高级接触问题

第一章接触问题概述

在工程中常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。接触例子见图1.1。图1.1轮齿接触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：1.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。2.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。第一节接触分类刚－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。第二节接触单元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）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：一面一面接触单元一点一面接触单元一点一点接触单元·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－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，见图1.2。图1.2面一面接触2.点－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，见图1.3。图1.3点－面接触点－点接触单元用于模拟单点和另一个确定点之间的接触。点－点接触应用较少,我们不做介绍.第三节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示例1：利用耦合模拟接触问题，见图。数据库文件：cpnorm.db1条件：接触模型无摩擦，接触区域始终粘在一起，小挠度，小转动问题，可以用耦合代替接触（耦合分析是线性的）。图模拟接触第二章接触问题的一般特性在进入接触分析的实施和实例讨论之前，我们先对一般条件下的通用内容进行讨论，以便能正确理解和使用相关选项。第一节接触刚度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，见图2.1。图2.1切向罚刚度·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。见图2.2作为初值，可采用：切向罚刚度以同样的方式对收敛性和计算精度产生影响。图2.2切向罚刚度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－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*EE为弹性模量3.选取接触刚度的指导：Step1开始采用较小的刚度值Step2对前几个子步进行计算Step3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。第二节摩擦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，见图2.3。图2.3时间步长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不能超过正压力的一部分：式中：一摩擦系数·一旦所受剪力超过，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，见图2.4。图2.4弹性库仑摩擦模型图2.5实常数TAUMAX与P间关系曲线·一些单元采用实常数TAUMAX()模拟这种限制（见图2.5）。TAUMAX的一个估计上限为：图2.6剪切刚度示意图式中是接近表面的材料的等效Mises屈服应力。经典数据通常是TAUMAX比较好的初始值。粘着区被处理为弹性的，并且具有剪切刚度，见图2.6。·剪切刚度具有与正刚度相同的效果：刚度大时精度高，刚度小时收敛性好。·可以指定，或由程序指定为的分数（通常为的1%）。图2.5实常数TAUMAX与P间关系曲线图2.6剪切刚度示意图5.刚性库仑摩擦：只允许滑动摩擦，见图2.7接触响应不能是“粘着”－些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时的连续等效无限刚度。如果滑动停止或反向会出现收敛困难。6.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，见图2.8。图2.7刚性库仑摩擦图2.8滑动阻力7.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ANSYS接触单元，被指定为材料属性（MU）－对点－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。－对面一面接触单元，动摩擦系数以表面相对速度的函数计算得出。动摩擦系数是速度的指数函数：或:式中：MUK=动摩擦系数（由用户输入）

FACT=MUS/MUK(由用户输入)

MUS=静摩擦系数

dc=衰减系数（由用户输入）

Vtfs/deltaT=表面间的相对速度缺省值：FACT=1,MUS=MUK=0,dc=0动摩擦系数作为表面速度的函数，使静态平衡过渡到动态，见图2.9。图2.9静态平衡过渡到动态平衡8.无摩擦时，取=09.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，大对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对非对称矩阵无效。10.ANSYS接触单元摩擦选项总览，见表2.1表2.1ANSYS接触单元摩擦选项总览Surf-to-Surf(CONTA171-174)Node-to-Node(CONTA178)Node-to-Node(CONTA12/52)Node-to-Surf(CONTA48/49)GeneralFrictionyesyesyesyesElasticCoulombyesyesyesyesRigidCoulombnonoyesyesStatic/DynamicMUyesnonoyesDynamicFrictionFormulayes;mu=1(muk,FACT,dc)nononoTAUMAXwithFrictionyesnononoLargeStrain(NLGEOM,ON)yesnononoCohesionyesnonoyesUnsymmetricMatrixyesyesyesnoAutoorUserSpecifiedKTyes;KT=1(MU,KN)yes;KKS=1(MU,FKN)yes;KT=KNyes;KT=0.01KN第三节自动时间步长及其控制接触是一种状态非线性。在分析过程中，接触状态会改变，见图2.10。图2.10接触状态·有时希望考虑临界接触状态变化对时间步长的影响；有时又不期望。因此需要特殊的工具来控制接触分析中的时间步预测。·时间步控制是一个自动时间步特徵。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。接触单元的Keyopt（7）选项控制时间步的预报。0－无控制：不影响时间步尺寸。当自动时间步开关打开时，对于静态问题通常选此项。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。为保持一个合理的时间载荷增量，需要在接触预测中选择此项。适用于静态分析和连续接触时瞬态分析。3－最小值：该选项为下一子步预报时间增量的最小值（计算费用十分昂贵，建议不用）。这个选项在碰撞和断续接触分析中是有用的。·接触分析中自动时间步的其它注意事项：－与所有其它非线性分析一样，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以获得收敛。－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：式中:=表面的特征频率:·对于精确的加速度或速度:－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。第三章面－面接触单元第一节概述面－面接触单元，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。是ANSYS中最通用的接触单元。精度高、特性丰富还可使用接触向导建模方便。·面－面接触单元在面的高斯点处传递压力，这种先进技术使面－面接触单元具有很多优点：－与低阶单元和高阶单元都兼容－提供更好的接触结果（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－热接触特性－众多的高级选项来处理复杂问题。·具有众多的高级选项（20个可用的实常数、2个材料属性和30个可用的单元选项）提供了丰富的特征库，能够用于模拟特殊的效果和处理困难的收敛情况。然而众多的选项的智能缺省选项可以有效求解许多接触问题而不需要用户介入太多。通常的做法是：开始使用高级选项之前，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。·所有的高级选项也可以通过接触向导来控制。第二节面－面接触单元使用面－面接触单元计算刚－柔、柔－柔接触分析。把一个面指定为目标面（Targe），另一个面指定为接触面（Conta），合起来叫接触对。接触单元被约束不能侵入目标面，然而目标单元能侵入接触面。·2D目标单元TARGE169:图3.1（a）2D目标单元·2D面－面接触单元CONTA171—2D、2节点低阶单元，可用于二维实体、壳、梁单元的表面CONTA172—2D、3节点高阶单元，可用于带中间节点的二维实体单元表面CONTA171CONTA172图3.1（b）2D面－面接触单元·3D目标单元TARGE170图3.23D目标单元·3D面－面接触单元CONTA173—3D、4节点低阶四边形单元，可退化为三角形图3.33D面－面接触单元—CONTA173CONTA174—3D、8节点高阶四边形单元，可退化为6节点三角形单元图3.43D面－面接触单元—CONTA174第三节面－面接触分析步骤及实例1

（不通过接触向导创建接触对）Step1建立基体有限元模型设置基体单元类型、实常数、材料特性给基体分网：命令：AMESHVMESHStep2指定接触面和目标面·对于刚一柔接触，目标面总是刚性面·对于柔－柔接触，目标面和接触面的不同选择会产生不同的穿透，见图3.5，并且影响求解精度。图3.5目标面和接触面的不同选择·接触面和目标面确定准则－如凸面和平面或凹面接触，应指定平面或凹面为目标面；－如一个面上的网格较粗而另一个面上的网格较细，应指定粗网格面为目标面；－如一个面比另一个面的刚度大，应指定刚度大的面为目标面；－如一个面为高阶单元而另一面为低阶单元，应指定低阶单元面为目标面；－如一个面比另一个面大，应指定大的面为目标面。例如:超弹密封，见图3.6。图3.6超弹密封Step3设置单元选项和实常数

接触对由实常数号来定义，接触单元和目标单元必须具有相同的实常数号。定义实常数Step4建立目标单元（网格）·此步中所采用的方法依赖于目标面是刚性的还是柔性的。－刚性目标面采用：直接生成(E命令)

自动划分(LMESH,AMEAH)－可变形目标面采用GUI:MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Elements>Surf/Contact>SurftoSurf(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。TSHAP定义目标面单元形状·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，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GUI:MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Elements>Surf/Contact>SurftoSurf(ESURF)·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）－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.datSeal.dat文件中的有限元模型图3-7Step5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）。GUI:MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Elements>Surf/Contact>SurftoSurf·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。·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,,REVEStep6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施加的边界条件，见图3.7。Step7定义求解选项和载荷步，以下是默认设置：·推荐使用非线性求解自动控制·使用不带自适应下降的fullNewton-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Step8求解Step9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，见图3.8。图3.8弹性环装配轴对称施加位移载荷：在L45线上施加0.4″的-Y向位移打开几何非线性开关(NLGEOM,on)设Time=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并将-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=0.1L45GUI方式：Step1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）。GUI：UtilityMenu>File>ResumeFrom选Snap.db【OK】基体单元:Plane42,,,1轴对称材料:MAT,1 EX=0.175e6;NUXY=0.35;MU=0.0MAT,2 EX=90000;NUXY=0.35约束节点163UY=0182UY=0Step2创建目标面单元类型GUI：MainMenu>Preprocessor>ElementTyper>Add/Edit/Delete【Add】contact2Dtarget169Elementtyperreferencenumber=2【OK】或命令流:/PREP7ET,2,Target169Step3建立接触面单元类型GUI:MainMenu>Preprocessor>ElementTyper>Add/Edit/Delete【Add】contact2ndSurf171Elementtyperreferencenumber=3【OK】【close】或命令:ET,3,conta171Step4指定接触法向刚度GUI:MainMenu>Preprocessor>RealConstants>Add/Edit/Delete【Add】Type3CONTA171【OK】RealConstantSetNo.=1NormalPenaltyStiffnessFKN=0.1(对弯曲问题采用初值0.1)PenetrationtoleranceFTOLN=0.1图3.14建立接触面单元类型确定罚刚度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。或命令：R,1,,,0.1,0.1(3)设置单元属性GUI:MainMenu>Preprocessor>Create>Element>ElemAttributes或命令流：Type,2Mat,1Real,1Step5创建目标单元(1)为目标面选择线GUI:UtilityMenu>Select>Entities拾取线，见图3.9【OK】图3.9拾取线或命令流文件：LSEL,S,,,2,4LSEL,A,,,15,18……LSEL,A,,,63(2)选择附于线上的全部节点，见图3.10。GUI:UtilityMenu>Select>EntitiesNodesAttachedto⊙lines,all图3.10选择附于线上的全部节点【OK】或命令流：NSLL,S,1NPlot图3.9拾取线图3.10选择附于线上的全部节点创建目标单元GUI:MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Elements>Surf/Contact>SurftoSurf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【PickAll】或命令：ESURF，见图3.11。图3.11ESURFStep6创建接触单元(1)为接触面选线GUI:UtilityMenu>Select>EntitiesLinesByNum/pick⊙FromFull【OK】选线(见图3.12)【OK】图3.12为接触面选线或命令流:LSEL,,s,,33,34LSEL,a,,,43,44…(2)选择附于选定线上的全部节点GUI:UtilityMenu>Select>EntitiesNodesAttachedtoLines,all⊙FromFull【OK】或命令流:图3.13选择线上的全部节点NSLL,S,1NPLOT，见图3.13图3.12为接触面选线图3.13选择线上的全部节点(3)设置单元属性GUI:MainMenu>Preprocessor>Create>Element>ElemAttributesElementtypenumber=3ConTA171Materialnumber=1Realconstantsetnumber=1【OK】或命令流：Type,3Mat,1Real,1创建接触面单元图3.14选择所有单元GUI:MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Elements>Surf/Contact>SurftoSurf…【OK】【PickAll】见图3.14或命令:ESURF图3.14

创建接触单元图3.15

选择所有单元Step7选择所有选项并画单元GUI:UtilityMenu>Select>EverythingUtilityMenu>Plot>Elements或命令流:Allsel,allEplot见图3.15Step8求解/soluantype,static

nlgeom,onsolc,ontime,0.4nsubst,20,500,10outres,all,alldl,45,,uy,-0.4solvedl,45,,uy,-0.55solvefiniStep9后处理第四节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。Step1恢复数据库文件GUI:UtilityMenu>File>Resumefrom…选Snap.db恢复单元【OK】见图3.16此数据库Snap.db包括此有限元模型的几何、基体单元、分网、材料和边界条件。但不包括接触单元与目标单元及接触有关的参数。图3.16

恢复单元Step2启动接触向导GUI:MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>ContactPair图3.17启动接触向导按ContactWizardStep3创建接触对图3.18创建目标面【PickTarget】拾取线(见图3.19)【OK】，再定义接触面返回到图【Next】见图3.20。图3.19/SOLsolveDL,45,,-UY,-0.4$第五节平面密封圈计算实例·验证为接触刚度估计一个合适的初始值的重要性·验证接触分析中摩擦的应用－弹性库仑摩擦·验证基于接触单元临界状态变化的时间步预测如何会对计算效率有害模型描述：2D超弹平面密封圈1/2对称，密封圈压缩模拟本例具有：几何非线性（大应变与大变形）材料非线性（超弹）接触非线性数据文件:Seal.inpStep1建模：单元类型、实常数、材料特性、基体分网/prep7et,1,56!HYPER562D4nodeU_PHyperelasticSolidmp,nuxy,1,0.49tb,mooney,1tbdata,1,80!C10=80tbdata,2,20!C01=20k,1$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!L9lstr,27,28!L10!***基体分网***lesize,8,,,2$lesize,13,,,4$lesize,14,,,4esize,0.035type,1mat,1amesh,allsave,seal,db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。Step1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）GUI：UtilityMenu>File>Resumefrom…选Seal.db【OK】Step2启动接触向导GUI：MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>ContactPair【ContactWizard】创建接触对1。Step5创建目标单元控制点(1)设置单元属性GUI:MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Element>ElemAttributes(2)绘关键点GUI:UtilityMenu>Plot>Keypoints>Keypoints(3)建立目标单元控制点GUI:MainMenu>Preprocessor>Meshing>Mesh>Keypoints选K27【OK】或命令流：KMESH,27Step6施加位移约束控制点27上施加UY=-0.85GUI:MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement>OnKeypoints选K27【OK】Lab2DOFstobeconstrained:UYValue:-0.5【OK】施加对称边界条件：GUI:MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement>SymmetryB.C.>OnLines

选线L4【OK】Step7求解控制、求解GUI:MainMenu>Solution>AnalysisType>Sol′nControls

GUI:MainMenu>Solution>Solve>LSCurrentStep8后处理/POST26GUI:MainMenu>TimeHistPostpro选控制点269第五节面－面接触单元高级接触选项面一面接触具有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。只能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。Conta171接触单元和Targe169目标单元的单元选项、实常数见图20。进入接触选项菜单用下列过程：GUI：MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>ContactPair选【Property】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）。图3.20单元选项、实常数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BasicContactalgorithm:AugmentedLagrangeMethodPenaltyMethod－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。·最重要的选项是法向罚刚度或接触刚度。－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。向导Basiccontactstiffnessupdate:Eachloadstep(PAIRIDbased)noneEachloadstep(允许用户指定刚度变化)Eachsubstep(允许自动和用户指定变化)

2.第2个重要选项－穿透容差缺省情况下，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。3.对于临界接触状态变化的自动时间步控制－不控制：不影响自动时间步，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：此选项为下一步预测最小时间增量（很耗计算时间，不推荐）或在单元选项中控制：Contacttime/loadpredictionK7:Noprediction对于临界接触状态变化的自动时间步控制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，见图3.21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-柔）。描述接触单元周围“远”和“近”区域的边界可以为Pinball半径指定一个不同的值。Pinball赋值也可用实常数PINB调整球形区（对于初始值侵入大的问题是必要的）。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。模拟特殊的物理现象或单元选项:BehaviorcontactsurfaceK12: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（DesignSpace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）6.影响某些表面行为的选项－ContactOpeningstiffness（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。影响某些表面行为的选项－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（基体材料的剪切屈服应力）

摩擦系数影响基本摩擦行为图3.22摩擦系数影响基本摩擦行为－Contactcohesion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：GUI：MainMenu>Solution>UnabridgedMenu>AnalysisOptions设置Newton-Raphson选项为fullN_Runsymm计算实例：不离接触－如果使用梁或壳单元建模，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进行也在考虑之中，见图3.23。图3.20Shell181单元7.初始穿透有几种技术可以模拟初始穿透接触问题（如过盈装置匹配）。可以使用初始几何穿透，或指定偏移量，或二者皆有。·指定偏移量（CNOF）指定偏移量（CNOF）或在实常数中指定偏移量（CNOF）contactsurfaceoffsetCNOF:0.025

－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，见图

·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

CONF与几何穿透组合

自动CNOF调整或单元选项:AutoCNOF/ICONTadjustmentK5:No.Auto.Adjust·初始穿透选项包括：－Includeeverything：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－Excludeeverything：忽略所有初始穿透效应。－Includewithrampedeffects：渐变初始穿透，以提高收敛性。－Includeoffsetonly：只包括由偏移量指定的基本初始穿透。－Includeoffsetonlyw/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

初始穿透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应渐变到零。Includewithrampedeffects和Includeoffsetonlyw/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，见图

图

第一载荷步计算实例：初始穿透图

初始不接触两个物体图3.638.刚体模式初始不接触的两个（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，见图

。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。(1)刚好接触，见图

图

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。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穿透。这可能引起不收敛或接触物体弹开。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），见下图。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调整初始接触条件（PMIN和PMAX），见图3.68。实常数PMIN和PMAX指定初始穿透范围。ANSYS把整个目标面（连同变形体）移到由PMIN和PMAX指定的穿透范围内。调整初始接触条件（ICONT）·如果目标面无约束，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。调整初始接触条件（PMIN和PMAX）计算实例：刚体PMIN&PMAX第六节

几种典型接触问题分析实例例2.悬臂梁端部旋转（“不分离”行为）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，见图文件：no_separation.inp采用Solid185单元：3D8nodestructuralSolid单元，具有大变形能力。图

悬臂梁端部旋转/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,,,1ARSYM,Z,7et,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,db以下用接触向导建立接触对:例2.紧配合环（初始穿透）目标：验证接触初始穿透选项。采用缺省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，见图

图

紧配合环（初始穿透）文件：Interference.inp/PREP7ET,1,183,,,1 !轴对称，大应变ET,2,169 !Target1692D目标单元ET,3,172 !Conta1722D3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,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,1ESURF !创建接触面conta172ALLSEL,ALL/SOLUTIOND,NODE(1.5,0,0),UY,0D,NODE(2.4,0,0),UY,0NLGEOM,ONNSUBST,10,50,5FINISH/PBC,U,,1/NUMBER,1/PNUM,MAT,1EPLOTSAVE,interference,db1 !包含有限元模型、接触对、材料、边界条件，求解控制例3.两刚性面间夹－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，见图

文件名:ICONT.inp

有限元分析模型两刚性面间夹－圆柱体分析/prep7CYL4,0,0,0,0,1,90RECTNG,0,2.5,1.003,1.5ET,1,182

!Plane1822DStructuralSolid4节点UX,UY平面应力、平面应变和轴对称单元、大变形、大应变MP,EX,1,1000MP,EX,2,30E6mp,nuxy,2,0.3ESIZE,0.1AMESH,1MAT,2AMESH,2SAVE,ICONT,db以下用接触向导创建接触对第四章点－面接触·点－面接触单元是90年代普遍使用的接触单元。由于点－面接触单元理论上的限制，使它们被更新更好的面一面接触单元取代。·点一面接触单元可以用来模拟一个表面和一个节点的接触；也可以把表面指定为一组节点，用点－面接触单元来模拟面一面的接触。·面一面接触单元处理角点接触有困难，因为它们采用高斯点作为接触检查点，在角点处会呈现过渡穿透。在此情况下，可以混合使用面一面接触单元和点－面接触单元，见图

面一面接触单元和点－面接触单元混合·点－面接触单元不必知道接触面的位置。允许大变形，大的相对滑动，库仑摩擦滑动；接触面间可用不同的网格划分。·点—面接触是通过跟踪一个表面（接触面）上的点相对于另一表面（目标面）上的线或面的位置来表示的，程序使用接触单元来跟踪两个面的相对位置。接触单元形状为三角形、四面体或椎体，其底面由目标面上的节点组成，而顶点为接触面上的节点，见图

·点－面接触单元在节点传递力（面－面接触单元在高斯点传递力）此特性使其只能用于低阶单元（角节点）－这是由于中间节点的单元节点上的反力不均匀，见图

点－面接触单元第一节接触刚度点－面接触单元（conta48、49）要求给出罚刚度。可以通过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。选择接触刚度：对于块状实体，通常赫芝接触刚度适用于罚刚度，可以这样来估算：