接触分析专业课件

第八章

接触非线性October20,20228-2接触非线性–5.7版本本章目标本章学完后,应能对如下功能进行描述和论证:SessionObjective1. 接触协调条件2. 刚体对柔体和柔体对柔体接触3. 节点对节点、节点对面和面对面接触单元4. 接触刚度5. 接触单元处理6. 接触向导October20,20228-3接触非线性–5.7版本接触问题接触问题是高度非线性的,并且对于非线性问题的求解具有典型的挑战意义.接触问题提出两个重要的挑战:在多数接触问题中接触区域是未知的.表面与表面会突然接触或突然不接触,这会导致系统刚度的突然变化.多数接触问题包括摩擦.摩擦是与路径有关的现象,这要求精确的加载历史.摩擦的响应还可能是杂乱的,使求解难以收敛.October20,20228-4接触非线性–5.7版本最新耦合和约束方程的注释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程代替接触.详细信息请参看ANSYS建模和网格划分指南.使用耦合或约束方程的优点是分析还是线性的.October20,20228-5接触非线性–5.7版本接触分类接触问题一般分为两类:刚体对柔体和柔体对柔体.刚体对柔体:

一个或多个接触表面作为刚体(一个表面的刚度比另一个表面的刚度要高很多).许多金属成形问题归入此类.柔体对柔体:

两个或所有的接触体都可变形(所有表面刚度相差不多).螺栓法兰连接是一个柔体对柔体接触的例子.October20,20228-6接触非线性–5.7版本刚体对柔体接触刚体表面变形体October20,20228-7接触非线性–5.7版本柔体对柔体接触花键轴过盈配合,两个零件都是柔体.October20,20228-8接触非线性–5.7版本接触协调条件F为了阻止接触表面相互穿过,这两个表面间必须建立一个关系.否则这两个表面将相互穿过.不施加接触协调条件时发生侵入目标接触FOctober20,20228-9接触非线性–5.7版本接触协调条件用一个弹簧施加接触协调条件称为罚函数法.弹簧刚度或接触刚度称为罚参数.该弹簧的变形量

满足方程:

F=k接触刚度(k)越大,接触表面的侵入越少.然而,若该值太大,会导致收敛困难.FOctober20,20228-10接触非线性–5.7版本接触协调条件还可用另外一种方法,即拉格朗日乘子法,增加一个附加自由度(接触压力),以满足不侵入条件.F9、人的价值，在招收诱惑的一瞬间被决定。2023/2/32023/2/3Friday,February3,202310、低头要有勇气，抬头要有低气。2023/2/32023/2/32023/2/32/3/20234:37:21PM11、人总是珍惜为得到。2023/2/32023/2/32023/2/3Feb-2303-Feb-2312、人乱于心，不宽余请。2023/2/32023/2/32023/2/3Friday,February3,202313、生气是拿别人做错的事来惩罚自己。2023/2/32023/2/32023/2/32023/2/32/3/202314、抱最大的希望，作最大的努力。03二月20232023/2/32023/2/32023/2/315、一个人炫耀什么，说明他内心缺少什么。。二月232023/2/32023/2/32023/2/32/3/202316、业余生活要有意义，不要越轨。2023/2/32023/2/303February202317、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。2023/2/32023/2/32023/2/32023/2/3October20,20228-12接触非线性–5.7版本接触协调条件将罚函数法和拉格朗日乘子法结合起来施加接触协调条件合称为增强的拉格朗日法.在迭代的开始,接触协调条件基于惩罚刚度决定.一旦达到平衡,就检查许可侵入量.这时,如果有必要,接触压力增大,继续进行迭代.F许可侵入量9、人的价值，在招收诱惑的一瞬间被决定。2023/2/32023/2/3Friday,February3,202310、低头要有勇气，抬头要有低气。2023/2/32023/2/32023/2/32/3/20234:37:21PM11、人总是珍惜为得到。2023/2/32023/2/32023/2/3Feb-2303-Feb-2312、人乱于心，不宽余请。2023/2/32023/2/32023/2/3Friday,February3,202313、生气是拿别人做错的事来惩罚自己。2023/2/32023/2/32023/2/32023/2/32/3/202314、抱最大的希望，作最大的努力。03二月20232023/2/32023/2/32023/2/315、一个人炫耀什么，说明他内心缺少什么。。二月232023/2/32023/2/32023/2/32/3/202316、业余生活要有意义，不要越轨。2023/2/32023/2/303February202317、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。2023/2/32023/2/32023/2/32023/2/3October20,20228-14接触非线性–5.7版本增大接触应力减少侵入量由于平衡改正侵入量在改正阶段发生振荡增大的拉格朗日October20,20228-15接触非线性–5.7版本接触单元ANSYS有三种类型的接触单元:节点对节点-这是指接触的最终位置事先是知道的.节点对面-接触区域未知,并且允许大滑动.面对面-接触区域未知,并且允许大滑动

(相对节点对面接触形式有几个优点).October20,20228-16接触非线性–5.7版本节点对节点接触单元IJIJ两个最常用的节点对节点接触单元:接触12单元和接触52单元都用罚函数法施加接触协调条件.这要求输入一个罚刚度(在后面我们将详细讨论罚刚度的计算).接触12单元-二维间隙接触52单元-三维间隙October20,20228-17接触非线性–5.7版本节点对节点接触单元节点对节点接触单元能够用于建立点对点接触模型.接触点始终已知的管抖动模型是点对点接触的一个例子.如果两个表面的节点一一对应,相对滑动变形量可以忽略,并且两表面的挠度(转动量)较小,那么这些单元还能用于模拟面对面接触问题.过盈配合问题是面对面接触问题的一个例子.如果满足上述条件,则此问题用间隙单元是足够的.注意点对点接触只能用于低次单元.October20,20228-18接触非线性–5.7版本节点对节点接触过程接触12单元和接触52单元既能用直接生成法创建,也能在重合节点处创建单元.前处理器->创建->单元->在重合节点(Preprocessor->Create->Elements->AtCoincidNd)接触12单元应该在重合节点间创建.然而接触52单元要求1E-6的距离来定向单元.October20,20228-19接触非线性–5.7版本节点对节点接触过程补充信息:接触12单元由实常数THETA定向.接触12单元能用作钩子或间隙,而接触52单元只能用作间隙(注意通过约束UZ自由度,接触52单元能够用于二维问题).通过设置关键选项(4)和实常数INTF及GAP,接触12单元和接触52单元都允许给出初始过盈或初始间隙.最新接触12单元和接触52单元选项和实常数的详细叙述,请参看ANSYS单元手册(ANSYSElementsReference)第四章.October20,20228-20接触非线性–5.7版本节点对表面接触单元节点对表面接触单元:接触48单元-二维节点对表面接触49单元三维节点对表面JIKIJKML这些单元用缺省的罚函数法作为接触协调条件.作为一个选项,可以使用综合的罚函数和拉格朗日乘子.October20,20228-21接触非线性–5.7版本节点对表面接触单元节点对表面接触单元典型用于建立点对面接触应用模型,如两个梁接触

(在梁的末端)和锁扣配合的角部.通过定义多个单元,这些单元还能用于建立面对面接触模型.这些表面可以是刚性的或可变形的.不用知道接触面的位置.允许大变形、大相对滑动和接触表面间的不同网格划分.注意节点对表面接触只可以用于低次单元.October20,20228-22接触非线性–5.7版本节点对表面接触处理接触48单元和接触49单元通过指定节点组元来生成,这些节点组定义了目标和接触表面.为接触和目标表面选择需要的节点,并创建节点组元.给出单元类型和实常数,并生成接触单元.每一个不相连的接触面应该参照一个不同的实常数设置.JK接触节点目标节点IOctober20,20228-23接触非线性–5.7版本节点对表面接触处理主菜单>前处理器>创建>单元>节点对表面(MainMenu>Preprocessor>Create>Elements>NodetoSurf)节点组名称最新使用节点对表面接触单元的详细信息请参看ANSYS结构分析指南(ANSYSStructuralAnalysisGuide).October20,20228-24接触非线性–5.7版本接触刚度点对点(接触12单元和接触52单元)和节点对表面(接触48单元和接触49单元)接触单元都要求给出罚刚度.罚刚度越大,接触表面的侵入量越小.然而,若此值太大,则会由于病态条件而引起收敛困难.可以通过一些实验来确定一个合适的接触刚度,使求解收敛,而且侵入量可以接受.October20,20228-25接触非线性–5.7版本选择接触刚度接触刚度是接触面的相对刚度的函数.对于块状实体,通常赫兹接触刚度(Hertzcontactstiffness)适用于罚刚度,可以这样估算:

k=fE式中f是介于0.1~10之间的系数,E是较软的接触材料的弹性模量.设

f=1通常是一个较好的起始值.October20,20228-26接触非线性–5.7版本选择接触刚度对于柔性组分(梁和壳模型),

系统的刚度可以比赫兹接触刚度要低很多.在这种情况下,你可以将单位载荷施加到预计要接触的面上,先运行一个静态分析来确定模型的局部刚度.

接触刚度可以这样估算:

k=f(P/D)上式适用于柔性体接触,f是介于1~100之间的系数.同样,设

f=1

通常是一个较好的起始值.October20,20228-27接触非线性–5.7版本面对面接触单元ANSYS支持刚体对柔体和柔体对柔体的面对面接触单元.这些接触单元使用“目标面”和“接触面”的概念来形成接触对.面对面接触单元使用增强的拉格朗日法施加接触协调条件(默认).作为一个可选项,还可以用罚函数法.接触面目标面October20,20228-28接触非线性–5.7版本面对面接触的优点与低次和高次单元都兼容.支持具有大滑动和摩擦的大变形.提供更好的接触结果(易于进行接触压力和摩擦应力的后处理).能计算壳和梁的厚度及壳厚度的改变.半自动接触刚度计算.“控制节点”对刚性面的控制(最新主控节点后面有更多的叙述).智能缺省设置、接触向导(易于使用).October20,20228-29接触非线性–5.7版本面对面接触的优点需要的接触单元比用节点对面接触单元(接触48单元和接触49单元)要少得多.12个接触48单元2个接触171单元和4个目标169单元October20,20228-30接触非线性–5.7版本面对面接触单元由分别定义目标和接触表面的独立的单元类型组成.接触对通过共用一个实常数指定.目标169和170单元-刚性或可变形的目标表面接触171到174单元-二维和三维接触单元面对面接触单元象皮肤一样覆盖在下面的有限元模型上.这些单元非常适合面对面接触应用,如过盈装配接触、进料接触、锻造和深拉深.面对面接触单元October20,20228-31接触非线性–5.7版本面对面接触单元接触副刚性目标接触单元该接触副由实常数1指定.October20,20228-32接触非线性–5.7版本二维目标单元JIIJKIJKII目标169单元目标部分有如下类型:直线、抛物线、圆弧(顺时针或逆时针)、圆、或控制节点.October20,20228-33接触非线性–5.7版本三维目标单元目标170单元目标部分有如下类型:三节点三角形、四节点四边形、六节点三角形、八节点四边形、圆柱、圆锥、球和控制节点.October20,20228-34接触非线性–5.7版本二维面对面接触单元接触171单元是二维、二节点低次直线单元,能够位于二维实体、壳或梁单元的表面.接触172单元是二维、三节点高次抛物线单元,能够位于有中间节点的二维实体单元的表面.接触171单元接触172单元October20,20228-35接触非线性–5.7版本三维面对面接触单元接触174单元是三维、八节点高次四边形单元,能够位于有中间节点的三维实体单元的表面.该单元还能退化成六节点三角形.接触173单元是三维、四节点低次四边形单元,能够位于三维实体或壳单元的表面.该单元还能退化成三节点三角形.October20,20228-36接触非线性–5.7版本面对面接触处理对于面对面接触单元,一个面指定为“目标”面,另一个面为“接触”面.对于刚体对柔体接触,刚体表面总是指定为目标面.

对于柔体对柔体接触,接触面与目标面都与变形体相关联.接触单元被约束,不能侵入目标面.然而,

目标单元能够侵入接触面.October20,20228-37接触非线性–5.7版本面对面接触处理接触单元的一般步骤:1. 创建有限元模型.2. 指定接触和目标表面.3. 设置单元选项和实常数.4. 创建目标表面单元.5. 创建接触表面单元.6. 施加边界条件.7. 定义求解选项和载荷步.8. 求解.9. 观察结果.October20,20228-38接触非线性–5.7版本指定接触和目标表面目的是将接触检查点增加到最大数.对于刚体对柔体接触,目标面总是刚体表面.对于柔体对柔体接触,目标面和接触面的选择会引起不同量的侵入,从而影响求解精度.目标面接触面目标面会侵入接触面October20,20228-39接触非线性–5.7版本目标/接触面的指导方针如果凸面与平面或凹面接触,那么平面或凹面应该是目标面.如果一个表面网格粗糙,而另一个表面网格较细,那么网格粗糙的表面应该是目标面.如果一个表面比另一个表面的刚度大,那么刚度大的表面应该是目标面.如果一个表面划分为高次单元,而另一个表面划分为低次单元,那么划分为低次单元的表面应该是目标面.如果一个表面比另一个表面大,那么更大的表面应该是目标面.October20,20228-40接触非线性–5.7版本面对面接触处理步骤1.创建实体模型并划分网格.步骤2.指定接触面和目标面.在这个例子中,一个表面被认为是刚性的,这样,目标面和接触面的指定就很清楚.接触面

超弹性密封嵌入刚性目标面

October20,20228-41接触非线性–5.7版本面对面接触处理步骤3.设置单元选项和实常数.重要!接触对由实常数号来确定.目标单元和接触单元必须共用相同的实常数号(在后面,我们将详细讨论所有的单元选项和实常数.缺省的单元选项和实常数设置可以应用于许多问题).October20,20228-42接触非线性–5.7版本面对面接触处理步骤3.设置单元选项和实常数. 应该设置罚刚度比例系数(FKN)和拉格朗日乘子侵入比例系数(FTOLN). FKN通常介于0.01~10之间.对于体积变形问题,用值1.0(默认),对于以弯曲变形为主的问题,用值0.1. FTOLN默认为0.1.可以改变此值,但若容差太小,会使迭代数过多或不收敛.October20,20228-43接触非线性–5.7版本面对面接触处理步骤4.创建接触面单元.

在此步中,所用的方法将依赖于目标面是刚性的还是可以变形的.对于刚性目标面,用: 直接生成(用创建单元命令E)或

自动划分网格(用划分线命令(LMESH)及划分面命令(AMESH))对于可变形目标面,用:创建>单元>面对面(ESURF) (Create>Elements>Surface-to-Surface(ESURF))October20,20228-44接触非线性–5.7版本面对面接触处理步骤4.创建目标面单元. 对于刚性目标面的直接生成,在创建目标单元之前,需要设置附加的单元属性(TSHAP).TSHAP定义目标单元的形状October20,20228-45接触非线性–5.7版本面对面接触处理步骤4.创建目标面单元.

刚性目标面的自动网格划分不要求TSHAP.ANSYS将从实体模型确定目标单元的合适形状. 划分关键点(KMESH)-主控节点 划分线(LMESH)-二维刚性目标面 划分面(AMESH)-三维刚性目标面October20,20228-46接触非线性–5.7版本面对面接触处理步骤4.创建目标面单元. 要在可变形的网格上自动创建目标单元,需先选择可变形表面的节点,然后在变形体上创建目标单元:

前处理器>创建>单元>面对面 (Preprocessor>Create>Elements>SurftoSurf)ANSYS将根据它下面的实体网格确定目标单元的形状和外法向.创建表面单元(ESURF)October20,20228-47接触非线性–5.7版本面对面接触处理步骤4.创建目标面单元.检查外法向(如果用自动网格划分,则非常重要):打开单元坐标系符号(elementcoordinatesystemsymbol)开关,画单元.用命令ESURF修改(节点号逆转).必须在此ESURF操作之前激活目标单元属性.直线逆时针圆弧主控节点October20,20228-48接触非线性–5.7版本面对面接触处理步骤5.创建接触面单元. 设置接触单元属性,选择可变形表面的节点,并在变形体上创建接触单元(与在变形网格上对目标单元的处理相同):

前处理器>创建>单元>面对面 (Preprocessor>Create>Elements>SurftoSurf)这些接触单元与其下面的实体单元同阶(低阶或高阶).创建表面单元(ESURF)October20,20228-49接触非线性–5.7版本面对面接触处理步骤5.创建接触面单元. 注意对于在壳或梁单元上创建目标或接触单元,有一个在梁或壳单元的顶面或底面创建单元的选项.能够控制单元位置October20,20228-50接触非线性–5.7版本面对面接触处理步骤6.在有限元模型上施加边界条件.注意:如果目标面是刚性面,目标面将会自动固定(在后面,我们将讨论刚性面选项以及如何控制刚性面的运动).刚性面自动约束October20,20228-51接触非线性–5.7版本面对面接触处理步骤7.定义求解选项和载荷步.对于求解接触问题,极力推荐使用求解控制.下面给出的指导方针十分典型,是有求解控制的默认设置.在迭代过程中,如果接触状态改变,会发生间断.为了避免收敛缓慢,使用不带自适应下降的完全牛顿-拉斐逊(fullNewton-Raphson)求解.

为了使接触力平滑传递,时间步尺寸必须足够小.确保一个精确的时间步的可靠方法是使用自动时间步.October20,20228-52接触非线性–5.7版本面对面接触处理步骤7.定义求解选项和载荷步.设置适当的子步数目:开始的子步尺寸(NSBSTP)对于装配接触可以较大,对于大滑动接触应较小.对于剧烈的间断,子步的最大数(NSBMX)应该较大.子部的最小数(NSBMIN)应该较小.注意:为了建立初始接触条件,在第一个子步的二分之前,要完成所有的平衡迭代.October20,20228-53接触非线性–5.7版本面对面接触处理步骤7.定义求解选项和载荷步.方程求解器选择:稀疏矩阵求解器(SparseSolver)是缺省的,并且对于中等大小的接触模型,这是最好的选择(在100,000个自由度以下).对于困难的滑动问题,此求解器还有不对称选项.PCG求解器用于大型接触模型(超过100,000个自由度).此选项只能用于对称系统.October20,20228-54接触非线性–5.7版本面对面接触处理步骤7.定义求解选项和载荷步.不用自适应下降.对于面对面接触问题,自适应下降对于收敛不能提供任何帮助.使用一个合理的平衡迭代数目,通常是25.因为对于大时间增量,迭代计算会变得不稳定,用线性搜索(linesearch)来稳定计算.将预测器打开,大转动或动态分析除外.October20,20228-55接触非线性–5.7版本面对面接触处理步骤7.定义求解选项和载荷步.由于罚刚度太大或侵入容差太小,在一个接触分析里会多次发生收敛失败.对于惩罚刚度一定要按如下建议选取.注意:对于小应变、小位移和小滑动问题，要关上大变形效应开关(NLGEOM,OFF).这样设置将加快接触搜索速度.步骤8.问题求解.October20,20228-56接触非线性–5.7版本面对面接触处理步骤9.观察结果.一个接触分析的结果主要包括位移、应力、应变和接触信息.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直接从通用后处理器或时间历程后处理器中得到.October20,20228-57接触非线性–5.7版本面对面接触处理步骤9.观察结果.

画接触压力:October20,20228-58接触非线性–5.7版本接触向导对于多数接触问题,接触向导提供了一个构造接触对的简单方法.接触向导将引导你去创建接触副.前处理器>创建>接触对>接触向导(Preprocessor>Create>ContactPair>ContactWizard)October20,20228-59接触非线性–5.7版本接触向导使用接触向导的好处:自动定义单元类型和实常数设置快速得到接触选项和参数接触对观察工具快速显示和反转接触法向如果还没有对模型的任何部分进行网格划分,就不能激活接触向导.在启用接触向导创建柔体对柔体接触模型之前,要先对所有的将用作接触面的模型部件划分网格.要创建刚体对柔体接触模型,只要对将用作柔体接触面的模型部件划分网格.October20,20228-60接触非线性–5.7版本接触向导只要简单地跟随接触向导走过接触对创建步骤即可.首先,你将指定目标面,然后再指定接触面.October20,20228-61接触非线性–5.7版本接触向导所有的接触单元选项和实常数都能通过接触向导得到.October20,20228-62接触非线性–5.7版本接触向导在最后一步,接触向导将创建接触单元和相应的实常数.创建的实常数设置是一致的.如果目标法向不正确,能够逆转.October20,20228-63接触非线性–5.7版本接触向导接触向导还允许你观看、列表和删除接触副,并且可以快速显示和逆转法线方向.October20,20228-64接触非线性–5.7版本注意October20,20228-65接触非线性–5.7版本练习目的:对一个位移控制加载的轴对称咬接装配问题进行分析.偏移量=0.4”咬接装配轴对称模型垂直约束October20,20228-66接触非线性–5.7版本练习练习步骤:1. 恢复数据库snap.db.该数据库包括网格和固定的边界条件.2. 利用接触向导创建目标和接触单元(如图所示,数据库中设置了线组).哪一边应该是目标,清楚吗?正确地设置罚刚度比例系数(FKN).提示:该问题是以弯曲为主还是以体积变形为主?接触目标October20,20228-67接触非线性–5.7版本练习练习步骤:3. 在直线45上施加0.4”的–Y向位移.4. 打开几何非线性开关(NLGEOM,ON).5. 设“时间(time)”等于0.4,并为自动时间步给出子步数(20,500,10).6. 给出输出控制(要求输出每一子步结果).7. 求解,并查看输出和监控文件.October20,20228-68接触非线性–5.7版本练习练习步骤:8. 对接触结果进行后处理,查看接触压力和应力结果.作应力结果动画.9. 在时间历程后处理器里画载荷变形曲线.在此问题中为什么得到了负的反作用力?October20,20228-69接触非线性–5.7版本练习补充作业: 如果有时间,重新启动分析,并将–Y向偏移量增加到0.55”,使咬接装配的第二个齿咬合.查看结果以及此问题的收敛过程. 如果有时间,颠倒目标面和接触面的指定,重新运行此分析.答案变化明显吗?October20,20228-70接触非线性–5.7版本练习回答问题:

在此问题中,哪一边应该是目标面,哪一边应该是接触面是不明显的.在这种情况下,要求用对称接触(两边都指定为目标面和接触面).对于这个问题,网格粗糙些的一边选为目标面(尽管有人会争论,指定为接触面的表面更简单些,应该定为目标面).该问题以弯曲变形为主,设FKN=0.1.出现负的反作用力,是因为此求解是由位移控制的.在加载历史的不同点,施加的位移引起了负的反作用力.October20,20228-71接触非线性–5.7版本练习回答问题:

对于第一个载荷步(0到0.4),交换目标面和接触面的指定,

结果变化不明显.对于第二个载荷步(0.4到0.55),这两种情况的力位移曲线有变化.这表示,对该问题要求用对称接触.October20,20228-72接触非线性–5.7版本练习答案/BATCHRESUME,snap,db/PREP7ET,2,169ET,3,171R,1,,,0.1,0.1CMSEL,S,TARGETNSLL,S,1TYPE,2MAT,1REAL,1ESURFCMSEL,S,CONTACTNSLL,S,1TYPE,3ESURFALLSFINISH/SOLUTIONANTYPE,STATICNLGEOM,ONSOLC,ONTIME,0.4NSUBST,20,500,10OUTRES,ALL,ALLDL,45,,UY,-0.4SOLVEDL,45,,UY,-0.55SOLVEFINI/EXITOctober20,20228-73接触非线性–5.7版本接触非线性

建模和求解策略October20,20228-74接触非线性–5.7版本本节目标本节学完后,将能对如下功能进行描述和论证:SessionObjective1. 面对面单元选项2. 刚性面3. 确定接触刚度4. 摩擦5. 刚体位移6. 对称接触对不对称接触(自接触)7. 初始干涉8. 排错October20,20228-75接触非线性–5.7版本面对面选项本章的剩余部分将讨论各种各样的面对面接触单元选项(关键选项)和实常数,它们将控制面对面接触单元的行为.October20,20228-76接触非线性–5.7版本面对面选项我们还将讨论一般会遇到的接触问题的建模技术和对策.包括刚性面、摩擦、刚体位移、初始干涉、表面相互作用模型和排错.October20,20228-77接触非线性–5.7版本刚性面在一个接触问题中,对于使用刚性面,还有其它的建模考虑.包括:控制节点刚性面的网格划分改变目标面的形状将其它单元与刚性面相连接October20,20228-78接触非线性–5.7版本刚性面控制节点刚性面能够与“控制节点”联系起来,该节点的运动能够控制目标面的运动.加在整个面上的力、位移和/或转动能够用控制节点给出.可以将控制节点看作整个刚性面的手柄.如果定义了一个控制节点,ANSYS将只检查控制节点的边界条件,忽略目标面上其它节点的约束.控制节点既可对关键点进行网格划分生成,也能作为目标单元,使用相同的单元属性直接生成.October20,20228-79接触非线性–5.7版本刚性面旋转的刚性面控制节点控制节点能够在任何位置定义.这允许刚性面的一般转动.只有控制节点能够与其它单元联系起来.要计算刚体的质量,可以在控制节点上定义一个质量单元(质量21单元).每一个目标面只能有一个控制节点.October20,20228-80接触非线性–5.7版本刚性面约束刚性面如果满足以下条件,刚性面则缺省为自动约束(autoconstrained,KEYOPT(2)=0):

没有明确定义边界条件.目标面与其它单元没有联系.没有定义耦合或约束方程.在这种情况下,刚性目标面的所有自由度都被约束.October20,20228-81接触非线性–5.7版本刚性面约束刚体目标如果选择了自动约束(KEYOPT(2)=0)选项,在每一个载荷步的末尾,程序内部将对刚性面重新设置约束.当重起动求解时,请仔细检查模型.如果选择用户定义(KEYOPT(2)=1)选项,

ANSYS认为刚性面上所有合理的边界条件应由用户定义.October20,20228-82接触非线性–5.7版本刚性面划分复杂目标面一个刚性目标可以是基本目标元素(圆柱、圆锥、球等)的组合.对于任意表面,网格形状的质量并不重要.重要的是目标单元是否很好地代表了几何体.

目标表面过分粗糙的离散化会导致收敛方面的问题.October20,20228-83接触非线性–5.7版本刚性面划分复杂目标面的建议如果刚性目标能由基本元素代替,就用基本元素(需要更少的单元,更有效).对于复杂表面,尽可能对网格进行映射划分.如果表面的一边没有曲率,则在该边只划分一个单元.对于平面或接近平面的,用低次目标单元.如果目标表面是弯曲的,用高次单元.October20,20228-84接触非线性–5.7版本刚性面下面是对于一个刚性面,低次单元和高次单元两种划分方式都用了的例子.低次单元的计算量少,但是需要更多的单元.高次单元的计算量大,但是,需要的单元少.低次高次October20,20228-85接触非线性–5.7版本改变刚性面的形状对于具有低次或高次目标元素(不是基本元素)的已划分网格的目标面,目标节点能够旋转到局部坐标系.这允许目标面在一个分析中改变形状.

例如,希望用刚性圆柱面进行扩径.此圆柱面可以划分为高次四边形,将目标节点从直角坐标系旋转到圆柱坐标系,并在刚性目标面上施加径向位移,就可以对圆柱扩径.刚性面October20,20228-86接触非线性–5.7版本接触算法选择一个接触算法关键字选项(2)增强的拉格朗日法(关键字选项(2)=0)是缺省选项,推荐于一般应用.它对罚刚度不太敏感,但是也要求给出一个侵入容差.能够用罚函数法(关键字选项(2)=1)这个选项.它推荐应用于单元非常扭曲、大摩擦系数和/或用增大的拉格朗日法收敛行为不好的问题.October20,20228-87接触非线性–5.7版本确定罚刚度对于面对面接触单元,ANSYS基于单元类型、材料性质和它下面的单元尺寸确定接触刚度.可以用实常数FKN给出接触刚度的一个比例系数或绝对值.惩罚刚度(FKN)应该足够大,使接触侵入量小.同时也应足够小,使问题没有病态矩阵.FKN值通常在0.01~10之间.对于体积变形问题,用值1.0(默认),对于弯曲问题,用值0.1.October20,20228-88接触非线性–5.7版本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)相乘的比例系数.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值增大100倍会相应地减少侵入,但是接触压力只改变5%.October20,20228-89接触非线性–5.7版本确定罚刚度确定一个好的刚度值需要做些实验.下面的处理可以作为指南:1. 开始用一个较小的FKN值.2. 运行最终载荷的一部分的分析.3. 检查侵入和每一子步的平衡迭代数.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余力收敛,而不是侵入,FKN值可能估计得太高.4. 调整FKN或

FTOLN值,运行整个分析.注意:从一个载荷步到另一个载荷步,FKN和FTOLN值都能修改,并且能在重起动分析中调整.October20,20228-90接触非线性–5.7版本摩擦在接触模型中包括摩擦,就允许在两个接触体间产生剪力.在库仑摩擦模型中,在两个表面开始相对滑动之前,这两个表面承受的剪应力要上升到一个定值.此阶段称为粘着.当滑动发生时,库仑摩擦模型定义平衡的摩擦应力

:式中,

p是单位接触压力,

是摩擦系数(用材料性质MU定义).一旦剪应力超过此定值,这两个表面将相对滑动.此阶段就是滑动.

摩擦系数

可以是任意非负值.

October20,20228-91接触非线性–5.7版本摩擦||maxp滑动粘着ANSYS提供一个实常数TAUMAX,用于定义等效剪应力的最大值.这样,不管接触压力值是多大,只要等效剪应力达到最大值TAUMAX,就会发生滑动.该剪应力极限值通常用于接触压力会变得非常大的情况.TAUMAX的一个合理的上限估计值是:式中y

是表面附近材料的范•米赛斯屈服应力.TAUMAX的最好值通常来源于经验数据.October20,20228-92接触非线性–5.7版本摩擦包含摩擦的接触问题会产生不对称的刚度矩阵.然而,使用不对称的方程求解器比对称求解器的计算费用更高.由于这个原因,ANSYS用一种对称算法进行计算.利用此算法,可以解决多数包含摩擦的接触问题.如果遇到了一个收敛缓慢的问题,可以用不对称求解选项(关键选项(6)=1).在这种情况下,应该用稀疏矩阵求解器(优选的)或波前法求解器.October20,20228-93接触非线性–5.7版本接触检查点ANSYS面对面单元默认用高斯积分点作为接触检查点.高斯点接触面接触面ANSYS允许通过设置关键字选项(4)=1将接触检查点移到节点.为了保证收敛和精度,建议保持默认设置.October20,20228-94接触非线性–5.7版本高斯点的优点对于高次单元,节点力连续.高斯点不能“滑离”目标面的边缘.垂直于高斯点只定义了唯一的侵入,不要求目标面的平滑程度.接触检查点更多.GausspointOctober20,20228-95接触非线性–5.7版本接触检查点如果有一个包括角部接触的问题,使用高斯点作为接触检查点会导致角部的过分侵入.这时也不用将接触检查点移到节点,可以将面对面接触单元与节点对面接触单元混合起来用.面对面单元节点对面单元用于在角部建立接触模型October20,20228-96接触非线性–5.7版本对称接触与不对称接触在前面,我们讨论了将一个表面指定为目标面,另一个表面指定为接触面.让所有的接触单元在一个表面上,所有的目标单元在另一个表面上,这称为不对称接触.不对称接触通常是建立面对面接触模型的最有效的方法.然而,在有些情况下,不对称接触的执行不能令人满意.October20,20228-97接触非线性–5.7版本不对称接触凸表面网格细致表面柔软表面高次表面小表面凹/平表面网格粗糙表面刚硬表面低次表面大表面接触面:目标

面:记住,接触单元不能侵入目标单元,而目标单元能够侵入接触单元.下面是不对称接触处理的准则:上面准则确定的目的是使接触检查点的数目最大.October20,20228-98接触非线性–5.7版本对称接触对称接触不如不对称接触有效.然而,许多分析需要用它(典型用于减少侵入).对称接触增加了接触检查点的数目.对称接触的准则: 目标面和接触面没有明显的区别. 目标面和接触面的网格都粗糙.注意用对称接触时,后处理更困难.接触压力是两个接触单元对的平均值.

October20,20228-99接触非线性–5.7版本自接触对于自接触,使用不对称接触更有效,但是难于预测接触面和目标面.对于自接触,用对称接触时,只要简单地将目标单元和接触单元放在相同的表面上即可.中间的超弹性环与自身接触October20,20228-100接触非线性–5.7版本刚体位移在静态分析中,开始不连接在一起的两个(或多个)物体,在建立接触前,会产生刚体运动.F在这个力控制的例子中,圆柱上没有施加位移约束.此圆柱的约束由圆柱和平板之间的接触建立.October20,20228-101接触非线性–5.7版本刚体位移如果在求解中的任一时刻,两个物体没有联系,刚度矩阵就会奇异.ANSYS将会发出一个负主元警告信息.由于物体初始时没有联系,要克服刚体位移有几个选项:在“恰好碰上”的位置建立几何模型

动力学位移控制软弹簧用不分离接触(关键选项(12),在后面讨论)调整初始接触条件October20,20228-102接触非线性–5.7版本刚体位移“恰好碰上”这要求知道“恰好碰上”的位置在哪里.如果表面是曲面或者不规则,则难以确定.F由于有限元网格的数值修整,物体之间会存在小间隙或侵入.这可能引起不收敛或接触物体的分离.October20,20228-103接触非线性–5.7版本刚体位移动力学在动力分析中,惯性作用可以阻止刚体运动.克服刚体运动的一种选择是动态地求解问题.将需要加上质量和阻尼,使求解从静态转换到动态.October20,20228-104接触非线性–5.7版本刚体位移位移控制该技术用强加的位移使两物体进入接触状态.然后,可以通过一个空载荷步,使该问题从位移控制求解转换到力控制求解.强加的小位移October20,20228-105接触非线性–5.7版本刚体位移位移控制载荷步1用一个强加的小位移使物体进入初始接触状态.载荷步2从位移控制转换到力控制.删除强加的位移,加上反作用力,并用一个子步求解(由于此系统没有变化,该载荷步应该经过一次或两次迭代就收敛).载荷步3继续进行载荷历史加载.October20,20228-106接触非线性–5.7版本刚体位移软弹簧该技术使用接地软弹簧来阻止刚体运动.F与系统刚度相比,弹簧刚度应该可以忽略.弹簧与地相连,可以将地上节点的反作用力与总的反作用力相比,以确保弹簧对求解没有影响.October20,20228-107接触非线性–5.7版本刚体位移尽管“恰好碰上”、动力学、位移控制和软弹簧都是有效的分析技术,实施起来可能都有困难.“恰好碰上”-由于有限元网格的数值修整,能够存在小间隙或小侵入.

动力学-在一个“静态”模型中,要缓冲掉不想要的动态影响并不总是那么容易.位移控制-对于复杂加载,施加哪个位移并不总是那么明显.October20,20228-108接触非线性–5.7版本刚体位移软弹簧-初始载荷必须足够小,从而引起弹簧的小变形,这样接触单元才能认识侵入.需要做些实验,使目标单元不“穿过”接触表面.因此,还可以用实常数ICONT或PMIN和PMAX去调整初始接触条件,

以阻止刚体位移.ICONT将接触面上在调整带内的节点移到目标面上.PMIN和PMAX实际地将刚性面移进目标.October20,20228-109接触非线性–5.7版本刚体位移调整初始接触条件(ICONT)实常数ICONT能用于围绕目标面给出一个“调整带”.调整带内任何接触点都被移到目标面上.只建议进行较小的修正,若ICONT值太大,则会发生间断.如果不给出实常数ICONT,ANSYS根据模型的大小提供一个较小的ICONT默认值.October20,20228-110接触非线性–5.7版本刚体位移调整初始接触条件(ICONT)接触面调整,调整前与调整后如下图所示:October20,20228-111接触非线性–5.7版本刚体位移调整初始接触条件(PMIN和PMAX)实常数PMIN和

PMAX给出初始侵入范围.ANSYS实际地将整个目标面(以及附着的变形体)移到由PMIN和PMAX给出的侵入范围内.

如果目标面有预加的零约束,则不执行使用PMIN和PMAX的初始调整.初始调整是一个迭代过程.ANSYS最多进行20次迭代,将目标面移到PMIN和PMAX范围内.October20,20228-112接触非线性–5.7版本刚体位移调整初始接触条件(PMIN和

PMAX)接触面调整前和调整后的接触面October20,20228-113接触非线性–5.7版本球形(pinball)区接触单元相对于目标单元的的位置和运动决定接触状态.ANSYS跟踪每一个单元,并对它赋予一个可以进行后处理的状态.接触状态 相应的CPU费用0-远区域开接触 便宜1-近区域开接触 中等2-滑动闭接触 昂贵3-粘着闭接触 昂贵October20,20228-114接触非线性–5.7版本pinball区当接触单元进入pinball区时,认为它处于近区域接触.pinball区是围绕接触单元的圆(二维)或球(三维).可以用实常数PINB调整球形区(此方法对于初始侵入大的问题是必要的).ANSYS默认定义弹球区为下面单元的4深度(刚体对柔体)或2深度(柔体对柔体).弹球October20,20228-115接触非线性–5.7版本防止伪接触关键字选项(8)=1仅用于当实常数PINB不能处理此问题时,因为此选项会导致丢失真实的侵入.关键字选项(8)防止初始时或变形时过分侵入的伪接触.用于包括自接触问题的对称接触.

Contactiserroneouslydetected

NocontactisdetectedOctober20,20228-116接触非线性–5.7版本初始过盈对于建立初始过盈接触问题(如冷缩装配):几何模型包括初始过盈.通过实常数CNOF给出接触面偏移包括初始过盈.包括初始过盈的几何模型和实常数CNOF的组合应用.为了克服由大初始侵入引起的收敛困难,ANSYS允许初始侵入在第一个载荷步中按斜坡变化.October20,20228-117接触非线性–5.7版本初始过盈CNOF

实常数CNOF是接触面偏移.

+CNOF增加过盈.-CNOF减少过盈或产生间隙.CNOF能与几何侵入组合应用.October20,20228-118接触非线性–5.7版本初始过盈初始穿透控制KEYOPT(9)=0-包括几何穿透和CNOF.1-忽略几何穿透和CNOF.2-包括几何穿透和CNOF.在第一个载荷步中初始穿透斜坡变化.3-忽略几何穿透,包括CNOF4-忽略几何穿透,包括CNOF.在第一个载荷步中初始穿透斜坡变化.October20,20228-119接触非线性–5.7版本初始过盈斜坡变化如果有大初始过盈,通常不能阶跃施加.然而,用关键选项(9)的设置使初始过盈在第一个载荷步中斜坡施加(确定球形区足够大!).对于此斜坡功能,在第一个载荷步内不要施加其它载荷.初始过盈October20,20228-120接触非线性–5.7版本调整初始接触条件,以及偏移接触面技术也能组合应用.例如,对于精度不高的输入网格和初始节点坐标,也许想要一个十分精确的初始穿透.要达到这个目标:1. 用ICONT将接触点移到目标面上.2. 用CNOF给出一个初始穿透.3. 用关键选项(9)判定穿透.用ICONT后的接触面目标面最终接触面CNOF原始接触面初始过盈October20,20228-121接触非线性–5.7版本表面相互作用模型关键选项(12)能够用于建立不同的接触表面相互作用模型:0-标准:单面接触行为(默认).1-粗糙接触:接触建立后,没有滑动,这相当于无限大摩擦系数.2-不分离接触:接触建立后,目标面和接触面绑在一起(允许滑动).3–绑定接触:接触建立后,目标面和接触面“胶结”在一起.October20,20228-122接触非线性–5.7版本表面相互作用模型关键选项(12)描述(表面相互作用)继续:4-“总是”不分离接触:球形区内部任何接触检查点或那些进入接触状态的点沿法向绑结(允许滑动).5-“总是”绑定接触:对于剩余分析,球形区内任何接触检查点或那些进入接触状态的点被绑定.6-“初始接触”绑定:

仅在初始接触时绑定,初始接触开表面将保持打开的状态.与CEINTF相似,但是能用于非线性问题.October20,20228-123接触非线性–5.7版本表面相互作用模型接触开放弹簧FKOP对于建立不分离或绑定接触模型,也许需要设置实常数FKOP.该常数为开放接触提供了一个刚度值.对于不分离接触,可以用开放间隙刚度系数去阻止由于间隙而产生的刚体运动.对于绑定接触,FKOP阻止接触面的分离.FKOP默认为1.0,用于建立粘结模型.用一个较小值(1e-5)去建立软弹簧模型.October20,20228-124接触非线性–5.7版本计算厚度影响如果已经创建了一个梁或壳单元模型,接触表面能够移动,用于计算梁或壳的厚度.关键选项(11)包括或排除梁和壳厚度的影响.0-在中面接触(默认).1-在指定表面的顶部或底部.注意:当用壳181单元时,在变形过程中的厚度改变也可以考虑.October20,20228-125接触非线性–5.7版本时间步控制时间步控制是一个自动时间步特征.该控制用于当接触单元的状态即将改变时,预报并缩减当前的时间步.关键选项(7)控制时间步的预报

.0-无控制:不影响时间步尺寸.当自动时间步开关打开时,对于静态问题通常是充分的.

1-自动缩减:如果接触状态改变较大,时间步二分.对于动态问题,自动缩减通常是充分的.2-合理的:比自动缩减费用更昂贵的算法.3-最小值:该选项为下一个子步预报时间增量的最小值(计算费用十分昂贵,建议不用).

October20,20228-126接触非线性–5.7版本故障排除输出文件信息输出文件将打印一个接触概要,说明模型中的所有接触对.***注意***由实常数设置1识别的刚体-可变形体的接触对已经建立.请验证目标节点的约束,该约束可以由ANSYS自动施加.接触刚度系数FKN1.0000缺省穿透容差系数FTOLN0.10000将用缺省初始闭合值ICONT球形区系数PINB1.0000缺省最大摩擦应力TAUMAX0.10000E+21****************************************October20,20228-127接触非线性–5.7版本故障排除输出文件信息对于每一个接触对,输出文件还将反馈初始接触闭合情况.***注意***检查出由实常数设置1指定的接触单元603和目标单元1之间的最小初始间隙为3.914707351E-02.***注意***你可以将由实常数设置1指定的整个目标面移到:x=3.902639615E-02,y=-3.071443974E-03,z=0,使其接触.***警告***已经为实常数设置1选择了一个初始闭合系数(ICONT)3.E-02.October20,20228-128接触非线性–5.7版本排错刚体对柔体和柔体对柔体接触能够在相同的模型里定义.一定要用独立的实常数定义接触对.输出文件信息对检查你的接触对有帮助.一定要检查接触和目标单元的外法向.接触发生在接触和目标单元正的外法向侧.不正确正确October20,20228-129接触非线性–5.7版本排错确信目标和接触表面定义延伸得足够广,可以覆盖整个分析过程中运动的全部范围.确信正确地离散了刚性目标面.过分粗糙的离散化会引起收敛困难.确信用ICONT或PMIN和PMAX,使合理的表面副初始处于接触状态,从而消除刚体运动模式.October20,20228-130接触非线性–5.7版本排错在大滑动问题中,尖角会引起收敛困难.用线或面倒角使尖角圆滑.外法向圆滑的半径刚性目标面October20,20228-131接触非线性–5.7版本排错接触面目标面Thiscanresultinnon-physicalbehavior接触法向变化范围大的过盈配合问题会导致非物理行为.在这种情况下,试用转换目标和接触面的方法.或者,试用移去有问题的接触单元的方法.October20,20228-132接触非线性–5.7版本排错重设求解选项、子步数、平衡迭代数及不对称求解器等.最后,FKN和

FTOLN需要正确设置:FKN通常将在0.01~10之间.对于体积变形问题,用值1.0(默认),对于弯曲为主的问题,用值0.1.不要将FTOLN设得太小,穿透容差太紧,会导致发散.October20,20228-133接触非线性–5.7版本注意October20,20228-134接触非线性–5.7版本练习练习目标:分析一个二维平面应变赫兹接触问题.该问题用力控制加载,具有大塑性应变.刚性面可变形网格控制节点October20,20228-135接触非线性–5.7版本练习材料性质:铜EX=16E6帕泊松比=0.33应变 应力0.000625 10,0000.0025 15,0000.005 21,0000.010 29,0000.015 32,6000.020 34,7000.040 36,2500.100 39,0000.200 40,250所提供的数据为真实应力应变.October20,20228-136接触非线性–5.7版本练习练习步骤:1. 恢复数据库hertz.db.该数据库包括可变形的有限元网格和固定边界条件.2. 查看为可变形网格选择的单元类型.为什么选择具有缩减积分的平面182单元?3. 用多线性各向同性硬化(MISO)材料模型,为铜(材料1)输入应力应变曲线.为什么选择MISO?

4. 输入摩擦系数(m=0.3),也用材料1.October2