Nuove funzionalità per la simulazione dei contatti in ANSYS 12

1. Il problema del contatto
Nelle analisi di componenti meccanico-strutturali è frequente dover considerare che due o più corpi possano entrare in contatto a causa delle forze che li sollecitano, o che le condizioni di contatto siano alterate dall’applicazione dei carichi (come avviene, ad esempio, nei collegamenti flangiati, in cui il precarico dei bulloni contrasta la separazione delle flange per effetto delle azioni esterne).

In questi casi, quando si discute della simulazione al computer, si parla funzionalità ed algoritmi per trattare il contatto, affrontando sia il tema della non-compenetrazione dei corpi, che quello della valutazione delle forze che essi si cambiano. E’ ovvio, infatti, che il “percorso” delle forze tra ed entro i corpi cambia in funzione di come, sotto carico, cambiano l’estensione e la disposizione delle parti in contato. E così cambia, di conseguenza, lo stato tensionale.
Dal punto di vista algoritmico, il problema del contatto rientra nella categoria dei problemi non-lineari per geometria, in quanto a diversi livelli del carico corrispondono stati tensionali che non sono, tra loro, in semplice proporzione ai carichi. La soluzione passa, quindi, necessariamente per un processo iterativo, in cui il singolo passo è linearizzato, e, specificamente, la matrice dei coefficienti delle equazioni di equilibrio viene aggiornata.

Figura 1: New contact pair trimming logic

2. Le funzionalità per i contatti in ANSYS
ANSYS offre una grande varietà di soluzioni per trattare fenomeni di contatto fra differenti parti di un assieme meccanico.
Tra queste, la più complessa ed efficace riguarda il contatto superficie-superficie. La “surface-to-surface technique” prende in considerazione in modo notevolmente realistico l’ interazione che si produce fra parti differenti in contatto attraverso superfici, entrambe deformabili, od in accoppiamento rigido-deformabile. Operativamente ANSYS utilizza elementi “target” e “contact” per formare una coppia di contatto; una volta definita la relazione può essere simulata l’effettiva interazione fisica tra le parti. La descrizione dei contatti non si ferma alle sole applicazioni meccanico-strutturali, ma si applica anche a problemi termici, elettrici ed elettro-magnetici, e, quindi, in generale, ad applicazioni di natura multi fisica.

Figura 2: Over-constrained regions in ANSYS WB

La definizione degli elementi di contatto è resa semplice attraverso l’interfaccia WB, sia che si tratti di contatto tra corpi nel piano, che tra corpi nello spazio, o, ancora, tra corpi orientati, quali travi e gusci. Questo vale sia in sede di pre-processamento dei dati che in sede di post-processamento dei risultati.
Una volta importato l’assieme geometrico nell’ambiente di simulazione, sulle superfici di parti diverse, al disotto di una certa tolleranza geometrica (di default o definibile dall’utente), vengono automaticamente costruite le superfici di contatto. Sempre attraverso l’interfaccia utente, si possono poi definire i principali “real” e “keypoint” dei contatti (rigidezza, “pinball reagion”, ecc.), e visualizzare, sia in sede di pre-processamento lo stato del contatto iniziale, ed in sede di post-processamento, le grandezze più significative (pressione di contatto, attrito, “sliding distance”, e simili).

Figura 3: Speed-Up in ANSYS 12

3.Le principali novità in ANSYS 12.
Le principali novità riguardanti la la simulazione dei contatti in ANSYS 12 riguardano:

• nuovi algoritmi e metodi per la ricerca e per la definizione dei contatti;
  
• un nuovo tipo di contatto per modellare la “fluid pressure penetration”;
  
• nuove opzioni per definire l’attrito alla Coulomb.

3.1 Nuovi algoritmi
Nella versione 12 di ANSYS è stato implementato un nuovo algoritmo per la ricerca automatica dei contatti. Come accennato precedentemente la tecnologia di Workbench consente di determinare automaticamente le regioni di contatto in base alla posizione delle superfici delle parti che compongono l’assieme.
In ANSYS 12 questa operazione viene sensibilmente accelerata (Figura 3) portando evidenti vantaggi nelle operazioni e nel tempo per il pre-processamento.
La determinazione automatica delle superfici di contatto comporta che spesso venga generato un numero rilevante di elementi privi di utilità nei casi in cui le aree delle superfici che vanno a contatto siano sensibilmente diverse tra loro. Nella versione 12 di ANSYS questo problema è superato attraverso un metodo che svolge il “trimming” automatico degli elementi non necessari (figura 1).

Figura 4: Fluid Pressure Penetration

Analogamente nella versione 12 è implementato un algoritmo che individua ed elimina automaticamente le regioni “over-constrained”. Queste possono essere una conseguenza degli automatismi nella determinazione dei contatti, quando si utilizzino vincoli a formulazione multi-punto (MPC “multi-point-constraint”), (figura 2).
Queste nuove funzionalità portano non solo ad una drastica riduzione del tempo necessario per la formulazione del modello ed il suo pre e post-processamento, ma riducono anche il numero complessivo delle equazioni risultanti, facilitando la convergenza della soluzione e, frequentemente, consentendo una maggiore accuratezza nei risultati.
Il benchmark di figura 3 evidenzia l’abbattimento dei tempi di pre-processamento e di analisi che si riscontra in ANSYS 12 rispetto ad ANSYS 11 a seguito dell’impiego delle nuove funzionalità. L’analisi riguarda un “rubber boot seal” interessato, oltre che da grandi deformazioni, anche da iniziale penetrazione nelle regioni di contatto per fenomeni di “self contact”.

3.2 “Fluid pressure penetration”
In ANSYS 12 è implementato un nuovo tipo di contatto che consente la modellazione del trafilamento (che si può riscontare, ad esempio, in applicazioni in cui siano modellate guarnizioni).
Si tratta, in pratica, di assegnare una pressione esternamente alle parti in contatto, che simula la pressione esercitata da un fluido. L’algoritmo permette di stimare se, sotto l’effetto di tale pressione, si perde, localmente, il contatto, e, quindi, si potrebbe avere trafilamento.

Il nuovo tipo di contatto è utilizzabile sia in modelli bi-dimensionali che tri-dimensionali, tra corpi considerati entrambe deformabili, od in coppia deformabile-rigida. L’esempio della figura 4 è relativo alla simulazione del trafilamento per una guarnizione in gomma.

3.3 Coulomb Friction Definition La modellazione dell’attrito di contatto è un argomento complesso e riguarda diversi campi di applicazione. In ANSYS 12 esiste una nuova “tabular data” che consente di definire l’attrito alla Coulomb attraverso l’utilizzo di 2 o più variabili indipendenti quali “time”, “temperature”, “pressure”, “sliding distance” o “sliding velocity”. Nel processo iterativo in un dato step, l’ attrito è, poi, riferito alla situazione dello step precedente. In figura 5 si riporta la procedura esemplificativa di definizione dell’attrito in funzione della temperatura e della “sliding distance”. Oltre a questo, l’utente può programmare autonomamente un proprio modello di attrito alla Coulomb, sia per elementi di contatto 2/D che 3/D, attraverso la nuova subroutine “userfric”.

Figura 5: New colomb friction definition example

Per ulteriori informazioni:
Ing. Emiliano D’Alessandro
info@enginsoft.it