接触问题(参考ANSYS的中文帮助文件).doc

接触问题（参考ANSYS的中文帮助文件） 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当两个分离的表面互相碰触并共切时，就称它们牌接触状态。在一般的物理意义中，牌接触状态的表面有下列特点： 1、 不互相渗透； 2、 能够互相传递法向压力和切向摩擦力； 3、 通常不传递法向拉力。 接触分类：刚性体柔性体、柔性体柔性体 实际接触体相互不穿透，因此，程序必须在这两个面间建立一种关系，防止它们在有限元分析中相互穿过。 罚函数法。接触刚度 lagrange乘子法，增加一个附加自由度（接触压力），来满足不穿透条件 将罚函数法和lagrange乘子法结合起来，称之为增广lagrange法。 三种接触单元：节点对节点、节点对面、面对面。 接触单元的实常数和单元选项设置： FKN：法向接触刚度。这个值应该足够大，使接触穿透量小；同时也应该足够小，使问题没有病态矩阵。FKN值通常在0.110之间，对于体积变形问题，用值1.0（默认），对弯曲问题，用值0.1。 FTOLN：最大穿透容差。穿透超过此值将尝试新的迭代。这是一个与接触单元下面的实体单元深度（h）相乘的比例系数，缺省为0.1。此值太小，会引起收敛困难。 ICONT：初始接触调整带。它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；如果不给出ICONT值，ANSYS根据模型的大小提供一个较小的默认值（0.03 PINB：指定近区域接触范围（球形区）。当目标单元进入pinball区时，认为它处于近区域接触，pinball区是围绕接触单元接触检测点的圆（二维）或球（三维）。可以用实常数PINB调整球形区（此方法用于初始穿透大的问题是必要的） PMIN和PMAX：初始容许穿透容差。这两个参数指定初始穿透范围，ANSYS把整个目标面（连同变形体）移到到由PMIN和PMAX指定的穿透范围内，而使其成为闭合接触的初始状态。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，如果无法完成，给出警告，可能需要修改几何模型。 TAUMAX：接触面的最大等效剪应力。给出这个参数在于，不管接触压力值多大，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。 CNOF：指定接触面偏移。+CNOF增加过盈、-CNOF减少过盈或产生间隙、CNOF能与几何穿透组合应用。 FKOP：接触张开弹簧刚度。针对不分离或绑定接触模型，需要设置实常数FKOP，该常数为张开接触提供了一个刚度值。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。 FKT：切向接触刚度。作为初值，可以采用FKT0.01*FKN，这是大多数ANSYS接触单元的缺省值。 COHE：粘滞力。即没有法向压力时开始滑动的摩擦应力值。 FACT，DC：定义摩擦系数变化规律 MUMUK*（1+（FACT-1）EXP（DC*vtfs/deltaT） 式中：MUK动摩擦系数（用户自己定义） FACTMUS/MUK（用户自己定义） MUS静摩擦系数 DC衰减系数（用户自己定义） Vtfs/deltaT表面间的相对速度 注意：动摩擦系数由被指定为材料属性（MU），由MP命令或GUI定义。缺省值：FACT1，MUSMUK0，DC0 Keyopt的介绍，以Target170,Conta173为例： 首先介绍170的Keyopt KEYOPT（3）：定义接触行为 KEYOPT（1）：单元阶数（是否含有中节点） KEYOPT（1）0：低阶单元（不含中节点） KEYOPT（1）1：高阶单元（含中节点） KEYOPT（2）：刚体目标面约束条件 0时，自动约束选项，每一个载荷步的末尾，程序内部将是性面重新设置约束。 满足以下条件，刚性面则缺省为自动约束 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。 1时，用户定义选项。 Conta173的Keyopt： KEYOPT（1）：自由度选项。0时，结构：UX，UY，和UZ；1时，结构和热；2时，TEMP（用于纯热接触问题） KEYOPT（2）：选择接触算法。0时，增广的拉格朗日法（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穿透容差。1时，罚函数法。它推荐应用于单元非常扭曲、大摩擦系数和用增广的拉格朗日法收敛行为不好的问题。 KEYOPT（4）：选择接触检查点。0时，高斯点（缺省选项，推荐）；1时，节点；ANSYS面对面单元默认用高斯积分点作为接触检查点。 KEYOPT（5）：自动CNOF调整。允许ANSYS基于初始状态自动给定CNOF值导致“刚好接触”配置。0时，不进行自动调整；1时，闭合间隙；2时，减小穿透；3时，闭合间隙/减小穿透。 KEYOPT（7）：时间步控制选项。（只有在Solution Control中打开基于接触状态变化的时间步预测，此选项才起作用。SolutionUnabridged MenuLoad Step OptsSolution Ctrl 0时，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。 1时，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； 2时，合理值。比自动细分更耗时的算法； 3时，最小值。此选项为下一子步预测最小时间增量（很耗机时，不推荐）。 KEYOPT（8）：防止伪接触选项。0时，不防止；1时，检测并忽略伪接触。 KEYOPT（9）：初始穿透间隙控制。0时，包括几何穿透/间隙和CNOF；1时，忽略几何穿透/间隙和CNOF；2时，包括几何穿透/间隙和CNOF，且在第一个载荷步中渐变；3时，忽略几何穿透/间隙，包括CNOF；4时，忽略几何穿透/间隙，包括CNOF，且在第一个载荷步中渐变。 KEYOPT（10）：接触刚度更新控制。0，闭合状态的接触刚度不进行任何更新；1，每一载荷步更新闭合状态的接触刚度（FKN或FKT，由用户指定）；2，与1同，此外，在每一子步，程序自动更新接触刚度（根据变形后下伏单元的刚度）。 KEYOPT（11）：壳、梁单元厚度影响。 如果已经创建了一个梁或壳单元模型，接触表面能够偏置，用于考虑梁或壳的厚度。0，在中面接触（默认）；1，在指定表面的顶部或底部。 注意：当用SHELL181单元时，由于大应变变形引起的厚度改变也被考虑。 KEYOPT（12）：创立不同的接触表面相互作用模型。 0，标准的接触行为，张开时法向压力为0； 1，粗糙接触行为，不发生滑动（类似无限摩擦系数）； 2，不分离，允许滑动； 3，绑定接触，目标面和接触面一旦接触就粘在一起； 4，不分离接触（总是），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； 5，绑定接触（总是），初始位于pinball区域内或已经接触的接触检查点总是与目标面绑定在一起； 6，绑定接触（初始接触），只在初始接触的地方采用绑定，初始张开的地方保持张开。在ansys中，有专门的接触单元用于解决各种不同的接触问题。对于点对点接触问题有二维点对点接触单元CONTAC12、三维点对点接触单元CONTAC52和CONTAC178。为了能够使用这些点对点接触单元，需要预先知道明确的接触位置，即使在几何非线性的情况下，接触面之间也只能允许有较小的相对滑动。对于面对点接触问题，常用的有用来模拟柔性点对刚性面接触单元CONTAC26、二维点对面接触单元CONTAC48、三维点对面接触单元CONTAC49、CONTAC175.这类接触单元，不需要预先知道确切的接触位置，二期接触面之间也不需要保持一致的网格，同时允许有大的变形和相对滑动。对于面对面接触问题，有二维2节点的低阶线接触单元CONTAC171、3节点的高阶抛物线接触单元CONTAC172、三维4节点的缔结四边形接触单元CONTAC173、8节点的高阶四边形接触单元CONTAC174.由于面跟面之间的相互接触，有一个目标面和接触面的问题，因此使用这些接触单元必须同时使用配对单元（用来模拟目标面和目标单元）。同CONTAC171和CONTAC172配对的是二维目标单元TARGET169，同CONTAC173和CONTAC174配对的是三维目标单元TARGET170.面对面单元比点对面单元具有更好的性能、对接触的位置、范围要求更宽，但是接触的求解结果却更好。三大类接触单元的使用并不是限制的很死，只要对问题的本质理解清楚，就能灵活运用。比如两个面上的节点一一对应，相对滑动又可忽略不计，两个面的挠度、转动保持小量，那么就可以用点对点接触单元来模拟面对面的接触问题。又如能通过一组节点来定义接触面，生成多个单元，那么就可以用点对面的对接触单元来模拟面对面的接触问题。接触单元就像皮肤一样覆盖在下面的有限元模型上，会自动跟踪整个变形过程。对于点对点的接触情况，只要对节点赋予点对点接触单元即可。对于点对面或面对面接触情况，还涉及到选取目标面的问题。下面介绍指导性原则。对于点对面有：1） 如果一个面的接触部分四平的或凹的，另一个面的接触部分是尖的或凸的，则平凹 面是目标面。2） 如果两个面都是平的，则任意选择3） 如果两个面都是凸的，则较平的的面作为目标面。4）