ANSYS高级接触问题PPT学习课件

1、 分析中常常需要确定两个或多个相互接触物体的位移、接触区 域的大小和接触面上的应力分布。 接触分析存在两大难点： 大多数接触问题需要计算摩擦。摩擦是与路径有关的现象，摩 擦响应还可能是杂乱的，使问题求解难以收敛。 第1页/共190页 1 接触分类 刚柔 一个表面是完全刚性的除刚体运动外无应变、应力和变形，另一 表面为软材料构成是可变形的。 只在一个表面特别刚硬并且不关心刚硬物体的应力时有效。 柔柔 两个接触体都可以变形。 第2页/共190页 2 接触单元 ANSYS采用接触单元来模拟接触问题： 跟踪接触位置； 保证接触协调性（防止接触表面相互穿透）； 在接触表面之间传递接触应力（正压力和摩擦）

2、。 接触单元就是覆盖在分析模型接触面上的一层单元。 在 ANSYS 中可以采用三种不同的单元来模拟接触： 面一面接触单元； 点一面接触单元； 点一点接触单元。 第3页/共190页 不同的单元类型具有完全不同的单元特性和分析过程。 1. 面一面接触单元用于任意形状的两个表面接触 不必事先知道接触的准确位置； 两个面可以具有不同的网格； 支持大的相对滑动； 支持大应变和大转动。 例如: 面一面接触可以模拟金属成型，如轧制过程。 第4页/共190页 第5页/共190页 2. 点一面接触单元用于某一点和任意形状的面的接触 可使用多个点面接触单元模拟棱边和面的接触； 不必事先知道接触的准确位置； 两个面

3、可以具有不同的网格； 支持大的相对滑动； 支持大应变和大转动。 例：点面接触可以模拟棱边和面之间的接触 第6页/共190页 第7页/共190页 3. 点点接触单元用于模拟单点和另一个确定点之间的接触。 建立模型时必须事先知道确切的接触位置； 多个点点接触单元可以模拟两个具有多个单元表面间的接触； 每个表面的网格必须是相同的； 相对滑动必须很小； 只对小的转动响应有效。 例如: 点一点接触可以模拟一些面的接触。如地基和土壤的接触 第8页/共190页 第9页/共190页 3 关于耦合和约束方程的应用 如果接触模型没有摩擦，接触区域始终粘在一起，并且分析是小挠度、小 转动问题，那么可以用耦合或约束方

4、程代替接触。 使用耦合或约束方程的优点是分析还是线性的 第10页/共190页 接触问题的一般特性 1 接触刚度 1、所有的 ANSYS 接触单元都采用罚刚度（接触刚度）来保证接触界面的 协调性 第11页/共190页 在数学上为保持平衡，需要有穿透值 然而，物理接触实体是没有穿透的 分析者将面对困难的选择： 小的穿透计算精度高，因此接触刚度应该大； 然而，太大的接触刚度会产生收敛困难：模型可能会振荡，接触表面互相跳开。 接触刚度是同时影响计算精度和收敛的最重要的参数。你必须选定一个合适的接触 刚度。 除了在表面间传递法向压力外，接触单元还传递切向运动（摩擦）。采用切向罚刚 度保证切向的协调性。（

5、图12） 作为初值，可采用：Ktangent=0.01 Knormal 切向罚刚度与法向罚刚度以同样的方式对收敛性和计算精度产生影响。 第12页/共190页 2、接触刚度的选取 选定一个合适的接触刚度值需要一些经验。 对于面一面接触单元，接触刚度通常指定为基体单元刚度的一个比 例因子。 开始估计时，选用 FKN = 1.0 大面积实体接触 FKN = 0.01-0.1 较柔软（弯曲占主导的部分） 另外，也可以指定一个绝对刚度值，单位：（力/长度）/ 面积。 点一点（除 CONTA178）和点面接触单元需要为罚刚度 KN 输入 绝对值： 初始估计时： 对于大变形: 0.1*E KN 1.0*E

6、对于弯曲: 0.01*E KN 0.1*E E 为弹性模量 第13页/共190页 3、选取接触刚度的指导： Step 1. 开始采用较小的刚度值 Step 2. 对前几个子步进行计算 Step 3. 检查穿透量和每一个子步中的平衡迭代次数 在粗略的检查中，如以实际比例显示整个模型时就能观察到穿透，则穿 透可能太大了，需要提高刚度重新分析。 如果收敛的迭代次数过多（或未收敛），降低刚度重新分析。 注意：罚刚度可以在载荷步间改变，并且可以在重启动中调整。 牢记：接触刚度是同时影响计算精度和收敛性的最重要的参数。如果收 敛有问题，减小刚度值，重新分析 在敏感的分析中，还应该改变罚刚度来验证计算结果的

7、有效性。 在分析中减小刚度范围，直到结果（接触压力、最大SEQV 等）不再明显 改变。 第14页/共190页 2 摩擦 1、两个接触体的剪切或滑动行为可以是无摩擦的或有摩擦的 无摩擦时允许物体没有阻力地相互滑动； 有摩擦时，物体之间会产生剪切力。 2、摩擦消耗能量，并且是路径相关行为。 为获得较高的精度，时间步长必须小（图2-1） 第15页/共190页 式中： 摩擦系数 一旦所受剪力超过 FT，两物体将发生相对滑动。 4、弹性库仑摩擦模型：允许粘着和滑动。 图21 3、ANSYS 中，摩擦采用库仑模型，并有附加选项可处理 复杂的粘着和剪切行为。 库仑法则是宏观模型，表述物体间的等效剪力 FT

8、不 能超过正压力 FN 的一部分： FT Preprocessor Modeling Create Elements Surf/Contact Surf to Surf(ESURF) 对于直接生成刚性目标面，在建立目标单元之前需要要指定附加的单元属性 TSHAP第24页/共190页 第25页/共190页 刚性目标面的自动划分不需要 TSHAP。ANSYS 能根据实体模型确定合适 的目标单元形状。 划分线 (LMESH) 2D 刚性目标面 划分面 (AMESH) 3D 刚性目标面 创建关键点(KMESH)控制节点（Pilot） 刚性目标面能与控制点联系起来。Pilot 实际上是只有一个节点的单元

9、， 通过这个节点的运动可以控制整个目标面的运动。ANSYS 只在 Pilot 节 点上检查边界条件而忽略其它节点的约束。 对可变形体目标面建立目标单元的步骤是： 1.先选择可变形体表面上的节点 2.然后在可变形体上建立目标单元 Main Menu Preprocessor Modeling Create Elements Surf/Contact Surf to Surf 第26页/共190页 ANSYS 将根据基体的网格确定目标单元形状和外法线方向。 检查外法线方向（这在自动划分刚性目标面时非常重要）图 3-3 打开单元坐标系标志并重绘单元 /PSYMS,ESYS,1 目标单元外法线方向应该

10、指向接触面。如果单元法向不指向接触面， 用命令使之反转： ESURF,REVE 第27页/共190页 例：Seal.dat (图3-3) Step 5. 建立接触面单元 设置接触单元属性、选择可变形体表面节点，并在可变形体上建立接 触单元（过程与在可变形体上建立目标单元相同） Main Menu Preprocessor Modeling Create Elements Surf/Contact Surf to Surf (ESURF) 这些接触单元与基体有同样的阶数（低阶或高阶）。 注意，在壳或梁单元上建立目标单元或接触单元时，可以选择要在梁 或壳单元的顶层还是底层建立单元。 图3-33-3

11、 第28页/共190页 在选择柔体表面上的节点时，如果你确定某一部分节点永远不会接触到 目标面，可以忽略它，以减少计算时间。 接触面的外法向应指向目标面。如果发现外法线方向不正确，用下列命 令修改之 ESURF,REVE Step 6. 在有限元模型上施加边界条件 如果目标面是刚性面，目标面将会自动固定。 定义了 Pilot 点 ANSYS 只检查该点的边界条件，忽略目标面上其它节 点约束。控制点能控制目标面的运动。 对 Seal.dat 施加的边界条见图 33。 第29页/共190页 Step 7. 定义求解选项和载荷步，以下是默认设置 推荐使用N.L求解自动控制 使用不带自适应下降的 fu

12、ll Newton-Raphson 法求解 时间步必须足够小。使用自动时间步。 子步数的最大值（NSBMX）应较大，最小值（NSBMIN）应较小 Step 8. 求解 Step 9. 后处理 结果包括位移、应力、应变和接触等信息。 接触压力、摩擦应力、总应力、接触侵入、接触间隙距离、滑动距离 和接触状态都可以从 /POST1 或/POST26 中得到。 第30页/共190页 面一面接触分析实例（建立接触对不通过接触向导） 实例1：弹性环装配 第31页/共190页 轴对称 施加位移载荷：在 L45 线上施加 0.4的 Y 向位移 打开几何 N.L 开关 (NLGEOM,on) 设 Time =

13、0.4 并为自动时间步给出子步数(20,500,10) 给出输出控制（要求输出每一子步结果） 求解并查看输出和监视文件 重启动分析亦将 Y 向偏移量增加到 0.55使咬接装配的第 2 个齿咬 合。 问题以弯曲为主，设 FKN = 0.1 第32页/共190页 GUI 方式： Step 1. 恢复数据库文件 Snap.db（Snap.db 数据库包含此有限元模型的 完整几何模型、材料、边界条件。但未定义目标单元与接触单元）。 Utility Menu File Resume from 选 Snap.db 【OK】 基体单元: Plane42,1 轴对称 材料: MAT,1 EX = 0.175e

14、6; NUXY = 0.35 ; MU = 0.0 MAT,2 EX = 90000; NUXY = 0.35 约束节点 163 UY = 0 182 UY = 0 第33页/共190页 Step 2. 创建目标面单元类型 Main Menu Preprocessor Element Typer Add/Edit/Delete 【Add】 contact 2D targe169 Element typer reference number = 2 【OK】 或命令: /PREP 7 ET,2,Targe169 Step 3. 建立接触面单元类型 Main Menu Preprocessor E

15、lement Typer Add/Edit/Delete 【Add】 contact 2nd Surf 171 Element typer reference number = 3 【OK】 【close】 或命令: ET,3,conta171 第34页/共190页 Step 4.指定接触法向刚度 Main Menu Preprocessor Real Constants Add/Edit/Delete 【Add】 Type 3 CONTA171 【OK】 Real Constant Set No. = 1 Normal Penalty Stiffness FKN = 0.1(对弯曲问题采用初

16、值0.1) Penetration tolerance FTOLN = 0.1 (不用此,不收敛) 或命令：R,1,0.1,0.1 第35页/共190页 确定罚刚度 FKN 值通常在 0.01-10 之间，对于体 积变形问题用 1.0（默认），对弯曲问题用 0.1 确定侵入容差：侵入容差 (FTOLN) 是与接触单元下 面的实体单元深度（h） 相乘的比例因子。 若此值太小会引起收敛困难，绝对不要用太小的容 差!增大罚刚度（FKN）将减少侵入。 将 FKN 增大 100 倍会相应地减少侵入，但是 接触压力只改变 5。 如不收敛可调整 FKN 或 FTOLN 值重新运行。检查 侵入和每个子步的平衡

17、迭代数，如果收敛受侵入容 差的驱使可能是FKN 值估计不足或 FTOLN 值太小。 如果需要多次迭代才能使残值收敛而不是侵入。FKN 值可能估计得太高。 第36页/共190页 Step 5. 创建目标单元 (1) 为目标面选择线 Utility Menu Select Entities 拾取线(图3-5) 【OK】 或命令： LSEL,S,2,4 LSEL,A,15,18 图3-6 LSEL,A,63 (2).选择附于线上的全部节点(图3-6) Utility Menu Select Entities Nodes Attached to lines,all 【OK】 或命令： NSLL,S,1

18、 NPlot 图3-53-5 图3-63-6 第37页/共190页 (3).设置单元属性 Main Menu Preprocessor Create Element Elem Attributes 或命令： Type,2 Mat,1 Real,1 第38页/共190页 (4).创建目标单元 Main Menu Preprocessor Modeling Create Elements Surf / Contact Surf to Surf 注意：如果基体单元是 2D 平面或 3D 实体单元 “Tlab” 无效，如果基体单元是 2D 单元， “Shape” 无效。 选 【pick all】 或命

19、令： ESURF(图3-7) 图3-73-7 第39页/共190页 Step 6. 创建接触单元 (1) 为接触面选线 Utility Menu Select Entities Lines 图3-8 By Num/pick From Full 【OK】 选线(图3-8) 【OK】 或命令: LSEL,s,33,34 LSEL,a,43,44 (2) 选择附于选定线上的全部节点图3-9 Utility Menu Select Entities Nodes Attached to Lines, all From Full 【OK】 或命令: NSLL, S, 1 Nplot(图3-9) 图3-83

20、-8 图3-93-9 第40页/共190页 (3) 设置单元属性 Main Menu Preprocessor Create Element Elem Attributes Element type number = 3 ConTA 171 Material number = 1 Real constant set number = 1 【OK】 或命令： Type,3 Mat,1 Real,1 (4) 创建接触面单元图3-11 Main Menu Preprocessor Modeling Create Elements Surf/Contact Surf to Surf 图3-10 【OK

21、】 【PICK ALL】(图3-10) 或命令: ESURF 第41页/共190页 Step 7. 选择所有选项并画单元 Utility Menu Select Everything Utility Menu Plot Elements 或命令: Allsel, all Eplot(图3-11) Step 8. 求解 /solu antype,static nlgeom,on solc, on time,0.4 nsubst,20,500,10 outres,all,all dl,45,uy,-0.4 solve dl,45,uy,-0.55 solve fini Step 9. 后处理 第4

22、2页/共190页 第43页/共190页 4 应用接触向导创建接触对 所有面面接触的单元选项和参数都可以通过接触向导来控制。使用接 触向导进行接触分析方便快捷 ： 自动定义单元类型和实常数 快速得到接触选项和参数 快速显示和反转接触法向 使用接触向导必须首先对基体进行网格划分，否则不能激活接触向导。 下面仍以弹性环装配接触问题为例。采用接触向导完成接触对的创建来 说明接触向导的使用方法。 Step 1. 恢复数据文件 Utility Menu File Resume from 选 Snap.db 【OK】(图4-1) 此数据库 Snap.db 包括此有限元模型的几何、基体 单元、分网、材料和边界

23、条件。但不包括接触单元与目标单元及接触有 关的参数。 第44页/共190页 Step 2.启动接触向导 Main Menu Preprocessor Modeling Create Contact Pair 第45页/共190页 Step 3. 创建接触对 图4-3 图4-4 【Pick Target】(图43),拾取线(见图35) 【OK】，再定义接触面 返 回图44 【Next】 (图45) 第46页/共190页 图45 【opening setting】图46 第47页/共190页 图46 第48页/共190页 Step 4. 设置接触参数 【OK】 返回图45【create】 【Fin

24、ish】返回图42 第49页/共190页 退出 Step 5.求解 求解过程同前 图42 第50页/共190页 5 实例 2 平面密封圈计算 验证为接触刚度估计一个合适的初始值的重要性 验证接触分析中摩擦的应用 弹性库仑摩擦 验证基于接触单元临界状态变化的时间步预测如何会对计算效率有害 模型描述：2D 超弹平面密封圈 对称，密封圈压缩模拟 第51页/共190页 分析此模型采用两种方法： 1. 不使用接触向导，建立命流文件 Seal.inp 2. 使用接触向导创建接触对，并用 GUI 方式创建 Pilot 节点。 本例具有： 几何 N.L（大应变与大变形） 材料 N.L（超弹） 接触 N.L 数

25、据文件: Seal.inp 第52页/共190页 Step 1. 建模：单元类型、实常数、 材料特性、基体分网 /prep7 et,1,56 ! HYPER56 2D 4node U_P Hyperelastic Solid mp,nuxy,0.49 tb,mooney,1 tbdata,1,80 ! C10 = 80 tbdata,2,20 ! C01 = 20 k,1 $k,2,0.333,0 $k,3,0.867,0.867 k,4,1.1,0.867 k,5,1.1,1 $k,6,0.8,1 $k,7,0.267,0.133 k,8,0,0.133 l,1,2 *repeat,7,1,

26、1 ! 将l,1,2命令重复7次 l,8,1 lfil,1,2,0.20 $lfil,2,3,0.15 $lfil,5,6,0.20 lfil,6,7,0.15 $lfil,7,8,0.05 $lfil,8,1,0.05 al,all ! 应用所有选择的线生成面 k,25,-0.6,0 $k,26,1.1,0 $k,27,-0.6,1.0 k,28,1.1,1.0 lstr,26,25 ! L9 lstr,27,28 ! L10 图5-25-2 第53页/共190页 ! * 基体分网 * lesize,8,2 $lesize,13,4 $lesize,14,4 esize,0.035 type

27、,1 mat,1 amesh,all save,seal,db et,2,169 ! Target169 2D Target Segment et,3,171 ! Conta171 2D Surface to Surface Contact mp,mu,1,0 ! 用材料特性定义摩擦，本例先无摩擦计算然后再有摩擦计算，比较结 果 r,1,0.1,0.1 ! 用实常数定义接触高级选项对于弯曲为主的问题，采用接触刚度FKN = 0.1作为初始估计值, FTOLN = 0.1 lagrange穿透比例系数（缺省值） r,2,0.1,0.1 ! 如果FKN = 1.0则不收敛 第54页/共190页 !

28、 * 创建接触对1（定义实常数和分网） * type,2 ! 目标面 1 Target169 real,1 ! Target169的实常数 mat,1 ! 接触面 1 定义材料与超弹单元同 lesize,15,1 ! 目标面1（L15）分网尺寸(图53) lmesh,15 ! 目标面1（L15）分网,采用自动分网，此 刚性面自动约束。检查外法线方向 【OK】 ! * 接触面1：实常数（与目标面1一致）、分网 lsel,s,line,1,3,1 ! 选L1,L2,L3 lsel,a,line,9,10,1 ! 再加L9,L10 lsel,a,line,14 ! 再加L14 nsll,s,1 !

29、选择和所选线相连系的节点 type,3 ! Conta171这里未发布Real,1，实常数未重新定 义就是前面的Real,1，MAT也是前面的MAT, 1 esurf ! 生成接触单元 lsel,all ! * 检查外法线方向【OK】 * 图5 53 3 第55页/共190页 ! * 创建接触对2 * type,2 ! 目标面2 Target169 real,2 ! MAT未重新定义，就是前面的MAT, 1 lesize,16,1 ! 目标面2 lmesh,16 ! L16分网（目标2分网） kmesh,27 ! 指定Pilot点 ! * 检查外法线方向【OK】 * type,3 ! 接触面2

30、 Conta171 Real,2； Mat,1 lsel,s,line,5,7, 1 ! 选L5, L6, L7 lsel,a,line,11,13,1 ! 再加L11,L12,L13 nsll,s,1 esurf ! 生成接触单元,其Real,2； Mat,1 lsel,all nsel,all ! * 检查外法线方向【OK】 * 第56页/共190页 ! 刚性面1 被约束 ! 刚性面2 随Pilot点移动 ! L4对称约束 dl,4,ux,0 n_load=node(kx(27),ky(27),0) ! 为定义刚性面2的位移做准备 finish /solu nlgeom,on solc,o

31、n ! N.L求解自动控制打开（缺省） time,0.85 ! 载荷步、结束时间 d,n_load,uy,-0.85 nsubst,25,500,10 outres,all,all monitor,var3,n_load,fy 第57页/共190页 Solve /post1 pldsp,2 ! 变形图 plnsol,s,eqv,0,1 ! Von Mises 应力云图 plnsol,cont,pres,0, ! 接触压力图 plnsol,epto,eqv ! 绘等效总应变图54 save,seal,db 第58页/共190页 第59页/共190页 定义反力变量、绘载荷变形图 Utility M

32、enu Plot Elements Main Menu Time Hist Postpro Define Variables 【Add】 Reaction force 【OK】 拾取节点263(控制点) 【OK】 User-Specified Load = FORCE: FY 【OK】 【close】 或命令： /POST 26 RFORCE,2,263,F,Y,FORCE Main Menu Time Hist Postpro Graph Variables 1st Variable to gragh = 2 【OK】 或命令： PLVAR, 2 (图54) 图5 54 4 第60页/共19

33、0页 2、用接触向导创建接触对，用 GUI 方式创建 Pilot 节点（刚性面 控制点），然后求解。 Step 1. 恢复数据库文件 Seal.db（包括基体的几何、单元、分网； 没有选接触单元与目标单元，未定义接触对） Utility Menu File Resume from 选 Seal.db 【OK】 Step 2. 启动接触向导 Main Menu Preprocessor Modeling Create Contact Pair 图 42 【contact Wizard】 第61页/共190页 创建接触对1 图 55 第62页/共190页 选线(1)( (1)( 接触对1 1的目标

34、面) )【OKOK】返回图5 55 5【nextnext】 图56 选线(2) (接触对1的接触面)【OK】；返回图56【next】 第63页/共190页 Step 3.设置接触参数 图57 第64页/共190页 图58 图59 定义摩擦 (图59) 【OK】返回图 57 Coefficient friction 0.2 【Create】 第65页/共190页 511 图512 接触对 1 (图511) 图510图 第66页/共190页 Step 5.创建目标单元控制点 图514 第67页/共190页 Value: -0.5 【OK】 第68页/共190页 施加对称边界条件： Main Men

35、u Solution Define Loads Apply Structural Displacement Symmetry B.C. On Lines 选线L4 【OK】 Step 7.求解控制、求解 Main Menu Solution Analysis Type Soln Controls 第69页/共190页 Main Menu Solution Solve LS_Current Step 8.后处理 同1 无摩擦(MU = 0) Von Mises = 145.096 有摩擦(MU = 0.2) Von Mises = 142.038 接触刚度取 1.0 不收敛 0.1 收敛 /PO

36、ST26 Main Menu TimeHist Postpro 选控制点27， 绘图(见图5-4)。 第70页/共190页 面一面接触具有 20 个可用实常 数，2 个材料属性和 30 个可用单元 选项设置。能够模拟特殊的效果和处 理困难的收敛情况。 通常分析开始先用缺省值，只指 定罚刚度和穿透容差及子步数。 只有在缺省设置遇到困难时才用 高级选项。 所有的单元选项和参数都可以通 过接触向导来控制；也可以通过实常 数和单元选项来指定。 Conta178 接触单元、实常数选 项见图 6-1 及 6-2。 图6-1 第71页/共190页 图 6-2 第72页/共190页 进入接触选项菜单用下列过程

37、： 第73页/共190页 1、最重要的选项是法向罚刚度或接触刚度 第74页/共190页 2、第 2 个重要选项穿透容差。 第75页/共190页 3、对于临界接触状态变化的自动时间步控制 第76页/共190页 4、Pinball 区域影响接触状态的确定和其它许多接触特 性 Pinball 区域是环绕接触单元的园（2D）或球（3D），描述接触单元周围 “远” 和 “近” 区域的边界 (图6-3)。 在缺省情况下，Pinball 区域半径是 4基体单元厚度（刚柔）或 2基 体单元厚度（柔一柔） 可以为 Pinball 半径指定一个不同的值。 图6-3 第77页/共190页 也可用实常数PINB调整球

38、形区（对于初始值侵入大的问题是必要的）。 第78页/共190页 5、几种不同的接触模式 这些选项使你能够模拟特殊的物理现象。 或单元选项: Behavior contact surface K12: standard 这些选项包括： 标准：正常的接触闭合和打开行为，具有正常的粘着/滑动摩擦行为。 粗糙：正常接触闭合和打开行为，但不发生滑动（类似于具有无限摩擦系数） 不分离（滑动）：目标面和接触面一旦建立接触就不再分离（允许滑动） 绑定：目标面和接触面一旦接触就粘在一起 不分离（永远）：初始位于 Pinball 区域内或已经接触的接触检查点在法向不分离（允许滑动） 绑定接触（永远）：初始位于 P

39、inball 区域内或已经接触的接触检查点在剩余的分析过程中绑 定在一起（Design Space 缺省值） 绑定接触（初始接触）：只在初始接触的地方采用绑定，初始分开的地方保持分开。 计算实例：悬臂梁端部旋转（不分离行为） 第79页/共190页 6、影响某些表面行为的选项 Contact Opening stiffness（分开时的间隙刚度）保证不分离和绑定行 为，它通过使用当存在间隙也具有非零刚度的弹簧来连接表面。 缺省情况下，此弹簧刚度等于法向罚刚度，其效果类似于法向罚刚度 刚度太小精 度低；刚度太大会引起收敛问题。 第80页/共190页 摩擦系数影响基本摩擦行为： Contact co

40、hesion 表示当没有法向压力时开始滑动的摩擦应力值。 摩擦导致非对称刚度阵。因为非对称矩阵很难计算（因此导致求解变慢），程序自动 控制执行对称求解，利用此算法可以解决多数含摩擦接触问题。 有时，采用非对称矩阵能获用更好的收敛性。 如果遇到收敛缓慢问题可以用不对称求解选项。 记住：这种情况必须使用稀疏或波前求解器。 对于每个支持非对称矩阵的单元，此选项也可以由下列菜单激活： Main Menu Solution Unabridged Menu Analysis Options 设置 Newton-Raphson 选项为 Full N_R unsymm 第81页/共190页 7、初始穿透 有几

41、种技术可以模拟初始穿透接触问题（如过盈装配）。可以使用初始几 何穿透，或指定偏移量，或二者皆有。(图6-5) 指定偏移量（CNOF） 或在实常数中指定偏移量（CNOF）contact surface offset CNOF: 0.025 第82页/共190页 正的 CNOF 加大初始穿透 负的 CNOF 减小初始穿透或导致间隙 CNOF 可与几何穿透组合 自动 CNOF 调整 允许 ANSYS 基于初始穿透自动给定 CNOF 值。 导致 “刚好接触” 配置 ICONT 缺省为 0 或单元选项: Auto CNOF/ICONT adjustment K5: No. Auto. Adjust 第8

42、3页/共190页 初始穿透选项包括： Include everything：包括由几何模型和指定偏移量 （如果有的话）引起的初始穿 透 Exclude everything：忽略所有初始穿透效应。 Include with ramped effects：渐变初始穿透，以提高收敛性。 Include offset only：只包括由偏移量指定的基本初始穿透。 Include offset only w/ramp：只包括由偏移量指定的基本初始穿透，且渐变初始 穿透以提高收敛性 第84页/共190页 如果模型包含初始几何穿透，接触力将立即“阶跃”到一个大值。 载荷突变经常导致收敛困难，期望有一种机制

43、能够将初始穿透效应渐变到零。 Include with ramped effects 和 Include off set only w/ramp选项通过在第一载 荷步，将初始穿透渐变为零克服收敛困难。为求得好的结果，在第一载荷步不应施加其 它载荷 (图6-6)。 计算实例：初始穿透 图6-6 第85页/共190页 初始不接触的两个（或多个）物体的静力分析 中，在接触建立前可能产生刚体运动 (图6-7)。 此例中圆柱体没有施加位移约束，面由力控制。 圆柱体的约束由圆柱体和平板之间的接触建立。 求解过程中两个物体分离，刚度矩阵奇异。 ANSYS 将产生一个负主元警告。有几个选项 可以解决由于初始不

44、相连物体引起的刚体模式： 图6-7 第86页/共190页 三个高级接触特性允许调整初始接触条件以防止刚体模式： (1).自动 CONF 调整 程序计算 CNOF 以清除间隙。 (2).初始接触环（ICONT） 将调整带内接触表面上的节点移到目标面上 (3).初始允许穿透范围 (PMIN Mat, 1 TYPE,2 MAT,2 REAL,2 LSEL,LOC,X,1.9 NSLL,1 ! 1.9线上的节点 ESURF ! 创建目标单元Target169 ! * TYPE,3 ! Mat, 2 ; Real, 2 LSEL,LOC,X,2 NSLL,S,1 ESURF ! 创建接触面conta17

45、2 ALLSEL,ALL 第97页/共190页 /SOLUTION D,NODE(1.5,0,0),UY,0 D,NODE(2.4,0,0),UY,0 NLGEOM,ON NSUBST,10,50,5 FINISH /PBC,U,1 /NUMBER,1 /PNUM,MAT,1 EPLOT SAVE,interference,db ! 包含有限元模型、接触对、材料、边界条件，求 解控制 第98页/共190页 分析步骤： Step 1.恢复数据库文件 Utility Menu File Resume from 选 interference.db 【OK】 Step 2. 重定位输出文件 Utili

46、ty Menu File Switch Output to File Interference.output 【OK】 或命令： /Output,interference,Output Step 3.求解接触分析 /Solu solve Step 4.重定位输出到输出窗口 Utility Menu File Switch Output to Output Window 或命令：/OUTPUT, TERM Step 5.绘制径向应力 Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu Stress X-direction

47、 SX 【OK】 第99页/共190页 或命令: /POST1 PLNSOL,S,X ! 结果：径向应力0 Step 6.列表显示接触结果 Main Menu General Postproc List Results Nodal Solution 选 Nonlinear items contact CONT 【OK】 或命令： PRNSOL,CONT STAT = 0“张开”几乎不接触 STAT = 1 “张开”但几乎接触 STAT = 2 “闭合”并滑动 STAT = 3 “闭合”并粘着 第100页/共190页 Step 7.检查输出文件内容（interference.output） *

48、NOTE * No contact was detected for a contact pair specified by real constant set 2 大初始穿透问题可能导致无法检测到接触或检测到接触面求解存在收敛困难。在此情况下推荐 在第一个载荷步中包含渐进化效应。Step 8.为初始穿透选项指定渐进化效应 可通过conta172单元选项设置 可通过接触向导中Initial Adjustment的设置 (1) Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete 选 Type 3 conta172 【Option】 initia

49、l penetration/gap K9 = include_ramp 【OK】 【close】 或命令: /prep7 KEYOPT,3,9,2 第101页/共190页 (2)或向导 Initial Adjustment Initial penetration: Include everything with ramped effect 【OK】 第102页/共190页 Step 9.重定位输出到文件 Utility Menu File Switch Output to File Ramped.output 【OK】 Step 10. 分析 /Solu Solve Step 11.重定位输出

50、到输出窗口 Utility Menu File Switch Output to Output Window 命令：/output,TERM Step 12.绘径向应力 Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu Stress X-direction SX 【OK】 或命令: /POST 1 PLNSOL,S,X 第103页/共190页 Step 13.将轴对称模型扩展为整个模型显示 Utility Menu PlotCtrls Style Symmetry Expansion 2D Axi-Symmetric

51、 Select expansion amount = Full expansion 【OK】 或命令： /EXPAND,36,Axis,10 /Repxzlot ISO 显示 /View,1,1,1 /Replot Step 14. 检查输出文件 ramped.output Initial penetration will be ramped during the first load step 在第一载荷步，初始穿透渐进化。 * NOTE * Max. Initial penetration 0.1 was detected between contact element 425 and t

52、arget element 405 specified by read constant set 2 检测到大的初始穿透 第104页/共190页 刚体模式应用初始接触环 ICONT） 目标：验证使用初始接触环调整带来克服接触分析 中的刚体模式 模型描述：2D 平面应力、1/4 对称、施加压力 (图7-6) 文件名: ICONT.inp /prep7 CYL4,0,0,0,0,1,90 RECTNG,0,2.5,1.003,1.5 ! 图7-7 ET,1,182 ! Plane182 2D Structural Solid 4节点UX, UY平面应力、平面应变和轴对称 单 元、大变形、大应变 图

53、7-6 图7-7 例4. 两刚性面间夹圆柱体分析 第105页/共190页 ET,2,169 ! Target169 ET,3,171 ! Conta171 MP,EX,1,1000 MP,EX,2,30E6 MP,MU,3,0 ESIZE,0.1 AMESH,1 ! type, 1 ;mat, 1 MAT,2 AMESH,2 ! * 创建目标目单元 * TYPE,2 MAT,3 REAL,2 LSEL,LOC,Y,1.003 NSLL,1 ESURF ! * 创建接触单元 * TYPE,3 CSYS,1 LSEL,LOC,X,1 NSLL,1 ESURF CSYS,0 LLSEL,ALL /S

54、OLUTION LSEL,LOC,X,0 DL,ALL,UX,0 LSEL,LOC,Y,0 DL,ALL,UY,0 LSEL,LOC,Y,1.5 SFL,ALL,PRES,200 ALLSEL,ALL ! * 求解控制 * NLGEOM,ON NSUBST,10,100,5 SBCTRAN /PBC,U,1 /PSF,PRES,NORM,2 /NUMBER,1 /PNUM,MAT,1 EPLOT SAVE,ICONT,db 其中ICONT.db数据文件包括此模型的有限元模型、接触对、边界条件、 载荷、材料定义等。 例4. 两刚性面间夹圆柱体分析 第106页/共190页 例4. 两刚性面间夹圆柱

55、体分析 第107页/共190页 分析步骤： Step 1.恢复数据库 Utility Menu File Resume from 选 ICONT.db 【OK】 Step 2.重定位输出到文件 Utility Menu File Switch Output to File ICONT.output 【OK】 Step 3.求解接触分析 /Solu solve 产生错误，不能求解 Utility Menu List Files Error File Error: 两部分之间的小间隙产生刚体模式，导致 “自由度超限” 错误。 DOF (e.g Displacement)limit exceeded

56、 at time 3.5e-02 检查输出文件 ICONT.output ANSYS提供接触对信息用于诊断。 ICONT.OUTPUT * NOTE * Min Initial gap 4.022432169e-3 was detected between contact element 264 and target element 224 specified by real constant set2. 此例中采用最小初始间隙估计初始接触环的值，间隙大小为 0.004 in，因此采用绝对值ICONT = -0.005in 第108页/共190页 Step 4. 指定初始接触环绝对值 -0.0

57、05 in 在单元实常数中赋 Main Menu Preprocessor Real Constant Add/Edit/Delete 第109页/共190页 或用向导赋值 或命令： /Prep 7 RMODIF,2,5,-0.005 ! ICONT = -0.005 注意: 推荐只用小值, ICONT 值太大将导致模型不连续 第110页/共190页 Step 5. 求解接触分析 /Solu solve Step 6. 重定位输出到输出窗口 Utility Menu File Switch Output to Output Window 或命令：/OUTPUT,TERM Step 7. 后处理

58、：绘位移总矢量 Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu DOF Solution USUM 【OK】 或命令: /POST 1 PLNSOL, U, SUM Step 8. 检查输出文件 ICONT.output * NOTE * Absolute initial closure ICONT 0.5000e-02 指定的初始接触环调整带成功的防止了刚体运动。 例4. 两刚性面间夹圆柱体分析 第111页/共190页 例4. 两刚性面间夹圆柱体分析 第112页/共190页 本例也可以用向导 Automatic

59、Contact adjustment:c lose gap 或单元设置: Automatic CNOF adjustment KS close gap 防止刚体运动而不输入 ICONT=-0.005 或命令： /prep 7 KEYOPT,3,5,1 例4. 两刚性面间夹圆柱体分析 第113页/共190页 （刚体模式-应用初始穿透范围 PMIN-PMAX） 目标：验证采用初始穿透范围来克服接触分析中 的刚体模式采用合适的初始穿透范围绝对值（- PMIN Mat,1 MAT,2 AMESH,2 ! * 创建目标单元 * TYPE,2 REAL,2 LSEL,LOC,Y,1 ! 选L4 NSLL,

60、1 ESURF ! * 创建接触面单元 * TYPE,3 ! Mat,2; Real,2 CSYS,1 LSEL,LOC,X,1 第115页/共190页 NSLL,1 ESURF CSYS,0 ALLSEL,ALL ! * 加约束和载荷 * /SOLUTION LSEL,LOC,X,0 DL,ALL,UX,0 LSEL,LOC,Y,0 DL,ALL,UY,0 LSEL,LOC,Y,2.5 SFL,ALL,PRES,50 ALLSEL,ALL ! * 求解控制 * NLGEOM,ON NSUBST,10,100,5 SBCTRAN /PBC,U,1 /PSF,PRES,NORM,2 /NUMBE