ANSYS—接觸單元說明

1、參考 ANSYS 的中文幫助文件接觸問題（參考ANSYS 的中文幫助文件）當兩個分離的表面互相碰觸并共切時，就稱它們牌接觸狀態(tài)。 在一般的物理意義中，牌接觸狀態(tài)的表面有下列特點：1、 不互相滲透；2、 能夠互相傳遞法向壓力和切向摩擦力；3、 通常不傳遞法向拉力。接觸分類：剛性體柔性體、柔性體柔性體實際接觸體相互不穿透， 因此，程序必須在這兩個面間建立一種關(guān)系，防止它們在有限元分析中相互穿過。罰函數(shù)法。接觸剛度lagrange乘子法，增加一個附加自由度（接觸壓力），來滿足不穿透條件將罰函數(shù)法和lagrange乘子法結(jié)合起來，稱之為增廣lagrange法。三種接觸單元：節(jié)點對節(jié)點、節(jié)點對面、面對面

2、。接觸單元的實常數(shù)和單元選項設置：FKN ：法向接觸剛度。 這個值應該足夠大， 使接觸穿透量?。?同時也應該足夠小，使問題沒有病態(tài)矩陣。 FKN 值通常在 0.110之間，對于體積變形問題，用值1.0 （默認），對彎曲問題，用值0.1 。FTOLN ：最大穿透容差。穿透超過此值將嘗試新的迭代。這是一個與接觸單元下面的實體單元深度（ h ）相乘的比例系數(shù)，缺省為0.1 。此值太小，會引起收斂困難。ICONT ：初始接觸調(diào)整帶。它能用于圍繞目標面給出一個“調(diào)整帶”，調(diào)整帶內(nèi)任何接觸點都被移到目標面上；如果不給出ICONT 值， ANSYS 根據(jù)模型的大小提供一個較小的默認值（0.03 PINB ：

3、指定近區(qū)域接觸范圍（球形區(qū)） 。當目標單元進入pinball區(qū)時，認為它處于近區(qū)域接觸， pinball區(qū)是圍繞接觸單元接觸檢測點的圓（二維）或球（三維）?？梢杂脤嵆?shù) PINB 調(diào)整球形區(qū)（此方法用于初始穿透大的問題是必要的）PMIN 和 PMAX ：初始容許穿透容差。這兩個參數(shù)指定初始穿透范圍，ANSYS把整個目標面（連同變形體）移到到由PMIN 和 PMAX 指定的穿透范圍內(nèi)，而使其成為閉合接觸的初始狀態(tài)。初始調(diào)整是一個迭代過程， ANSYS 最多使用 20個迭代步把目標面調(diào)整到PMIN 和 PMAX 范圍內(nèi)，如果無法完成，給出警告，可能需要修改幾何模型。TAUMAX ：接觸面的最大等效

4、剪應力。給出這個參數(shù)在于，不管接觸壓力值多大，只要等效剪應力達到最大值TAUMAX ，就會發(fā)生滑動。該剪應力極限值通常用于接觸壓力會變得非常大的情況。CNOF ：指定接觸面偏移。 +CNOF增加過盈、 -CNOF減少過盈或產(chǎn)生間隙、CNOF 能與幾何穿透組合應用。FKOP：接觸張開彈簧剛度。 針對不分離或綁定接觸模型， 需要設置實常數(shù)FKOP，該常數(shù)為張開接觸提供了一個剛度值。FKOP 阻止接觸面的分離； FKOP 默認為1.0 ，用于建立粘結(jié)模型，用一個較小值（1e-5 ）去建立軟彈簧模型。FKT：切向接觸剛度。作為初值，可以采用 FKT0.01*FKN ，這是大多數(shù) ANSYS接觸單元的缺

5、省值。COHE ：粘滯力。即沒有法向壓力時開始滑動的摩擦應力值。FACT， DC：定義摩擦系數(shù)變化規(guī)律MU MUK* （1+ （ FACT-1 ）EXP（ DC*vtfs/deltaT）式中：MUK 動摩擦系數(shù)（用戶自己定義）FACT MUS/MUK （用戶自己定義）MUS 靜摩擦系數(shù)DC衰減系數(shù)（用戶自己定義）Vtfs/deltaT表面間的相對速度注意：動摩擦系數(shù)由被指定為材料屬性（MU ），由 MP 命令或 GUI 定義。缺省值： FACT1，MUS MUK 0，DC0Keyopt的介紹，以 Target170,Conta173為例：首先介紹 170 的 KeyoptKEYOPT（3 ）：

6、定義接觸行為KEYOPT（1 ）：單元階數(shù)（是否含有中節(jié)點）KEYOPT（ 1 ） 0：低階單元（不含中節(jié)點）KEYOPT（ 1 ） 1：高階單元（含中節(jié)點）KEYOPT（2 ）：剛體目標面約束條件0 時，自動約束選項，每一個載荷步的末尾，程序內(nèi)部將是性面重新設置約束。滿足以下條件，剛性面則缺省為自動約束沒有明確定義邊界條件；目標面與其它單元沒有聯(lián)系；沒有定義耦合或約束方程。1 時，用戶定義選項。Conta173的 Keyopt ：KEYOPT（1 ）：自由度選項。 0 時，結(jié)構(gòu)： UX ，UY，和 UZ ； 1 時，結(jié)構(gòu)和熱； 2 時， TEMP（用于純熱接觸問題）KEYOPT（2）：選擇接

7、觸算法。 0 時，增廣的拉格朗日法（缺省選項） ，推薦于一般應用， 它對罰剛度不太敏感， 但是也要求給出一個穿透容差。 1 時，罰函數(shù)法。它推薦應用于單元非常扭曲、 大摩擦系數(shù)和用增廣的拉格朗日法收斂行為不好的問題。KEYOPT（4）：選擇接觸檢查點。 0 時，高斯點（缺省選項，推薦） ； 1時，節(jié)點； ANSYS 面對面單元默認用高斯積分點作為接觸檢查點。KEYOPT（ 5）：自動 CNOF 調(diào)整。允許 ANSYS 基于初始狀態(tài)自動給定CNOF值導致“剛好接觸”配置。0 時，不進行自動調(diào)整；1 時，閉合間隙；2 時，減小穿透； 3 時，閉合間隙 / 減小穿透。KEYOPT（7）：時間步控制選

8、項。（只有在 Solution Control中打開基于接觸狀態(tài)變化的時間步預測，此選項才起 作用 。 Solution>UnabridgedMenu>Load Step Opts>Solution Ctrl 0 時，不控制，不影響自動時間步長。對靜力問題自動時間步打開時此選項一般是足夠的。1 時，自動二分，如果接觸狀態(tài)變化明顯，時間步長將二分，對于動力問題自動二分通常是足夠的；2 時，合理值。比自動細分更耗時的算法；3 時，最小值。此選項為下一子步預測最小時間增量（很耗機時，不推薦）。KEYOPT（8 ）：防止偽接觸選項。 0 時，不防止； 1 時，檢測并忽略偽接觸。KEY

9、OPT（9 ）：初始穿透間隙控制。 0 時，包括幾何穿透 / 間隙和 CNOF ； 1時，忽略幾何穿透 / 間隙和 CNOF ； 2 時，包括幾何穿透 / 間隙和 CNOF ，且在第一個載荷步中漸變；3 時，忽略幾何穿透 / 間隙，包括CNOF ； 4 時，忽略幾何穿透 / 間隙，包括 CNOF ，且在第一個載荷步中漸變。KEYOPT（10 ）：接觸剛度更新控制。 0 ，閉合狀態(tài)的接觸剛度不進行任何更新； 1，每一載荷步更新閉合狀態(tài)的接觸剛度（ FKN 或 FKT，由用戶指定）； 2 ，與 1 同，此外，在每一子步，程序自動更新接觸剛度（根據(jù)變形后下伏單元的剛度）。KEYOPT（ 11 ）：殼

10、、梁單元厚度影響。如果已經(jīng)創(chuàng)建了一個梁或殼單元模型，接觸表面能夠偏置， 用于考慮梁或殼的厚度。 0，在中面接觸（默認）； 1 ，在指定表面的頂部或底部。注意：當用 SHELL181 單元時，由于大應變變形引起的厚度改變也被考慮。KEYOPT（ 12 ）：創(chuàng)立不同的接觸表面相互作用模型。0 ，標準的接觸行為，張開時法向壓力為0；1 ，粗糙接觸行為，不發(fā)生滑動（類似無限摩擦系數(shù)）；2 ，不分離，允許滑動；3 ，綁定接觸，目標面和接觸面一旦接觸就粘在一起；4 ，不分離接觸（總是），初始位于 pinball區(qū)域內(nèi)或已經(jīng)接觸的接觸檢查點在法向不分離；5 ，綁定接觸（總是），初始位于 pinball區(qū)域內(nèi)

11、或已經(jīng)接觸的接觸檢查點總是與目標面綁定在一起；6 ，綁定接觸（初始接觸） ，只在初始接觸的地方采用綁定，初始張開的地方保持張開 。5.1概述接觸問題是一種高度非線性行為，需要較多的計算機資源。為了進行切實有效的計算，理解問題的物理特性和建立合理的模型是很重要的。接觸問題存在兩個較大的難點：其一，在用戶求解問題之前，用戶通常不知道接觸區(qū)域。隨載荷、材料、邊界條件和其它因素的不同，表面之間可以接觸或者分開，這往往在很大程度上是難以預料的，并且還可能是突然變化的。其二，大多數(shù)的接觸問題需要考慮摩擦作用，有幾種摩擦定律和模型可供挑選，它們都是非線性的。摩擦效應可能是無序的，所以摩擦使問題的收斂性成為一

12、個難點。注意 - 如果在模型中，不考慮摩擦，且物體之間的總是保持接觸，則可以應用約束方程或自由度藕合來代替接觸。約束方程僅在小應變分析( NLGEOM，off) 中可用。見 ANSYS Modeling and Meshing Guide中的12 ，Coupling and Constraint Equations。除了上面兩個難點外，許多接觸問題還必須涉及到多物理場影響，如接觸區(qū)域的熱傳導、電流等。5.1.1顯式動態(tài)接觸分析能力除了本章討論的隱式接觸分析外，ANSYS 還在 ANSYS/LS-DYNA中提供了顯式接觸分析功能。顯式接觸分析對于短時間接觸- 碰撞問題比較理想。關(guān)于ANSYS/L

13、S-DYNA的更多的信息參見 ANSYS/LS-DYNA Users Guide。5.2一般接觸分類接觸問題分為兩種基本類型：剛體柔體的接觸，柔體柔體的接觸。在剛體柔體的接觸問題中，接觸面的一個或多個被當作剛體，(與它接觸的變形體相比，有大得多的剛度 )。一般情況下，一種軟材料和一種硬材料接觸時，可以假定為剛體柔體的接觸，許多金屬成形問題歸為此類接觸。柔體柔體的接觸是一種更普遍的類型，在這種情況下，兩個接觸體都是變形體(有相似的剛度 )。柔體柔體接觸的一個例子是栓接法蘭。5.3 ANSYS接觸分析功能ANSYS 支持三種接觸方式：點點，點面，面面接觸。每種接觸方式使用不同的接觸單元集，并適用于

14、某一特定類型的問題。為了給接觸問題建模，首先必須認識到模型中的哪些部分可能會相互接觸。如果相互作用的其中之一是一點，模型的對應組元是一個節(jié)點。 如果相互作用的其中之一是一個面，模型的對應組元是單元，如梁單元、殼單元或?qū)嶓w單元。有限元模型通過指定的接觸單元來識別可能的接觸對，接觸單元是覆蓋在分析模型接觸面之上的一層單元，至于ANSYS 使用的接觸單元和使用它們的過程，后面會分類詳述，然后論述 ANSYS 接觸單元和他們的功能。 參見ANSYS ElementsReference 和 ANSYS Theory Reference。表 5-1 ANSYS 接觸分析功能點- 點點- 面-面面CONTC

15、ONT CON CONT CONT CONT CONTAC171,ACCONT173,ACTAACACAC172 TARGETAC 1217452178264849169TARGET 170點- 點YYY點- 面YYY面- 面YYYY2-DYYYYYY3-DYYYY滑動小小小大大大大大曲面YY圓柱間YY隙純LagranYge 乘子增加LagranYYYYYge 乘子接觸剛用戶定半自用戶定 用戶定 用戶定半自動半自動度義動義義義自動網(wǎng)EINTGCGEGCGEEINTFNoneESURFESURF格工具FNN低階YYYYYYYY高階YYY剛體-柔YYYYYYYY體柔體-柔YYYYYYY體熱接觸YY

16、YY5.3.1面面的接觸單元ANSYS 支持剛體柔體和柔體柔體的面面的接觸單元。 這些單元應用“目標”面和“接觸”面來形成接觸對。分別用 TARGE169 或 TARGE170 來模擬 2D 和 3D 目標面。用 CONTA171 、CONTA172 、CONTA173 、CONTA174 來模擬接觸面。為了建立一個“接觸對”，給目標單元和接觸單元指定相同的實常數(shù)號。參見5.4 。這些面 - 面接觸單元非常適合于過盈裝配安裝接觸或嵌入接觸，鍛造，深拉問題。與點面接觸單元相比，面面接觸單元有許多優(yōu)點:支持面上的低階和高階單元(即角節(jié)點或有中節(jié)點的單元)；支持有大滑動和摩擦的大變形。計算一致剛度陣

17、，可用不對稱剛度陣選項；提供為工程目的需要的更好的接觸結(jié)果，如法向壓力和摩擦應力；沒有剛體表面形狀的限制，剛體表面的光滑性不是必須的，允許有自然的或網(wǎng)格離散引起的表面不連續(xù)；與點面接觸單元比，需要較少的接觸單元， 因而只需較小的磁盤空間和 CPU 時間，并具有高效的可視化；允許多種建?？刂?，例如：綁定接觸，不分離接觸，粗糙接觸；漸變初始穿透；目標面自動移動到初始接觸；平移接觸面 (考慮梁和單元的厚度 )，用戶定義的接觸偏移；死活能力；支持熱 -力耦合分析。使用這些單元來做為剛性目標面， 能模擬 2D 和 3D 中的直線 (面)和曲線 (面 )，通常用簡單的幾何形狀例如圓、拋物線、球、圓錐、圓柱

18、來模擬曲面。更復雜的剛體形狀或普通可變形體，可以應用特殊的前處理技巧來建模，參見5.4 。面- 面接觸單元不能很好地應用于點 - 點或點 - 面接觸問題，如管道或鉚頭裝配。在這種情況下，應當應用點 - 點或點 - 面接觸單元。用戶也可以在大多數(shù)接觸區(qū)域應用面 -面接觸單元，而在少數(shù)接觸角點應用點 - 點接觸單元。面面接觸單元只支持一般的靜態(tài)或瞬態(tài)分析，屈曲、模態(tài)、譜分析或子結(jié)構(gòu)分析。 不支持諧響應分析、 縮減或模態(tài)疊加瞬態(tài)分析，或縮減或模態(tài)疊加諧響應分析。本章后面將分別討論ANSYS 不同接觸分析類型的能力。5.3.2點面接觸單元點面接觸單元主要用于給點面接觸行為建模，例如兩根梁的相互接觸(梁

19、端或尖角節(jié)點 )，鉚頭裝配部件的角點。如果通過一組節(jié)點來定義接觸面，生成多個單元，那么可以通過點面接觸單元來模擬面面的接觸問題。面既可以是剛性體也可以是柔性體。這類接觸問題的一個典型例子是插頭插到插座里。使用這類接觸單元，不需要預先知道確切的接觸位置，接觸面之間也不需要保持一致的網(wǎng)格。 并且允許有大的變形和大的相對滑動，雖然這一功能也可以模擬小的滑動。CONTACT48和 CONTACT49 單元是點面的接觸單元。 這 2 種單元支持大滑動、大變形、以及接觸部件間不同的網(wǎng)格。用戶也可以用這2 種單元來進行熱 -機械耦合分析，其中熱在接觸實體之間的傳導非常重要。應用 CONTACT26單元用來模

20、擬柔性點剛性面的接觸。對有不光滑剛性面的問題，不推薦采用CONTACT26單元，因為在這種環(huán)境下， 可能導致接觸的丟失。在這種情況下，CONTACT48通過使用偽單元算法，能提供較好的建模能力 (參見 ANSYS Theory Reference )，但如果目標面嚴重不連續(xù)，依然可能失敗。5.3.3點點接觸單元點點接觸單元主要用于模擬點點的接觸行為。為了使用點點接觸單元，用戶需要預先知道接觸位置， 這類接觸問題只能適用于接觸面之間有較小相對滑動的情況 (即使在幾何非線性情況下)。其中一個例子是傳統(tǒng)的管道裝配模型，其中接觸點總是在管端和約束之間。點點接觸單元也可以用于模擬面面的接觸問題，如果兩個

21、面上的節(jié)點一一對應，相對滑動又可以忽略不計，兩個面位移(轉(zhuǎn)動 )保持小量，那么可以用點點的接觸單元來求解面面的接觸問題， 過盈裝配問題是一個用點點的接觸單元來模擬面面接觸問題的典型例子。另一個點點接觸單元的應用是表面應力的精確分析，如透平機葉片的分析。ANSYS 的 CONTA178單元是大多數(shù)點 - 點接觸問題的最好選擇。 它比其他單元提供了范圍更廣的選項和求解類型。CONTAC12和 CONTAC52單元保留的理由，在很大程度上是為了與已有模型的向下兼容。5.4面面的接觸分析用戶可以應用面 - 面接觸單元來模擬剛體 - 柔體或柔體之間的接觸。從菜單(PreprocessorCreateCo

22、ntact PairContact Wizard)進入接觸向?qū)?，為大多?shù)接觸問題建立接觸對提供了簡單的方法。接觸向?qū)⒅笇в脩艚⒔佑|對的整個過程。每個對話框中的HELP 按鈕對其應用及選項作了詳細說明。在用戶未對模型的任何區(qū)域分網(wǎng)之前，接觸向?qū)Р荒軕?。如果用戶希望建立剛體 - 柔體模型，則在進入接觸向?qū)?，僅對用作柔體接觸面的部分分網(wǎng)(不對剛體目標面分網(wǎng) )。如用戶希望建立柔體 -柔體接觸模型，則應在進入接觸向?qū)埃瑢λ杏米鹘佑|面的部件進行分網(wǎng)(包括目標面 )。下面諸節(jié)將論述不用接觸向?qū)斫⒔佑|面和目標面的方法。5.4.1應用面 - 面接觸單元在涉及到兩個邊界的接觸問題中，很自然把一個

23、邊界作為“目標”面，而把另一個作為“接觸”面。 對剛體柔體的接觸，目標面總是剛性面，接觸面總是柔性面。對柔體柔體的接觸，目標面和接觸面都與變形體關(guān)聯(lián)。這兩個面合起來叫作“接觸對”。使用TARGE169 與 CONTA171( 或 CONTA172) 單元來定義 2-D 接觸對。使用 TARGE170 與 CONTA173( 或 CONTA174) 單元來定義 3-D接觸對。程序通過相同的實常數(shù)號來識別每一個接觸對。5.4.2接觸分析的步驟典型面面接觸分析的基本步驟如下，后面將對每一步驟進行詳細解釋。1、建立幾何模型并劃分網(wǎng)格；2、識別接觸對；3、指定接觸面和目標面；4、定義目標面；5、定義接觸

24、面；6、設置單元關(guān)鍵選項和實常數(shù)；7、定義控制剛性目標面的運動(僅適用于剛體 - 柔體接觸 )；8、施加必須的邊界條件；9、定義求解選項和載荷步；10 、求解接觸問題；11 、查看結(jié)果。5.4.3建立幾何模型并劃分網(wǎng)格在這一步，用戶需要建立代表接觸體的幾何實體模型。與其它分析一樣，需要設置單元類型、實常數(shù)、材料特性。用恰當?shù)膯卧愋徒o接觸體劃分網(wǎng)格。參見 ANSYS Modeling and Meshing Guide。命令： AMESHVMESHGUI ：Main MenuPreprocessorMesh5.4.4識別接觸對用戶必須判斷模型在變形期間哪些地方可能發(fā)生接觸。一旦已經(jīng)判斷出潛在的

25、接觸面，就應該通過目標單元和接觸單元來定義它們，目標和接觸單元將跟蹤變形階段的運動。構(gòu)成一個接觸對的目標單元和接觸單元通過共享的實常數(shù)號聯(lián)系起來。接觸區(qū)域可以任意定義， 然而為了更有效地進行計算(主要指 CPU 時間 )，用戶可能想定義更小的局部化的接觸區(qū)域，但要保證它足以描述所需要的所有接觸行為。不同的接觸對必須通過不同的實常數(shù)號來定義，即使實常數(shù)沒有變化。 但不限制允許的面的數(shù)目。圖 5-1局部接觸區(qū)域由于幾何模型和潛在變形的多樣性，有時候一個接觸面的同一區(qū)域可能與多個目標面產(chǎn)生接觸關(guān)系。在這種情況下，應該定義多個接觸對(使用多組覆蓋接觸單元 )。每個接觸對有不同的實常數(shù)號。見圖5-1 。

26、5.4.5指定接觸面和目標面接觸單元被限制不得穿透目標面。但是，目標單元可以穿透接觸面。對于剛體 -柔體接觸，目標面總是剛體表面，而接觸面總是柔體表面。對于柔體 - 柔體接觸，選擇那一個面作為接觸面或目標面可能會引起穿透量的不同， 從而影響求解結(jié)果。這可參照下面的論述：如凸面預期與一個平面或凹面接觸，則平面/ 凹面應當指定為目標面；如一個面有較密的網(wǎng)格，而相比較之下，另一個面網(wǎng)格較粗，則較密網(wǎng)格的面應當是接觸面，而較粗網(wǎng)格的面則為目標面；如一個面比另一個面剛，則較柔的面應當指定為接觸面，而較剛的面則為目標面；如果高階單元位于一個外表面，而低階單元位于另一個面，則前者應指定為接觸面，后者則為目標

27、面；如果一個面明顯地比另一個面大( 如一個面包圍其他面 )，則較大的面應指定為目標面。上面的論述對于不對稱接觸是正確的。但不對稱接觸可能不能滿足模型需要。下面一小節(jié)祥細論述不對稱接觸和對稱接觸的差異，并簡要說明需要對稱接觸的一些場合。5.4.6不對稱接觸與對稱接觸不對稱接觸定義為所有的接觸單元在一個面上，而所有的目標單元在另一個面上的情況。有時候也稱為“單向接觸”。這在模擬面-面接觸時最為有效。但是，在某些環(huán)境下，不對稱接觸不能滿足要求。在這些情況下，可以把任一個面指定為目標面和接觸面。然后在接觸的面之間生成二組接觸對(或僅是一個接觸對，如自接觸情況 )。這就稱為對稱接觸，有時也稱為“雙向接觸

28、”。顯然，對稱接觸不如非對稱接觸效率高。但是，許多分析要求應用對稱接觸(典型地，是為了減少穿透 )。要求對稱接觸的情況如下：接觸面和目標面區(qū)分不十分清楚；二個面都有十分粗糙的網(wǎng)格。對稱接觸算法比非對稱接觸算法在更多的面上施加了接觸約束條件。如果二個面上的網(wǎng)格相同并且足夠密，則對稱接觸算法可能不會顯著改變運行，而事實上可能更費CPU 時間。在這種情況下，拾取一個面為目標面，而另一個面為接觸面。在任何接觸模型中，可以混合不同的接觸對：剛體-柔體或柔體 -柔體接觸對；對稱接觸或非線稱接觸。但在一個接觸對中只能有一種類型。5.4.7定義目標面目標面可以是 2D 或 3D 的剛體或柔體的面。對于柔體目標

29、面，一般應用ESURF 命令來沿現(xiàn)有網(wǎng)格的邊界生成目標單元。也可以按相同的方法來生成柔體接觸面 (見5.4.8) 。用戶不應當應用下列剛性目標面作為柔體接觸面：ARC,CARC, CIRC, CYL1, CONE, SPHE或 PILO 。對于剛體目標面的情況論述如下。在 2D 情況下，剛性目標面的形狀可以通過一系列直線、圓弧和拋物線來描述，所有這些都可以用 TARGE169 單元來表示。 另外，可以使用它們的任意組合來描述復雜的目標面。 在 3D 情況下，目標面的形狀可以通過三角面、圓柱面、圓錐面和球面來描述， 所有這些都可以用TAPGE170單元來表示。 對于一個復雜的、任意形狀的目標面，

30、可以使用低階/ 高階三角形和四邊形來給它建模。5.4.7.1控制節(jié)點剛性目標面可能會與“控制(pilot) 節(jié)點”聯(lián)系起來，它實際上是一個只有一個節(jié)點的單元， 其運動控制整個目標面的運動，因此可以把控制節(jié)點作為剛性目標的控制器。整個目標面的力/ 力矩和轉(zhuǎn)動 / 位移可以只通過控制節(jié)點來表示?？刂乒?jié)點可能是目標單元中的一個節(jié)點，也可能是一個任意位置的節(jié)點。只有當需要轉(zhuǎn)動或力矩載荷時，控制節(jié)點的位置才是重要的。如果用戶定義了控制節(jié)點，ANSYS 程序只在控制節(jié)點上檢查邊界條件，而忽略其它節(jié)點上的任何約束。注意 - 當前的接觸向?qū)Р恢С稚煽刂乒?jié)點。用戶可以在接觸向?qū)舛x控制節(jié)點。5.4.7.2基

31、本圖元用戶可以使用基本幾何圖元，如圓、圓柱、圓錐、球，來模擬目標面(它需要實常數(shù)來定義半徑 )。也可以組合圖元與一般的直線、拋物線、三角形和四邊形來定義目標面。5.4.7.3單元類型和實常數(shù)在生成目標單元之前，首先必須定義單元類型(2 維的 TARGE169 單元，或3 維的 TARGE170 單元 )。命令： ETGUI ：main menupreprocessorElement Type Add/Edit/Delete隨后必須設置目標單元的實常數(shù)。命令： RealGUI ：main mennpreprocessorreal constants對于 TARGE169單元和TARGE170 單

32、元，僅需設置實常數(shù)R1 和 R2( 如果需要的話 )。關(guān)于目標單元、單元形狀、實常數(shù)的完整描述，參見ANSYSElements Reference中 TARGE169 單元和 TARGE170 單元的論述。注意 - 只有在使用直接生成法建立目標單元時，才需要指定實常數(shù)R1、R2 。另外除了直接生成法，用戶也可以使用ANSYS 網(wǎng)格劃分工具生成目標單元，下面解釋這兩種方法。5.4.7.4使用直接生成法建立剛性目標單元為了直接生成目標單元，使用下面的命令和菜單。命令： TSHAPGUI ：main menupreprocessormodeling-createElementsElem Attrib

33、utes隨后指定單元形狀，可能的形狀有：直線 (2D)拋物線 (2-D)順時針的圓弧 (2-D)反時針的圓弧 (2-D)圓(2-D)三角形 (3-D)圓柱 (3-D)圓錐 (3-D)球(3-D)控制節(jié)點 (2-D 和 3-D)一旦用戶指定目標單元形狀，所有以后生成的單元都將保持這個形狀，除非用戶指定另外一種形狀。注意 - 不能在同一個目標面上混合2D 和 3D 目標單元。注意 - 不能在同一個目標面上混合剛體目標單元和柔體目標單元。在求解期間， ANSYS 對具有下伏單元的目標單元指定為可變形狀態(tài)，而對沒有下伏單元的目標單元指定為剛體狀態(tài)。如果刪除柔性表面的下伏單元的一部分，在求解時會出現(xiàn)一個

34、錯誤。用戶可以用標準的ANSYS 直接生成技術(shù)生成節(jié)點和單元。參見ANSYSModeling and Meshing Guide9。命令： NEGUI ：main menupreprocessor modeling- createnodesmain menupreprocessor modeling- createElements在建立單元之后，可以通過列表單元來驗證單元形狀。命令： ELISTGUI ：utility menulistElementsNodes+Attributes5.4.7.5使用 ANSYS 網(wǎng)格劃分工具生成剛性目標單元用戶也可以用標準的ANSYS 網(wǎng)格劃分功能讓程序自動

35、地生成目標單元。ANSYS 程序會基于體模型生成合適的目標單元形狀，而忽略 TSHAP命令的選項。為了生成一個控制 (Pilot) 節(jié)點，使用下面的命令或GUI 路徑：命令： KMESHGUI ：main menupreprocessormeshing-meshkeypoints注意 ： KMESH總是生成控制節(jié)點。為了生成一個 2D 剛性目標單元，使用下面的命令和GUI 路徑。 ANSYS 在每條線上生成一條單一的線，在B- 樣條曲線上生成拋物線線段，在每條圓弧和倒角線上生成圓弧線段，參見圖 5-2。如果所有的圓弧形成一個封閉的圓，ANSYS 生成一個單一的圓，參見圖 5-3。但是，如果圍成

36、封閉圓的弧是從外部輸入 (如 IGES)的幾何實體，則ANSYS 可能無法生成一個單一的圓。命令： LMESHGUI ：main menupreprocessormeshing-meshlines圖 5-2 ANSYS 幾何實體和相應的剛性目標單元圖 5-3 從圓弧線段生成單一的圓為了生成 3D 的目標單元，使用下面的命令或 GUI 路徑。命令： AMESHGUI ：main menupreprocessor-meshing-meshAreas如果實體模型的表面部分形成了一個完整的球、圓柱或圓錐，那么ANSYS程序通過AMESH命令，自動生成一個基本3D 目標單元。因為生成較少的單元，從而使用

37、戶分析計算更有效率。對任意形狀的表面，應該使用AMESH命令來生成目標單元。 在這種情況下， 網(wǎng)格形狀的質(zhì)量不重要。 而目標單元的形狀是否能較好地模擬剛性面的表面幾何形狀顯得更重要。在所有可能的面上，推薦使用映射網(wǎng)格。如果在表面邊界上沒有曲率，則在網(wǎng)格劃分時，指定那條邊界分為一份。剛體TAREG169 單元總是在一根線上按一個單元這樣來分網(wǎng)，而忽略LESIZE 命令的設置。缺省的單元形狀是四邊形。如果要用三角形目標單元， 應用 MSHAPE,1。 圖 5-4示出任意目標面的網(wǎng)格布局。下面的命令或 GUI 路徑，將盡可能地生成一個映射網(wǎng)格(如果不能進行映射，它將生成自由網(wǎng)格 )。命令： MSHK

38、FY，2GUI ：main menupreprocessor-meshing-mesh-Areas-Target Surf圖 5-4任意目標面的網(wǎng)格布局如果目標面是平面 (或接近平面 )，用戶可以選擇低階目標單元(3 節(jié)點三角形或 4 節(jié)點四邊形單元 )。如果目標面是曲面，用戶應該選擇高階目標單元(6 節(jié)點三角形或 8 節(jié)點四邊形單元 )。為此在目標單元定義中設置KEYOPT(1)=1 。注意 - 低階單元致使獲取穿透和間隙時CPU 的開銷較小；但是，分網(wǎng)后的面可能不夠光滑。高階單元則在獲取穿透和間隙時CPU 的開銷較大；但是需要較少的單元就可以離散整個目標曲面。注意 - 如果通過程序分網(wǎng) (

39、 KMESH、LMESH 、ESURF 命令 )來建立目標單元，則忽略TSHAP命令，而 ANSYS 自動選擇合適的形狀。5.4.7.5.1建模和網(wǎng)格劃分的一些訣竅一個目標面可能由兩個或多個不連續(xù)的區(qū)域組成。用戶應該盡可能地通過定義多個目標面，來使接觸區(qū)域限于局部(每個目標面有一個不同的實常數(shù)號)。剛性面上的形狀不限制， 不要求光滑。但是，要保證剛性目標面上曲面的離散足夠。過粗的網(wǎng)格離散可能導致收斂問題。如果剛性面有一個尖銳的凸角，求解大的滑動問題時很難獲得收斂結(jié)果。 為了避免這些建模問題， 在實體模型上使用線或面的倒角來使尖角光滑化，或者在曲率突變的區(qū)域使用更細的網(wǎng)格或使用高階單元，見圖 5

40、-5。圖 5-5凸角的光滑化5.4.7.5.2檢驗目標面的節(jié)點號順序(接觸方向 )目標面的節(jié)點號順序是重要的，因為它定義了接觸方向。對2D 接觸問題，當沿著目標線從第一個節(jié)點移向第二個節(jié)點時，變形體的接觸單元必須位于目標面的右邊。見圖 5-6。圖 5-6 正確的節(jié)點順序?qū)?3D 接觸問題，目標三角形單元號應使剛性面的外法線方向指向接觸面。外法線通過右手法則來定義。為了檢查法線方向，顯示單元坐標系。命令： / PSYMB，ESYS， 1GUI ：Utility menuPlotCtrlssymbols如果單元法向不指向接觸面，選擇該單元，反轉(zhuǎn)表面法線的方向。命令： ESURF ,REVEGUI

41、：main menupreprocossorcreateElementsSurf to Surf或重新定向單元的法向：命令： ENORMGUI ：Main MenuPreprocessorCreateMove/ModifyShellNormals注意 - 在目標元素 (如完整的圓、圓柱、圓錐、球)上的接觸，只能在這些目標元素的外表面上出現(xiàn)。5.4.8定義柔體的接觸面為了建立柔體的接觸面，對于2D接觸必須使用接觸單元CONFA171或CONFA172接觸單元；對于 3D接觸必須使用CONTA173或CONTA174接觸單元。程序通過組成柔體表面的接觸單元來定義接觸面。接觸單元與下伏柔體單元有同樣的幾何特性。接觸單元與下伏柔體單元必須處于同一階次(低階或高階 )，以使在邊上的節(jié)點協(xié)調(diào)。 高階接觸單元可以通過消除中節(jié)點而與低階下層單元匹配。下伏單元可能是實體單元、殼單元、2D 梁單元。接觸面可以在殼或梁單元任何一邊。下伏單元也可以是超單元。 但是，軸對稱調(diào)和單元不能用作下伏單元。與目標面單元一樣，用戶必須定義