ANSYS高级接触问题

ANSYS 高级接触问题 接触问题概述 在工程中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。接触例子如图 1： 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： 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。 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。 1 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。 2 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： 面一面接触单元； 点一面接触单元； 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 3 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 接触问题的一般特性 1 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 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。（图 1 2） 作为初值，可采用： Ktangent=0.01Knormal 切向罚刚度与法向罚刚度以同样的方式对收敛性和计算精度产生影响。 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。 点一点（除 CONTA178）和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*E E 为弹性模量 3、选取接触刚度的指导： Step 1.开始采用较小的刚度值 Step 2.对前几个子步进行计算 Step 3.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。 2 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（图 2-1） 图 2 1 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 FT不能超过正压力 FN的一部分： FT Preprocessor Modeling Create Elements Surf/Contact Surf to Surf(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 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) 2 D刚性目标面 划分面 (AMESH) 3 D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 Main Menu Preprocessor Modeling Create Elements Surf/Contact Surf to Surf 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） 图 3-3 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.dat(图 3-3) Step 5.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） Main Menu Preprocessor Modeling Create Elements Surf/Contact Surf to Surf 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。 图 3-3 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,REVE Step 6.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施加的边界条见图 3 3。 Step 7.定义求解选项和载荷步，以下是默认 设置 推荐使用 N.L求解自动控制 使用不带自适应下降的 full Newton- 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 Step 8.求解 Step 9.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 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 N.L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 重启动分析亦将 -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 = 0.1 GUI方式： Step 1.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）。 Utility Menu File Resume from 选 Snap.db 【 OK】 基体单元 : Plane42,1 轴对称 材料 : MAT,1 EX = 0.175e6; UXY = 0.35 ; MU = 0.0 MAT,2 EX = 90000; NUXY = 0.35 约束节点 163 UY = 0 182 UY = 0 Step 2.创建目标面单元类型 Main Menu Preprocessor Element Typer Add/Edit/Delete 【 Add】 contact 2D target 169 Element typer reference number = 2 【 OK】 或命令 : /PREP 7 ET,2,Target 169 Step 3.建立接触面单元类型 Main Menu Preprocessor Element Typer Add/Edit/Delete 【 Add】 contact 2nd Surf 171 Element typer reference number = 3 【 OK】 【 close】 或命令 : ET,3,conta 171 Step 4.指定接触法向刚度 Main Menu Preprocessor Real Constants Add/Edit/Delete 【 Add】 Type 3 CONTA 171 【 OK】 Real Constant Set No. = 1 Normal Penalty Stiffness FKN = 0.1(对弯曲问题采用初值 0.1) Penetration tolerance FTOLN = 0.1 (不用此 ,不收敛 ) 或命令： R,1,0.1,0.1 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。 Step 5.创建目标单元 (1).为目标面选择线 Utility Menu Select Entities 拾取线 (图 3-5) 【 OK】 或命令： LSEL,S,2,4 LSEL,A,15,18 图 3-6 LSEL,A,63 (2).选择附于线上的全部节点 (图 3-6) Utility Menu Select Entities Nodes Attached to lines,all 【 OK】 或命令： NSLL,S,1 NPlot 图 3-5 图 3-6 (3).设置单元属性 Main Menu Preprocessor Create Element Elem Attributes 或命令： Type,2 Mat,1 Real,1 (4).创建目标单元 Main Menu Preprocessor Modeling Create Elements Surf / Contact Surf to Surf 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 【 pick all】 或命令： ESURF(图 3-7) 图 3-7 Step 6.创建接触单元 (1).为接触面选线 Utility Menu Select Entities Lines图 3-8 By Num/pick From Full 【 OK】 选线 (图 3-8) 【 OK】 或命令 : LSEL,s,33,34 LSEL,a,43,44 (2).选择附于选定线上的全部节点图 3-9 Utility Menu Select Entities Nodes Attached to Lines, all From Full 【 OK】 或命令 : NSLL, S, 1 Nplot(图 3-9) 图 3-8 图 3-9 (3).设置单元属性 Main Menu Preprocessor Create Element Elem Attributes Element type number = 3 ConTA 171 Material number = 1 Real constant set number = 1 【 OK】 或命令： Type,3 Mat,1 Real,1 (4).创建接触面单元图 3-11 Main Menu Preprocessor Modeling Create Elements Surf/Contact Surf to Surf图 3-10 【 OK】 【 PICK ALL】 (图 3-10) 或命令 : ESURF 图 3-10 图 3-11 Step 7.选择所有选项并画单元 Utility Menu Select Everything Utility Menu Plot Elements 或命令 : Allsel, all Eplot(图 3-11) Step 8.求解 /solu antype,static nlgeom,on solc, on time,0.4 nsubst,20,500,10 outres,all,all dl,45,uy,-0.4 solve dl,45,uy,-0.55 solve fini Step 9.后处理 4 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。 Step 1.恢复数据文件 Utility Menu File Resume from 选 Snap.db 【 OK】 (图 4-1) 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 4-1 Step 2.启动接触向导 Main Menu Preprocessor Modeling Create Contact Pair Step 3.创建接触对 图 4-3 图 4-4 【 Pick Target】 (图 4 3),拾取线 (见图 3 5) 【 OK】 ， 再定义接触面 返 回 图 4 4 【 Next】 (图 4 5) 图 4 5 【 opening setting】 图 4 6 图 4 6 Step 4.设置接触参数 【 OK】 返回图 4 5【 create】 【 Finish】 返回图 4 2 退出 Step 5.求解 求解过程同前 图 4 2 5 实例 2平面密封圈计算 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 分析此模采用两种方法： 1. 不使用接触向导，建立命流文件 Seal.inp 2. 使用接触向导创建接触对，并用 GUI方式创建 Pilot节点。 本例具有： 几何 N.L（大应变与大变形） 材料 N.L（超弹） 接触 N.L 数据文件 : Seal.inp Step 1.建模：单元类型、实常数、材料特性、基体分网 /prep7 et,1,56 ! HYPER56 2D 4node U_P Hyperelastic Solid mp,nuxy,0.49 tb,mooney,1 tbdata,1,80 ! C10 = 80 tbdata,2,20 ! C01 = 20 k,1 $k,2,0.333,0 $k,3,0.867,0.867 k,4,1.1,0.867 k,5,1.1,1 $k,6,0.8,1 $k,7,0.267,0.133 k,8,0,0.133 l,1,2 *repeat,7,1,1 ! 将 l,1,2命令重复 7次 l,8,1 lfil,1,2,0.20 $lfil,2,3,0.15 $lfil,5,6,0.20 lfil,6,7,0.15 $lfil,7,8,0.05 $lfil,8,1,0.05 al,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,28,1.1,1.0 lstr,26,25 ! L9 lstr,27,28 ! L10 图 5-2 ! * 基体分网 * lesize,8,2 $lesize,13,4 $lesize,14,4 esize,0.035 type,1 mat,1 amesh,all save,seal,db Step 2.创建接触对，先定义单元和接触参数 et,2,169 ! Target169 2D Target Segment et,3,171 ! Conta171 2D Surface to Surface Contact mp,mu,1,0 ! 用材料特性定义摩擦，本例先无摩擦计算 然后再有摩擦计算，比较结果 r,1,0.1,0.1 ! 用实常数定义接触高级选项对于弯曲为主的 问题，采用接触刚度 FKN = 0.1作为初始估计值 , FTOLN = 0.1 lagrange穿透比例系数（缺省值） r,2,0.1,0.1 ! 如果 FKN = 1.0则不收敛 ! * 创建接触对 1（定义实常数和分网） * type,2 ! 目标面 1 Target169 real,1 ! Target169的实常数 mat,1 ! 接触面 1定义材料与超弹 单元同 lesize,15,1 ! 目标面 1（ L15）分网尺寸 (图 5 3) lmesh,15 ! 目标面 1（ L15）分网 ,采 用自动分网，此刚性面自动约束。检查外法线 方向 【 OK】 ! * 接触面 1：实常数（与目标面 1一致）、 分网 lsel,s,line,1,3,1 ! 选 L1,L2,L3 lsel,a,line,9,10,1 ! 再加 L9,L10 lsel,a,line,14 ! 再加 L14 nsll,s,1 ! 选择和所选线相连系的节点 type,3 ! Conta171这里未发布 Real,1， 实常数未重新定义就是前面的 Real,1， MAT也 是前面的 MAT, 1 esurf ! 生成接触单元 lsel,all ! * 检查外法线方向 【 OK】 * 图 5 3 ! * 创建接触对 2 * type,2 ! 目标面 2 Target169 real,2 ! MAT未重新定义，就是前面的 MAT, 1 lesize,16,1 ! 目标面 2 lmesh,16 ! L16分网（目标 2分网） kmesh,27 ! 指定 Pilot点 ! * 检查外法线方向 【 OK】 * type,3 ! 接触面 2 Conta171 Real,2； Mat,1 lsel,s,line,5,7, 1 ! 选 L5, L6, L7 lsel,a,line,11,13,1 ! 再加 L11,L12,L13 nsll,s,1 esurf ! 生成接触单元 ,其 Real,2； Mat,1 lsel,all nsel,all ! * 检查外法线方向 【 OK】 * Step 3.施加边界条件 ! 刚性面 1 被约束 ! 刚性面 2 随 Pilot点移动 ! L4对称约束 dl,4,ux,0 n_load=node(kx(27),ky(27),0) ! 为定义刚性面 2的位移做准备 finish Step 4.定义求解选项和载荷步 /solu nlgeom,on solc,on ! N.L求解自动控制打开（缺省） time,0.85 ! 载荷步、结束时间 d,n_load,uy,-0.85 nsubst,25,500,10 outres,all,all monitor,var3,n_load,fy Step 5.求解 solve Step 6.查看结果 /post1 pldsp,2 ! 变形图 plnsol,s,eqv,0,1 ! Von Mises 应力云图 plnsol,cont,pres,0, ! 接触压力图 plnsol,epto,eqv ! 绘等效总应变图 5 4 save,seal,db 定义反力变量 ,绘载荷变形图 Utility Menu Plot Elements Main Menu Time Hist Postpro Define Variables 【 Add】 Reaction force 【 OK】 拾取节点 263(控制点 ) 【 OK】 User-Specified Load = FORCE: FY 【 OK】 【 close】 或命令： /POST 26 RFORCE,2,263,F,Y,FORCE Main Menu Time Hist Postpro Graph Variables 1st Variable to gragh = 2 【 OK】 或命令： PLVAR, 2 (图 5 4) 图 5 4 2、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。 Step 1.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） Utility Menu File Resume from 选 Seal.db 【 OK】 Step 2.启动接触向导 Main Menu Preprocessor Modeling Create Contact Pair 图 4 2 【 contact Wizard】 创建接触对 1 图 5 5 选线 (1)( 接触对 1的目标面 )【 OK】 返回图 5 5【 next】 图 5 6 选线 (2)( 接触对 1的接触面 )【 OK】 ；返回图 5 6【 next】 Step 3.设置接触参数 图 5 7 图 5 8 图 5 9 定义摩擦 (图 5 9) 【 OK】 返回图 5 7 Coefficient friction 0.2 【 Create】 5 11 图 5 12 接触对 1(图 5 11) 图 5 10图 Step 5.创建目标单元控制点 (1).设置单元属性 用命令流： Type,4 MAT,1 REAL,4 TSHAP,PIL10 GUI: Main Menu Preprocessor Modeling Create Element Elem Attributes 图 5 14 (2).绘关键点 Utility Menu Plot Keypoints Keypoints (3).建立目标单元控制点 Main Menu Preprocessor Meshing Mesh Keypoints 选 K27 【 OK】 或命令流： KMESH,27 Step 6.施加位移约束 控制点 27上施加 UY = -0.85 Main Menu Solution Define Loads Apply Structural Displacement On Keypoints 选 K27 【 OK】 Lab2 DOFs to be constrained: UY Value: -0.5 【 OK】 施加对称边界条件： Main Menu Solution Define Loads Apply Structural Displacement Symmetry B.C. On Lines 选线 L4 【 OK】 Step 7.求解控制、求解 Main Menu Solution Analysis Type Soln Controls Main Menu Solution Solve LS_Current Step 8.后处理 同 1 无摩擦 (MU = 0) Von Mises = 145.096 有摩擦 (MU = 0.2) Von Mises = 142.038 接触刚度取 1.0 不收敛 0.1 收敛 /POST26 Main Menu TimeHist Postpro 选控制点 27， 绘图 (见图 5-4)。 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 。 Conta178接触单元、实常数选项见图 6-1及 6-2。 图 6-1 图 6-2 6 面一面接触单元高级接触选项 进入接触选项菜单用下列过程： Main Menu Preprocessor Modeling Create Contact Pair 选 【 property】 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 Basic Contact algorithm: Augmented Lagrange MethodPenalty Method 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 图 6-2 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 接触向导 Basic Normal Penalty Stiffness 1.0 factor constant 向导 Basic contact stiffness update: Each load step (PAIR ID based)noneEach load step(允许用户指定刚度变化 )Each substep(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： Contact time/load prediction K7: No prediction 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 (图 6-3)。 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（柔一柔） 可以为 Pinball半径指定一个不同的值。 图 6-3 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。 或单元选项 : Behavior contact surface K12: 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（ Design Space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 Contact Opening stiffness（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。 摩擦系数影响基本摩擦行为： Contact cohesion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： Main Menu Solution Unabridged Menu Analysis Options 设置 Newton-Raphson选项为 Full N_R unsymm 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 装置配）。可以使用初始几何穿透，或指定偏移 量，或二者皆有。图 6-5 指定偏移量（ CNOF） 或在实常数中指定偏移量（ CNOF） contact surface offset CNOF: 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 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 或单元选项 : Auto CNOF/ICONT adjustment K5: No. Auto. Adjust 初始穿透选项包括： Include everything：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 Exclude everything：忽略所有初始穿透效应。 Include with ramped effects：渐变初始穿透，以提高收敛性。 Include offset only：只包括由偏移量指定的基本初始穿透。 Include offset only w/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 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。 Include with ramped effects和 Include off set only w/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 (图 6-6)。 计算实例：初始穿透 图 6-6 8、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 (图 6-7)。 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。 ANSYS将产生一个负主元警告。 有几个选项可以 解决由于初始不相连物体引起的刚 体模式： 图 6-7 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 Mat, 1 TYPE,2 MAT,2 REAL,2 LSEL,LOC,X,1.9 NSLL,1 ! 1.9线上的节点 ESURF ! 创建目标单元 Target169 ! * TYPE,3 ! Mat, 2 ; Real, 2 LSEL,LOC,X,2 NSLL,S,1 ESURF ! 创建接触面 conta172 ALLSEL,ALL /SOLUTION D,NODE(1.5,0,0),UY,0 D,NODE(2.4,0,0),UY,0 NLGEOM,ON NSUBST,10,50,5 FINISH /PBC,U,1 /NUMBER,1 /PNUM,MAT,1 EPLOT SAVE,interference,db ! 包含有限元模型、接 触对、材料、边界条件，求解控制 分析步骤： Step 1.恢复数据库文件 Utility Menu File Resume from 选 interference.db 【 OK】 Step 2. 重定位输出文件 Utility Menu File Switch Output to File Interference.output 【 OK】 或命令： /Output,interference,Output Step 3.求解接触分析 /Solu solve Step 4.重定位输出到输出窗口 Utility Menu File Switch Output to Output Window 或命令： /OUTPUT, TERM Step 5.绘制径向应力 Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu Stress X-direction SX 【 OK】 或命令 : /POST1 PLNSOL,S,X ! 结果：径向应 力 0 Step 6.列表显示接触结果 Main Menu General Postproc List Results Nodal Solution 选 Nonlinear items contact CONT 【 OK】 或命令： PRNSOL,CONT STAT = 0“张开 ” 几乎不接触 STAT = 1 “张开 ” 但几乎接触 STAT = 2 “闭合 ” 并滑动 STAT = 3 “闭合 ” 并粘着 Step 7.检查输出文件内容（ interference.output） * NOTE * No contact was detected for a contact pair specified by real constant set 2 大初始穿透问题可能导致无法检测到接触或检测到接触面求解存在收 敛困难。在此情况下推荐在第一个载荷步中包含渐进化效应。 Step 8. 为初始穿透选项指定渐进化效应 可通过 conta172单元选项设置 可通过接触向导中 Initial Adjustment的设置 (1)Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete 选 Type 3 conta172 【 Option】 initial penetration/gap K9 = include_ramp 【 OK】 【 close】 或命令 : /prep7 KEYOPT,3,9,2 (2)或向导 Initial Adjustment Initial penetration: Include everything with ramped effect 【 OK】 Step 9.重定位输出到文件 Utility Menu File Switch Output to File Ramped.output 【 OK】 Step 10. 分析 /Solu Solve Step 11.重定位输出到输出窗口 Utility Menu File Switch Output to Output Window 命令： /output,TERM Step 12.绘径向应力 Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu Stress X-direction SX 【 OK】 或命令 : /POST 1 PLNSOL,S,X Step 13.将轴对称模型扩展为整个模型显 示 Utility Menu PlotCtrls Style Symmetry Expansion 2D Axi- Symmetric Select expansion amount = Full expansion 【 OK】 或命令： /EXPAND,36,Axis,10 /REPlot ISO 显示 /View,1,1,1 /Replot Step 14. 检查输出文件 ramped.output Initial penetration will be ramped during the first load step 在第一载荷步，初始穿透渐进化。 * NOTE * Max. Initial penetration 0.1 was detected between contact element 425 and target element 405 specified by read constant set 2 检测到大的初始穿透 例 4.两刚性面间夹圆柱 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 (图 7-6) 文件名 : ICONT.inp /prep7 CYL4,0,0,0,0,1,90 RECTNG,0,2.5,1.003,1.5 ! 图 7-7 ET,1,182 ! Plane182 2D Structural Solid 4节点 UX, UY平 面应力、平面应变和轴对称单 元、大变形、大应变 图 7-6 图 7-7 ET,2,169 ! Target169 ET,3,171 ! Conta171 MP,EX,1,1000 MP,EX,2,30E6 MP,MU,3,0 ESIZE,0.1 AMESH,1 ! type, 1 ;mat, 1 MAT,2 AMESH,2 ! * 创建目标目单元 * TYPE,2 MAT,3 REAL,2 LSEL,LOC,Y,1.003 NSLL,1 ESURF ! * 创建接触单元 * TYPE,3 CSYS,1 LSEL,LOC,X,1 NSLL,1 ESURF CSYS,0 LLSEL,ALL /SOLUTION LSEL,LOC,X,0 DL,ALL,UX,0 LSEL,LOC,Y,0 DL,ALL,UY,0 LSEL,LOC,Y,1.5 SFL,ALL,PRES,200 ALLSEL,ALL ! * 求解控制 * NLGEOM,ON NSUBST,10,100,5 SBCTRAN /PBC,U,1 /PSF,PRES,NORM,2 /NUMBER,1 /PNUM,MAT,1 EPLOT SAVE,ICONT,db 其中 ICONT.db数据文件包括此模型的有限元模 型、接触对、边界条件、载荷、材料定义等。 分析步骤： Step 1.恢复数据库 Utility Menu File Resume from 选 ICONT.db 【 OK】 Step 2.重定位输出到文件 Utility Menu File Switch Output to File ICONT.output 【 OK】 Step 3.求解接触分析 /Solu solve 产生错误，不能求解 Utility Menu List Files Error File Error:两部分之间的小间隙产生刚体模式，导致 “ 自由度超限 ” 错误。 DOF(e.g Displacement)limit exceeded at time 3.5e-02 检查输出文件 ICONT.output ANSYS提供接触对信息用于诊断。 ICONT.OUTPUT * NOTE * Min Initial gap 4.022432169e-3 was detected between contact element 264 and target element 224 specified by real constant set2. 此例中采用最小初始间隙估计初始接触环的值，间隙大小为 0.004 in，因此采用绝对 值 ICONT = -0.005in Step 4.指定初始接触环绝对值 -0.005 in 在单元实常数中赋 在向导中赋值 Main Menu Preprocessor Real Constant Add/Edit/Delete 或用向导赋值 Main Menu Preprocessor Modeling Create Contact Pair 选 【 property】 或命令： /Prep 7 RMODIF,2,5,-0.005 ! ICONT = -0.005 注意 : 推荐只用小值 ,ICONT值太大将导致模型不连续 Step 5.求解接触分析 /Solu solve Step 6.重定位输出到输出窗口 Utility Menu File Switch Output to Output Window 或命令： /OUTPUT,TERM Step 7.后处理：绘位移总矢量 Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu DOF Solution USUM 【 OK】 或命令 : /POST 1 PLNSOL, U, SUM Step 8.检查输出文件 ICONT.output * NOTE * Absolute initial closure ICONT 0.5000e-02 指定的初始接触环调整带成功的防止了刚体运动。 本例也可以用向导 Automatic Contact adjustment:close gap 或单元设置 : Automatic CNOF adjustment KS close gap 防止刚体运动而不输入 ICONT=-0.005 或命令： /prep 7 KEYOPT,3,5,1 例 5.两刚性卡间夹一圆球分析（刚体模式 -应用初始穿透范 围 PMIN-PMAX） 目标：验证采用初始穿透范围来克服 接触分析中的刚体模式采用合适的初 始穿透范围绝对值（ -PMIN Mat,1 MAT,2 AMESH,2 ! * 创建目标单元 * TYPE,2 REAL,2 LSEL,LOC,Y,1 ! 选 L4 NSLL,1 ESURF ! * 创建接触面单元 * TYPE,3 ! Mat,2; Real,2 CSYS,1 LSEL,LOC,X,1 NSLL,1 ESURF CSYS,0 ALLSEL,ALL ! * 加约束和载荷 * /SOLUTION LSEL,LOC,X,0 DL,ALL,UX,0 LSEL,LOC,Y,0 DL,ALL,UY,0 LSEL,LOC,Y,2.5 SFL,ALL,PRES,50 ALLSEL,ALL ! * 求解控制 * NLGEOM,ON NSUBST,10,100,5 SBCTRAN /PBC,U,1 /PSF,PRES,NORM,2 /NUMBER,1 /PNUM,MAT,1 EPLOT SAVE,PMIN-PMAX.db 分析步骤 : Step 1.恢复数据库 PMIN-PMAX.db Utility Menu File Resume from 选 PMIN-PMAX.db.db 【 OK】 Step 2.重定位输出到文件 Utility M enu File Switch Output to File PMIN-PMAX.output 【 OK】 或命令： /output, PMIN-PMAX, output Step 3.求解接触分析 /Solu solve 出错 Error Dofe.g Displacementlimit exceeded et time 0.1 【 OK】 Step 4.检查输出文件 PMIN-PMAX .output * NOTE * No contact was detected for a contact pair specified by real constant set 2 具有 “ 大 ” 的初始间隙的载荷控制问题可能引起 检测不到接触和 或自由度超限错误 (图 7-9)。 包含小的初始穿透范围将目标面具有初始接触状 态，以阻止刚体运动。 Step 5.指定初始穿透范围绝对值 在实常数中指定 在接触向导中指定 Main Menu Preprocessor Real Constant Add/Edit/Delete 选 Set 2 【 Edit】 大间隙，产生刚体模式，引起自由度超限错误 选 Type,3 conta171 【 OK】 Ini.allow.penetration PMIN = -0.001 【 OK】 【 close】 或命令： /prep7 RMODIF,2,7,-0.002,-0.001 或向导 Main Menu Preprocessor Modeling Create Contact Pair property Step 6. 求解接触分析 /Solu solve Step 7.重定位输出到输出窗口 Utility Menu File Switch Output to Output Window 或命令： /OUTPUT, TERM Step 8.绘轴线位移（ Y向） Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu DOF Solution UY 【 OK】 或命令 : /POST 1 PLNSOL,U,Y(图 7-10) 图 7-10 注意：此结果中等值线还包括由于目标面调整产生的刚体 位移，因此接触面未接触 Step 9.检查输出文件 PMIN-PMAX.output * Absolute Max.allow penetration range PMAX 0.2000E-2 Absolute Min.allow penetration range PMIN 0.1000E-2 * NOTE * The Max.