ANSYS高级接触和螺栓预紧培训手册PPT教学课件

1、高级接触和螺栓预紧高级接触和螺栓预紧目录目录1. 介绍1-12. 接触概述 2-1A. 典型应用 2-2B. 接触分类2-73. 接触刚度3-1A. 基本内容3-2B. 指定一个值3-6练习 1 平面密封圈3-10C. 附录 计算刚度值3-114. 摩擦4-1练 习 2 平面密封圈 (第二部分)4-18练习 3 线性制动器4-185. 自动时间步5-1练习 4 平面密封圈 (第三部分)5-116. 面面接触单元6-1A.概述6-4B.高级选项6-6练习 5 “不分离” 行为6-30练习 6 初始穿透 6-38练习 7 初始接触环6-50练习 8 初始穿透范围6-53练习 9 单纯热接触6-72

2、C.刚性表面注意事项6-73D.不通过向导创建单元6-82练习 10 建立接触对6-101E.疑难解答6-1027. 点点接触单元 7-1练习 11 面面接触模拟7-128. 点面接触单元8-1 练习 12 梁端部接触8-169. 螺栓预紧单元 9-1A.PRETS179 单元9-4B.典型过程9-7练习 13 螺栓固定板9-19第1页/共221页介绍介绍第一章第2页/共221页介绍介绍欢迎欢迎! 欢迎参加高级接触和螺栓预紧培训课程! 本课程包括现在还无法用接触向导、缺省接触设置和自动求解控制设置进行求解的接触模型，另外还包括螺栓预紧分析。 本课程面向已经熟悉非线性迭代分析的内容和过程，并已经

3、学习了如何进行简单接触分析（基本结构非线性中的主题）的 ANSYS 用户。第3页/共221页介绍介绍 欢迎欢迎 本课程是三个ANSYS非线性培训课程中的第二课:基本结构非线性 (2 天)高级接触和螺栓预紧 (1 天)高级结构非线性 (2 天)第4页/共221页介绍介绍课程目标课程目标 为讲述高级非线性接触分析过程，包括以下主题: 接触分类 接触刚度 摩擦 面面、点点、点面接触单元 螺栓预紧第5页/共221页介绍介绍课程内容课程内容 用户手中的培训手册是本幻灯片的完成拷贝。 练习的详细内容和指导在练习题附录中。 练习题所需文件可向指导教师索取。第6页/共221页介绍介绍 所含主题所含主题2. 接

4、触概述3. 接触刚度4. 摩擦5. 自动时间步6. 面面接触单元7. 点点接触单元8. 点面接触单元9. 螺栓预紧第7页/共221页接触概述接触概述第二章第8页/共221页接触概述接触概述A. 典型应用典型应用 接触是一种常见的物理现象，也是 ANSYS 用户最常使用的非线性特性。 接触用于分析各种类型的模型，典型应用包括: 动力冲击 板成形 螺栓连接 零件装配 紧配合 纯压缩边界条件 所有这些应用及其它许多应用都可用 ANSYS 接触功能来模拟。第9页/共221页接触概述接触概述. 典型应用典型应用 韧性棒冲击刚性表面冲击瞬间冲击瞬间最大变形最大变形 (无摩擦无摩擦)最大变形最大变形 (有摩

5、擦有摩擦)第10页/共221页接触概述接触概述. 典型应用典型应用 超弹性振动缓冲器的表面接触、起皱和自接触。第11页/共221页接触概述接触概述. 典型应用典型应用 板成形 (深冲)模具配置模具配置深冲后深冲后最终板材最终板材第12页/共221页接触概述接触概述. 典型应用典型应用 轮齿接触第13页/共221页接触概述接触概述B. 接触分类接触分类 ANSYS 软件采用 接触单元 来: 跟踪接触位置 保证接触协调性 (防止接触表面互相穿透) 在接触表面之间传递接触应力 (正压力和摩擦) 在 ANSYS 中用户可以采用三种不同的单元来模拟接触: 面面接触单元 点面接触单元 点点接触单元 不同的

6、单元类型具有完全不同的单元特性和分析过程。第14页/共221页接触概述接触概述. 接触分类接触分类 另外，接触体可以是刚性的或柔性的，于是形成两类基本模型: 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 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 接触体都由可变形单元组成 三种类型的单元都支持刚柔和柔柔接触模型。第15页/共221页接触概述接触概述. 接触分类接触分类面面 接触单元用于任意形状的两个表面接触时 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面面接触可以模拟金属成形，如轧制过程面面接触可以模拟金属成形，如轧制

7、过程第16页/共221页接触概述接触概述. 接触分类接触分类点面 接触单元用于某一点和任意形状的面接触 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点面接触可以模拟棱边点面接触可以模拟棱边 (如如线线) 和面之间的接触和面之间的接触第17页/共221页接触概述接触概述. 接触分类接触分类点点 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. 相对滑动变形必须很小. 只对小的转动响应有效.点

8、点接触可模拟一些面的接触，点点接触可模拟一些面的接触，如地基和土壤的接触如地基和土壤的接触.第18页/共221页接触概述接触概述. 接触分类接触分类 虽然模拟同样的基本现象，并且有许多共同点，但这三种接触单元也在许多方面不同. 在以后章节中，将首先讨论一般条件下的通用内容 (如接触刚度)，然后讨论不同的单元如何实现这些特性.第19页/共221页接触刚度接触刚度第三章第20页/共221页接触刚度接触刚度A. 基本内容基本内容回顾: 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 ( D 0). 然而, 物理接触实体是没有穿透的 (D

9、 = 0). 接触弹簧产生变形 D ,满足平衡方程:F = k D式中 k 为接触刚度.FD第21页/共221页接触刚度接触刚度. 基本内容基本内容 作为分析人员, 将面对困难的选择: 小的穿透计算精度高. 因此, 接触刚度应该很大. 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.迭代步 n迭代步 n+1FFF接触F迭代步 n+2第22页/共221页接触刚度接触刚度 . 基本内容基本内容接触刚度 是同时影响计算精度和收敛性的最重要的参数. 你必须仔细选定一个合适的接触刚度. 平衡收敛效率和计算精度之间的关系. “最好” 的值是与问题相关的, 必须不断通过验证计算来

10、确定. 使用一个试验值, 然后考察收敛性和计算精度.第23页/共221页接触刚度接触刚度. 基本内容基本内容 除了在表面间传递法向运动(压力), 接触单元还传递切向运动(摩擦). 接触单元采用切向罚刚度 保证切向方向的协调性. 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.FtangentDFtangent = ktangent D第24页/共221页接触刚度接触刚度B. 指定一个值指定一个值 选定一个合适的接触刚度值需要一些经验. 对于面面接触单元, 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 = 0.0

11、1 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, 单位是 (力/长度)/面积.第25页/共221页接触刚度接触刚度. 指定一个值指定一个值 点点 (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. 如何计算合适的绝对刚度值的详细讨论请参考 附录.第26页/共221页接触刚度接触刚度. 指定一个值指定一个值 下面的过程可以作为指导:1. 开始采用较小的刚度值.2. 对前几个子步进行计算.3. 检查穿透量和每一个子步中的平衡迭代

12、次数. 在粗略的检查中,如以实际比例显示整个模型时就能够观察到穿透, 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.第27页/共221页接触刚度接触刚度. 指定一个值指定一个值 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. 如果你能够完全掌握这个要点, 就可以处理绝大部分接触困难! 如果有收敛问题, 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. 在连续分析中减小刚度的范围, 直到重要的结果项 (接触压力, 最大 SEQV 等

13、) 不再明显改变. 第28页/共221页接触刚度接触刚度 .练习练习 1-平面密封圈平面密封圈 练习指导请参考练习附录: W1. 接触刚度.第29页/共221页接触刚度接触刚度C. 附录附录 计算刚度值计算刚度值接触刚度附录第30页/共221页接触刚度接触刚度 附录附录 计算刚度值计算刚度值 通常, 可以由接触表面的相对刚度估计一个比较好的接触刚度. 大面积实体的刚度一般大于弹性的易弯曲结构的刚度. 接触刚度主要是相对于大面积实体结构而言. 大面积接触的实例有金属加工，车轮和铁轨，销钉和轴承座等. 易弯曲的接触实例有叶片弹簧，板成形等.第31页/共221页接触刚度接触刚度. 附录附录 计算刚度

14、值计算刚度值 对于大面积实体, 赫兹接触刚度 通常可以为接触刚度提供合适的基本值. 这个刚度可以由单元尺寸和杨氏模量来估计. 对于具有一致形状的 3D 单元, 赫兹刚度可以近似为 kHertz a x E, 式中 a 是特征单元尺寸, E 是杨氏模量. 对于具有厚度 (t) 的 2D 单元, 赫兹刚度可以近似为 kHertz t x E. 对于 2D 轴对称单元, “厚度” 是 1 弧度 x r, 赫兹刚度近似为 kHertz r x E.aaaaatraa第32页/共221页接触刚度接触刚度. 附录附录 计算刚度值计算刚度值 实践中, 大面积接触刚度的合适初值应为 kcontact = fb

15、ulk x kHertz, 式中因子 fbulk 对于大面积实体介于 0.1 和 10 之间. 由于 fbulk 的初始估计值在至少两个量级的范围内, 并且由于 kcontact 总要通过试验进行调整, 因此当估计罚刚度时没有必要担心单元尺寸.对于大面积实体, 可只通过下式简单地估计罚刚度k = fbulk x E 式中因子 fbulk 通常介于 0.1 和 10 之间, fbulk 的合适的初值通常可取 fbulk = 1.0. 此估计值假定一个近似的“单位”单元长度; 对于非常大或非常小的单元 , 可能需要相应地调整 fbulk 值.第33页/共221页接触刚度接触刚度. 附录附录 计算刚

16、度值计算刚度值 如果接触包含两种不同的材料, 采用较软的接触材料的 E . 如果存在塑性，说明剪切模量降低. 对于 Mooney-Rivlin 超弹材料，材料模型不使用值 E，必须为此模型估计值 E. 可以简单地从应力应变曲线中的相应部分提取弹性模量值. 或者通过 E = 6(a + b) 估计一个初始模量，式中 a 和 b 是头两个 Mooney-Rivlin 常数.第34页/共221页接触刚度接触刚度. 附录附录 计算刚度值计算刚度值 对于柔性部分 (梁和壳模型) 系统刚度可能远小于赫兹接触刚度. 这种情况下可以先进行静力分析，把单位载荷施加到预期的接触面上以确定模型的局部刚度. 接触刚度

17、可以由下式进行估计:k = fbend(P/d) 式中 P 是施加的单位载荷，d 是相应的变形，对于柔体接触 , fbend 是介于 1 和 100 之间的因子. fbend = 1 通常是一个很好的初值. 实践中为简便, 可以只由下式估计接触刚度:k = fbulk x E/10第35页/共221页接触刚度接触刚度. 附录附录 计算刚度值计算刚度值 同样关于收敛性和计算精度的问题也存在于切向罚刚度. 太小的值导致计算结果不精确. 太大的值引起收敛困难. “最好的”值应由试验得出. 作为初值, 可采用ktangent = 0.01 knormal 这是大多数 ANSYS 接触单元的缺省值. 当

18、然, 剪切应力受滑动发生的值所限制: t m x p 摩擦在下一章中讨论.第36页/共221页接触刚度接触刚度. 附录附录 计算刚度值计算刚度值 对于点点和点面接触单元, 直接指定罚刚度值, 单位为力/长度. 对不同的网格密度, 总体的表面刚度在网格密的地方大，而在网格疏的地方小. 这将导致不均匀的接触压力. 由于面面接触单元的罚刚度是按单位面积指定的，总体表面刚度随网格密度变化很小.(为清晰，表面单独绘出)F网格密的地方大网格疏的地方小第37页/共221页摩擦摩擦第四章第38页/共221页摩擦摩擦什么是摩擦? 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. 无摩擦行为允许物体没有阻力地

19、相互滑动. 当存在摩擦时，物体之间会产生剪切力.第39页/共221页. 摩擦摩擦 摩擦消耗能量，并且是路径相关的行为. 载荷必须以与实际情况相同的方式施加. 为获得较高的精度，时间步长必须小. 注意, 与塑性不一样，自动时间步长不考虑摩擦响应增量的步长.小时间步小时间步真实位移路径真实位移路径大时间步大时间步AB第40页/共221页. 摩擦摩擦 实际摩擦是一个复杂的现象，它是下面因素的函数: 接触材料 (包括润滑剂). 表面粗糙度. 温度. 物体的相对速度. 摩擦的机制至今尚未完全弄清. 实际上, 低速度和常压力下进行的一个简单的摩擦实验, 也经常表现出相当不稳定的力变形行为:Fu第41页/共

20、221页. 摩擦摩擦 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切力 FT 不能超过正压力 FN 的一部分:FT m x FN 式中 m 摩擦系数. 一旦超过 FT ，两个物体将发生相对滑动.第42页/共221页. 摩擦摩擦弹性库仑摩擦模型: 允许粘着和滑动 试图使两个物体相对运动的剪切载荷 Ft 小于 m Fn 时， 两个物体粘着在一起. 如果此剪切载荷 Ft 大于 m Fn , 两物体发生相对滑动. 在两物体间将产生反向的剪切应力 TAU. 粘着: Ft m Fn 或当: TAU TAUMAX则: TAU = Shea

21、r Stress缺省值: TAUMAX = 1e20FnFtm Fn第43页/共221页. 摩擦摩擦弹性库仑摩擦模型（续）: 允许粘着和滑动 一些单元采用实常数 TAUMAX 模拟这种限制 .|t t|m mpTAUMAXTAUMAX 的一个估计上限为的一个估计上限为:3y式中式中 y 是接近表面的材料的等是接近表面的材料的等效效 Mises 屈服应力屈服应力 . 经典数据经典数据通常是通常是TAUMAX 比较好的初始比较好的初始值值.第44页/共221页. 摩擦摩擦弹性库仑摩擦模型（续）: 允许粘着和滑动 粘着区被处理为弹性的，并具有剪切刚度 KT. 剪切刚度具有与正刚度相同的效果: 刚度大

22、时精度高，刚度小时收敛性好. 可以指定 KT, 或由程序指定 KT 为 KN的分数 (通常为 KN的 1% ).FTuKTm mFN第45页/共221页. 摩擦摩擦刚性库仑摩擦: 接触响应不能是“粘着” 此模型只适用于分析同一方向上的连续滑动. 例如砂轮打磨物体时. 在u = 0 时的不连续等效于无限刚度. 如果滑动停止或反向会出现收敛困难.FTum mFN只允许滑动摩擦只允许滑动摩擦.第46页/共221页 摩擦摩擦 库仑模型表示当正压力增加时，传递的最大剪切压力也增加.FTup1p2正压力增加，滑动力增加正压力增加，滑动力增加第47页/共221页 摩擦摩擦 当然，接触表面的剪切屈服应力限制住

23、传递的剪切应力最大值.像胶表面上的剪切屈服应力像胶表面上的剪切屈服应力产生刹车滑痕产生刹车滑痕 限制了在轮限制了在轮胎和公路之间传递的摩擦力胎和公路之间传递的摩擦力.第48页/共221页 摩擦摩擦 有时, 表面会粘着在一起 , 即使没有正压力时也会有滑动阻力. 一些单元可以用结合力 (COHE) 描述这种状态.|t t|m mpTAUMAXCOHE第49页/共221页 摩擦摩擦摩擦系数: 物体滑动时的摩擦系数通常比静止时的摩擦系数小. 滑动: 动摩擦系数. 静止: 静摩擦系数. 并非所有 ANSYS 接触单元都支持静摩擦系数和动摩擦系数的区别. 对于所有的 ANSYS 接触单元, m 被指定为

24、材料属性 (MU). 对点点和点面接触单元，用实常数 FACT (静、动摩擦比值) 来区分静、动摩擦系数. 对于面面接触单元，动摩擦系数以表面相对速度的函数计算得出. 无摩擦时, 取 m = 0.第50页/共221页 摩擦摩擦摩擦系数 (续): 对于面面接触单元，动摩擦系数是速度的指数函数，并以下式表示: m = m k + (m s-m k)e- dcVt或 MU = MUK*(1+(FACT-1)exp(-dc*vtfs/deltaT)式中: MUK = 动摩擦系数 (由用户定义)FACT = MUS/MUK (由用户定义)MUS = 静摩擦系数dc = 衰减系数 (由用户定义)vtfs/

25、deltaT = 表面间的相对速度缺省值:FACT = 1,MUS=MUK=0dc = 0第51页/共221页 摩擦摩擦Friction coefficient vs velocity0.0000.0200.0400.0600.0800.1000.1200.1400.1600.002.004.006.008.0010.00velocityfriction coefficientFriction coefficientvs velocity摩擦系数摩擦系数 (续续): 动摩擦系数作为表面速度的函数，使静态平稳过渡到动态动摩擦系数作为表面速度的函数，使静态平稳过渡到动态第52页/共221页 摩擦摩

26、擦 包含摩擦的接触问题产生非对称的刚度矩阵. 然而, 采用非对称方程求解器比对称方程求解器需要更多的计算时间. 因此 ANSYS 采用对称化算法，大多数的包含摩擦的接触问题可以用此求解. 如果求解时收敛性能不好，对于一些单元可以使用非对称的求解选项 ( NROPT, USYM) . 此时可以采用稀疏 求解器（推荐）或波前 求解器 , 当非对称矩阵出现时，两者都可以自动转换到非对称求解器选项. PCG 对于非对称矩阵无效.第53页/共221页 摩擦摩擦 ANSYS 接触单元摩擦选项总览:Surf-to-Surf (CONTA171-174)Node-to-Node (CONTA178)Node-

27、to-Node (CONTA12/52)Node-to-Surf (CONTA48/49)General FrictionyesyesyesyesElastic CoulombyesyesyesyesRigid CoulombnonoyesyesStatic/Dynamic MUyesnonoyesDynamic Friction Formulayes; mu=f(muk,FACT,dc)nononoTAUMAX with FrictionyesnononoLarge Strain (NLGEOM,ON)yesnonoyesCohesionyesnononoUnsymmetric Matrix

28、yesyesyesnoAuto or User Specified KTyes; KT = f(MU,KN)yes; FKS=f(MU,FKN)yes; KT = KNyes; KT=0.01 KN第54页/共221页摩擦摩擦 .练习练习2、3 练习指导请参考练习附录: W2. 带摩擦的接触 (常摩擦系数) W3. 带摩擦的接触 (动摩擦系数)第55页/共221页自动时间步自动时间步第五章第56页/共221页自动时间步自动时间步 回顾：将载荷作为载荷增量施加可以同时提高非线性分析的收敛性和计算精度. 缺省情况下，程序采用自动时间步 特性自动调整载荷增量. 时间步长自动增大和减小以保持收敛性和计

29、算精度，及总体求解效率之间的平衡. 较多的子步 (较小的时间步长) 提高收敛性和计算精度. 然而，过小的时间步长会降低总体计算效率.第57页/共221页. 自动时间步自动时间步 自动时间步的时间步预测 特性基于当前和以前的响应历史计算下一个子步的步长. 时间步长加大和减小依赖于: 前一步使用的平衡迭代数. 响应频率 (瞬态分析). 前一步经历的蠕应变增量. 前一步经历的塑性应变增量.接触单元中 (或其它多种状态单元中)的临界状态变化. 临界接触状态变化对时间步长的影响有时希望与以考虑，有时又不期望.需要特殊的工具来控制接触分析中的时间步预测.第58页/共221页. 自动时间步自动时间步 牢记接

30、触是一种状态 非线性. 分析过程中，接触单元的状态会改变状态状态 = 开放开放状态状态 = 闭合粘着闭合粘着状态状态 = 闭合滑动闭合滑动第59页/共221页. 自动时间步自动时间步 自动时间步需要考虑临界状态变化的影响有时是必要的.子步子步 1子步子步 2子步子步 3由于大的时间由于大的时间步长接触丢失步长接触丢失时间步长自动减时间步长自动减小以捕获接触状小以捕获接触状态变化态变化第60页/共221页. 自动时间步自动时间步 然而对于许多模型,实际系统会阻止非常不精确的位移进一步发展. 这些模型中，期望自动时间步忽略 临界接触状态变化. 由于状态改变引起的小的时间步是不必要的. 仍然期望采用

31、其它标准设置自动时间步.计算步计算步 1计算步计算步 2状态状态 = 3状态状态 = 3状态状态 = 1第61页/共221页. 自动时间步自动时间步 对于许多模型，需要允许用户有选择地打开和关闭接触状态变化对自动时间步的影响，但必须考虑其它准则. 缺省情况下，自动时间步对接触状态变化是关闭的. 可以打开它，通过:Solution Unabridged Menu -Load Step Opts- Solution Ctrl.第62页/共221页. 自动时间步自动时间步 当此特性在完整的非线性求解控制菜单中打开时，接触单元的 Keyopt(7) 选项将决定自动时间步是否考虑接触状态变化地影响. 此

32、功能作为此特性的第二个 on/off 开关, 允许你进一步定义它的应用. 可以只为选定的几个单元的接触状态变化打开自动时间步 ( 如首先建立接触的单元 ). 此单元选项还允许为接触自动时间步选择一个“合理的”值，而使时间步长降低较小.第63页/共221页. 自动时间步自动时间步 在接触初始发生的小区域内将Keyopt(7)设置为最小时间步长.只在此区域内为只在此区域内为接触状态变化使接触状态变化使用自动时间步用自动时间步第64页/共221页. 自动时间步自动时间步 接触分析中自动时间步的其它注意事项: 与所有其它非线性一样，对接触问题时间步长是非常有力的提高收敛性的工具. 采用足够小的时间步长

33、以获得收敛. 对于路径相关现象 (如接触摩擦), 相对较小的最大时间步长对计算精度是必须的. 对于瞬态分析, 冲击时必须使用足够数量的计算步以描述表面间的动量转移. 对于精确的位移计算，这需要小的最小时间步长: Dt 1/(30 f) 式中 f = 表面的特征频率 f = (k/m)0.5 对于精确的加速度或速度: Dt 1/(100 f)第65页/共221页自动时间步自动时间步 练习练习4 练习指导请参考练习附录: W4. 接触自动时间步.第66页/共221页面面接触单元面面接触单元第六章第67页/共221页面面接触单元面面接触单元 面面接触单元是 ANSYS 软件中最通用的接触单元. 由于

34、其精度高，特性丰富，界面友好，因此被大多数 ANSYS 用户选用.第68页/共221页 面面接触单元面面接触单元 本章中，将通过下面的主题，全面展示 ANSYS 面面接触单元的处理方法:A. 概述B. 特殊问题的高级选项C. 刚性面问题D. 不通过向导创建单元E. 疑难问题第69页/共221页面面接触单元面面接触单元A. 概述概述 面面接触单元，正如其名所指，是模拟任意两个表面间接触的方法. 表面可以具有任意形状. 对于点面，线面或边面接触，点点和点面接触单元更适合. 面面接触单元在面的高斯点处传递压力. 其它单元在节点处传递离散的力. 这种先进的技术使面面接触单元具有很多优点.第70页/共2

35、21页面面接触单元面面接触单元. 概述概述 由于与其它接触单元相比具有许多优点，面面接触单元是ANSYS 中使用得最广泛的接触单元: 与低阶单元和高阶单元都兼容. 高效地支持具有滑动和摩擦的大变形. 提供更好的接触结果 ( 易于后处理接触压力和摩擦应力 ). 可考虑壳和梁的厚度，以及壳的厚度变化. 半自动接触刚度计算. 刚性表面由“控制节点” 控制. 智能缺省设置, 接触向导 ( 易于使用 ). 热接触特性. 众多的高级选项来处理复杂问题.第71页/共221页面面接触单元面面接触单元B. 高级选项高级选项 具有 20 个可用的实常数、2 个材料属性和 30 个可用的单元选项设置 , 这些单元提

36、供了丰富的特征库，能够用于模拟特殊的效果和处理困难的收敛情况. 然而, 正如基本结构非线性培训手册中所述 , 这些众多选项的智能缺省选项设置允许求解许多接触问题，而不需要用户介入太多. 开始使用高级选项以前，先试着采用缺省设置. 只指定罚刚度，穿透容差和子步数，然后进行分析. 只在采用缺省设置遇到困难时才采用高级选项.第72页/共221页面面接触单元面面接触单元. 高级选项高级选项 所有的单元选项和参数都可以通过接触向导来控制:第73页/共221页面面接触单元面面接触单元. 高级选项高级选项 面面接触单元提供三种自由度选项: 结构: UX, UY, 和 UZ 结构和热 : UX, UY, UZ

37、, 和 TEMP 热: TEMP (用于纯热接触问题) 由向导创建接触对时，接触单元的自由度选项将根据基体单元的自由度自动设置，而不必进行调整. 否则，面面接触单元的自由度可以通过下面菜单设置: Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete options.第74页/共221页 接触向导基本表 包括所有与接触行为和收敛相关的通用参数.指定输入的常数是缩指定输入的常数是缩放因子还是绝对值放因子还是绝对值面面接触单元面面接触单元. 高级选项高级选项当采用实常数菜单指定参当采用实常数菜单指定参数时，负值表示绝对值，数时，负值表示绝对值，正值表

38、示因子正值表示因子.第75页/共221页 接触向导摩擦表单包括所有与接触表面上的静、动摩擦相关的参数，且允许定义接触表面上的最大摩擦应力.MU = MUK*(1+(FACT-1)exp(-dc*VREL)式中式中:MU = 摩擦系数摩擦系数MUK = 动摩擦系数动摩擦系数VREL = 接触表面的相对滑动率接触表面的相对滑动率FACT = 静、动摩擦系数比值静、动摩擦系数比值dc = 指数衰减系数指数衰减系数面面接触单元面面接触单元. 高级选项高级选项第76页/共221页 接触向导初始调整表接触向导初始调整表包括高级穿透和表面调整偏差参数包括高级穿透和表面调整偏差参数面面接触单元面面接触单元.

39、高级选项高级选项第77页/共221页 接触向导接触向导 MISC TAB包括伪接触防止特性，梁包括伪接触防止特性，梁/壳厚度效应及接触探测点（高斯点和节点）的位壳厚度效应及接触探测点（高斯点和节点）的位置置面面接触单元面面接触单元. 高级选项高级选项第78页/共221页接触向导进阶接触向导进阶接触向导刚性目标表接触向导刚性目标表用于指定特定的约束和高阶目标单元选项用于指定特定的约束和高阶目标单元选项第79页/共221页接触向导进阶接触向导进阶 接触向导热表接触向导热表 所有热接触参数，包括接触传导、近表面辐射和摩擦生热因子所有热接触参数，包括接触传导、近表面辐射和摩擦生热因子第80页/共221

40、页面面接触单元面面接触单元. 高级选项高级选项 这些选项也可以通过实常数和单元选项菜单进行指定. 第81页/共221页面面接触单元面面接触单元. 高级选项高级选项 我们将按照建立模型时的逻辑顺序讨论这些选项. 在接触向导中并无必要按此顺序. 要作出的第一个决定可能是关于如何保证接触协调性. 可能使用修正的拉格朗日法 (缺省)，或在接触向导基本表中切换到纯罚函数方法. 对于大多数模型，修正的拉格朗日方法能很好地工作. 罚函数方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.第82页/共221页面面接触单元面面接触单元. 高级选项高级选项 最重要的选项是

41、法向罚刚度或接触刚度. 我们已经在基本结构非线性 培训手册和本手册的第三章中讨论过这个选项. 这里再次重申: 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。 监视收敛性, 验证结果的有效性 , 并根据需要调整这个值: 大值对应较高精度; 小值对应较好的收敛性.第83页/共221页面面接触单元面面接触单元. 高级选项高级选项 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 ( 通过改变指定的法向罚刚度值 ). 实际上，这将 “渐变” 接触刚度值, 提高收敛性. 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. 另外，程序能够自动在子步之间改变

42、接触刚度，以处理基体单元刚度改变的大应变效应 ( 如颈缩).第84页/共221页面面接触单元面面接触单元. 高级选项高级选项 可通过向导的基本表或实常数菜单设置单元选项，以允许程序更新接触刚度. 允许用户指定刚度变化允许用户指定刚度变化.允许自动和用户指定变化允许自动和用户指定变化.第85页/共221页面面接触单元面面接触单元. 高级选项高级选项 按对收敛性和计算精度的影响，穿透容差通常是第二个重要选项. 缺省情况下，穿透容差是一个因子乘以基体单元厚度 (h). 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

43、敛性有害.第86页/共221页面面接触单元面面接触单元. 高级选项高级选项 第五章讨论了对于临界接触状态变化的自动时间步控制，如果在求解控制级别打开此项，则其将由单元选项设置控制: 不控制: 不影响自动时间步长. 对静力问题自动时间步打开时此选项一般是足够的. 自动二分: 如果接触状态变化明显，时间步长将二分. 对于动力问题自动二分通常是足够的. 合理值: 比自动细分更耗时的算法. 最小值: 此选项为下一子步预测最小时间增量 ( 很耗计算时间,不推荐).第87页/共221页面面接触单元面面接触单元. 高级选项高级选项pinball区域 影响接触状态的确定和其它许多接触特性. pinball区域

44、是环绕接触单元的圆 (2D) 或球 (3D)，描述接触单元周围“远”和“近”区域的边界. 缺省情况下，pinball区域半径是 4 x 基体单元厚度 (刚柔) 或 2 x 基体单元厚度 (柔柔 ).接触面接触面目标面目标面Pinball 半径半径第88页/共221页面面接触单元面面接触单元. 高级选项高级选项 可以为 pinball 半径指定一个不同的值.第89页/共221页面面接触单元面面接触单元. 高级选项高级选项 通过接触向导基本表或实常数菜单，可使用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. 有效的选项包括:标准: 正常的接触闭合和打开行为，具有正常粘着/滑动摩擦行为.

45、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).第90页/共221页面面接触单元面面接触单元. 高级选项高级选项不分离 ( 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方向不分离 (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.第91页/共22

46、1页面面接触单元面面接触单元. 高级选项高级选项 以下参数影响某些表面行为选项: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92页/共221页面面接触单元面面接触单元. 高级选项高级选项摩擦系数 影响基本摩擦行为. MU = 0 指定无摩擦行为. MU 0 确定滑动摩擦力.最大摩擦应力表示可以在摩擦接触面上传递的最大应力值. (基体材料的剪切屈服应力. )第93页/共221页面面接触

47、单元面面接触单元.高级选项高级选项Contact cohesion 表示当没有法向压力时开始滑动的摩擦应力值.第94页/共221页面面接触单元面面接触单元.高级选项高级选项 摩擦导致非对称刚度矩阵. 因为非对称矩阵很难计算 ( 因此导致求解变慢 ), 程序自动执行对称求解. 有时, 采用非对称矩阵 能获得更好的收敛性: 牢记必须使用稀疏或波前求解器. 对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，使用 SolutionUnabridged Menu Analysis Options. 设置 Newton-Raphson 选项为 “Full N-R unsymm”.第95页/共221页面

48、面接触单元面面接触单元. 练习练习5-“不分离不分离”行为行为 练习指导请参考练习附录: W5. 不离接触.第96页/共221页面面接触单元面面接触单元. 高级选项高级选项 如果使用梁或壳单元建立模型，为了考虑梁和壳的厚度可以移动接触表面. 对于 Shell181 单元, 由于大应变变形引起的厚度变化也在考虑之中.壳单元中间平面壳单元中间平面壳单元厚度壳单元厚度接触面接触面目标面目标面在移动表面上探测接触在移动表面上探测接触第97页/共221页面面接触单元面面接触单元. 高级选项高级选项初始穿透 有几种技术可以模拟初始穿透接触问题 ( 如热套装配 ). 可以使用初始几何穿透，或指定偏移量，或二

49、者皆有. 指定偏移量:第98页/共221页面面接触单元面面接触单元. 高级选项高级选项指定偏移量 (CNOF) 实常数 CNOF 是接触表面偏移量. 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.第99页/共221页面面接触单元面面接触单元. 高级选项高级选项自动 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 ( 稍后讨论 ) 缺省为 0第100页/共221页面面接触单元面面接触单元. 高级选项高级选项 初始穿透选项包括:Include everything: 包括由几何模型

50、和指定偏移量(如果有)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101页/共221页面面接触单元面面接触单元. 高级选项高级选项 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渐变为零.Include wit

51、h ramped effects 和 Include offset only w/ ramp 选项通过在第一载荷步将初始穿透渐变为零而克服收敛困难. 为求得好的结果，在第一载荷步不应施加其它载荷.第102页/共221页面面接触单元面面接触单元. 高级选项高级选项 具有大范围变化接触法向方向的过盈配合问题会导致非实际行为.此时试着交换目标面和接触面. 或者试着去掉有问题的接触单元 .接触面接触面目标面目标面这可能导致非实际行这可能导致非实际行为为第103页/共221页面面接触单元面面接触单元. 练习练习6-初始穿透初始穿透 练习指导请参考练习附录: W6. 初始穿透.第104页/共221页面面接

52、触单元面面接触单元. 高级选项高级选项刚体模式 初始不接触的两个 ( 或更多 ) 物体的静力分析中，在接触建立前可能产生刚体运动.F此例中圆柱体没有施加位移约此例中圆柱体没有施加位移约束，而由力控制束，而由力控制. 圆柱体的约圆柱体的约束由圆柱体和平板之间的接触束由圆柱体和平板之间的接触建立建立.第105页/共221页面面接触单元面面接触单元. 高级选项高级选项 求解过程中两个物体分离，刚度矩阵将奇异. 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: 建立几何模型，使其处于“刚好接触”位置 动力分析 位移控制 弱弹簧 采用不分离接触 (KEYOPT

53、(12) 稍后讨论 ) 调整初始接触条件第106页/共221页面面接触单元面面接触单元. 高级选项高级选项刚好接触 这需要了解何处是“刚好接触”位置. 如果表面弯曲或不规则这将很困难.F由于有限元网格划分时的数值误差，由于有限元网格划分时的数值误差，在物体之间可能会存在小间隙或小在物体之间可能会存在小间隙或小穿透穿透. 这可能引起不收敛或接触物这可能引起不收敛或接触物体弹开体弹开.后面将看到后面将看到, 点点相对的两个物点点相对的两个物体没有必要体没有必要“刚好接触刚好接触”.第107页/共221页面面接触单元面面接触单元. 高级选项高级选项动力学 在动力学分析中惯性效应阻止刚体运动. 克服刚

54、体运动的一个方法是进行动力分析. 为了将求解从静力分析转变为动力分析，需要增加质量和阻尼 . 这被认为是 slow dynamic 求解 . 必须确信系统确实真正符合分析的结论. 另外，非零加速度和速度将引起人为的惯性力和阻尼力从而影响平衡 !第108页/共221页面面接触单元面面接触单元. 高级选项高级选项位移控制 此种技术采用强加的位移来使两个物体接触. 然后通过一个空的载荷步将求解从位移控制转变为力控制.小的附加位移小的附加位移.第109页/共221页面面接触单元面面接触单元. 高级选项高级选项位移控制 载荷步 1 采用小的强制位移初始化接触. 载荷步 2 从位移控制转换到力控制. 删除

55、强制位移，施加反力，使用一个子步求解 . (此载荷步应在一个迭代或两个迭代收敛，因为系统未改变.) 载荷步 3 继续进行加载 .第110页/共221页面面接触单元面面接触单元. 高级选项高级选项弱弹簧 此技术在基础面上放置弱弹簧来阻止刚体运动.F与系统刚度相比，弹簧刚度应可忽略。与系统刚度相比，弹簧刚度应可忽略。将弹簧置于基体上，基体节点的反力可将弹簧置于基体上，基体节点的反力可以与总体反力比较，以确定弹簧对求解以与总体反力比较，以确定弹簧对求解没有影响。没有影响。也可采用接触处于分离状态时的弹簧接也可采用接触处于分离状态时的弹簧接触选项触选项.第111页/共221页面面接触单元面面接触单元.

56、 高级选项高级选项 虽然这些都是有效的分析技术，但实践起来则很困难. “刚好接触” - 由于有限元网格的数值误差可能会产生小的间隙或穿透. 动力 - 在“静力”模型中，并不总是很容易衰减掉无用的动力效应. 位移控制 - 对于复杂加载，强制位移并不总是明显的. 弱弹簧 - 初始载荷必须足够小，以使弹簧产生小变形，从而接触单元能够识别穿透. 为做到不“穿过”接触表面，需要一些试验.第112页/共221页面面接触单元面面接触单元 . 高级选项高级选项 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. 自动 CNOF 调整: 程序计算CNOF 以消除间隙.初始接触环 (ICONT): 将调整带内

57、接触表面上的节点移动到目标表面上. 初始允许穿透范围: (PMIN & PMAX): 将刚体表面移动到接触表面上.第113页/共221页面面接触单元面面接触单元. 高级选项高级选项调整初始接触条件 (ICONT) 实常数 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. 如果未指定实常数 ICONT ，ANSYS 根据模型的尺寸为 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 (1e-20). 0 值代表非 0 的缺省值 .第114页/共221页面面接触单

58、元面面接触单元. 高级选项高级选项 接触表面调整，调整前和调整后的情况:第115页/共221页面面接触单元面面接触单元. 练习练习7-初始接触环初始接触环 练习指导请参考练习附录: W7. 刚体 ICONT第116页/共221页面面接触单元面面接触单元. 高级选项高级选项调整初始接触条件 (PMIN 和 PMAX) 实常数 PMIN 和 PMAX 指定初始穿透范围 . 实际上ANSYS 把整个目标面（连同变形体）移动到由 PMIN 和 PMAX 指定的穿透范围内 . 如果目标面具有 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

59、20 个迭代步把目标面调整到 PMIN 和 PMAX 范围内. 第117页/共221页面面接触单元面面接触单元. 高级选项高级选项 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.接触面接触面调整前后的目标面调整前后的目标面第118页/共221页面面接触单元面面接触单元. 练习练习8-初始穿透范围初始穿透范围 练习指导请参考练习附录: W8. 刚体 PMIN & PMAX.第119页/共221页面面接触单元面面接触单元. 高级选项高级选项 ANSYS 静力分析中，如果力施加于数值刚度为 0 的自由度上时，程序将忽略此载荷. 由可变形单元组成的初始无约束自由体，通常在刚度矩阵中

60、有足够的数值“噪音”以避免载荷被忽略. 然而，初始无约束刚体目标面一般具有数值为 0 的刚度. 施加于此类表面的控制节点上的力和力矩将被忽略. 此时采用弱弹簧增加少量的刚度以防止载荷的“丢失”.第120页/共221页面面接触单元面面接触单元. 高级选项高级选项 指定的偏移量 (实常数 CNOF, 如前述) 或自动偏移量也对闭合初始间隙、阻止刚体运动非常有效.第121页/共221页面面接触单元面面接触单元. 高级选项高级选项自接触 对于自接触采用非对称接触效率会更高，但很难判断接触面和目标面. 如使用对称接触，可只简单地把目标单元和接触单元放在同一表面. 中心的超弹性环中心的超弹性环发生自接触发