高级接触问题1-3

1、接触问题概述在工程中会遇到大量的接触问题，如齿轮的啮合、法兰联接、机电轴承接触、卡头与卡座、密封、板成形、冲击等等。接触是典型的状态非线性问题，它是一种高度非线性行为。接触例子如图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： 在求解之前，你不知道接触区域、表面之间是接触或分开是未知的，表面之间突然接触或突然不接触会导致系统刚度的突然变化。 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。 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。

2、 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。 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）。 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。 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

3、以模拟金属成型，如轧制过程。 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 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 如果接触模型没有摩擦，接触区域始终粘在一起，并

4、且分析是小挠度、小转动问题，那么可以用耦合或约束方程代替接触。 使用耦合或约束方程的优点是分析还是线性的 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。（图12）作为初值，可采用：Ktang

5、ent=0.01Knormal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。 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 对于弯曲: 0.01*E KN 0.1*E E 为弹性模量 3、选取接触刚

6、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。 1、两个接触体的剪切或滑动行为可以

7、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） 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 刚性目标面的自动划分不需要TSHAP

8、。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，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 S

9、urf 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这些接

10、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。 图图3-33-3 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时，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。 Step 7.定义求解

11、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full 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。 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 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Tim

12、e = 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 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 = 0.175e6; UXY = 0.35 ; MU

13、 = 0.0 MAT,2 EX = 90000; NUXY = 0.35 约束节点 163 UY = 0 182 UY = 0Step 2.创建目标面单元类型Main Menu Preprocessor Element Typer Add/Edit/Delete【Add】contact 2D target 169Element typer reference number = 2【OK】或命令: /PREP 7ET,2,Target 169Step 3.建立接触面单元类型Main Menu Preprocessor Element Typer Add/Edit/Delete【Add】conta

14、ct 2nd Surf 171Element typer reference number = 3【OK】【close】或命令: ET,3,conta 171Step 4.指定接触法向刚度Main Menu Preprocessor Real Constants Add/Edit/Delete【Add】Type 3 CONTA 171【OK】Real Constant Set No. = 1Normal Penalty Stiffness FKN = 0.1(对弯曲问题采用初值0.1)Penetration tolerance FTOLN = 0.1 (不用此,不收敛)或命令：R,1,0.1,

15、0.1 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迭代数，如果收敛受入侵容差的驱使可能是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。 Step 5.创建目标单元创建目标单元(1).为

16、目标面选择线Utility Menu Select Entities拾取线(图3-5)【OK】或命令：LSEL,S,2,4LSEL,A,15,18 图3-6LSEL,A,63(2).选择附于线上的全部节点(图3-6)Utility Menu Select EntitiesNodesAttached to lines,all【OK】或命令：NSLL,S,1NPlot图图3-53-5图图3-63-6 (3).设置单元属性 Main Menu Preprocessor Create Element Elem Attributes 或命令： Type,2 Mat,1 Real,1 (4).创建目标单元

17、 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】 或命令： ESURF(图3-7)图图3-73-7Step 6.创建接触单元(1).为接触面选线Utility Menu Select Entities Lines图3-8By Num/pick From Full【OK】选线(图3-8)【OK】或命令: LSEL,s,33,34LSEL,a,43,44(2).选择

18、附于选定线上的全部节点图3-9Utility Menu Select Entities NodesAttached to Lines, all From Full【OK】或命令:NSLL, S, 1Nplot(图3-9)图图3-83-8图图3-93-9(3).设置单元属性Main Menu Preprocessor Create Element Elem AttributesElement type number = 3 ConTA 171Material number = 1Real constant set number = 1【OK】或命令：Type,3Mat,1Real,1(4).创建

19、接触面单元图3-11Main Menu Preprocessor Modeling Create Elements Surf/Contact Surf to Surf图3-10【OK】【PICK ALL】(图3-10)或命令:ESURF图图3-103-10图图3-113-11Step 7.选择所有选项并画单元Utility Menu Select EverythingUtility Menu Plot Elements或命令: Allsel, allEplot(图3-11)Step 8.求解/soluantype,staticnlgeom,onsolc, ontime,0.4nsubst,20

20、,500,10outres,all,alldl,45,uy,-0.4solvedl,45,uy,-0.55solvefiniStep 9.后处理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

21、有限元模型的几何、基体单元、分网、材料和边界条件。但不包括接触单元与目标单元及接触有关的参数。图图4-14-1 Step 2.启动接触向导 Main Menu Preprocessor Modeling Create Contact Pair 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)图45【opening setting】图46图46【Finish】返回图42 退出 Step 5.求解 求解过程同前图42 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

22、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 1/2对称，密封圈压缩模拟 分析此模采用两种方法： 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 数据文件: Seal.inp/prep7et,1,56 ! HYPER56 2D 4node U_P Hyperelastic Solidmp,nuxy,0.49tb,mooney,1tbdata,1,80 ! C10 = 80tbdata,2,20 ! C01 = 20k,

23、1 $k,2,0.333,0 $k,3,0.867,0.867 k,4,1.1,0.867k,5,1.1,1 $k,6,0.8,1 $k,7,0.267,0.133 k,8,0,0.133l,1,2*repeat,7,1,1 ! 将l,1,2命令重复7次l,8,1lfil,1,2,0.20 $lfil,2,3,0.15 $lfil,5,6,0.20lfil,6,7,0.15 $lfil,7,8,0.05 $lfil,8,1,0.05al,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,28,1.1,1.0lstr,26,25

24、 ! L9lstr,27,28 ! L10图图5-25-2! * 基体分网 *lesize,8,2 $lesize,13,4 $lesize,14,4esize,0.035type,1mat,1amesh,allsave,seal,dbStep 2.创建接触对，先定义单元和接触参数et,2,169 ! Target169 2D Target Segmentet,3,171 ! Conta171 2D Surface to Surface Contactmp,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

25、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type,2 ! 目标面1 Target169real,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,L3lsel,a

26、,line,9,10,1 ! 再加L9,L10lsel,a,line,14 ! 再加L14nsll,s,1 ! 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, 1esurf ! 生成接触单元lsel,all ! * 检查外法线方向【OK】 *图图5 53 3 ! * 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 !

27、 指定Pilot点 ! * 检查外法线方向【OK】 * type,3 ! 接触面2 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】 * Step 3.施加边界条件 ! 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) !

28、 为定义刚性面2的位移做准备 finish Step 4.定义求解选项和载荷步 /solu nlgeom,on solc,on ! 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 Step 5.求解 solve Step 6.查看结果 /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,e

29、qv ! 绘等效总应变图54 save,seal,dbUtility Menu Plot ElementsMain 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 26RFORCE,2,263,F,Y,FORCEMain Menu Time Hist Postpro Graph Variables1st Variable to gragh = 2【OK】或命令： PLVAR, 2 (图

30、54)图图5 54 4 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】 图55 图56选线(2)( 接触对1的接触面)【OK】；返回图56【next】 图图5 57 7 图58 图5

31、9 定义摩擦(图59)【OK】返回图57 Coefficient friction 0.2 【Create】511 图512接触对1(图511)图510图 图514 (2).绘关键点 Utility Menu Plot Keypoints Keypoints (3).建立目标单元控制点 Main Menu Preprocessor Meshing Mesh Keypoints 选K27 【OK】 或命令流： KMESH,27 Step 6.施加位移约束 控制点27上施加 UY = -0.85 Main Menu Solution Define Loads Apply Structural Di

32、splacement On Keypoints 选K27 【OK】 Lab2 DOFs to be constrained: UY Value: -0.5 【OK】施加对称边界条件：Main Menu 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 Main Menu Solution Solve LS_Current Step 8.后处理 同1 无摩擦(

33、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 /POST26 Main Menu TimeHist Postpro 选控制点27， 绘图(见图5-4)。 图6-1 图6-26 面一面接触单元高级接触选项 Main Menu Preprocessor Modeling Create Contact Pair 选 【property】 1、第1个重要选项：如何保证接触协调性： 使用修正的拉朗日法（缺省） 纯罚函数方法 在接触向导中Basic Contact algorithm:

34、Augmented Lagrange MethodPenalty Method 对大多数模型，修正的拉格朗日方法能很好地工作。 罚函数法推荐用于具有变形很大的单元，很大的摩擦系数和/或用修正的拉格朗日方法时收敛性很差的情况。 对于大面积接触采用起始值（因子）1.0，对于柔性接触采用0.1。 大值对应较高精度；小值对应较好的收敛性。 有时最好先以较小的接触刚度进行分析，然后在一系列载荷步中逐渐增大刚度“渐变”的接触刚度，提高收敛性 图6-2 在最后的载荷步逐渐提高到一个刚硬的值将提高计算精度。可通过向导的基本表或单元特性菜单设置以允许程序更新接触刚度接触向导Basic Normal Penalt

35、y Stiffness 1.0 factor constant向导Basic contact stiffness update: Each load step (PAIR ID based)noneEach load step(允许用户指定刚度变化)Each substep(允许自动和用户指定变化) 缺省情况下，穿透容差是一个因子乘以基体单元厚度 。 对于变化很大的网格密度，采用因子会在接触表面的某些部分产生太小的容差，这时采用绝对值可能更好。 不要使用太小的容差，因为它总是对收敛性有害。或在单元选项中控制：Contact time/load prediction K7: No predict

36、ion 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 也可用实常数PINB调整球形区（对于初始值侵入大的问题是必要的）。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

37、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Pinball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） 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

38、罚刚度刚度太小精度低；刚度太大会引起收敛问题。Contact cohesion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 unsym

39、m 有几种技术可以模拟初始穿透接触问题（如过盈装置配）。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 或单元选项: Auto CNOF/ICONT adjustment K5: No. Auto. Adjust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

40、。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 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 8、刚体模式 初始不接触

41、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 解决由于初始不相连物体引起的刚体模式： 图6-7三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 & PMAX）：将刚体表面移动到接触面上调整初始接触条件（ICONT）(图6-11)：实

42、常数ICONT可用于指定目标面上的“调整环”。位于调整环内的任何接触点都要移动到目标面上。推荐只进行很小的修正，如果ICONT值太大会产生不连续。如果未指定常数ICONT，ANSYS根据模型尺寸为ICONT提供一个小的缺省值。关闭ICONT，必须将其设置成非常小的值(如1e-20)0值代表非0的缺省值计算实例：刚体ICONT图6-11 如果目标面有0约束，采用PMIN和PMAX的初始调整将不被执行。 初始调整是一个迭代过程，ANSYS最多使用20个迭代步把目标面调整到PMIN和PMAX范围内。 当目标面被移动，接触体之间不再存在间隙，而成为闭合接触的初始状态。 计算实例：刚体PMIN & PM

43、AX图6-12 例2.悬臂梁端部旋转 目标：采用“不分离”行为选项施加大转动模拟特定物理效果。 不分离：目标面和接触面一旦建立接触就不再分离（允许滑动）。 模型描述：悬臂梁，端部施加旋转(图7-4)文件：no_separation.inp图7-4采用Solid185单元：3D 8 node structural Solid单元，具有大变形能力。/view,1,1,1/prep7k,1,10,0,0BLOCK,0,10,-0.5,0.5,-0.5,0.5RECTNG,9.5,10,-1,1AGEN,7,-0.5,1AGEN,ITIEM,NA1,NA2,NINC,DX,DY,DZ,KING,MOE

44、LEM,IMOVEIMOVE =1 move original areas to new positionARSYM,Z,7ARSYM,Ncomp,NA1复制一组面积，对称于某轴et,1,185mp,ex,1,10000esize,0.5vmesh,1ESIZE,2 ! 为目标面分网用/solutionnsel,loc,x,0d,all,all,0/pbc,u,1finisheplotSAVE,no-separation,db1以下用接触向导建立接触对:Step 1.恢复 no_separation.dbUtility Menu File Resume from选 no_separation.

45、db 【OK】Step 2.采用接触向导创建接触对Main Menu Preprocessor Modeling Create Contact Pair【contact wizard】指定目标面：Target surface: AreasTarget Type: Rigid【Pick target】 选A7, A8 【OK】指定接触面：【next】contact surface: Areas【Pick target】 选A1, A2 【OK】指定选项设置：【next】【Optional Settings】选择表BASICcontact surface Behavior = No Separat

46、ion 【OK】建立接触对：Coefficient of Friction = 0【Create】【Finish】Step 3.创建目标单元控制点设置单元属性：Main Menu Preprocessor Modeling Create Element Elem AttributesElement type number = 2 Targe170Material number = 1Real constant set number = 3Target Element Shape = Pilot node或用命令：Type,2MAT,1REAL,3TSHAP,PILO绘关键点：Kplot 选K1

47、(节点198)建立目标单元控制点Main Menu Preprocessor Meshing Mesh Keypoints拾取关键点1 【OK】或命令： KMESH,1Step 4.施加45转动（0.7854弧度）Main Menu Preprocessor Loads Define Loads Apply Structural Displacement On KeypointsROTXDisplacement Value = 0.7854 【OK】或命令:/SoluDK, 1, ROTX, 0.7854Step 5.指定“基本”求解选项Main Menu Solution Analysis

48、Type Soln Controls选BASIC Analysis Option = Large Displacement StaticTime at end of loadstep = 45Number of Substeps = 45Max No. of Substeps = 180Min No. of Substeps = 5All Solution ItemsWrite every Substep【OK】或命令：NLGOM,onTime,45NSUBST,45,180,5Outres,all,allStep 6.求解SolveStep 7.读入最后子步结果，后处理/POST1set,

49、last选实体单元进行后处理：Utility Menu Select EntitiesElementsBy Elem NameElement name = solid 185Choose = From Full【OK】或命令：ESEL, S, Ename, Solid 185绘位移总矢量：Main Menu General Postproc Plot Results Nodal SoluDOF SolutionUSUM【OK】或命令：PLNSOL, U, SUMUSUM DMX = 0.855708SMX = 0.855708 例3.紧配合环（初试穿透） 目标：验证接触初始穿透选项。 采用缺省

50、值和渐进化穿透选项求解一个大的初始穿透接触分析，比较结果。 模型模述：紧配合环、轴对称(图7-5) 文件：Interference.inp图7-5/PREP7ET,1,183,1 ! 轴对称 大应变ET,2,169 ! Target 169 2D目标单元ET,3,172 ! Target 172 2D 3节点高阶抛物线接触单元MP,EX,1,10E3MP,NUXY,1,0MP,MU,2,0 ! 无摩擦RECTNG,1.5,2,0,1RECTNG,1.9,2.4,0,1ESIZE,0.05AMESH,ALL ! Type, 1 ; Mat, 1TYPE,2MAT,2REAL,2LSEL,LOC,

51、X,1.9NSLL,1 ! 1.9线上的节点ESURF ! 创建目标单元Target169! * TYPE,3 ! Mat, 2 ; Real, 2LSEL,LOC,X,2NSLL,S,1 ESURF ! 创建接触面conta172ALLSEL,ALL /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，求解控制分析步骤：

52、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Utility Menu File Switch Output to FileInterference.output【OK】或命令：/Output,interference,OutputStep 3.求解接触分析/SolusolveStep 4.重定位输出到输出窗口Utility Menu File Switch Output to Output Window或命令：/OUTPUT, TERMStep 5.绘制径向应力Main Menu

53、 General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal SoluStress X-direction SX 【OK】或命令:/POST1PLNSOL,S,X ! 结果：径向应力0Step 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,CONTSTAT = 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S

54、tep 7.检查输出文件内容（interference.output）* 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Typ

55、e 3 conta172【Option】initial penetration/gap K9 = include_ramp【OK】【close】或命令:/prep7KEYOPT,3,9,2 (2)或向导 Initial Adjustment Initial penetration: Include everything with ramped effect【OK】Step 9.重定位输出到文件Utility Menu File Switch Output to FileRamped.output【OK】Step 10. 分析/SoluSolveStep 11.重定位输出到输出窗口Utility

56、 Menu File Switch Output to Output Window命令：/output,TERMStep 12.绘径向应力Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal SoluStress X-direction SX 【OK】或命令:/POST 1PLNSOL,S,XStep 13.将轴对称模型扩展为整个模型显示Utility Menu PlotCtrls Style Symmetry Expansion 2D Axi-SymmetricSelect expansion amount = Full exp

57、ansion【OK】或命令：/EXPAND,36,Axis,10/REPlotISO 显示/View,1,1,1/ReplotStep 14. 检查输出文件 ramped.outputInitial 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 target element 405 specified by read constant set

58、2检测到大的初始穿透 例4.两刚性面间夹圆柱体分析（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/prep7CYL4,0,0,0,0,1,90RECTNG,0,2.5,1.003,1.5 ! 图7-7ET,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7-6 图7-7ET,2,169 ! Target169ET,3,171 ! Conta171MP,EX,1,1000MP,

59、EX,2,30E6MP,MU,3,0ESIZE,0.1AMESH,1 ! type, 1 ;mat, 1MAT,2AMESH,2! * 创建目标目单元 *TYPE,2MAT,3REAL,2LSEL,LOC,Y,1.003NSLL,1ESURF! * 创建接触单元 *TYPE,3CSYS,1LSEL,LOC,X,1NSLL,1ESURFCSYS,0LLSEL,ALL/SOLUTIONLSEL,LOC,X,0DL,ALL,UX,0LSEL,LOC,Y,0DL,ALL,UY,0LSEL,LOC,Y,1.5SFL,ALL,PRES,200ALLSEL,ALL! * 求解控制 *NLGEOM,ONNSU

60、BST,10,100,5SBCTRAN/PBC,U,1/PSF,PRES,NORM,2/NUMBER,1/PNUM,MAT,1EPLOTSAVE,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。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 FileICONT.output【OK】Step 3.求解接触分析/Solusolve产生错误，不能求解Utility Menu List