ANSYS非线形分析指南：非线性4

接触分析接触问题是一种高度非线性行为，需要较大的计算资源，为了进行实为有效 的计算，理解问题的特性和建立合理的模型是很重要的。接触问题存在两个较大的难点：其一，在你求解问题之前，你不知道接触区 域，表面之间是接触或分开是未知的，突然变化的，这随载荷、材料、边界条件 和其它因素而定；其二，大多的接触问题需要计算摩擦，有几种摩擦和模型供你 挑选，它们都是非线性的，摩擦使问题的收敛性变得困难。一般的接触分类接触问题分为两种基本类型：刚体一柔体的接触，半柔体一柔体的接触，在 刚体一柔体的接触问题中，接触面的一个或多个被当作刚体，（与它接触的变形 体相比，有大得多的刚度），一般情况下，一种软材料和一种硬材料接触时，问 题可以被假定为刚体一柔体的接触，许多金属成形问题归为此类接触，另一类， 柔体一柔体的接触，是一种更普遍的类型，在这种情况下，两个接触体都是变形 体（有近似的刚度）。ANSYS 接触能力ANSYS 支持三种接触方式：点一点，点一面，平面一面，每种接触方式使 用的接触单元适用于某类问题。为了给接触问题建模，首先必须认识到模型中的哪些部分可能会相互接触， 如果相互作用的其中之一是一点，模型的对立应组元是一个结点。如果相互作用 的其中之一是一个面，模型的对应组元是单元，例如梁单元，壳单元或实体单元， 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，至于 ANSTS 使用的接触单元和使用它们的过程， 下面分类详述。点一点接触单元 点一点接触单元主要用于模拟点一点的接触行为，为了使用点一点的接触单 元，你需要预先知道接触位置，这类接触问题只能适用于接触面之间有较小相对 滑动的情况（即使在几何非线性情况下）如果两个面上的结点一一对应，相对滑动又以忽略不计，两个面挠度（转动） 保持小量，那么可以用点一点的接触单元来求解面一面的接触问题，过盈装配问 题是一个用点一点的接触单元来模拟面一与的接触问题的典型例子。点一面接触单元点一面接触单元主要用于给点一面的接触行为建模，例如两根梁的相互接 触。如果通过一组结点来定义接触面，生成多个单元，那么可以通过点一面的接 触单元来模拟面一面的接触问题，面即可以是刚性体也可以是柔性体，这类接触 问题的一个典型例子是插头到插座里。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。Contact48和Contact49都是点一面的接触单元，Contact26用来模拟柔性点 刚性面的接触，对有不连续的刚性面的问题，不推荐采用Contact26因为可能 导致接触的丢失，在这种情况下， Contact48 通过使用伪单元算法能提供较好的 建模能力。面一面的接触单元ANSYS 支持刚体一柔体的面一面的接触单元，刚性面被当作“目标”面， 分别用Targel69和Targel70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。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）支持死活单元使用这些单元，能模拟直线（面）和曲线（面），通常用简单的几何形状例 如圆、抛物线、球、圆锥、圆柱采模拟曲面，更复杂的刚体形状能使用特殊的前 处理技巧来建模。执行接触分析不同的接触分析类型有不同的过程，下面分别讨论面一面的接触分析在涉及到两个边界的接触问题中，很自然把一个边界作为“目标”面而把另 一个作为“接触”面，对刚体一柔体的接触，“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 Contal72来定义2-D接触对，使用Targel70和Contal73或Contal74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：执行一个典型的面一面接触分析的基本步骤列示如下：l 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 1：建立模型，并划分网格在这一步中，你需要建立代表接触体几何形状的实体模型。与其它分析过程 一样，设置单元类型，实常的，材料特性。用恰当的单元类型给接触体划分网格。命令：AMESHVMESHGUI： Main MenuPreprocessormeshMapped3 or4 SidedMain MenuPneprocessormeshmapped4 or 6 sided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。步骤三：定义刚性目标面刚性目标面可能是2D的或3D的。在2D情况下，刚性目标面的形 状可以通过一系列直线、圆弧和抛物线来描述，所有这些都可以用 TAPGE169 来表示。另外，可以使用它们的任意组合来描述复杂的目标面。在 3D 情况下，目标面的形状可以通过三角面，圆柱面，圆锥面和球面来 推述，所有这些都可以用 TAPGE170 来表示，对于一个复杂的，任意形状的目 标面，应该使用三角面来给它建模。控制结点（Pilot）刚性目标面可能会和“pilot结点“联系起来，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 结点表 示出来，“pilot结点”可能是目标单元中的一个结点，也可能是一个任意位置的 结点，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。对于圆、圆柱、圆锥、和球的基本图段，ANSYS总是使用条一个结点作为“pilot 结点”基本原型你能够使用基本几形状来模拟目标面，例如：“圆、圆柱、圆锥、球。直线 抛物线、弧线、和三角形不被允许、虽然你不能把这些基本原型彼此合在一起， 或者是把它们和其它的目标形状合在一起以便形成一个同一实常数号的复杂目 标面。但你可以给每个基本原型指定它自己的实常的号。单元类型和实常数在生成目标单元之前，首先必须定义单元类型(TARG169或TARG170)。命令：ETGUI:main menupreprocessorElement Type Add/Edit/Delete随后必须设置目标单元的实常数。命令:RealGUI:main mennpreprocessorreal constants对TARGE169和TARGE170仅需设置实常数R1和R2,而只有在使用直接 生成法建立目标单元时，才需要从为指定实常数R1、R2,另外除了直接生成法， 你也可以使用 ANSYS 网格划分工具生成目标单元，下面解释这两种方法。使用直接生成法建立刚性目标单元为了直接生成目标单元，使用下面的命令和菜单路径。命令： TSHAPGUI： main menupreprocessormodeling-createElementsElem Attributes随后指定单元形状，可能的形状有： straight line (2D) parabola (2-D) clockwise arc(2-D) counterclokwise arc (2-D) circle(2-D) Triangle (3-D) Cylinder (3-D) Cone (3-D) Sphere (3-D) Pilot node (2-D 和 3-D) 一旦你指定目标单元形状，所有以后生成的单元都将保持这个形状，除非你指定另外一种形状。然后你就可以使用标准的 ANSYS 直接生成技术生成结点和单元。 命令：NEGUI： main menupnoprocessor modeling- create nodes main menupnoprocessor modeling- createElements 在建立单元之后，你可以通过列示单元来验证单元形状命令： ELISTGUI： utility menulistElementsNodes+Attributes使用 ANSYS 网格划分工具生成刚性目标单元你也可以使用标准的 ANSYS 网格划分功能让程序自动地生成目标单元， ANSYS 程序将会以实体模型为基础生成合适的目标单元形状而忽略 TSHAP 命 令的选项。为了生成一个“PILOT结点”使用下面的命令或GUI路径： 命令： KmeshGUI： main menuproprocessormeshing-meshkeypoints注意：KMESH总是生成“PILOT结点”为了生成一个2D目标单元，使用下面的命令和GUI路径：ANSYS 在每条直线上生成一条单一的线，在样条曲线上生成抛物线部分， 在每条圆弧和倒角上生成圆弧部分，如果所有的圆弧形成一个封闭的圆， ANSYS 生成一个单一的圆段。命令： LMESHGUI： main menupneprocessormesling-meshlines为了生成 3D 的目标单元，使用下面的命令或 GUI 路径。如果实体模型的表面部分形成了一个完整的球，圆柱或圆锥，那么 ANSYS 程序自动生成一个基本的 3D 目标单元，因为生成较少的单元，从而使你分析 计算更有效率，对任意形状的表面，应该使用 Amesh 命令来生成目标单元，在 这种情况下，网格形状的质量不是重要的，而目标单元的形状是否能完成好的模 拟刚性面的表面几何形状显得更重要。命令：AMESHGUI： main menupreprocessor-meshing-meshAreaANSYS 在所有可能的面上推荐使用三角形的映射网格划分，如果在表面的 边界上没有曲率，则在网格划分时，指定那条边界分为一分，下面的命令或 GUI 路径将尽可能的生成一个映射网格（如果不能进行映射，它将生成自由网格）命令： MSHKFY，2GUI： main menupreprocessor-meshling-mesh-Ares-Target Surf 建模和网格划分的注意点： 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。注意：不能使用镜面对称技术（ARSYSM, LSYMM）来映射圆、圆柱、圆 锥或球面到对称平面的另一边，因为每个实常数的设置不能同时赋给多个基本原 型段。检验目标面的接触方向。目标面的结点号顺序是重要的，因为它定义了接触主向，对2D接触问题， 当沿着目标线从第一个结点移向第二个结点时，变形体的接触单元必须位于 目标面的右边。对 3D 接触问题，目标三角形单元号应该使刚性面的外法线方向指向接触 面，外法线通过右手原则来定义为了检查法线方向，显示单元坐标系命令： /PSYMS， ESYS， 1GUI： Utility menuplotctrlssymbols 如果单元法向不指向接触面，选择单元反转表面的法向的方向。命令： ESURF， REVEGUI：main menupreprocossorcreateElementon free surf步骤 4：定义柔性体的接触面为了定义柔性体的接触面，必须使用接触单元C0NFA171或CONFA172（对2D）或 CONTA173 或 CONTA174 （对 3D）来定义表面程序通过组成变形体表面的接触单元来定义接触表面，接触单元与下面覆盖 的变形体单元有同样的几何特性，接触单元与下面覆盖的变形体单元必须处于同 一阶次（低阶或高阶）下面的变形体单元可能是实体单元、壳单元、梁单元或超 单元，接触面可能壳或梁单元任何一边。与目标面单元一样，你必须定义接触面的单元类型，然后选择正确的实常数 号（实常数号必须与它对应目标的实常数号相同）最后生成接触单元。单元类型：下面简单描述四种类型的接触单元CONTA171：这是一种2D, 2个结点的低附线单元，可能位于2D实体， 壳或梁单元的表面CONTA172:这是一个2D的，3结点的高阶抛物线形单元，可能位于有 中结点的 2D 实体或梁单元的表面CONTA173：这是一个3D的，4结点的低阶四边形单元可能位于3D 实体或壳单元的表面，它可能褪化成一个结点的三角形单元。CONTA174:这是一个3D, 8结点的高阶四边形单元，可能位于有中结 点的 3D 实体或壳单元的表面，它可能褪化成 6 结点的三角形单元。不能在高阶柔性体单元的表面上分成低阶接触单元，反之也不行，不能在高 阶接触单元上消去中结点。命令： ETGUI： main menupreprocessorElement typeAdd/Edit/Delete实常数和材料特性在定义了单元类型之后，需要选择正确的实常数的设置，每个接触对的接触 面和目标面必须有相同的实常数号，而每个接触对必须有它自己不同的实常数 号。ANSYS 使用下面柔性体单元的材料特性来计算一个合适的接触（或罚）刚 度，如果下面的单元是一个超单元。接触单元的材料的设置必须与超单元形成时 的原始结构单元相同，生成接触单元。我们既可以通过直接生成法生成接触单元，也可以在柔性体单元的外表面上 自动生成接触单元，我们推荐采用自动生成法，这种方法更为简单和可靠。可以通过下面三个步骤来自动生成接触单元1、选择结点选择已划分网格的柔性体表面的结果，如果你确定某一部分结点永远不会接 触到目标面，你可以忽略它以便减少计算时间，然而，你必须保证设有漏掉可能 会接触到目标面的结点。命令：NSELGUI： main menupreprocessorcreateElementonfree surf2、生成接触单元命令： ESURFGUI： main menupreprocessorcreateElementon free surf如果接触单元是附在已用实体单元划分网格的面或体上，程序会自动决定接 触计算所需的外法向，如果下面的单元是梁或壳单元，则必须指明哪个表面（上 表面或下表面）是接触面命令： ESURF，TOP OR BOTIOMGUI： main menupreprocessorcreateElementon free surf使用上表面生成接触单元，则它们的外法向与梁或壳单元的法向相同，使用 下表面生成接触单元，则它们的外法向与梁或壳单元的法向相反，如果下面的单 元是实体单元，则 TOP 或 BOTTOM 选项不起作用3、检查接触单元外法线的方向，当程序进行是否接触的检查时，接触面的 外法线方向是重要的，对3-D单元，按结点程序号以右手定则来决定单元的外 法向，接面的外法向应该指向目标面，否则，在开始分析计算时，程序可能会认 为有面的过度渗透而很难找到初始解。在此情况下，程序一般会立即停止执行， 你可以检查单元外法线方向是否正确。命令： /PSYMBGUI： Utility menuplotctrlssymbols当发现单元的外法线方向不正确时，必须通过倒不正确单元的结点号来改变 它们。命令：ESURF, REVEGUI： main menupreprocossorCreateElements on free surf步骤 5：设置实常数和单元关键字程序使用九个实常数和好几个单元关键字来控制面一面接触单元的接触行 为。实常数9个实常数中，两个（R1和R2）用采定义目标面单元的几何形状，乘下的 7 个用来控制接触行为。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 定义最大的渗透范围ICONT 定义初始靠近因子PINB 定义“ Pinball区域PMIN 和 PMAX 定义初始渗透的容许范围TAUMAR 指定最大的接触摩擦命令： RGUI： main menu preprocessorreal constant对实常数 FKN，FTOLN，ICONT，PINB，PMAX，和 PMIN，你既可以定 义一个正值也可以定义一个负值，程序将正值作为比例因子，将负值作为真实值， 程序将下面覆盖原单元的厚度作为 ICON， FTOLN， PINB， PMAX 和 PMIN 的 参考值，例如对 ICON， 0.1 表明初始间隙因子是 0.1*下面覆盖层单元的厚度。 然而， -0.1 表明真实缝隙是 0.1，如果下面覆盖层单元是超单元，则将接触单元 的最小长度作为厚度。单元关键字每种接触单元都饭知好几个关键字，对大多的接触问题缺省的关键字是合适 的，而在某些情况下，可能需要改变缺省值，来控制接触行为。接触算法（罚函数+拉格郎日或罚函数）（ KEYOPT（ 2）出现超单元时的应力状态（DEYOPT（3）接触方位点的位置（KEYOPI（4）刚度矩阵的选择（KEYOPT（6）时间步长控制初始渗透影响接触表面情况 命令：KEYOPTETKEYOPT（7）KEYOPT（9）KEYOPT（12）GUI： main menupreprocessorElemant TypeAdd/Edit/Delete选择接触算法：对面一面的接触单元，程序可以使用扩增的拉格朗日算法或罚函数方法，通 过使用单元关键字KETOPT （2）来指定。扩张的拉格朗日算法是为了找到精确的拉格朗日乘子而对罚函数修正项进 行反复迭代，与罚函数的方法相比，拉格朗日方法不易引起病态条件，对接触刚 度的灵敏度较小，然而，在有些分析中，扩增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。使用拉格朗日算法的同时应使用实常数 FTOLNFTOLN 为搠格朗日算法指定容许的最大渗艉，如果程序发现渗透大于此值 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，你可以改变这个值，但要注意如果此值太小可能会 造成太多的迭代次数或者不收敛。决定接触刚度所有的接触问题都需要定义接触刚度，两个表面之间渗 量的大小取决了接 触刚度，过大的接触刚度可能会引起总刚矩阵的病态，而造成收敛困难，一般来 谘，应该选取足够大的接触刚度以保证接触渗透小到可以接受，但同时又应该让 接触刚度足够小以使不会引起总刚矩阵的病态问题而保证收敛性。程序会根据变形体单元的材料特性来估计一个缺省的接触刚度值，你能够用 实常数 FKN 来为接触刚度指定一个比例因子或指定一个真正的值，比例因子一 般在 0.01 和 10 之间，当避免过多的迭代次数时，应该尽量使渗透到达极小值。为了取得一个较好的接触刚度值，又可需要一些经验，你可以按下面的步骤 过行。1、开始时取一个较低的值，低估些值要比高估些值好因为由一个较低的接触刚度导致的渗透问题要比 过高的接触刚度导致的收敛性困难，要容易解决。2、对前几个子步进行计算3、检查渗透量和每一子步中的平衡迭代次数，如果总体收敛困难是由过大 的渗透引起的（而不是由不平衡力和位移增量引起的），那么可能低估 了 FKN 的值或者是将 FTOLN 的值取得大小，如果总体的收敛困难是由 于不平衡力和位移增量达到收敛值需要过多的迭代次数，而不是由于过 大的渗透量，那么FKN的值可能被高估。4、按需要调查FKN或FTOLN的值，重新分析。选择摩擦类型。在基本的库仑摩擦模型中，两个接触面在开始相互滑动之前，在它们的界面 上会有达到某一大小的剪应力产生，这种状态则作粘合状态（stick）库仑摩擦模 型定义了一个等效剪应力。）一旦剪应力超过此值后，两个表面之间将开始相互 滑动，这种状态，叫作滑动状态（Sliding）粘合滑动计算决定什么时候一个点 从粘合状态到滑动状态或从滑动状态变到粘合状态，摩擦系数可以是任一非负 值。程序缺省值为表面之间无摩擦，对rough或bonded接触（KEYOPT （2） =1 （或 3），程序将不管给定的 MV 值而认为摩擦阻力无限大。程序提供了一个不管接触压力的故而人为指定最大等效剪应力的选项，如果 等效剪应力达到此值时，滑动发生。看图，41,为了指定接触界面上最大许可 剪应力，设置常数TAUMAX （缺省为1.0E20），这种限制剪应力的情况一般用 于接触压力非常大的时候，以至于用库仑理论计算出的界面剪应力超过了材料的 屈服极限。一对TAUMAX的一个合理高估为亏（号是材料的mises屈服应 力）。图 4 1摩擦模式对无摩擦 rough 和 bonded 接触，接触单元刚度矩阵是对称的，而涉及到摩 擦的接触问题产生一个不对称的刚度，而在每次迭代使用不对称的求解器比对称 的求解器需要更多的计算时间，因此ANSYS程序采用对称化算法。通过采用这 种算法大多的摩擦接触问题能够使用对称系统的求解器来求解。如果摩擦应力在 整个位移范围内有相当大的影响，并且摩擦应力的大小高度依赖于求解过程。对 刚度阵的任何对称近似都可能导致收敛性的降低，在这种情况下，选择不对称求 解选项(KEYOPT (6) =1)来改善收敛性。选择检查接触与否的位置接触检查点位于接触单元的积分点上，在积分点上，接触单元不渗透进入目ANSYS面一接触单元使用GAUSS积分点作为缺省值，GAUSS积分点通常会比 Newton-Cotes/robatto 结点积分项产生更精确的结果， Newton-cotes/lobatto使用结点本身作为积分点，通过KEYOPT （4）来选择，你想使用的方法，然而,使用结点本身作为积分点仅应该用于角接触问题（看图43）。图 43 接触检查点位于高斯结点上然而，使用结点作为接触发现点，可能会导致其它的收敛性问题，例如“滑 脱”（结点滑下目标面的边界）看图 44，对大多的点面的接触问题，我们推荐使用其它的点面的接触单元，例如 CONTA26、CONTA48 和 CONTA49。 FP匚noqA4IDEEAW图 44 结点滑脱调整初始接触条件 在动态分析中，刚体运动一般不会引起问题，然而在静力分析中，当物体没 有足够的约束时会产生刚体运动，有可能引起错误而终止计算。在仅仅通过接触的出现来约束刚体运动时，必须保证在初始几何体中，接触 对是接触的，换句话说，你要建立模型以便接触对是“刚好接触”的，然而这样 作可能会遇到以下问题：刚体外形常常是复杂的，很难决定第一个接触点发生在哪儿既使实体模型是在初始接触状态，在网格划分后余于数值舍入误差；两个 面的单元网格之间也可能会产生小的缝隙。接触单元的积分点和目标单元之间可能有小的缝隙。同理，在目标面和接触面之间可能发生过大的初始渗透，在这种情况下，接 触单元可能会高估接触力，导致不收敛或 民接触面之间脱离开接触关系。定义 初始接触也许是建立接触分析模型时最重要的方面，因此，程序提供了几种方法 来调整接触对的初始接触条件。注意：下面的技巧可以在开始分析时独立执行成几个联合起来执行，它们是 为了消除由于生成网格造成的数值舍入误差而引起的小缝隙或渗透，而不是为了 改正网格或几何数据的错误。1、 使用实常数 ICONT 来指定一个好的初始接触环，初始接触环是指沿着 目标面的“调整环”的深度，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，同时输出一个表时什么值被 指定的警告信息，对 ICONT 一个正值表示相对于下面变形体单元厚度 的比例因子，一个负值表示接触环的真正值，任何落在“调整环”敬域 内的接触检查点被自动移到目标面上，(看图45(a)建议使用一个 小的ICONT值否则，可能会发生大的不连续(看图45(b)Contact surfaceTarget surfaceRigid bodyInitial contactclosureJ-Initial contactclosureTarget surfac 已Contact surfacePotential r_ discontinuity/Rigid body图 4 5 用 ICON 进行接触面的调整(a) 调整前(b) 调整后2、使用实常数PMIN和PMAX来指定初始容许的渗透范围，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，如果 初始渗透大于PMAX，程序会调整目标面的减少渗透，接触状态的初始 调节仅仅通过平移来实现。对给定载 或给定位移的刚性目标面将会执行初始接触状态的初始调节。同 样，对没有指定边界条件的目标面也可以进行初始接触的调整。当目标面上的节点，有给的零位移值时，使用 PMAX 和 PMIN 的初始调节 将不会被执行。注意：ANSYS程序独立地处理目标面上节点的自由度，例如：如果你指定 自中度UX值为“0”，那么，沿着X方向就没有初始调查，然而，在Y和Z方 向仍然会激活PMAX和PMIN选项。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 进入可接受的渗透范围，程序会给出一个警告信息，你可能需要调整你的初始几 何模型。图46给出了一个初始接触调整迭代失败的例子。目标面的UY被约束住。 因此，初始接触唯一容许的调整是在 X 方向，然而，在这个问题中，刚性目标图 4 6 一个初始调整失败的例子3、设置KEYOPI (9) =1来消除初始渗透，看图4一7。在某些情况下，例如过盈装配问题，期望有过度的渗，为了缓解收敛性困难，在第一个载荷步中设置 KEYOTI(9) =2 来使过度渗透渐进到 0，看图 4一8。当使用这种方法时，在第一个载 步中不要给定其它任何载荷，也就是说要保证载荷是渐进的( KBC， 0)Target surface图 48 渐进初始渗透在开始分析时，程序会给出每个目标面的初始接触状态的输出信息，(在输 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渗透成最小间隙。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 Piaball 区域或者是接触/目标单元已经被杀死。决定接触状态和Pinball区域。接触单元相对于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=O 未合的远区接触STAT=1未合的近区接触STAT=2 滑动接触STAT=3粘合接触当目标面进入 pinball 区域后，接触单元就被当作未合上的近区域接触， pinball 区域是以接触单元的积分点为中心的。使用实常数 PINB 来为 pinball 指定 一个比例因子(正值)或其实值(负值)，缺省时，程序将 pinball 区域定义为 一个以 4*变形体单元厚度为半径的圆(对 2-D 问题)或球(对 3-D 问题)。检查接触的计算时间依赖于 pinball 区域的大小，远区接触单元的计算是简 单的且计算时间较少，近区接触计算将要接触的接触单元是较慢的,并是较复杂， 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 pinball 区域是有用的，名而对大多数问题，缺省值是合适的选择表面作用模式通过设置kcyopt(12)来选择下面的某种作用模式法问单边接触(KEYOPT(12)=0).粗糙接触，用来模拟无滑动的，表面相当粗糙的摩擦接触问题，这 种设置对应于摩擦系数无限大(MU)，因此用户定义的摩擦系的 (MU)被忽略 KEYOPT (12) =1) .不分开的接触，用来模拟那种一是接触就再不分开的问题，这种不 分开是指对法方接触而言，允许有相对滑动。(KEYOPT (12) =2) .绑定接触 用来模拟那种接触一是发生表面在所省方向都被绑定的 问题。一旦接触就再也不能脱开也不允许有相对滑动(KEYOPT (12)=3)用超单元建立接触模型面一面的接触单元能模拟刚体和另一个有 的运动的线 单性体的接触，而线 单性体又以体用超单元来建模，这大大降低了进行接触 代的自由度数，记住任 荷接触结定都必须是超单元的主自由度。既然超单元仅仅由一组保留的结点自由度组成，它没有用来定义接触的表面 几何形状，因此，必须在形成超单元之前在单元表面上 成接触单元，来自超单 元的信息包括结点连结和组合刚度，但是没有材料特性和应力状态，(是否轴支 称，平面应力或平面应变)，一个限制是接触单元的材料特性设置必须与形成超 单元之前的原始单元的材料特性相同。使用KEYOPT (3)来提供接触分析的信息，对2D单元(C0NTA171CONTA172 )关键字选项如下所示：.不使用超单元(KETOPT (3) =0).轴对称(KEYOPT (3) =1).平面应变或单位厚度的平面应力(KEYOPT (3)2)需要厚度输X的平面应力(KEYOPT (3) =3)，对这种情况使用实常数的 R2 来指定指定厚度对3D单元(CONTA173, CONTA174)关键字选项如下示：使用 H 单元(KETOPI (3) =0)使用超单元(KEYOPI (3) =1)考虑厚度影响程序够用KEYOPI (11)来考虑壳(2-D和3-D)和梁(2-D)的厚度缺省时， 程序不考虑单元厚度，用或中面来表示它。当设置KFTOPI (11) =1时则考虑梁 或壳的厚度，从底面或顶面来计算接触距离，建模时要考虑到厚度，记住刚性目 标面会向任一边移动，半个梁或壳单元的厚度，当使用壳单元 181 号时，在变形 期间厚度的变化也将被考虑。使用时间步长控制时间步长控制是一个自动时间步长特征，这个特征预测什么时间接触单元的 状态，将发生变化或者需要二分当前的时间步长，使用KEYOPT (7)来选择下 列四种行为之一来控制时间步长。 KEYOPT(7) =0 时不提供控制， KEYOPT(7)=3 提供最多的控制。KEYOPI (7) =0,设有控制，时间步 的大小不受预测影响，当自动时 间步长被激活且允许一个很小的时间步长时，这个设置是合适的。KETOPI (7) =1如果一次迭代期间有太大的渗透发生或者接触状态突然 变化，则进行时间步长二分。KEYOPI (7) =2对下一个子步预测一个合理的时间增量KETOPI (7) =3对下一个子步，预测一个最小的时间增量使用死活单元选项面一面的接触单元允许激活或杀死单元，能够在分析的某一阶段中杀死这个 单元而在以后的阶段再重新激活它，这个特征对于模拟复杂的金属戍形过程是有 用的、在此过程的不同分析阶段有多个目标需要和接触面相互作用，回弹模拟常 常需要在成形过程的后期移走刚性工具。步骤六：控制刚性目标的运动。 按照物体的原始外形来建立的且整个表刚性目标面是面的运动是通过“pilot”结点上的给定来定义的，(如果没有定义“pilot”结点，则通过刚性目 标面上的不同结点。)为了控制整个目标面的运动，在下面的任何情况下都必须使用pilot 结点。目标面上作用着给定的外力目标面发生旋转目标面和其它单元相连(例结构质量单元)pilot结点的厚度代表着整个刚性面的运动，你可以在pilot结点上给定边 界条件(位移、初速度)集中载 转动等等，为了考虑刚体的质量，在pilot结 点上定义一个质量单元。当使用pilot结点时，记住下面的几点局限性每个目标面只能有一个“ Pilot的结点圆、圆锥、圆柱、球的第一个结点(结点工)是”pilot “结点，你不 能另外定义或改变pilot结点.程序忽略不是lilot结点的所有其它结点上的边条件。.只有“pilot”结点能与其它单元相连.当定义了“pilot”结点后，不能使用约束方程(CF)或结点来耦合(CP )来控制目标面的自由度，如果你在刚性面上给定任意载荷或 者约束，你必须定义“ pilot ”结点，是在pilot结点上加载，如果没 有使用“pilot”结点，贝U只能有刚体运动。在每个载 步的开始，程序检查每个目标面的边界条件，如果下面的条件都 满足，那么程序将目标面作为固定处理：在目标面结点上没有明确定义边界条件或给定力.目标面结点没有和其它单元相连.没有目标面结上使用约束方程或结点来合在每个载体步的末尾，程序将会放松被内部设置的约束条件步骤 7：给变形体单元加必要的边界条件 现在可以按需要加上任你边界条件。加载过程与其它的分析类型相同步骤 8：定义求解和载 步选项 接触问题的收敛性随问题不同而不同，下面列式了一些典型的在大多数面 面的接触分析中推荐使用的选项时间步长必须足够 以描述适当的接触 。如果时间步 太大，贝接触力的 光滑传递会被破坏，设置精确时间步长的可信赖的方法是打开自动时间步 长。命令：Autots,onGUI： Main MenuSolution-load step opts-Time/FrequenceTime&Time step/Time& substeps .如果在迭代期间接触状态变化，可能发生不连续，为了避免收敛太慢， 使用修改的刚度阵，将牛顿一拉普森选项设置成 FULL命令： NROPT,FULL,OFFGUI： Main MenuSolutionAnalysis options不要使用自下降因子，对面一面的问题，自适应下降因子通常不会提供任何 帮助，因此我们建议关掉它。设置合理的平衡迭代次数，一个合理的平衡迭代次数通常在 25 和 50 之间 命令： NEQITGUI： Main MenuSolution-load step opts-NonlinearEquilibriwm iter因为大的时间增量会使 代趋向于变得不稳定，使用线性搜索选项来使计算稳定化。命令：LNSRCHGUI： Main menusolution-load step opts-Nonlinearlins search除非在大转动和动态分析中，打开时间步长预测器选项命令： PREDGUI： main meansolarion-load step opis-nonlinearpredictor在接触分析中许多不收敛问题是由于使用了太大的接触刚度引起的，（实 常数FKN）检验是否使用了合适的接触刚度。步骤九：求解 现在可以对接触问题进行求解，求解过程与一般的非线问题求解过程相同 第十步：检查结果接触分析的结果主要包括位移、应力、应变，支 ，和接触信息（接触压力、 滑动等）你可以在一般的后处理器（postl）或时间历程后处理器（post26）中查 看结果。注意点：1. 为了在 postl 中查看结果，数据库文件所包含的模型必须与用于求解的 模型相同。2. 必须存在结果文件在 post1 中查看结果1. 从输出文件中查看分析是否收敛。如果不收敛，你可能不想后处理，而更在乎为什么不收敛。 如果已经收敛，继续后处理。2. 进入postl如果你的模型不在当前的数据库中，使用恢复命令（resume） 来恢复它。命令： /postlGUI： main menuGeneral postproc3. 读入所期望的载荷步和子步的结果，这可以通过载荷步和子步数也可以 通过时间来实现。命令： SETGUI：main menugenerad postproc4. 使用下面的任何一个选项来显示结果 选项：显示变形形状态命令：PLDISPGUI： main menugeneral postprocplot resnlt deformed shape 选项：等值显示命令： PLNSOL PLESOLGUI： main menugeneral postprocplot resultcontour plot-noded solu 或 element 和 solu 使用这个选项来显示应力，应变或其它项的等值图，如果相邻的单元有不同 的材料行为（例如塑性或多弹性材料特性，不同的材料类型，或不同的死活属性） 则在结果显示时应避免结点应力平均错误。也可以将定的接触信息用等值图显示出来，对2-D接触分析，模型用灰色 表示，所要求显示的项将沿着接触单元存在的模型的边界以梯型面积表示出来， 对3D接触分析，模型将用灰色表示，而要求的项在接触单元存在的2D表 面上等值显示。还可以等值显示单元表的数据和线性化单元数据。命令： PLETABPLLSGUI： main menugeneral postprocElement TablePlot Element Table main menu General PostprocPlot Results-Contour plot-line Elem Res 选项：列表显示 命令： PRNSOLPRESOL PRRSOLPRETABPRITERNSORTESORTGUI：Main menuGeneral PostprocList ResultsNoded Solution Main menuGeneral PostprocLost ResultsElement Solution Main menuGeneral PostprocList ResultsReaction Solution 在列表显示它们之前，可以用 NSORT 和 ESORT 来对它们进行排序 选项：动画可以动画显示接触结果随时间的变化命令：ANIMEGUI： Wility mennPlotctrls AnimateContours lner fimepost26 中查看结果你也可以使用 post26 来查看一个非线性结构对加载历程的响应使用 post26， 可以比较一个变量陡另一个变量的变化关系，例如，可以画出某个结点位移随给 定载的曲线关系，某个结点的塑性应变与时间的关系，一个典型的 post26 后处 理过程需要分以下几个步骤1. 从输出文件中检查是否分析已经收敛2. 求解已收敛，进入post26，如果模型不在当前数据库中恢复它命令： /Post26GUI:Main menuTimehist Postpro3. 定义变量命令： NSOLESOLRFORCEGUI： Main menuTime Hist PostproDefine Variable4. 画曲线或列表显示命令： PLVARPRVAREXTREMGUI： Main menuTime Hist PostprocGraph VariableMain menuTime Hist PostprocList VariarleMain menuTime Hist PostprocList Extremes点一面接触分析我们能使用点一面接触单元来模拟一个表面和一个结点的接触，另外，可以通过把表面指定为一组结点，从而用点一面接触来代表面一面的接触。ANSYS 程序的点一面接触单元允许下列非线性行为：有大变形的面一面接触分析接触和分开库仑摩擦滑动热传递点一面的接触是一种在工程应用中普遍发生的现象，例如：夹子、金属成形 等等，工程技术人员对由于结构之间的接触而产生的应力变形为和温度改变是感 兴趣的。使用点一面的接触单元在 ANSYS 程序中点一面的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，接触单元的形状为三角形，四面体或锥形，其底面由目标面上 的节点组成，而顶点为接触面上的节点。图49绘出了二组的接触单元（COWTA（48）和三维的接触单元（COWTA （ 49 ）图 49（a）2-D 接触单元一COWTAC48（b）3-D 接触单元COWTAC49（c）2-D 接触单元COWTAC26如果目标面是刚性的，而问题又是 2-D 的，则可以使用 CONTA26 来建模 点面接触分析的步骤下面列出了典型的点面接触分析的基本步骤1. 建模并划分网格2. 识别接触对3. 生成接触单元4. 设置单元关键字和实常数5. 给定必须的边界条件6. 定义求解选项7. 求解8. 查看结果第 1 步：建模，划分网格 在这一步中，需要建立代表接触体几何形状的模型，设置单元类型，实常数 和材料特性，用适当的单元类型划分网格命令：AMESHVMESHGUI： Main menuPneprocossorMeshMapped3 or 4 SidedMain menuPneprocessorMeshMapped4 to 6 sided 应该避免使用有中结点的单元，特别是在 3 维问题中，因为这些单元表面节 点上“有效刚度”是很不均匀的，例如，对 95 号单元来说，角结点上有一个负 刚度。然而，是接触关系建立，ANSYS程序的点一面接触算法假定刚度均匀分 布在面上的所有结点上，因此，在接触分析中使用这些单元时，能导致收敛困难。仅仅在使用 COWTA48 的 2 维分析中，才可以在接触面上使用中结点单元， 但不能在目标面上使用中结点单元，当生成 48 号接触单元的时候，目标面上的 中节点将被忽略，这样将会导致在目标面上不均匀的力传递。 第2步，识别接触对你必须认识到在变形过程中，哪儿可能发生接触，一是你已知认识到潜在接 触面，通过接触单元来定义它们，为了更有效地进行计算（主要指CPU时间）， 你可能想，定义比较小的，局部的接触区域 ，但要保证你所定义的接触区域能 模拟所有必须的接触。由于几何形状和潜在变形的多样化，可能有多个目标面和同一个接触面相互 作用，在这种情况下，必须定义多个接触对，对每个表面，你需要建立一个包含 表面节点的组元。命令： CMGUI： UtilitySelectComp/AssemblyCneate Component 然后就可以使用这些表面结点，在接触面之间形成所有有可能的接触形状。如果 你能肯定某些面永远不会相互接触，那么应该适当的包括更多的结点 第三步：生成接触单元在生成接触单元之前，首先必须定义单元类型，对点一面的接触使用CONTAC48（2 维）和 CONTAC49（3 维）命令：ETGUI： Main menuPneprocessorEloment TypeAdd/Edit/Relete然后再定义接触单元的实常数，每个不同的接触面应该有一个不同的实常数 号，即便实常的值相同，因为使用不同的实常数号，程序能够较好的区分出是壳 的顶面还底面接触，或者是能够在不同的接触面进行较好的区分。例如：在角接 触中，每条也应该有它自己的实常数号，如图410所示，另一种典型应用是梁 的双边接触，如图411所示命令： RRMODIFGUI： Main menuPneprocessorReal Constants 接着就是在对应的接触对之间生成接触单元。命令： GCGENGUI： Main menuPnprocossorCneateElementsAt Confactsrf 对生成点面的接触单元的几点提示。一般来说，生成的接触单元不需超过所需要的23,使用“限制半径” （RADC）或“生成的单元数”（NUMC）选项来限制生成的接触单元数, 如果生成的接触单元数超过所需的 10 或更多，则会极大增加计算时间， 同时也需要大量的硬盘空间。进行接触分析时在接触面上建议使用无中结点的单元。对梁或壳单元需要通过“目标面”（TLAB）选项来指定单元数一边是目 标面。对于卷曲的（非平面）目标面，使用 CONTA49 的“基本形状” （shape） 选项来指定单元的基本形状是三角形，这个选项能使目标单元较好的模拟 目标面的原形。每次在新的接触对之间生成接触单元时，都指定一个新的实常数号，既使 接触单元的实常数值没有改变，生成对称或反对称的接触单元。你可以选择生成对称的或反对称的接触单元，用一个简单的GCGEN命令定 义一对接触面生成一种反对称的接触方式。在这种情况下，一个面是接触面而另 一个是目标面，另外你可以使用两个GCGEN命令，将两个面都定义成即是目标 面又是接触面，这种情况叫作对称接触方式，例如：考虑两个面A和B,在第 一个 GCGEN 命令中，将面 A 指定为接触面