vol.28 SolidWizard 2007在下列狀況中，來源面與目標面的選擇方式不重要:自由 (無互動 )結合接觸並且使用相容網格選項無貫穿並且使用節點對節點選項在其它的接觸
11、狀況，選擇來源面以及目標面會 對 於 運 算 收 斂 狀 況 以 及 求 解 時 間 影 響 很大，包含收縮配合情形。單一圖元可以在接觸配對組中被指定為來源面，也可以在另一個接觸配對組中被指定為目標面。來源面以及目標面可以同時選擇多個圖元。所有來源面或目標面的圖元都必須屬於單一個實體 (零件 )。 (圖 12)選擇目標面圖元一般而言，目標面應該選擇接觸組中兩個零件剛性較高的。來源面可以選擇頂點、邊線、面，但目標面只能選擇面。頂點及邊線只能用在節點對曲面。目標面必須比來源面平坦且區域大。目標面網格可以切割得比來源面粗。目 標 面 在 接 觸 區 域 不 應 該 有 尖 角 或 者 小 導角。 (圖 13)理論上，來源面與目標面應該可以互換。在目標面上最好有小圓角。若來源面與目標面不能互換，最好的方式是產生 23個接觸配對組。其它接觸分析技巧善用分割線 (Split Lines)減少來源面區域可以加快求解時間。使用分割線減少目標面區域對求解時間不會有影響。一般而言，在接觸面若有較精細的網格，則在求解接觸收斂時會較好且較快。目標面的網格若太精細反而可能會造成收斂問題。(圖 12)(圖 13)
