CONTACT ANALYSIS TIPS AND CHECK POINTS

안녕하세요. ANSYS 유저여러분

 

CONTACT 해석하시다가 어려움에 많이 봉착하셨으리라 생각됩니다.

 

저는 재료 및 파괴역학을 전공하는 대학원생입니다.

 

ANSYS nonlinear analysis를 하면서 하나 둘 축적된 TIP과 CHECK POINT를 제 나름대로 정리해 보았습니다.

 

물론 이 글이 많이 부족하는 것은 알지만 해석 초급자를 위주로 적었습니다.

 

그럼 시작합니다.

 

1. CONTACT 해석을 하시전에 잠시 해당 문제를 고찰하십시요.

 

-> 해석대상의 물성치(비선형 물성치:BISO, MISO, BKIN, MKIN,...) 

    추천)www.matweb.com or 재료를 직접 KS규격이나 ASTM규격을 이용하여 물성치 시험을 하십시요.

    대개 대학교에서 보유하고 있는 인장시험기의 사용료에서 인장과 압축시험비용은 비교적 싼 편입니다.

    학교를 잘 이용해 보세요. 공인기관의 시험성적서가 필요치 않다면 학교도 괜찮은 것 같습니다.

    창원의 경우(제가 경남에 사는지라..) KIMM에 보유하고 있는 장비가 엄첨납니다. kimm웹사이트를 들어가셔서

    필요한 실험에 쓰실 장비가 있는지 살펴보세요.

 

-> 모델링 구현방법(2D or 3D, symmetry or axisymmetric)

     축대칭인 문제의 경우 Axisymmetric 옵션을 이용하시면 편리할 겁니다.

     전체모델에서 중심축에서 좌우, 상하가 symmetric하다면 symmetry 옵션을 이용하세요.

     노드 및 요소의 개수를 줄일 수 있어서 해석 시간이 단축됩니다.

 

-> 비선형 해석 종류 결정

     nonlinear analysis - material : plasticity, hyperelasticity, viscoelasticity, creep

                                - geometric : large strains, large deformations, large rotations

                                - boundary : contact, element birth and death

 

 

2. ELEMENT 검색 // CONTACT & TARGET ELEMENT 특성파악 //Keyoption 설정

 

-> 해당문제에 대한 2D or 3D 해석 접근방법을 정하셨다면 ANSYS HELP에서 ELEMENT 를 검색하셔야 합니다.

    2D or 3D 요소에서 비선형 물성치(TB)를 지원하는지 파악을 하셔야 합니다.

    special features에 보시면 해당요소의 element character를 살펴보실 수 있습니다.

 

-> 2D요소의 경우 keyoption(3)을 살펴보시고 axixymmetric option지정 유무를 유저께서 판단하시어 선택하십시요.

 

-> keyoption을 더 살펴보시고 해석에서 대상의 구현에 적합한 옵션을 지정하십시요.

 

-> contac and targe 요소를 검색해 보세요. help,conta 과 help,targe을 치시면 해당 그룹의 element를 보실 수 있습니다.

    2D요소와 3D요소에 해당하는 contact 요소와 target 요소를 설정하세요.

    targe169 : 2D target segment, target 170 : 3d target segment

    contac 12, 171, 172 <-2d  /  52, 173, 174, 175, 176, 178 <-3d   /  175 : 2d or 3d

    일반적으로 169, 170 / 171, 172, 173, 174을 많이 쓰시니까 help로 검색하셔서 꼼꼼히 읽어보세요.

    contac176의 경우 3d line to line contact으로서 beam element를 사용하실 경우 매우 유용합니다.

    beam요소의 contact type에 따라서 keyoption(3)을 잘 활용하시면 됩니다.

   

 

-> target요소(169, 170)의 tshap(target shape)을 보시면 target 요소의 형상을 keyoption으로 지정할 수 있습니다.

    여기서 중요한 점은 해당 tshap의 real constant value의 필요 여부에 따라서 꼭 설정을 해줘야할 것은 꼭 값을 넣어주세요.

    contac176의 사용시 targe170의 tshap을 잘 설정하시고, 각 요소의 real constant 값을 꼭 설정해 줘야 합니다.

 

-> contact요소의 경우 keyoption 1 ~ 12의 설정이 매우 중요합니다. 여기에서 잘된 설정과 잘못된 설정에 따라서

    해석시 good, error나 not converged가 될 가능성이 갈리는 중요한 설정부분입니다.

 

    keyoption(2)의 경우 contact algorithm이 설명되어 있습니다. 해당 알고리즘을 help로 검색하셔서 확실히 파악을 하셔야 합니다.

    keyoption(4)의 경우(176제외) contact detection point의 설명이 되어 있습니다. 특히 MPC를 사용하실 경우 주의해서 살펴보세요.

    keyoption(5)의 경우 CNOF/ICONT의 설정이 설명되어 있습니다. 저는 보통 1~3을 주로 사용합니다.

                                1~3 : Close gap/reduce penetration(auto CNOF) , 4 : Offset individual nodes to target surface(ICONT)

 

    keyoption(9)의 경우 너무 많은 초기 침투량이 보이면 1과 2를 설정하여 해석해 보세요.

    keyoption(10)의 경우 contact sfiffness update가 설명되어 있습니다. load stpe별 substep별 각 iteration별 로 설정할 수 있습니다.

    keyoption(12)의 경우 컨텍 설정면의 behavior를 설명하고 있습니다. 그룹별로 본다면 0,1 / 2,4 / 3,5,6 별로 해석대상의 컨텍부위에

                                  서 나타나는 현상을 그대로 적용하시면 됩니다.

 

-> 세부설정이 어렵다면 CONTACT MANAGER를 이용하여 CONTAC을 설정해 보세요. 편리합니다. 세부 keyoption도 체크로서

    설정할 수 있습니다.

 

-> FKN 과 FTOLN 설정

 

    Penalty stiffness(FKN)   :   Default로 1로 설정되어 있습니다.

                                          keyoption(10)에서 0, 1, 2로서 stiffness update를 설정할 수 있습니다.

                                          보통 0.01에서 10 사이의 값을 적용하며, 체적 변형 문제에서 1의 값을 사용하며

                                                                                                 굽힘이 지배적인 경우 0.1의 값을 사용합니다.

 

    Penetration Tolerance(FTOLN)  : FKN과의 상관관계를 보자면 FKN이 감소할 경우 FTOLN을 높여주는 것이 좋습니다.

                                                   Default로 0.1이 설정되어 있습니다. 이 값을 임의적으로 낮게 설정할 경우 수렴을

                                                   하지 않거나 반복 횟수를 초과하는 원인이 될 수 있습니다.

 

  

-> Equation solver  : sparse solver  :  구조적으로 불안정 문제, 요소 강성의 차이가 있는 문제

                                                      beam, shell, solid가 복합적으로 사용된 문제

                                                      비대칭 matrix 문제

                               PCG solver  : 3차원  솔리드 모델, 비교적 큰 자유도(100,000ea 이상)

 

                               Frontal solver : 중간규모이하 모델(50,000자유도정도)

 

-> 비선형 해석 방법 : Full newton raphson method : 반복계산 할 때마다 접성 강성 행렬 갱신, 2차 수렴률 가짐

                              Modified newton-raphson method : substep별로 접선 강성 행렬 갱신, 비선형성이 약할 경우

                              initial stiffness method : 초기 강성행렬을 계속 사용, 수렴속도가 느림으로 거의 사용X

 

-> Line search(LNSRCH,ON) : 매우 강력한 비선형 해의 수렴성 개선 도구, 활성화시 해 안정,

                                            대부분의 경우 수렴성 개선, 추가시간요구됨

                                            해가 진동하는 경우 수령성 개선 효과

 

-> Eliminating rigid motion : build geometry so it is  just touching

                                       adjust initial contact conditions

                                       displacement control

                                       weak(or not so weak) springs (or possibly FKOP)

                                       include friction

                                       dynamics

                                       CNCHECK/ADJUST

   

-> ERROR 발생시 : Example message : the value UY at node 117 is 1.5694179E+09. It is greater than current limit of 1000000. .....

                            ===>Using AUTO CNOF

 

-> CONTACT & TARGET 설정 후 확인해야할 사항 몇가지...

 

     - MESH 밀도 조절 (coarser -> finer : use fine mesh) ==> eliminated convergence problems

     - keyoption(9) = 1  : exclude penetration

     - keyoption(5)  : Auto CNOF/ICONT

     - contact & target 설정 후 contact manager에서 show normals를 turn on 시키고, plot elements를 통해

       contact surface와 target surface가 서로 마주보게 설정되었는지 확인!!!!!!!!!

       만약 normal로 contact surface와 target surface가 설정되어 있지 않다면  flip normals on elements 기능을 이용해

       방향을 바꿔준다. 아니면 contact surface와 target surface를 바뀌주는 기능인 switch contact/target 을 이용해 바꿔줌.

 

-> Nonlinear Diagnostics 기능을 이용(9.0이상). ANSYS Main Menu > Solution > Diagnostics > Nonlinear Diagnostics

 

-> convergence   :  - increase convergence tolerance....Note this may simply allow you to converge to a wrong solution

                             - specify a min ref convergence value

                             - adjust pinball region

 

 

두서없이 쓰다보니 내용이 빈약하기도 하고, 틀린부분이 조금씩 있을 겁니다.

 

틀린부분은 고수님들께서 수정해 주세요.

 

ANSYS 비선형 해석은 굉장히 어려운 영역으로 생각됩니다. 그래서 해석유저가 해당문제에 대한 정확한 이해를 바탕으로

 

ANSYS 기능을 매칭시킵으로서 유저가 요구하는 결과가 나올 수 있습니다. 한 번에 모든 문제를 해결하시려고 하지 마시고,

 

조금은 시간적 투자를 하시더라도 반복적인 해석을 하시면서 부족한 부분이나 ERROR를 하나하나 해결하시면서

 

해석을 수행해야할 것 같습니다.

 

위 글이 미약하고 부족하지만 비선형 해석을 하시는 초급유저분들에게 조금이나마 도움이 되었으면 합니다.

 

[자료출처] http://cafe.naver.com/kansys/5125