接触分析 基本属性设置【知识荟萃】

1、接触属性 基本选项设置,第二章,本章我们将讨论以下话题: 算法 法向罚刚度及其校正策略 穿透容差 Pinball区域 表面行为 接触探测 这些选项对除点点接触外所有的接触单元类型都适用. 点点接触的单元的设置和分析过程较特殊，将在单独的章节中讨论.,接触属性基本选项 章节预览,行业重点,ANSYS如何保持接触面的协调 ? 现实接触物体并不产生互相穿透。因此，程序必须协调两接触面以避免其有限元模型互相穿透。 当程序阻止互相穿透时, 我们称之为强制性接触协调. ANSYS提供几种不同的算法来实现接触面间的协调.,接触属性基本选项A. 算法,行业重点,接触属性基本选项算法,罚函数法 或增强Lagra

2、nge 法: 上述两方法都基于罚函数方程: 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x满足方程: F = k x 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.,行业重点,接触属性基本选项算法,当两物体分开时接触刚度是不被激活的. 一般情况下，穿透越小结果越准确. 罚函数法和增强的Lagrange法的主要区别在于增强型Lagrange法对接触压力的计算支持的更好 增强的 Lagrange 法对刚度K的敏感性较小. 正因为其敏感性较小，增强的 Lagrange法是ANSYS中采用的缺省算法,行业重点,增强的 La

3、grange法在对接触压力进行计算时，把穿透减小至可接受程度:,由于平衡 改正穿透量.,在修正阶段 发生振荡.,增大接触应力 减少穿透量.,接触属性基本选项算法,行业重点,接触属性基本选项算法,另一种可选算法是Lagrange乘子法: Lagrange乘子法增加额外的自由度（接触压力）来满足接触协调. 因此,接触压力直接作为额外自由度求解出来. 通过压力自由度保证接触面无穿透或穿透很小 不需要法向接触刚度 需要使用直接求解器，这会倒置求解较大模型时的计算开销很大,行业重点,接触属性基本选项算法,Lagrange 乘子法可能产生扰动: 如果不允许穿透 (左图),接触状态可能是打开的也可能是关闭的

4、，这使得接触点的状态不确定而导致收敛困难。 如果允许有较小的穿透（右图）或者拉力（图中没有显示）存在，会使得程序收敛更加容易。,行业重点,接触属性基本选项算法,MPC接触算法专门针对特殊的一类接触问题： MPC法(多点约束法)施加约束方程来把接触面间的位移“系”在一起 该方法并不基于罚函数法或Lagrange乘子法. 不需要接触刚度 额外的自由度并没有加入模型 通过在迭代中对MPC方程不断的校正，MPC接触算法支持大变形效应,行业重点,接触属性基本选项算法,上面讨论的选项都是针对法向的。如果定义了摩擦和绑定接触，那么在切线方向： 和穿透类似，如果两物体“粘”在一起的话，那么两物体不应该有相对滑

5、动 对于罚函数法, 切向接触刚度和滑移距离有类似的参数定义: 理想状态下xsliding 0,但允许罚函数法中有较小的滑动 切向接触压力作为自由度考虑时，也可以采用Lagrange乘子法.,粘合时：,行业重点,面面接触和点面接触的算法可通过接触向导中属性标签下的Basic菜单定义. 单元选项 KEYOPT(2) 对于点点接触单元，其接触算法只能通过传统的设置单元选项KEYOPT(2)来实现.,接触属性基本选项算法,行业重点,当使用Lagrange 算法时, 出现 “允许的接触压力”选项而不是“法向罚刚度”,可根据接触面的压力激活二分法 和传统的法向刚度相似, 但更高的值反而减少敏感性并使得程序

6、更容易收敛,接触属性基本选项算法,行业重点,小结 ANSYS 接触分析技术提供了众多算法来保证接触面上的协调: 内在的优点（pros）和缺点（cons）如下表所示：,接触属性基本选项算法,行业重点,ANSYS使用增强型Lagrange法或罚函数法时都需使用接触刚度（FKN），产生一个小的穿透量(xpenetration 0）从而保证数值上的平衡。 然而实际情况下，两接触体并不互相穿透(xp = 0).,接触属性基本选项B.刚度,行业重点,接触单元不但可以传递法向压力，而且可传递切向摩擦力. 接触单元使用切向罚刚度 (FKT) 来确保切线方向的接触协调. 切向罚刚度和法向罚刚度一样，影响收敛和求

7、解精度.,接触属性基本选项刚度,行业重点,接触刚度对程序收敛和求解精度的影响最大 较大的刚度可提高求解精度，但使得收敛更加困难 必须谨慎定义接触刚度的大小. 最适合的值和具体问题有关. 缺省值适用于大多数的接触问题，但是，某些情形下程序提供的缺省值并不适合该问题. 可能需要进行一些试验来取得一个即收敛又能保证求解精度的合适的刚度值. 我们将简要的讨论一下确定一个合适刚度值的小技巧,接触属性基本选项刚度,行业重点,作为专业分析人员，您面临以下挑战: 使穿透最小以保证求解精度. 因此，接触刚度应该非常大. 然而, 刚度太大却有收敛性困难. 模型在接触表面可能来回的振动.,接触属性基本选项刚度,行业

8、重点,接触属性基本选项刚度,ANSYS 如何计算接触刚度? ANSYS根据模型的几何特征、材料和用户定义的法向罚刚度（FKN）来计算接触刚度 根据节点计算出的刚度要乘上FKN. 必要时用户可以修改FKN的值来调整刚度. 开始分析时推荐使用的 FKN值 : FKN = 1.0 ，对于较大物体的接触(ANSYS中的缺省设置) FKN = 0.01 0.1 ，对柔体接触(弯曲为主） 另外, 可按如下方法确定刚度值: (Force/Length)/Area 面面接触 (CONTA171-174) Force/Length 点面接触 (CONTA175) Force/Length 点点接触 (CONTA

9、178),行业重点,对于面面接触和点面接触，在缺省情况下，ANSYS采用根据接触对上所有单元计算出来的平均刚度值. 点点单元不使用接触对概念.,接触属性基本选项刚度,缺省的刚度值和模型的几何形状有关. 当单元尺寸不一致时，每个单元计算出的刚度不同. 打开 “Pair Based” 选项时, 计算出的数值都采用接触对平均值.,Pair Based,Elements Based,行业重点,接触属性基本选项刚度,对面面接触和点面接触，ANSYS可在求解过程中自动调整刚度: 在每个载荷步中，如果FKN被重新定义 (KEYOPT(10)=0) 当接触对在接触向导外被创建 每个载荷子步, 基于单元平均应力

10、 (KEYOPT(10)=1) 每次迭代, 基于收敛行为 (KEYOPT(10)=2) 注释:如果模型存在塑性，ANSYS自动减少100倍的刚度计算.,行业重点,法向接触刚度的自适应方案 (KEYOPT(10)=2) : 首次刚度迭代基于向前的收敛设置 随后的迭代基于穿透 这里的 kN = 法向接触刚度 i = 每载荷子步收敛需要迭代的次数 gN = 法向穿透,=,5,.,2,10,5,10,75,.,0,0,0,1,i,if,i,if,diverge,or,i,if,N,N,N,k,=,+,+,+,i,N,i,N,i,N,i,N,i,N,i,N,i,N,g,g,if,g,g,if,4,1,1

11、,4,1,1,1,2,k,k,0,N,k,k,k,k,接触属性基本选项刚度,行业重点,切向接触刚度的自适应方案(KEYOPT(10)=2) : 基于当前法向压力 式中: kT = 切向接触刚度 m = 摩擦系数 p = 接触压力 lcrit = 所允许的最大弹性滑移距离 = SLTOL*l (SLTOL) 新实常数 正: 作为系数 SLTOL*(接触长度) 负: 真实值 SLTOL 缺省值为 1.0% 的接触长度,crit,T,l,p,m,k,=,接触属性基本选项刚度,行业重点,可遵循以下分析策略: 1. 开始分析时使用一个较小的刚度值. 2. 检查穿透和每一个子步的迭代次数. 在一个快速的大

12、致的检查中，把模型的显示调为真实尺寸（true scale）后，如果能观察到穿透现象，那么穿透可能过度了，应该增加刚度并重新开始分析. 如果需要过多的迭代或者根本不收敛，那么需要减小刚度值并重新开始分析. 使用接触刚度校正选项KEYOPT（10）来调整刚度值，这样可以在求解精度和收敛性之间取得一个较好的平衡. 注：keyopt(10)主要控制刚度矩阵更新的方法.,接触属性基本选项刚度,行业重点,再次提醒 : 接触刚度是接触分析中最重要的参数，它不但影响求解精度，而且影响程序收敛。 如果您能对此有较深的理解，那么大多数的接触难题就能迎刃而解! 您应该对结果的有效性进行判断，这可以通过改变罚刚度的

13、值进行参数敏感性研究. 在后续分析中逐渐减小刚度值，直到重要项（例如接触压力、最大等效应力等）开始显著改变为止. 一般情况下,适量的穿透并不会对结果（例如应力）造成负面影响. 然而，在一些位移十分重要的情况下（例如使用预拉伸单元PRETS 179），太大的穿透量会对结果产生很大的影响.,接触属性基本选项刚度,行业重点,请参考Workshop中的相关说明: 练习二. 接触刚度.,接触属性基本选项刚度,行业重点,穿透容差 (FTOLN)控制指定接触对的允许穿透量 缺省值为下面单元深度的0.1倍(h) 对Shell单元和Beam单元，单元深度为厚度的4倍. 对于接触刚度，基于接触对的方法可达到平均容

14、差值. 一般情况下，可以改变FKN的值或者FTOLN的值，但不能同时修改两个 不要使用太大的容差值，因为它对收敛始终存在不利的影响.,接触属性基本选项C. 穿透容差,行业重点,接触属性基本选项穿透容差,穿透容差在增强Lagrange算法和Lagrange乘子法中均可以使用 对于增强Lagrange算法，如果最大允许穿透超出，那么ANSYS将校正接触压力计算并继续平衡迭代（即使已经满足力收敛条件）直到穿透量满意为止: 然而，如果需要的迭代次数过大的话，分析会继续进行但弹出如下警告信息:,3D CONTACT ELEMENTS: 100 CONTACT POINTS HAVE TOO MUCH P

15、ENETRATION FORCE CONVERGENCE VALUE = 14.62 CRITERION= 16.37 CONVERGED EQUIL ITER 13 COMPLETED. NEW TRIANG MATRIX. MAX DOF INC= 0.2869E-05 LINE SEARCH PARAMETER = 1.000 SCALED MAX DOF INC = 0.2869E-05 3D CONTACT ELEMENTS: 100 CONTACT POINTS HAVE TOO MUCH PENETRATION,* WARNING * Convergence has been a

16、chieved inspite of large penetration. If this message is repeated frequently, we recommend either increasing penalty stiffness(FKN), or enlarge penetration tolerance(FTOLN).,行业重点,接触属性基本选项穿透容差,在Lagrange乘子法中，可能需要一定的穿透（FTOLN）或拉力（TNOP）用以防止颤动. 颤动的发生是因为接触状态改变的太频繁，可在ANSYS的后处理中绘出接触颤动值(CONT,CNOS) 使用“允许穿透值”或“

17、允许压力值”可以对以下问题有所帮助： 如果上一步迭代产生的接触状态为开，且当前计算的穿透量比FTOLN小，那么接触状态依然为开。否则接触状态切换到关并进行下一次迭代. 如果上一步迭代产生的接触状态为关，且当前计算的接触压力为正但小于（TNOP），那么接触状态依然为关。否则，接触状态切换为开并进行下一次迭代. ANSYS 自动提供缺省值.,行业重点,ANSYS 如何确定接触状态? Pinball 区域 影响接触状态和一些其它接触参数的确定. 对点点接触单元不使用 Pinball 区域是包围接触单元的一个圆面 (二维情况下) 或者球体 (三维情况下) ，并使接触单元具有远近之分.,接触面,目标面,

18、接触属性基本选项D. Pinball 区域,行业重点,Pinball 区域影响搜索接触区域时的计算量: 断开处的计算较简单，且不占用多少计算时间 接触临近区域的计算包括将要接触的单元或已经接触的单元，因此计算较慢且复杂,接触属性基本选项 Pinball 区域,行业重点,接触属性基本选项 Pinball 区域,Pinball 区域使接触对可视化，例如紧配合问题.,该几何模型的网格较好，有许多实体单元都完全穿透了刚性汽缸壁，增大接触区域可使接触单元确认目前的接触状态,行业重点,当MPC算法激活时，Pinball对于控制节点之间约束关系非常有用.,接触属性基本选项 Pinball 区域,多点约束的生

19、成区域由Pinball区域的尺寸决定,行业重点,如果目标面有数个突起区域，那么Pinball对于克服错误的接触定义也是非常有效的. 在输出窗口或输出文件中可查看何时程序检测出了错误的接触定义,接触属性基本选项 Pinball 区域,接触面,目标面,可能发生错误接触定义的区域,Contact element 16 has too much penetration related to target element 10 We assume it (may be more elements) is spurious contact.,行业重点,对Pinball区域的控制和刚度、穿透类似: 用户可指

20、定一个程序缺省值的缩放比例系数，也可以指定一个绝对值 Pinball区域的尺寸在接触对中会被平均化,接触属性基本选项 Pinball 区域,行业重点,什么是缺省的 Pinball 尺寸? 如下表总结,接触属性基本选项 Pinball 区域,以上数值针对大变形（NLGEOM，ON）有效，对于小变形（NLGEOM，OFF）则 乘以50 表中Depth下面的单元深度（实体单元） Depth4倍的单元厚度 （壳单元和梁单元）,行业重点,对于3类接触类型，又存在几种可供选择的表面行为。这些选项使你可以模拟许多不同的特殊物理效应。 标准:支持法向接触的打开和关闭，以及法向粘结/滑移摩擦. (缺省设置) 粗

21、糙:支持法向接触的打开和关闭，无滑移(和无穷大的摩擦系数类似). 无分离:目标面和接触面从接触状态开始时就“系”在一起(但允许小量的滑移). 绑定:目标面和接触面完全粘合在一起.,接触属性基本选项E. 表面行为,行业重点,接触表面行为： 无分离(始终): 任何一开始就处于pinball区域的接触探测点或者接触时引入的点在法向上无位移(允许滑移). 绑定接触 (始终):任何一开始就处于pinball区域的接触探测点或者接触时引入的点一直处于绑定状态. 绑定接触 (开始接触时): 仅在开始接触时绑定表面，开始时断开的表面仍然断开.,接触属性基本选项.表面行为,行业重点,对面面接触和点面接触，表面行

22、为定义在接触属性对话框的Basic菜单下，或者直接设置KEYOPT(12). 点点接触只能直接设置KEYOPT (10).,接触属性基本选项.表面行为,行业重点,请参考 Workshop 中的章节 三. 表面行为 由于计算时间太长 ，练习仅进行前处理,接触属性基本选项.表面行为,行业重点,不连续性(尖角或方向的改变) 会对接触探测产生影响并使得程序难以收敛.,目标面,接触属性基本选项F. 接触探测,使用面面单元，每当高斯点穿透对应的目标面时接触被检测出,行业重点,在以下情况下，你可以改变面面接触探测的方法和法向接触定义: 高斯点垂直于接触表面（缺省） 节点垂直于接触面(KEYOPT(4)=1) 当接触面比目标面平整时 比高斯点方案更耗时 节点垂直于目标面(KEYOPT(4)=2) 当目标面比接触面更平整时 比使用KEYOPT（4）1的设置更耗时,接触属性基本选项接触探测,行业重点,接触属性基本选项接触探测,节点探测在以下情况下必须打开: Lagrange 乘子法: La