ANSYS接触问题（详细）范本

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。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XX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XX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XX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XX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XX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XX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。Solution>Unabridged Menu>Load Step Opts>Solution Ctrl0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。5.1 概述接触问题是一种高度非线性行为,需要较多的计算机资源。为了进行切实有效的计算,理解问题的物理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,在用户求解问题之前,用户通常不知道接触区域。随载荷、材料、边界条件和其它因素的不同,表面之间可以接触或者分开,这往往在很大程度上是难以预料的,并且还可能是突然变化的。其二,大多数的接触问题需要考虑摩擦作用,有几种摩擦定律和模型可供挑选,它们都是非线性的。摩擦效应可能是无序的,所以摩擦使问题的收敛性成为一个难点。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。约束方程仅在小应变分析( NLGEOM ,off)中可用。见ANSYS Modeling and Meshing Guide中的12,Coupling and Constraint Equations。除了上面两个难点外,许多接触问题还必须涉及到多物理场影响,如接触区域的热传导、电流等。5.1.1 显式动态接触分析能力除了本章讨论的隐式接触分析外,ANSYS还在ANSYS/LS-DYNA中提供了显式接触分析功能。显式接触分析对于短时间接触-碰撞问题比较理想。关于ANSYS/LS-DYNA的更多的信息参见ANSYS/LS-DYNA Users Guide。5.2 一般接触分类接触问题分为两种基本类型:刚体柔体的接触,柔体柔体的接触。在刚体柔体的接触问题中,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,可以假定为刚体柔体的接触,许多金属成形问题归为此类接触。柔体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(有相似的刚度)。柔体柔体接触的一个例子是栓接法兰。5.3 ANSYS接触分析功能ANSYS支持三种接触方式:点点,点面,面面接触。每种接触方式使用不同的接触单元集,并适用于某一特定类型的问题。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,模型的对应组元是一个节点。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,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ANSYS使用的接触单元和使用它们的过程,后面会分类详述,然后论述ANSYS接触单元和他们的功能。参见ANSYS Elements Reference和ANSYS Theory Reference。表5-1 ANSYS接触分析功能点-点点-面面- 面CONTAC 12CONTAC52CONTA178CONTAC26CONTAC48CONTAC49CONTAC171,172 TARGET 169CONTAC 173, 174 TARGET 170点-点YYY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EINTFEINTFNoneGCGENGCGENESURFESURF低阶YYYYYYYY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ANSYS支持刚体柔体和柔体柔体的面面的接触单元。这些单元应用“目标”面和“接触”面来形成接触对。分别用TARGE169或TARGE170来模拟2D和3D目标面。用CONTA171、CONTA172、CONTA173、CONTA174来模拟接触面。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数号。参见5.4。这些面-面接触单元非常适合于过盈装配安装接触或嵌入接触,锻造,深拉问题。与点面接触单元相比,面面接触单元有许多优点:支持面上的低阶和高阶单元(即角节点或有中节点的单元)；支持有大滑动和摩擦的大变形。计算一致刚度阵,可用不对称刚度阵选项；提供为工程目的需要的更好的接触结果,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的,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,需要较少的接触单元,因而只需较小的磁盘空间和CPU时间,并具有高效的可视化；允许多种建模控制,例如:绑定接触,不分离接触,粗糙接触；渐变初始穿透；目标面自动移动到初始接触；平移接触面(考虑梁和单元的厚度),用户定义的接触偏移；死活能力；支持热-力耦合分析。使用这些单元来做为刚性目标面,能模拟2D和3D中的直线(面)和曲线(面),通常用简单的几何形状例如圆、抛物线、球、圆锥、圆柱来模拟曲面。更复杂的刚体形状或普通可变形体,可以应用特殊的前处理技巧来建模,参见5.4。面-面接触单元不能很好地应用于点-点或点-面接触问题,如管道或铆头装配。在这种情况下,应当应用点-点或点-面接触单元。用户也可以在大多数接触区域应用面-面接触单元,而在少数接触角点应用点-点接触单元。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。本章后面将分别讨论ANSYS不同接触分析类型的能力。5.3.2 点面接触单元点面接触单元主要用于给点面接触行为建模,例如两根梁的相互接触(梁端或尖角节点),铆头装配部件的角点。如果通过一组节点来定义接触面,生成多个单元,那么可以通过点面接触单元来模拟面面的接触问题。面既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插到插座里。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,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 点点接触单元点点接触单元主要用于模拟点点的接触行为。为了使用点点接触单元,用户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)。其中一个例子是传统的管道装配模型,其中接触点总是在管端和约束之间。点点接触单元也可以用于模拟面面的接触问题,如果两个面上的节点一一对应,相对滑动又可以忽略不计,两个面位移(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,过盈装配问题是一个用点点的接触单元来模拟面面接触问题的典型例子。另一个点点接触单元的应用是表面应力的精确分析,如透平机叶片的分析。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 面面的接触分析用户可以应用面-面接触单元来模拟刚体-柔体或柔体之间的接触。从菜单(PreprocessorCreateContact PairContact Wizard)进入接触向导,为大多数接触问题建立接触对提供了简单的方法。接触向导将指导用户建立接触对的整个过程。每个对话框中的HELP按钮对其应用及选项作了详细说明。在用户未对模型的任何区域分网之前,接触向导不能应用。如果用户希望建立刚体-柔体模型,则在进入接触向导前,仅对用作柔体接触面的部分分网(不对刚体目标面分网)。如用户希望建立柔体-柔体接触模型,则应在进入接触向导前,对所有用作接触面的部件进行分网(包括目标面)。下面诸节将论述不用接触向导来建立接触面和目标面的方法。5.4.1 应用面-面接触单元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。对刚体柔体的接触,目标面总是刚性面,接触面总是柔性面。对柔体柔体的接触,目标面和接触面都与变形体关联。这两个面合起来叫作“接触对”。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。5.4.3 建立几何模型并划分网格在这一步,用户需要建立代表接触体的几何实体模型。与其它分析一样,需要设置单元类型、实常数、材料特性。用恰当的单元类型给接触体划分网格。参见ANSYS Modeling and Meshing Guide。命令:AMESH VMESH GUI:Main MenuPreprocessorMesh5.4.4 识别接触对用户必须判断模型在变形期间哪些地方可能发生接触。一旦已经判断出潜在的接触面,就应该通过目标单元和接触单元来定义它们,目标和接触单元将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数号联系起来。接触区域可以任意定义,然而为了更有效地进行计算(主要指CPU时间),用户可能想定义更小的局部化的接触区域,但要保证它足以描述所需要的所有接触行为。不同的接触对必须通过不同的实常数号来定义,即使实常数没有变化。但不限制允许的面的数目。图5-1 局部接触区域由于几何模型和潜在变形的多样性,有时候一个接触面的同一区域可能与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(使用多组覆盖接触单元)。每个接触对有不同的实常数号。见 图5-1 。5.4.5 指定接触面和目标面接触单元被限制不得穿透目标面。但是,目标单元可以穿透接触面。对于刚体-柔体接触,目标面总是刚体表面,而接触面总是柔体表面。对于柔体-柔体接触,选择那一个面作为接触面或目标面可能会引起穿透量的不同,从而影响求解结果。这可参照下面的论述:如凸面预期与一个平面或凹面接触,则平面/凹面应当指定为目标面；如一个面有较密的网格,而相比较之下,另一个面网格较粗,则较密网格的面应当是接触面,而较粗网格的面则为目标面；如一个面比另一个面刚,则较柔的面应当指定为接触面,而较刚的面则为目标面；如果高阶单元位于一个外表面,而低阶单元位于另一个面,则前者应指定为接触面,后者则为目标面；如果一个面明显地比另一个面大(如一个面包围其他面),则较大的面应指定为目标面。上面的论述对于不对称接触是正确的。但不对称接触可能不能满足模型需要。下面一小节祥细论述不对称接触和对称接触的差异,并简要说明需要对称接触的一些场合。5.4.6 不对称接触与对称接触不对称接触定义为所有的接触单元在一个面上,而所有的目标单元在另一个面上的情况。有时候也称为“单向接触”。这在模拟面-面接触时最为有效。但是,在某些环境下,不对称接触不能满足要求。在这些情况下,可以把任一个面指定为目标面和接触面。然后在接触的面之间生成二组接触对(或仅是一个接触对,如自接触情况)。这就称为对称接触,有时也称为“双向接触”。显然,对称接触不如非对称接触效率高。但是,许多分析要求应用对称接触(典型地,是为了减少穿透)。要求对称接触的情况如下:接触面和目标面区分不十分清楚；二个面都有十分粗糙的网格。对称接触算法比非对称接触算法在更多的面上施加了接触约束条件。如果二个面上的网格相同并且足够密,则对称接触算法可能不会显著改变运行,而事实上可能更费CPU时间。在这种情况下,拾取一个面为目标面,而另一个面为接触面。在任何接触模型中,可以混合不同的接触对:刚体-柔体或柔体-柔体接触对；对称接触或非线称接触。但在一个接触对中只能有一种类型。5.4.7 定义目标面目标面可以是2D或3D的刚体或柔体的面。对于柔体目标面,一般应用 ESURF 命令来沿现有网格的边界生成目标单元。也可以按相同的方法来生成柔体接触面(见5.4.8)。用户不应当应用下列刚性目标面作为柔体接触面:ARC, CARC, CIRC, CYL1, CONE, SPHE 或 PILO。对于刚体目标面的情况论述如下。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 TARGE169 单元来表示。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、圆锥面和球面来描述,所有这些都可以用 TAPGE170 单元来表示。对于一个复杂的、任意形状的目标面,可以使用低阶/高阶三角形和四边形来给它建模。5.4.7.1 控制节点刚性目标面可能会与“控制(pilot)节点”联系起来,它实际上是一个只有一个节点的单元,其运动控制整个目标面的运动,因此可以把控制节点作为刚性目标的控制器。整个目标面的力/力矩和转动/位移可以只通过控制节点来表示。控制节点可能是目标单元中的一个节点,也可能是一个任意位置的节点。只有当需要转动或力矩载荷时,控制节点的位置才是重要的。如果用户定义了控制节点,ANSYS程序只在控制节点上检查边界条件,而忽略其它节点上的任何约束。注意 -当前的接触向导不支持生成控制节点。用户可以在接触向导外定义控制节点。5.4.7.2 基本图元用户可以使用基本几何图元,如圆、圆柱、圆锥、球,来模拟目标面(它需要实常数来定义半径)。也可以组合图元与一般的直线、抛物线、三角形和四边形来定义目标面。5.4.7.3 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(2维的TARGE169单元,或3维的TARGE170单元)。命令: ET GUI:main menupreprocessorElement Type Add/Edit/Delete随后必须设置目标单元的实常数。命令: Real GUI:main mennpreprocessorreal constants对于 TARGE169 单元和 TARGE170 单元,仅需设置实常数R1和R2(如果需要的话)。关于目标单元、单元形状、实常数的完整描述,参见ANSYS Elements Reference中TARGE169单元和TARGE170单元的论述。注意 -只有在使用直接生成法建立目标单元时,才需要指定实常数R1、R2。另外除了直接生成法,用户也可以使用ANSYS网格划分工具生成目标单元,下面解释这两种方法。5.4.7.4 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。命令: TSHAP GUI:main menupreprocessormodeling-createElementsElem Attributes随后指定单元形状,可能的形状有:直线(2D)抛物线(2-D)顺时针的圆弧(2-D)反时针的圆弧(2-D)圆(2-D)三角形(3-D)圆柱(3-D)圆锥(3-D)球(3-D)控制节点(2-D和3-D)一旦用户指定目标单元形状,所有以后生成的单元都将保持这个形状,除非用户指定另外一种形状。注意 -不能在同一个目标面上混合2D和3D目标单元。注意 -不能在同一个目标面上混合刚体目标单元和柔体目标单元。在求解期间,ANSYS对具有下伏单元的目标单元指定为可变形状态,而对没有下伏单元的目标单元指定为刚体状态。如果删除柔性表面的下伏单元的一部分,在求解时会出现一个错误。用户可以用标准的ANSYS直接生成技术生成节点和单元。参见ANSYS Modeling and Meshing Guide9。命令: N E GUI:main menupreprocessor modeling- createnodesmain menupreprocessor modeling- createElements在建立单元之后,可以通过列表单元来验证单元形状。命令: ELIST GUI:utility menulistElementsNodes+Attributes5.4.7.5 使用ANSYS网格划分工具生成刚性目标单元用户也可以用标准的ANSYS网格划分功能让程序自动地生成目标单元。ANSYS程序会基于体模型生成合适的目标单元形状,而忽略 TSHAP 命令的选项。为了生成一个控制(Pilot)节点,使用下面的命令或GUI路径:命令: KMESH GUI:main menupreprocessormeshing-meshkeypoints注意 : KMESH 总是生成控制节点。为了生成一个2D刚性目标单元,使用下面的命令和GUI路径。ANSYS在每条线上生成一条单一的线,在B-样条曲线上生成抛物线线段,在每条圆弧和倒角线上生成圆弧线段,参见 图5-2 。如果所有的圆弧形成一个封闭的圆,ANSYS 生成一个单一的圆,参见 图5-3 。但是,如果围成封闭圆的弧是从外部输入(如IGES)的几何实体,则ANSYS可能无法生成一个单一的圆。命令: LMESH GUI:main menupreprocessormeshing-meshlines图5-2 ANSYS几何实体和相应的刚性目标单元图5-3 从圆弧线段生成单一的圆为了生成3D的目标单元,使用下面的命令或GUI路径。命令: AMESH GUI:main menupreprocessor-meshing-meshAreas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程序通过 AMESH 命令,自动生成一个基本3D目标单元。因为生成较少的单元,从而使用户分析计算更有效率。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,网格形状的质量不重要。而目标单元的形状是否能较好地模拟刚性面的表面几何形状显得更重要。在所有可能的面上,推荐使用映射网格。如果在表面边界上没有曲率,则在网格划分时,指定那条边界分为一份。刚体TAREG169单元总是在一根线上按一个单元这样来分网,而忽略 LESIZE 命令的设置XX省的单元形状是四边形。如果要用三角形目标单元,应用 MSHAPE ,1。 图5-4 示出任意目标面的网格布局。下面的命令或GUI路径,命令: MSHKFY ,2GUI:main menupreprocessor-meshing-mesh-Areas-Target Surf图5-4 任意目标面的网格布局如果目标面是平面(或接近平面),用户可以选择低阶目标单元(3节点三角形或4节点四边形单元)。如果目标面是曲面,用户应该选择高阶目标单元(6节点三角形或8节点四边形单元)。为此在目标单元定义中设置KEYOPT(1)=1。注意 -低阶单元致使获取穿透和间隙时CPU的开销较小；但是,分网后的面可能不够光滑。高阶单元则在获取穿透和间隙时CPU的开销较大；但是需要较少的单元就可以离散整个目标曲面。注意 -如果通过程序分网( KMESH 、LMESH、ESURF 命令)来建立目标单元,则忽略 TSHAP 命令,而ANSYS自动选择合适的形状。5.4.7.5.1 建模和网格划分的一些诀窍一个目标面可能由两个或多个不连续的区域组成。用户应该尽可能地通过定义多个目标面,来使接触区域限于局部(每个目标面有一个不同的实常数号)。刚性面上的形状不限制,不要求光滑。但是,要保证刚性目标面上曲面的离散足够。过粗的网格离散可能导致收敛问题。如果刚性面有一个尖锐的凸角,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化,或者在曲率突变的区域使用更细的网格或使用高阶单元,见 图5-5 。图5-5 凸角的光滑化5.4.7.5.2 检验目标面的节点号顺序(接触方向)目标面的节点号顺序是重要的,因为它定义了接触方向。对2D接触问题,当沿着目标线从第一个节点移向第二个节点时,变形体的接触单元必须位于目标面的右边。见 图5-6 。图5-6 正确的节点顺序对3D接触问题,目标三角形单元号应使刚性面的外法线方向指向接触面。外法线通过右手法则来定义。为了检查法线方向,显示单元坐标系。命令:/ PSYMB ,ESYS,1GUI:Utility menuPlotCtrlssymbols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 menupreprocossorcreateElementsSurf to Surf或重新定向单元的法向:命令: ENORM GUI:Main MenuPreprocessorCreateMove/ModifyShell Normals注意 -在目标元素(如完整的圆、圆柱、圆锥、球)上的接触,只能在这些目标元素的外表面上出现。5.4.8 定义柔体的接触面为了建立柔体的接触面,对于2D接触必须使用接触单元 CONFA171 或 CONFA172 接触单元；对于3D接触必须使用 CONTA173 或 CONTA174 接触单元。程序通过组成柔体表面的接触单元来定义接触面。接触单元与下伏柔体单元有同样的几何特性。接触单元与下伏柔体单元必须处于同一阶次(低阶或高阶),以使在边上的节点协调。高阶接触单元可以通过消除中节点而与低阶下层单元匹配。下伏单元可能是实体单元、壳单元、2D梁单元。接触面可以在壳或梁单元任何一边。下伏单元也可以是超单元。但是,轴对称调和单元不能用作下伏单元。与目标面单元一样,用户必须定义接触面的单元类型,然后选择正确的实常数号(在每个接触对中,实常数号必须与它所对应的目标面的实常数号相同),最后生成接触单元。5.4.8.1 单元类型下面简单描述四种类型的接触单元。参见ANSYS Elements Reference。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。命令: ET GUI:main menupreprocessorElement typeAdd/Edit/Delete5.4.8.2 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集。一个接触对中的接触面和目标面必须有相同的实常数号。每个接触对必须有不同的实常数号。ANSYS 使用下伏单元的材料特性来计算一个合适的接触(或罚)刚度。在下层单元有用 TB 命令定义的塑性材料特性(不论激活与否)的情况下,接触的法向刚度可能按照系数100降低。ANSYS 自动为切向(滑动)刚度定义一个与 MU 和法向刚度成正比XX省值。如果下伏单元是一个超单元,接触单元的材料必须与超单元形成时的原始结构单元相同。5.4.8.3 生成接触单元既可以通过直接生成法生成接触单元,也可以在下层单元的外表面上自动生成接触单元。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。、选择节点选择已分网的柔体表面的节点。对每一个面,检查节点排列。如果用户确定某一部分节点永远不会接触到目标面,用户可以忽略它以便减少计算时间。然而用户必须保证设有漏掉可能会接触到目标面的节点。命令: NSEL GUI:Utility MenuSelectEntities2、生成接触单元命令: ESURF GUI:Main MenuPreprocessorCreateElementsSurf to 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。如果下层单元是梁或壳单元,则必须指明哪个表面(上表面或下表面)是接触面。命令: ESURF ,TOP (或 BOTIOM)GUI:Main MenuPreprocessorCreateElementsSurf to Surf使用 TOPXX省)生成接触单元,它们的外法向与梁或壳单元的法向相同；使用 BOTIOM 生成接触单元,则它们的外法向与梁或壳单元的法向相反。必须确保梁上的单元或壳单元有一致的法向。如果下伏单元是实体单元,则 TOP 或 BOTTOM 选项不起作用3、检查接触单元外法向。当程序进行是否接触的检查时,接触面的外法线方向至关重要。对于3D单元,按节点顺序号以右手法则来决定单元的外法向。接触面的外法向应该指向目标面。否则,在开始分析计算时,程序可能会认为是有过度穿透的面,而很难找到初始解。在这些情况下,程序一般会立即停止执行。 图5-7 说明正确和不正确的外法向。命令:/ PSYMB ,ESYSGUI:Utility menuplotctrlssymbols图5-7 定义接触单元的外法向当发现单元的外法线方向不正确时,必须通过反转所选择的不正确单元的节点号来改变它们:命令: ESURF ,REVEGUI:Main MenuPreprocessorCreateElementsSurf to Surf或重新定向单元法向:命令: ENORM GUI:Main MenuPreprocessorCreateMove/ModifyShell Normals5.4.9 设置实常数和单元关键选项程序使用20个实常数和数个单元关键选项,来控制面面接触单元的接触。参见ANSYS Elements Reference中对接触单元的描述。5.4.9.1 实常数在20个实常数中,两个(R1和R2)用来定义目标面单元的几何形状。剩下的用来控制接触面单元。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 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 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 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。命令: R GUI:main menu preprocessorreal constant对实常数 FKN, FTOLN, ICONT, PINB, PMAX, PMIN, FKOP 和 FKT,用户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,将负值作为绝对值。程序将下伏单元的厚度作为ICON,FTOLN,PINB,PMAX 和 PMIN 的参考值。例如 ICON = 0.1 表明初始闭合因子是“0.1*下层单元的厚度”。然而,ICON = -0.1 则表示真实调整带是 0.1 单位。如果下伏单元是超单元,则将接触单元的最小长度作为厚度。参见 图5-8 。图5-8 下层单元的厚度在模型中,如果单元尺寸变化很大,而且在实常数如 ICONT, FTOLN, PINB, PMAX, PMIN 中应用比例系数,则可能会出现问题。因为从比例系数得到的实际结果,取决于下层单元的厚度,这就可能引起大、小单元之间的重大变化。如果出现这一问题,请用绝对值代替比例系数。TCC, FHTG, SBCT, RDVF 和 FWGT 仅用于热接触分析KEYOPT(1)=1。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XX省的关键选项是合适的。而在某些情况下,可能需要改XX省值。下面是可以控制接触行为的一些关键选项:自由度 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KEYOPT(5)时间步控制 KEYOPT(7)伪接触预防 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)命令: KEYOPT ET GUI:main menupreprocessorElemant TypeAdd/Edit/Delete5.4.9.3 选择接触算法Contact wizard basiccontact algorithm对面面接触单元,程序可以使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 XX省值为0.1。用户可以改变这个值,但要注意,如果此值太小,可能会造成太多的迭代次数或者不收敛。5.4.9.4 确定接触刚度Contact Wizardbasicnormal penaltycontact stiffness 所有的接触问题都需要定义接触刚度,两个表面之间穿透量的大小取决于接触刚度。过大的接触刚度可能会引起总刚矩阵的病态,从而造成收敛困难。一般来说,应该选取足够大的接触刚度以保证接触穿透小到可以接受,但同时又应该让接触刚度足够小以不致引起总刚矩阵的病态而保证收敛性。ANSYS 程序根据下伏柔体单元的材料特性,来估计一XX省的接触刚度值。用户可用实常数 FKN 来为接触刚度指定一个比例因子或指定一个绝对值。比例因子一般在0.01和10之间；对于大变形问题,选1是比较好的；而对于弯曲为主的问题,通常为0.010.1。用户应当总是检验以使穿透到达极小值,而又避免过多的迭代次数。注意 -FTOLN 和 FKN 从一个荷载步到另一个荷载步中,都可以修改。也可以在重启动中修改。这时,必须定义KEYOPT(10)=1,2。为了确定一个较好的接触刚度值,可能需要一些经验。用户可以按下面的步骤来进行尝试:1、开始时取一个较低的值。低估值要比高估值好,因为由一个较低的接触刚度导致的穿透问题,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分析,直到最终荷载的一个比例(刚好完全建立接触)。3、检查每一子步中的穿透量和平衡迭代次数。如果总体收敛困难是由过大的穿透引起的(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时需要过多的迭代次数,而不是由于过大的穿透量引起的,那么 FKN 的值可能被高估。4、按需要调整 FKN 或 FTOLN 的值,重新进行完整的分析。注意 - 如果穿透控制变成总体平衡迭代中的主因(如果为使问题收敛到穿透容差内,比收敛到不平衡力的容差内,需要更多的迭代),用户应该增大 FTOLN 值,以允许更多的穿透,或增大 FKN。5.4.9.5 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。这种状态称为粘合状态(stick)。库仑摩擦模型定义了一个等效剪应力,在某一法向压应力p作用下剪应力达到此值时表面开始滑动 (=p+COHE,其中是摩擦系数-MU-作为材料特性定义,而 COHE 是粘聚力)。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XX省值为表面之间无摩擦。对于粗糙或绑定接触( KEYOPT(12)=1、3、5、6),程序将不管给定的 MU 值而认为摩擦阻力无限大。程序提供了一个人为指定最大等效剪应力的选项,不管接触压力值的大小,如果等效剪应力达到此值时,即发生滑动,见 图5-9 。为了指定接触界面上最大容许剪应力,设置常数 TAUMAX XX省为1.0E20)。这个剪应力极限,通常用于在接触压力非常大的时候(如在某些加工过程中)的一些情况,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。TAUMAX 的一个合理上限估值为 是表面附近材料的 von Mises屈服应力)。经验数据有助于决定 TAUMAX 的值。图5-9 摩擦模式5.4.9.5.1 静、动摩擦系数摩擦系数依赖于接触面的相对滑动速度,通常静摩擦系数高于动摩擦系数。ANSYS提供了如下表示的指数衰减摩擦模型:=MU(1+(FACT-1)exp(-DCV rel )其中: 为摩擦系数。 MU动摩擦系数,用MP命令输入。 FACT是静摩擦系数与动摩擦系数之比XX省为最小值1.0。 DC为衰减系数XX省为0.0,单位为time/length。因此,时间在静态分析中有一些意义。 V rel 是ANSYS计算的滑动速度。如果知道静、动摩擦系数和至少一个数据点( 1 ,V rel ),则可以确定摩擦衰减系数为:如果不指定衰减系数,且FACT大于1.0,当接触进入滑动状态时,摩擦系数会从静摩擦系数突变到动摩擦系数,这种行为类似于CONTAC46和CONTAC49单元所用的动摩擦模型,因为这会导致收敛困难,所以不建议采用。5.4.9.5.2 对称、不对称求解器对无摩擦、粗糙和绑定接触,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。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数摩擦接触问题,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场内有相当大的影响,并且摩擦应力的大小高度依赖于求解过程,则对刚度阵的任何对称近似都可能导致收敛性降低。在这种情况下,选择不对称求解选项( NROPT ,UNSYM)来改善收敛性。5.4.9.6 选择接触检查的位置Contact wizardbasiccontact detection接触检查点位于接触单元的积分点上。在积分点上,接触单元不穿透进入目标面。然而,目标面能穿透进入接触面。见 图5-10。图5-10 接触检查点位于高斯积分点上图5-11 接触检查点位于节点上Contact wizardbasiccontact detection ANSYS面面接触单元使用高斯积分点作XX省值,高斯积分点通常会比 Newton-Cotes/Lobatto 节点积分方案产生更精确的结果,Newton-cotes/Lobatto 用节点本身作为积分点。通过KEYOPT(4)来选择用户想使用的方法。这一选项仅适用于低阶接触( CONTAC171 和 CONTAC173)。然而,使用节点本身作为积分点仅应该用于角接触问题(看 图5-11 )。注意,使用节点作为接触检查点可能会导致其它收敛性问题,例如“滑脱”(节点滑出目标面的边界),见 图5-12 。对大多数的点面的接触问题,我们推荐使用其它的点面的接触单元,例如CONTAC26、CONTAC48 和 CONTAC49。见本书5.5。 图5-12 节点滑脱5.4.9.7 调整初始接触条件Contact wizardinitial adjustment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,用户要建立模型以便接触对是“刚好接触”的。然而这样做,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。既使实体模型在初始时处于接触状态,在网格划分后由于数值舍入误差,两个面的单元网格之间也可能会产生小缝隙。接触单元的积分点和目标单元之间可能有小缝隙。同理,在目标面和接触面之间可能发生过大的初始穿透。在这种情况下,接触单元可能会高估接触力,导致不收敛或接触面之间脱开接触关系。定义初始接触