接触分析笔记

1、接触问题的有限元加载接触问题存在两大难点：一、在求解问题之前，不知道接触区域，表面之间是分开是未知的、突然变化的，这些随载荷、材料、边界条件和其他因素而定；其二，大多数接触问题需计算摩擦，有几种摩擦和模型可供挑选，它们都是非线性的，摩擦使问题的收敛性变得困难。接触问题分两种基本类型：刚体-柔体的接触：与它接触的变形体相比，有大得多的刚度（一种软材料和一种硬材料接触）柔体和柔体的接触：两个接触体都是变形体（有近似的刚度）有限元模型通过指定的接触单元来识别可能的接触匹对，接触单元是覆盖在分析模型接触面之上的一层单元。点-点接触单元：主要用于模拟点-点接触行为需预先知道接触位置只适用于接触面之间有较

2、小相对滑动的情况（即使在几何非线性情况下）-如果两个面的节点一一对应，相对滑动又忽略不计，两个面挠度（转动）保持小量，那么可以用点-点的接触单元来求解面-面的接触问题。点-面接触单元如果通过一组节点来定义接触面，生成多个单元，可通过点-面的接触单元来模拟面-面的接触问题。使用这类接触单元，不需预先知道确切的接触位置，接触面之间也不需要保持一致的网格，并允许有大的变形和大的相对滑动.contact48 contact49都是点-面接触单元，contact26用来模拟柔性点-刚性面的接触，对有不连续性的刚性面的问题，不推荐采用contact26,因为可能导致接触的丢失，在这种情况下，contact

3、48通过使用伪单元算法能提供较好的建模能力。面-面的接触单元支持刚体-柔体的面面的接触单元，刚性面被当作目标面，分别用targe169和targe170来模拟2D和3D的目标面，柔性体的表面被当作接触面，用conta171、conta172、conta173、conta174来模拟。一个目标单元和一个接单元叫作一个“接触对”程序通过一个共享的实常号来识别“接触对”，为了建立一个“接触对”给目标单元和接触单元指定相同的实常的号。 与点面接触单元相比，面面接触单元有好几项优点，· 支持低阶和高阶单元· 支持有大滑动和摩擦的大变形，协调刚度阵计算，单元提法不对称刚度阵 的选项。&

4、#183; 提供工程目的采用的更好的接触结果，例如法向压力和摩擦应力。· 没有刚体表面形状的限制，刚体表面的光滑性不是必须允许有自然的或网格离散引起的表面不连续。· 与点面接触单元比，需要较多的接触单元，因而造成需要较小的磁盘空间和CPU时间。· 允许多种建模控制，例如：· 绑定接触· 渐变初始渗透· 目标面自动移动到补始接触· 平移接触面（老虎梁和单元的厚度）· 支持死活单元“目标”面总是刚性的，“接触”面总是柔性面，这两个面合起来叫作“接触对”使用Targe169和Conta171或Conta172来定义2-D

5、接触对，使用Targe170和Conta173或Conta174来定义3-D接触对，程序通过相同的实常收号来识别“接触对”。接触分析的步骤：执行一个典型的面面接触分析的基本步骤列示如下：1 建立模型，并划分网格2 识别接触对3 定义刚性目标面4 定义柔性接触面5 设置单元关键字和实常的6 定义控制刚性目标面的运动7 给定必须的边界条件8 定义求解选项和载荷步9 求解接触问题10 查看结果步骤二：识别接触对你必须认识到，模型在变形期间哪些地方可能发生接触，一是你已经识别出潜在的接触面，你应该通过目标单元和接触单元来定义它们，目标和接触单元跟踪变形阶段的运动，构成一个接触对的目标单元和接触单元通过

6、共享的实常号联系起来。接触环（区域）可以任意定义，然而为了更有效的进行计算（主要指CPU时间）你可能想定义更小的局部化的接触环，但能保证它足以描述所需要的接触行为，不同的接触对必须通过不同的实常数号来定义（即使实常数号没有变化）。由于几何模型和潜在变形的多样形，有时候一个接触面的同一区域可能和多个目标面产生接触关系。在这种情况下，应该定义多个接触对（使用多组覆盖层接触单元）。每个接触对有不同的实常数号。 控制结点（Pilot）它实际上是一个只有一个结点的单元，通过这个结点的运动可以控制整个目标面的运动，因此可以把pilot结点作为刚性目标的控制器。整个目标面的受力和转动情况可以通过pilot结

7、点表示出来，只有当需要转动或力矩载荷时，“pilot结点”的位置才是重要的，如果你定义了“pilot结点”ANSYS程序只在“pilot结点”上检查边界条件，而忽略其它结点上的任何约束。一个目标面可能由两个或多个面断的区域组成，你应该尽可能地通过定义多个目标面来使接触区域局部比（每个目标面有一个不同的实常数号）刚性目标面上由的离散能足够指述出目标面的形状，过粗的网格离散可能导致收敛问题。如果刚性面有一个实的凸角，求解大的滑动问题时很难获得收敛结果，为了避免这些建模问题，在实体模型上，使用线或面的倒角来使尖角光滑比，或者在曲率突然变化的区域使用更细的网格。是否是所有在分析过程中都可能接触到的面均

8、要选择？必须识别接触可能在变形实体的哪部分发生。一旦识别可能接触的表面，通过目标单元和接触单元定义它们，这些单元将跟踪变形过程的运动轨迹。目标单元和接触单元通过共享实常量设置组成接触对。接触区域可以是任意的；然而，对大多说有效求解（主要是CPU 时间），你也许想定义较小的、局域接触区域，但确信这个区域能够捕获所有必须的接触。不同的接触对必须用不同的实常量定义，即使单元实常量值不改变。对允许面的数目没有限制。接触单元受约束以致不渗入目标面。然而，目标单元能通过接触表面渗入。对柔刚接触，标识是显然的：目标面总是刚性面，接触面总是变形面。对柔柔接触，那个标识为接触或目标面的选择导致不同的渗入量，因此

9、而影响求解精度。在标识时考虑下列准则：· 如果凸面要与凹面接触，平面/凹面是目标面。· 如果一面分网较细，相对另一面分网较粗，粗网面是目标面。· 如果一面较硬，则较硬面是目标面。· 如果高阶单元附属于外部面之一，低阶单元附属于其它面，则高阶单元附属的面是接触面，其它面是目标面。· 如果一面明显比其它面大，如一个面包围其它面，则较大的面是目标面。这个准则是对非对称而言的。非对称接触可能对模型不太令人满意。下面详述非对称和对称接触的不同及要求对称接触的一些条件。非对称接触的定义是所有的接触单元在一个面上，所有的目标单元在其他面上。有时叫做“one-

10、pass接触”。通常对模型的面-面接触这是最有效的方法。然而，在在一些条件下非对称接触并不令人满意。这时，你要标识每个面是接触面还是目标面。你能在接触面（或仅一个接触对，如一个自己接触的例子）生成接触对的两个集合。这就是对称接触（或“twopass接触”）。显然，对称接触比非对称接触更没效率。然而，许多分析要求它的使用（典型的是减少渗入）。在模型中要求对称接触的特殊条件如下：接触和目标面的特征并不清晰。两个表面都是粗糙的网格，在多个面局部对称接触算法比非对称接触增强接触约束条件。如果两个面的网格都是相似的而且是相当的，对称接触算法也许不能显著提高性能，事实上也许在CPU上更耗时，在这种条件下，

11、选一个面是当接触面，另个面作本分析基于ANSYS8.0 面面接触不涉及电磁接触及以后部分为目标面。对对称接触的定义，ANSYS也许把接触面的一方作为结束把该面的另一方作为结束。这样，就很难解释结果。在两个边上的整个接触压力是接触压力在这个面的每个边上的平平均。对面面接触单元，ANSYS 提供界个不同的接触算法：· 惩罚模式(KEYOPT(2) = 1)· 增强拉格朗日(缺省) (KEYOPT(2) = 0)· 拉格朗日多项式在接触法向惩罚在切向(KEYOPT(2) = 3)· 纯拉格朗日多项式在接触法向和切向(KEYOPT(2) = 4)· 内

12、部多点约束(MPC) (KEYOPT(2) = 2)另一种方法是内部多点约束（MPC）算法，用于连接和结合接触(KEYOPT(2) = 5 or 6)来模型几种接触装配和运动约束。ANSYS 提供一个典型的Coulomb摩擦的扩展: TAUMAX 单位应力的最大接触摩擦。最大接触摩擦应力可以引进以便，不考虑法向接触压力，如果摩擦应力到达此值滑动就发生。当接触压力变得非常大（如在整体金属变形过程中），典型的用TAUMAX。本分析基于ANSYS8.0 面面接触不涉及电磁接触及以后部分作者 qtfan第 23 页共 38 页TAUMAX 缺省是1.0e20.试验数据是TAUMAX 的最好来源。它的值

13、可能接近3y s, 而y s是材料变形的屈服应力。另一个用于摩擦法则的实常量是粘性, COHE (缺省 COHE = 0), 有应力的单位。它提供滑动阻力，即使是零法向压力。(参看Figure 11.10: "Sliding ContactResistance")。接触探测点在接触单元的积分点上，接触单元在单元表面之内。接触单元受约束不使在积分点渗入目标面。然而，原则上，目标面能通过接触面渗入。参刚体运动在动态模拟中通常不是问题。然而，在静态中，当刚体不足约束时，刚体运动会发生。"零或负的枢轴【pivot】" 警告信息和不现实，过大的位移表示在静态分析中

14、未约束。在模拟中刚体运动仅由接触的存在而受约束，必须确信接触对在初始几何形状中是接触的。换句话说，你要创建的模型以便接触对“刚好接触”。然而，在做的过程中可能面临各种问题：· 刚体轮廓通常是复杂的，使它很困难决定接触发生的第一个点在什么地方。· 单元对的两面的单元分网的小沟槽可由数值圆弧过渡引进，即使实体模型在初始接触状态建模的。· 小的沟槽可存在于接触面和目标面的积分点。对于同样的原因，太多的初始渗入会发生在目标面和接触面。这样，接触单元可能高估接触力，导致不收敛或接触部件的破裂。初始接触的定义可能是建立接触分析模型中最重要的部分。所以，在开始求解以前用CNCH

15、ECK 命令证实初始接触条件。可能发现需要调整初始接触条件。ANSYS提供几种方法来调整接触对的初始接触条件。4.8.7.2. 使用PMIN, PMAX, CNOF, ICONT, KEYOPT(5)和KEYOPT(9)下面的技术可以在开始分析中独立使用或合并一个或多个。它们是用来消除小的沟槽或由于分网生成由数值圆弧过渡导致的渗入。它们不会消除任何分网或模型数据中的整体误差。1. 用实常量CNOF 指定接触面的偏移量。指定正值偏移整个接触面朝向目标面。用负值偏移接触面离开目标面。ANSYS 会自动提供CNOF 的值或者仅封闭沟槽或减少初始渗入，设置KEYOPT(5)如下：1: 封闭沟槽2: 减

16、少初始惩罚3: 封闭沟槽或者减少初始惩罚2. 用实常量ICONT 指定小的初始接触封闭量。这是目标面的“调整带宽”的深度。ICONT 的正值表示与附属单元深度的比例因子。负值表示绝对的接触封闭量。如果KEYOPT(5) = 0，1, 2 或3，ICONT 的缺省值是零 (当KEYOPT(12)= 6 时对结合初始接触，ICONT 的初始时不同；更多参看表面相互作用模型) 。本分析基于ANSYS8.0 面面接触不涉及电磁接触及以后部分作者 qtfan第 26 页共 38 页如果 KEYOPT(5) = 4, ANSYS 提供小的(但有意义的) ICONT 值根据几何尺寸，并打印警告信息说明所赋的

17、值。任何接触探测点在这种调整带宽是内部转换在目标面上。(参看图11.15: "用ICONT 的接触表面调整"(a)。建议仅一个很小的纠正；要不，就会发生很多不连续 (参看图(b)。CNOF 和ICONT 的不同在于前者用CNOF 值转换整个接触面，后者移动所有在调整带宽ICONT 内的初始开放接触点到目标面上。图 11.15: 用ICONT 的接触表面调整3. 用实常量PMIN and PMAX指定初始允许渗入范围。当PMAX 或 PMIN 之一指定时，ANSYS 把目标面带进分析开始的初始接触状态 (参看图11.16: "接触表面调整(PMIN, PMAX)&q

18、uot;)。如果初始渗入比PMAX 大， ANSYS 调整目标面减小渗入。如果初始渗入比PMIN（在pinball 区域内）小，ANSYS 调整目标面确保初始接触。接触状态的初始调整仅在转变的模型中进行。初始接触状态的调整对有任何预处理载荷或位移的刚体目标面进行。同样，目标面没有指定边界条件的也会因为初始接触而调整。当所有的目标面节点都有预处理值零时，用PMAX and PMIN 的初始调整将不进行。注意ANSYS 独立对待可应用的自由度。例如，如果指定自由度UX 是“零”，那么沿X 方向可能没有初始调整。然而，PMAX 和PMIN 选项将在Y 和Z 方向激活。初始状态调整是个迭代过程。ANS

19、YS 用最大20 个迭代步。如果目标面不能带进可接受的渗入范围(如PMIN 到PMAX 的范围),分析将用原始几何模型进行。ANSYS 在这种情况下提示一个警告信息，可能需要手工调整初始几何模型。图 11.17: "初始调整失效的方案"说明出世界出挑政迭代失效的问题。自由度UY 对目标面来说受约束了。因此，初始接触的可能调整是在X 方向。然而，在这个问题上，刚体表面在X 方向的任何移动将不能建立初始接触。对柔柔接触，这种技术不仅移动整个目标面还移动附属与目标面上的变形体。确信没有接触面或目标面与变形体连接。正确的初始渗入包括两个部分：· 由于几何形状的渗入或沟槽。

20、本分析基于ANSYS8.0 面面接触不涉及电磁接触及以后部分作者 qtfan第 27 页共 38 页· 由于用户定义的接触面偏移 (CNOF) 的渗入或沟槽。关于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接触协调条件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.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 D 满足方程: F

21、 = k D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.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.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.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

22、).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(Main Menu > Preprocessor > Create > Elements > Node to Surf) 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 (Hertz contact stiffness)适用于罚刚度, 可以这样估算:k = fE 式中f 是介于0.110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.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

23、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. 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(关于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). 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

24、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. 因此目标面为刚体，接触面为柔体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.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 > Contact Pair > Contact Wizard) 使用接触向导

25、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.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.所有的接触单元选项和实常数都能通过接触向导得到.在最后一步, 接触向导将创建接触单元和相应的实常数.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. 约束

26、刚性面如果满足以下条件, 刚性面则缺省为自动约束(auto constrained, 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.选择一个接触算法 关键字选项(2) Augmented lagrange method 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.Penalty method 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

27、不好的问题. 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:接触 面: 凸表面 网格细致表面 柔软表面 高次表面 小表面目标 面: 凹/平 表面 网格粗糙表面 刚硬表面 低次表面 大表面上面准则确定的目的是使接触检查点的数目最大.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

28、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. 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.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接触面高斯点接触面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.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

29、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. 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 昂贵当接触单元进入pinball区时, 认为它处于近区域接触

30、. 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).Initial penetration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.表面相互作用模型关键选项 (12) 能够用于建立不

31、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. 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

32、. 与 CEINTF相似, 但是能用于非线性问题.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.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 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

33、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.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.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. 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 0.0110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FTO

34、LN设得太小, 穿透容差太紧, 会导致发散.接触问题（参考ANSYS的中文帮助文件） 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。如何设置？注意 -如果在模型中，不考虑摩擦，且物体之间的总是保持接触，则可以应用约束方程或自由度藕合来代替接触。约束方程仅

35、在小应变分析( NLGEOM ，off)中可用。见ANSYS Modeling and Meshing Guide中的§12，Coupling and Constraint Equations。如何使用？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。 表5-1 ANSYS接触分析功能点-点点-面面 - 面 CONTAC 12 CONTAC52 CONTA 178 CONTAC26 CONTAC48 CONTAC49 CONTAC171,172 TARGET 169

36、 CONTAC 173, 174 TARGET 170 点-点 Y YY点-面YYY面-面YYYY2-DYYYYYY3-DYYYY滑动小 小 小 大 大 大大大曲面YY圆柱间隙YY纯Lagrange乘子Y增加Lagrange乘子YYYYY接触刚度 用户定义 半自动用户定义 用户定义 用户定义 半自动半自动自动网格工具EINTF EINTF None GCGEN GCGEN ESURF ESURF 低阶 YY Y Y Y Y Y Y 高阶YYY刚体-柔体YYYYYYYY柔体-柔体YYYYYYY热接触YYYY5.3.1 面面的接触单元分别用TARGE169或TARGE170来模拟2D和3D目标面。

37、   用CONTA171、CONTA172、CONTA173、CONTA174来模拟接触面。面面接触单元只支持一般的静态或瞬态分析，屈曲、模态、谱分析或子结构分析。不支持谐响应分析、缩减或模态叠加瞬态分析，或缩减或模态叠加谐响应分析。5.3.2 点面接触单元使用这类接触单元，不需要预先知道确切的接触位置，接触面之间也不需要保持一致的网格。并且允许有大的变形和大的相对滑动，虽然这一功能也可以模拟小的滑动。CONTACT48 和 CONTACT49单元是点面的接触单元。这2种单元支持大滑动、大变形、以及接触部件间不同的网格。用户也可以用这2种单元来进行热-机械耦合分析，其中热在

38、接触实体之间的传导非常重要。应用 CONTACT26 单元用来模拟柔性点刚性面的接触。对有不光滑刚性面的问题，不推荐采用 CONTACT26 单元，因为在这种环境下，可能导致接触的丢失。在这种情况下，CONTACT48 通过使用伪单元算法，能提供较好的建模能力(参见ANSYS Theory Reference)，但如果目标面严重不连续，依然可能失败。5.3.3 点点接触单元ANSYS的 CONTA178 单元是大多数点-点接触问题的最好选择。它比其他单元提供了范围更广的选项和求解类型。CONTAC12 和 CONTAC52 单元保留的理由，在很大程度上是为了与已有模型的向下兼容。5.4.1 应

39、用面-面接触单元使用TARGE169与CONTA171(或CONTA172)单元来定义2-D接触对。使用TARGE170与CONTA173(或CONTA174)单元来定义3-D接触对。程序通过相同的实常数号来识别每一个接触对。5.4.2 接触分析的步骤典型面面接触分析的基本步骤如下，后面将对每一步骤进行详细解释。1、建立几何模型并划分网格；2、识别接触对；3、指定接触面和目标面；4、定义目标面；5、定义接触面；6、设置单元关键选项和实常数；7、定义控制刚性目标面的运动(仅适用于刚体-柔体接触)；8、施加必须的边界条件；9、定义求解选项和载荷步；10、求解接触问题；11、查看结果。为了检查法线方

40、向，显示单元坐标系。命令：/ PSYMB ，ESYS，1GUI：Utility menu>PlotCtrls>symbols如果单元法向不指向接触面，选择该单元，反转表面法线的方向。命令： ESURF ,REVEGUI：main menu>preprocossor>create>Elements>Surf to Surf或重新定向单元的法向：命令： ENORM GUI：Main Menu>Preprocessor>Create>Move/Modify>Shell Normals注意 -在目标元素(如完整的圆、圆柱、圆锥、球)上的接触，

41、只能在这些目标元素的外表面上出现。  CONTA171：这是2D、2个节点的低阶线单元，可位于2D实体、壳或梁单元(如 BEAM3、PLANE42 或 SHELL51)的表面。   CONTA172：这是2D、3节点的高阶抛物线形单元，可位于有中节点的2D实体或梁单元(如 PLANE82 或 VISCO88)的表面。   CONTA173：这是3D、4节点的低阶四边形单元，可位于3D实体或壳单元(如 SOLID45 或 SHELL181)的表面。可退化成3节点的三角形单元。   CONTA174：这是3D、8节点的高阶四边形

42、单元，可位于有中节点的3D实体或壳单元(如 SOLID92、SOLID95 或 SHELL93)的表面。可退化成6节点的三角形单元。R1和R2     定义目标单元几何形状。FKN        定义法向接触刚度因子。FTOLN       是基于单元厚度的一个系数，用于计算允许的穿透。ICONT       定义初始闭合因子。PINB      

43、 定义“Pinball"区域。PMIN和PMAX     定义初始穿透的容许范围。TAUMAR    指定最大的接触摩擦。CNOF        指定施加于接触面的正或负的偏移值。FKOP        指定在接触分开时施加的刚度系数。FKT             指定切向接触刚度。COHE   

44、     制定滑动抗力粘聚力。TCC             指定热接触传导系数。FHTG        指定摩擦耗散能量的热转换率。SBCT        指定 Stefan-Boltzman 常数。RDVF        指定辐射观察系数。FWGT  &#

45、160;     指定在接触面和目标面之间热分布的权重系数。FACT        静摩擦系数和动摩擦系数的比率。DC         静、动摩擦衰减系数。5.4.9.2 单元关键选项每种接触单元都包括数个关键选项。对大多的接触问题，缺省的关键选项是合适的。而在某些情况下，可能需要改变缺省值。下面是可以控制接触行为的一些关键选项：自由度      

46、                    KEYOPT(1)接触算法(罚函数+拉格朗日乘子或罚函数)   KEYOPT(2)存在超单元时的应力状态(仅2D)        KEYOPT(3)接触检测点的位置(仅低阶接触单元)    KEYOPT(4)CNOF自动调整   

47、                     KEYOPT(5)时间步控制                 KEYOPT(7)伪接触预防          

48、;            KEYOPT(8)初始穿透或间隙的影响   KEYOPT(9)法向和切向接触刚度修正方法控制  KEYOPT(10)壳的厚度影响           KEYOPT(11)接触面行为(粗糙、绑定等) KEYOPT(12)5.4.9.3 选择接触算法Contact wizard basic>contact algorithm对面面接触单元，程序可以使

49、用增进的拉格朗日方法或罚函数方法。通过单元关键字 KEYOPT(2)来指定。增进的拉格朗日方法是为了找到精确的拉格朗日乘子（即接触力），而对罚函数进行一系列修正迭代。与罚函数的方法相比，拉格朗日方法容易得到良态条件，对接触刚度的敏感性较小。然而，在有些分析中，增进的拉格朗日方法可能需要更多的迭代，特别是在变形后网格变得太扭曲时。使用拉格朗日方法的同时应使用实常数 FTOLN。FTOLN 为拉格朗日方法指定容许的最大穿透。如果程序发现穿透大于此值时，即使不平衡力和位移增量已经满足了收敛准则，总的求解仍被当作不收敛处理。FTLON 的缺省值为0.1。用户可以改变这个值，但要注意，如果此值太小，可能

50、会造成太多的迭代次数或者不收敛。5.4.9.6 选择接触检查的位置Contact wizard>basic>contact detection5.4.9.7 调整初始接触条件Contact wizard>initial adjustment1、 应用实常数 CNOF 来指定一个接触面偏移. Contact wizard>initial adjustment>contact surface offset指定正的值来使整个接触面偏向目标面。 指定负的值来使接触面离开目标面。ANSYS 能够自动提供 CNOF 值到刚好闭合间隙或减少初始穿透。Contact wizard

51、>initial adjustment>automatic contact adjustment 如下设置KEYOPT(5)：=1: 闭合间隙；=2: 减少初始穿透；=3: 闭合间隙或减少初始穿透。如果设置了 KEYOPT(5)>0 ，则 ICONT 缺省值为0。2、使用实常数 ICONT 来指定一个小的初始接触环，初始接触环是指沿着目标面的“调整环”的深度。Contact wizard>initial adjustment>initial contact closure 如果没有人为指定 ICONT 的值，程序会根据几何尺寸来给 ICONT 提供一个小值(但有意

52、义的值)，同时输出一个表示什么值被指定的警告信息。 ICONT 正值表示相对于下层单元厚度的比例因子；负值表示接触环的绝对值。任何落在“调整环”域内的接触检查点被自动移到目标面上，(参见 图5-13a )。建议使用一个十分小的 ICONT 值，否则可能会发生严重不连续(看 图5-13b )CNOF contact surface offsetICONT initial contact closureCNOF 与 ICONT 之间的差别，是前者把整个接触面移动 CNOF 的距离，而后者把所有初始分开的(刚好位于调整环 ICONT 内的)接触点向目标面移动。3、使用实常数 PMIN 和 PMAX

53、来指定初始容许的穿透范围。Contact wizard>initial adjustment>automatic contact adjustment>initial allowable penetration range 当指定 PMAX 或 PMIN 后，在开始分析时，程序会将目标面移到初始接触状态，见 图5-14 。如果初始穿透大于 PMAX，程序会调整目标面来减少穿透。接触状态的初始调节仅仅通过平移来实现。初始状态调整是一个迭代过程，程序最多进行20次迭代。如果目标面不能进入可接受的穿透范围(即 PMIN，PMAX 范围)，程序将在原始几何实体上操作。这时程序会给出一

54、个警告信息，用户可能需要调整用户的初始几何模型。在开始分析时，程序会给出每个目标面的初始接触状态的输出信息(输出窗口或输出文件中)，这个信息有助于决定每个目标面的最大穿透或最小间隙。对于给定的目标面，如果没有发现接触，可能是目标面离接触面太远(超出了球形区域)，或者是接触/目标单元已经被杀死。5.4.9.8 决定接触状态和球形区域。Contact wizard>basic >pinball region接触单元相对于其目标面的运动和位置，决定了接触单元的状态；程序检测每个接触单元，并给出一种状态：   STAT=0 未闭合的远场接触   ST

55、AT=1 未闭合的近场接触   STAT=2 滑动接触   STAT=3 粘合接触当目标面进入球形区域后，接触单元就被当作未闭合的近场接触，球形区域是以接触单元的积分点为中心的。使用实常数 PINB 来为球形区域指定一个比例因子(正值)，或其绝对值(负值)。缺省时，程序将球形区域定义为一个以“4*下层单元厚度(对于刚体-柔体接触)”或“2*下层单元厚度(对于柔体-柔体接触)”为半径的圆(对2-D问题)或球(对3-D问题)。检查接触的计算时间依赖于球形区域的大小，远场接触单元计算简单，计算时间较少。近场接触计算(对于接近接触或实际接触的接触单元)较慢并且较

56、复杂。当单元已经接触时，计算最为复杂。如果刚性面有好几个凸形区域，为了克服伪接触定义，设置一个合适的球形区域是有用的。而对大多数问题，缺省值是合适的。5.4.9.10 修正法向和切向接触刚度Contact wizard>friction>tangent penalty stiffness在分析过程中，可以修正法向和切向接触刚度。可以自动修正(由于改变下伏单元刚度的大应变效应产生)，也可以显式地修正(由用户重新指定 FKN 或 FKT 值)。KEYOPT(10)控制法向和切向接触刚度如何修正：   KEYOPT(10)=0，禁止那些已经处于“闭合”状态的单元的接触

57、刚度修正。对于从“张开”变化到“闭合”状态的单元，将在每一个子步上修正接触刚度。   KEYOPT(10)=1，允许已处于“闭合”状态的单元的接触刚度，在荷载步之间或在重启动期间改变。对于从“张开”变化到“闭合”状态的单元，将在每一个子步上修正接触刚度。   KEYOPT(10)=2与 KEYOPT(10)=1相同，只是对所有单元(不论其状态)将在每一个子步上，由程序决定自动修正。5.4.9.11 选择表面作用模式Contact wizard >basic>behavior of contact surface面-面接触单元支持法向单向接触模

58、式及其他力学表面作用模式。通过设置 KEYOPT(12) 来选择下面的某种作用模式：   KEYOPT(12)=0，法向单向接触，即在接触分开时，法向压力等于0。   KEYOPT(12)=1，理想粗糙接触，用来模拟无滑动的，表面完全粗糙的摩擦接触问题，这种设置对应于摩擦系数无限大，因此用户定义的摩擦系数(MU)被忽略。   KEYOPT(12)=2，“不分离”接触，接触面和目标面一旦接触，在其后的分析中就连在一起(虽然允许有相对滑动)。   KEYOPT(12)=3，绑定接触模式，目标面和接触面一旦接触，随后就在

59、所有方向上绑定。   KEYOPT(12)=4，不分离接触，其中的接触积分点，或初始在球形区域内，或一旦接触，就总是与目标面沿接触面的法向连在一起， 但允许滑动。调整 FKOP(见下)，可用“软弹簧”把这些区域联系在一起。   KEYOPT(12)=5，绑定接触模式，其中接触积分点，或者初始在球形区域内，或者一旦接触，就总是与目标面沿接触面的法向和切向绑定在一起。   KEYOPT(12)=6，绑定接触模式，其中初始接触的接触积分点保持与目标面接触，而初始处于打开状态的接触积分点，在整个分析期间保持打开状态。这个选项与在初始接触的区域

60、应用 CEINTF 类似。对于模拟不分离或绑定接触，用户可能需要设置 FKOP 实常数。这在接触张开时，提供一个刚度系数。如果 FKOP 为正值，则真正的接触张开刚度等于 FKOP乘以接触闭合时施加的刚度。如果 FKOP 为负值，该值作为 接触张开刚度的绝对值。缺省的 FKOP 值为1。不分离或绑定接触，在接触发生张开时，产生"回拉"力，这个力可能不足以阻止分离。为了减小分离，定义一个较大的 FKOP 值。在有些时候，希望接触面分离，但需要在接触面之间建立联系来阻止刚体运动，在这种情况下，可以指定较小的 FKOP 值，以使接触面之间保持联系(这是"软弹簧"

61、;效应)。下面示出 PLNSOL 和 PLESOL 命令的各种 CONT 选项：  CONT  STAT    接触状态. 3-粘合接触,                           2-滑动接触,