ANSYS結構非線性分析指南-第五章

1、ANSYS結構非線性分析指南第五章 接觸分析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

2、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。關于ANSYS/LS-DYNA的更多的信息參見ANSYS/LS-DYNA User's Guide。5

3、.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。5.3ANSYS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

4、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、殼單元或實體單元。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 Elements Reference和ANSYS Theory Reference。表5-1ANSYS接觸分析功能點-點 點-面 面 - 面 CONTAC 12 CONTAC52 CONTA 178 CONTAC26 CONTAC48 CONTAC49 C

5、ONTAC171,172 TARGET 169 CONTAC 173, 174 TARGET 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圓柱間隙YY純Lagrange乘子Y增加Lagrange乘子YYYYY接觸剛度 用戶定義 半自動用戶定義 用戶定義 用戶定義 半自動半自動自動網格工具EINTFEINTF None GCGEN GCGEN ESURF ESURF 低階 YY Y Y Y Y Y Y 高階YYY剛體-柔體YYYYYYYY柔體-柔體YYYYYYY熱接觸YYYY5.3.1面面的接觸單元ANSYS支持剛體柔體和

6、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，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果，如法向壓力和摩擦

7、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-

8、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接觸區(qū)域應用面-面接觸單元，而在少數接觸角點應用點-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)、譜分析或子結構分析。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

9、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

10、，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

11、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(Preprocessor>Create>Contact Pair>Contact Wizard)進入接觸向導，為大多數接觸問題建立接觸對提供了簡單的方法。接觸向導將指導用戶建立

12、接觸對的整個過程。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)域分網之前，接觸向導不能應用。如果用戶希望建立剛體-柔體模型，則在進入接觸向導前，僅對用作柔體接觸面的部分分網(不對剛體目標面分網)。如用戶希望建立柔體-柔體接觸模型，則應在進入接觸向導前，對所有用作接觸面的部件進行分網(包括目標面)。下面諸節(jié)將論述不用接觸向導來建立接觸面和目標面的方法。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聯(lián)

13、。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、定義接觸面；6、設置單元關鍵選項和實常數；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、查看結果。

14、5.4.3建立幾何模型并劃分網格在這一步，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、材料特性。用恰當的單元類型給接觸體劃分網格。參見ANSYS Modeling and Meshing Guide。命令：AMESHVMESHGUI：Main Menu>Preprocessor>Mesh5.4.4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。一旦已經判斷出潛在的接觸面，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。構成一個接觸對的目標單元和接觸單元通過共享的實常數號聯(lián)系起來。接觸區(qū)域可以任意定義，然而為了

15、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號來定義，即使實常數沒有變化。但不限制允許的面的數目。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生接觸關系。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號。見圖5-1。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

16、或目標面可能會引起穿透量的不同，從而影響求解結果。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格，而相比較之下，另一個面網格較粗，則較密網格的面應當是接觸面，而較粗網格的面則為目標面；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

17、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”。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格。對稱接觸算法比非對稱接觸算法在

18、更多的面上施加了接觸約束條件。如果二個面上的網格相同并且足夠密，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。對于柔體目標面，一般應用 ESURF 命令來沿現有網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, CON

19、E, 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，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。

20、整個目標面的力/力矩和轉動/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-當前的接觸向導不支持生成控制節(jié)點。用戶可以在接觸向導外定義控制節(jié)點。5.4.7.2基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單元類型和實常數在生成目標單元之前，首先必須定義單元類型(2維的TA

21、RGE169單元，或3維的TARGE170單元)。命令：ETGUI：main menu>preprocessor>Element Type> Add/Edit/Delete隨后必須設置目標單元的實常數。命令：RealGUI：main menn>preprocessor>real constants對于 TARGE169 單元和 TARGE170 單元，僅需設置實常數R1和R2(如果需要的話)。關于目標單元、單元形狀、實常數的完整描述，參見ANSYS Elements 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

22、立目標單元時，才需要指定實常數R1、R2。另外除了直接生成法，用戶也可以使用ANSYS網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 menu>preprocessor>modeling-create>Elements> Elem Attributes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

23、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，在求解時會出現一個錯誤。用戶可以用標準的ANSYS直接生成技術生成節(jié)點和單元。參見ANSYS Modeling and Meshing Guide§9。命令：NEGUI：main menu>preprocessor> modeling- crea

24、te>nodes main menu>preprocessor> modeling- create>Elements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 menu>list>Elements>Nodes+Attributes5.4.7.5使用ANSYS網格劃分工具生成剛性目標單元用戶也可以用標準的ANSYS網格劃分功能讓程序自動地生成目標單元。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：KMESH

25、GUI：main menu>preprocessor>meshing-mesh>keypoints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 menu>preprocessor>meshin

26、g-mesh>lines圖5-2ANSYS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 menu>preprocessor>-meshing-mesh>Areas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，網格形狀的質量不重要。而目標單元的形狀是否能較好地模擬剛性面的表面幾

27、何形狀顯得更重要。在所有可能的面上，推薦使用映射網格。如果在表面邊界上沒有曲率，則在網格劃分時，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，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格布局。下面的命令或GUI路徑，將盡可能地生成一個映射網格(如果不能進行映射，它將生成自由網格)。命令：MSHKFY，2GUI：main menu>preprocessor>-meshing-mesh>-Areas-Target Surf圖5-4任意目標面的網格布局如果目

28、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??；但是，分網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(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)

29、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)域使用更細的網格或使用高階單元，見圖5-5。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

30、于目標面的右邊。見圖5-6。圖5-6正確的節(jié)點順序對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 menu>PlotCtrls>symbols如果單元法向不指向接觸面，選擇該單元，反轉表面法線的方向。命令：ESURF,REVEGUI：main menu>preprocossor>create>Elements>Surf to Surf或重新定向單元的法向：命令：ENORM GUI：Main Menu>Preprocess

31、or>Create>Move/Modify>Shell Normals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。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。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

32、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，用戶必須定義接觸面的單元類型，然后選擇正確的實常數號(在每個接觸對中，實常數號必須與它所對應的目標面的實常數號相同)，最后生成接觸單元。5.4.8.1單元類型下面簡單描述四種類型的接觸單元。參見ANSYS Elements Reference。CONTA171：這是2D、2個節(jié)點的低階線單元，可位于2D實體、殼或梁單元(如 BEAM3、PLANE42 或 SHELL51)的表面。CONTA172：這是2D、3節(jié)點的高階拋物線形單元，可位于有中節(jié)點的2

33、D實體或梁單元(如 PLANE82 或 VISCO88)的表面。CONTA173：這是3D、4節(jié)點的低階四邊形單元，可位于3D實體或殼單元(如 SOLID45 或 SHELL181)的表面?？赏嘶?節(jié)點的三角形單元。CONTA174：這是3D、8節(jié)點的高階四邊形單元，可位于有中節(jié)點的3D實體或殼單元(如 SOLID92、SOLID95 或 SHELL93)的表面?？赏嘶?節(jié)點的三角形單元。命令：ETGUI：main menu>preprocessor>Element type>Add/Edit/Delete5.4.8.2實常數和材料特性在定義了單元類型之后，需要選擇正確的

34、實常數集。一個接觸對中的接觸面和目標面必須有相同的實常數號。每個接觸對必須有不同的實常數號。ANSYS 使用下伏單元的材料特性來計算一個合適的接觸(或罰)剛度。在下層單元有用 TB 命令定義的塑性材料特性(不論激活與否)的情況下，接觸的法向剛度可能按照系數100降低。ANSYS 自動為切向(滑動)剛度定義一個與 MU 和法向剛度成正比的缺省值。如果下伏單元是一個超單元，接觸單元的材料必須與超單元形成時的原始結構單元相同。5.4.8.3生成接觸單元既可以通過直接生成法生成接觸單元，也可以在下層單元的外表面上自動生成接觸單元。推薦采用自動生成法，這種方法更為簡單和可靠。可以通過下面三個步驟，來自動

35、生成接觸單元。、選擇節(jié)點選擇已分網的柔體表面的節(jié)點。對每一個面，檢查節(jié)點排列。如果用戶確定某一部分節(jié)點永遠不會接觸到目標面，用戶可以忽略它以便減少計算時間。然而用戶必須保證設有漏掉可能會接觸到目標面的節(jié)點。命令：NSELGUI：Utility Menu>Select>Entities2、生成接觸單元命令：ESURFGUI：Main Menu>Preprocessor>Create>Elements>Surf to Surf 如果接觸單元是附在已用實體單元劃分網格的面或體上，程序會自動決定接觸計算所需的外法向。如果下層單元是梁或殼單元，則必須指明哪個表面(上表

36、面或下表面)是接觸面。命令：ESURF,TOP (或 BOTIOM)GUI：Main Menu>Preprocessor>Create>Elements>Surf to Surf使用 TOP(缺省)生成接觸單元，它們的外法向與梁或殼單元的法向相同；使用 BOTIOM 生成接觸單元，則它們的外法向與梁或殼單元的法向相反。必須確保梁上的單元或殼單元有一致的法向。如果下伏單元是實體單元，則 TOP 或 BOTTOM 選項不起作用3、檢查接觸單元外法向。當程序進行是否接觸的檢查時，接觸面的外法線方向至關重要。對于3D單元，按節(jié)點順序號以右手法則來決定單元的外法向。接觸面的外法向

37、應該指向目標面。否則，在開始分析計算時，程序可能會認為是有過度穿透的面，而很難找到初始解。在這些情況下，程序一般會立即停止執(zhí)行。圖5-7說明正確和不正確的外法向。命令：/PSYMB,ESYSGUI：Utility menu>plotctrls>symbols圖5-7定義接觸單元的外法向當發(fā)現單元的外法線方向不正確時，必須通過反轉所選擇的不正確單元的節(jié)點號來改變它們：命令：ESURF,REVEGUI：Main Menu>Preprocessor>Create>Elements>Surf to Surf或重新定向單元法向：命令：ENORMGUI：Main Men

38、u>Preprocessor>Create>Move/Modify>Shell Normals5.4.9設置實常數和單元關鍵選項程序使用20個實常數和數個單元關鍵選項，來控制面面接觸單元的接觸。參見ANSYS Elements Reference中對接觸單元的描述。5.4.9.1實常數在20個實常數中，兩個(R1和R2)用來定義目標面單元的幾何形狀。剩下的用來控制接觸面單元。R1和R2定義目標單元幾何形狀。FKN定義法向接觸剛度因子。FTOLN 是基于單元厚度的一個系數，用于計算允許的穿透。ICONT 定義初始閉合因子。PINB定義“Pinball"區(qū)域。PM

39、IN和PMAX 定義初始穿透的容許范圍。TAUMAR 指定最大的接觸摩擦。CNOF 指定施加于接觸面的正或負的偏移值。FKOP 指定在接觸分開時施加的剛度系數。FKT 指定切向接觸剛度。COHE 制定滑動抗力粘聚力。TCC 指定熱接觸傳導系數。FHTG 指定摩擦耗散能量的熱轉換率。SBCT 指定 Stefan-Boltzman 常數。RDVF 指定輻射觀察系數。FWGT 指定在接觸面和目標面之間熱分布的權重系數。FACT 靜摩擦系數和動摩擦系數的比率。DC 靜、動摩擦衰減系數。命令：RGUI：main menu> preprocessor>real constant對實常數 FKN

40、, FTOLN, ICONT, PINB, PMAX, PMIN, FKOP 和 FKT，用戶既可以定義一個正值，也可以定義一個負值。程序將正值作為比例因子，將負值作為絕對值。程序將下伏單元的厚度作為ICON，FTOLN，PINB，PMAX 和 PMIN 的參考值。例如 ICON = 0.1 表明初始閉合因子是“0.1*下層單元的厚度”。然而，ICON = -0.1 則表示真實調整帶是 0.1 單位。如果下伏單元是超單元，則將接觸單元的最小長度作為厚度。參見圖5-8。圖5-8下層單元的厚度在模型中，如果單元尺寸變化很大，而且在實常數如 ICONT, FTOLN, PINB, PMAX, PMI

41、N 中應用比例系數，則可能會出現問題。因為從比例系數得到的實際結果，取決于下層單元的厚度，這就可能引起大、小單元之間的重大變化。如果出現這一問題，請用絕對值代替比例系數。TCC, FHTG, SBCT, RDVF 和 FWGT 僅用于熱接觸分析KEYOPT(1)=1。5.4.9.2單元關鍵選項每種接觸單元都包括數個關鍵選項。對大多的接觸問題，缺省的關鍵選項是合適的。而在某些情況下，可能需要改變缺省值。下面是可以控制接觸行為的一些關鍵選項：自由度KEYOPT(1)接觸算法(罰函數+拉格朗日乘子或罰函數)KEYOPT(2)存在超單元時的應力狀態(tài)(僅2D)KEYOPT(3)接觸檢測點的位置(僅低階接

42、觸單元) KEYOPT(4)CNOF自動調整KEYOPT(5)時間步控制KEYOPT(7)偽接觸預防KEYOPT(8)初始穿透或間隙的影響KEYOPT(9)法向和切向接觸剛度修正方法控制KEYOPT(10)殼的厚度影響KEYOPT(11)接觸面行為(粗糙、綁定等) KEYOPT(12)命令：KEYOPTETGUI：main menu>preprocessor>Elemant Type>Add/Edit/Delete5.4.9.3選擇接觸算法對面面接觸單元，程序可以使用增進的拉格朗日方法或罰函數方法。通過單元關鍵字 KEYOPT(2)來指定。增進的拉格朗日方法是為了找到精確的拉

43、格朗日乘子（即接觸力），而對罰函數進行一系列修正迭代。與罰函數的方法相比，拉格朗日方法容易得到良態(tài)條件，對接觸剛度的敏感性較小。然而，在有些分析中，增進的拉格朗日方法可能需要更多的迭代，特別是在變形后網格變得太扭曲時。使用拉格朗日方法的同時應使用實常數 FTOLN。FTOLN 為拉格朗日方法指定容許的最大穿透。如果程序發(fā)現穿透大于此值時，即使不平衡力和位移增量已經滿足了收斂準則，總的求解仍被當作不收斂處理。FTLON 的缺省值為0.1。用戶可以改變這個值，但要注意，如果此值太小，可能會造成太多的迭代次數或者不收斂。5.4.9.4確定接觸剛度所有的接觸問題都需要定義接觸剛度，兩個表面之間穿透量的

44、大小取決于接觸剛度。過大的接觸剛度可能會引起總剛矩陣的病態(tài)，從而造成收斂困難。一般來說，應該選取足夠大的接觸剛度以保證接觸穿透小到可以接受，但同時又應該讓接觸剛度足夠小以不致引起總剛矩陣的病態(tài)而保證收斂性。ANSYS 程序根據下伏柔體單元的材料特性，來估計一個缺省的接觸剛度值。用戶可用實常數 FKN 來為接觸剛度指定一個比例因子或指定一個絕對值。比例因子一般在0.01和10之間；對于大變形問題，選1是比較好的；而對于彎曲為主的問題，通常為0.010.1。用戶應當總是檢驗以使穿透到達極小值，而又避免過多的迭代次數。注意-FTOLN 和 FKN 從一個荷載步到另一個荷載步中，都可以修改。也可以在重

45、啟動中修改。這時，必須定義KEYOPT(10)=1,2。為了確定一個較好的接觸剛度值，可能需要一些經驗。用戶可以按下面的步驟來進行嘗試：1、開始時取一個較低的值。低估值要比高估值好，因為由一個較低的接觸剛度導致的穿透問題，比過高的接觸剛度導致的收斂性困難，要容易解決。2、對前幾個子步進行計算分析，直到最終荷載的一個比例(剛好完全建立接觸)。3、檢查每一子步中的穿透量和平衡迭代次數。如果總體收斂困難是由過大的穿透引起的(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，或者是將 FTOLN 的值取得大小。如果總體的收斂困難是由于不平衡力和位移增量達到收斂值時需要過多的迭代次數，而不

46、是由于過大的穿透量引起的，那么 FKN 的值可能被高估。4、按需要調整 FKN 或 FTOLN 的值，重新進行完整的分析。注意-如果穿透控制變成總體平衡迭代中的主因(如果為使問題收斂到穿透容差內，比收斂到不平衡力的容差內，需要更多的迭代)，用戶應該增大 FTOLN 值，以允許更多的穿透，或增大 FKN。5.4.9.5選擇摩擦類型在基本的庫侖摩擦模型中，兩個接觸面在開始相互滑動之前，在它們的界面上會有達到某一大小的剪應力產生。這種狀態(tài)稱為粘合狀態(tài)(stick)。庫侖摩擦模型定義了一個等效剪應力，在某一法向壓應力p作用下剪應力達到此值時表面開始滑動 (=p+COHE，其中是摩擦系數-MU-作為材料

47、特性定義，而 COHE 是粘聚力)。一旦剪應力超過此值后，兩個表面之間將開始相互滑動。這種狀態(tài)，叫作滑動狀態(tài)(Sliding)。粘合/滑動計算決定什么時候一個點從粘合狀態(tài)到滑動狀態(tài)，或從滑動狀態(tài)變到粘合狀態(tài)。摩擦系數可以是任一非負值，程序缺省值為表面之間無摩擦。對于粗糙或綁定接觸( KEYOPT(12)=1、3、5、6)，程序將不管給定的 MU 值而認為摩擦阻力無限大。程序提供了一個人為指定最大等效剪應力的選項，不管接觸壓力值的大小，如果等效剪應力達到此值時，即發(fā)生滑動，見圖5-9。為了指定接觸界面上最大容許剪應力，設置常數 TAUMAX (缺省為1.0E20)。這個剪應力極限，通常用于在接觸

48、壓力非常大的時候(如在某些加工過程中)的一些情況，以至于用庫侖理論計算出的界面剪應力超過了材料的屈服極限。TAUMAX 的一個合理上限估值為(是表面附近材料的 von Mises屈服應力)。經驗數據有助于決定 TAUMAX 的值。圖5-9摩擦模式5.4.9.5.1 靜、動摩擦系數摩擦系數依賴于接觸面的相對滑動速度，通常靜摩擦系數高于動摩擦系數。ANSYS提供了如下表示的指數衰減摩擦模型：其中： 為摩擦系數。 MU動摩擦系數，用MP命令輸入。 FACT是靜摩擦系數與動摩擦系數之比，缺省為最小值1.0。 DC為衰減系數，缺省為0.0，單位為time/length。因此，時間在靜態(tài)分析中有一些意義。

49、 是ANSYS計算的滑動速度。如果知道靜、動摩擦系數和至少一個數據點（，），則可以確定摩擦衰減系數為： 如果不指定衰減系數，且FACT大于1.0，當接觸進入滑動狀態(tài)時，摩擦系數會從靜摩擦系數突變到動摩擦系數，這種行為類似于CONTAC46和CONTAC49單元所用的動摩擦模型，因為這會導致收斂困難，所以不建議采用。5.4.9.5.2 對稱、不對稱求解器對無摩擦、粗糙和綁定接觸，接觸單元剛度矩陣是對稱的。而涉及到摩擦的接觸問題產生一個不對稱的剛度。在每次迭代使用不對稱的求解器，比對稱的求解器需要更多的計算時間。因此ANSYS程序采用對稱化算法。通過采用這種算法大多數摩擦接觸問題，能夠使用對稱系統(tǒng)

50、的求解器來求解。如果摩擦應力在整個位移場內有相當大的影響，并且摩擦應力的大小高度依賴于求解過程，則對剛度陣的任何對稱近似都可能導致收斂性降低。在這種情況下，選擇不對稱求解選項(NROPT,UNSYM)來改善收斂性。5.4.9.6選擇接觸檢查的位置接觸檢查點位于接觸單元的積分點上。在積分點上，接觸單元不穿透進入目標面。然而，目標面能穿透進入接觸面。見圖5-10。圖5-10接觸檢查點位于高斯積分點上圖5-11接觸檢查點位于節(jié)點上ANSYS面面接觸單元使用高斯積分點作為缺省值，高斯積分點通常會比 Newton-Cotes/Lobatto 節(jié)點積分方案產生更精確的結果，Newton-cotes/Lob

51、atto 用節(jié)點本身作為積分點。通過KEYOPT(4)來選擇用戶想使用的方法。這一選項僅適用于低階接觸( CONTAC171 和 CONTAC173)。然而，使用節(jié)點本身作為積分點僅應該用于角接觸問題(看圖5-11)。注意，使用節(jié)點作為接觸檢查點可能會導致其它收斂性問題，例如“滑脫”(節(jié)點滑出目標面的邊界)，見圖5-12。對大多數的點面的接觸問題，我們推薦使用其它的點面的接觸單元，例如CONTAC26、CONTAC48 和 CONTAC49。見本書§5.5。 圖5-12節(jié)點滑脫5.4.9.7調整初始接觸條件在動態(tài)分析中，剛體運動一般不會引起問題。然而在靜力分析中，當物體沒有足夠的約束

52、時會產生剛體運動，有可能引起錯誤而終止計算。在僅僅通過接觸的出現來約束剛體運動時，必須保證在初始幾何體中，接觸對是接觸的。換句話說，用戶要建立模型以便接觸對是“剛好接觸”的。然而這樣做，可能會遇到以下問題：剛體外形常常是復雜的，很難決定第一個接觸點發(fā)生在哪兒。既使實體模型在初始時處于接觸狀態(tài)，在網格劃分后由于數值舍入誤差，兩個面的單元網格之間也可能會產生小縫隙。接觸單元的積分點和目標單元之間可能有小縫隙。同理，在目標面和接觸面之間可能發(fā)生過大的初始穿透。在這種情況下，接觸單元可能會高估接觸力，導致不收斂或接觸面之間脫開接觸關系。定義初始接觸也許是建立接觸分析模型時最重要的方面。因此，程序提供了

53、幾種方法來調整接觸對的初始接觸條件。注意：下面的技巧可以在開始分析時獨立執(zhí)行，或幾個聯(lián)合起來執(zhí)行。它們是為了消除由于生成網格造成的數值舍入誤差而引起的小間隙或穿透，而不是為了改正網格或幾何數據的錯誤。1、應用實常數 CNOF 來指定一個接觸面偏移。指定正的值來使整個接觸面偏向目標面。 指定負的值來使接觸面離開目標面。ANSYS 能夠自動提供 CNOF 值到剛好閉合間隙或減少初始穿透。如下設置KEYOPT(5)：=1: 閉合間隙；=2: 減少初始穿透；=3: 閉合間隙或減少初始穿透。如果設置了 KEYOPT(5)>0 ，則 ICONT 缺省值為0。2、使用實常數 ICONT 來指定一個小的

54、初始接觸環(huán)，初始接觸環(huán)是指沿著目標面的“調整環(huán)”的深度。如果沒有人為指定 ICONT 的值，程序會根據幾何尺寸來給 ICONT 提供一個小值(但有意義的值)，同時輸出一個表示什么值被指定的警告信息。 ICONT 正值表示相對于下層單元厚度的比例因子；負值表示接觸環(huán)的絕對值。任何落在“調整環(huán)”域內的接觸檢查點被自動移到目標面上，(參見圖5-13a)。建議使用一個十分小的 ICONT 值，否則可能會發(fā)生嚴重不連續(xù)(看圖5-13b) 圖5-13用ICON進行接觸面的調整。(a)調整前;(b)調整后CNOF 與 ICONT 之間的差別，是前者把整個接觸面移動 CNOF 的距離，而后者把所有初始分開的(剛好位于調整環(huán) ICONT 內的)接觸點向目標面移動。如果用戶應用其他方法來平衡初始未約束的自由體(如 FTOLN, PINB, PMAX 和 PMIN)，基本上消除ICONT 的影響(把它關聯(lián)一個很小的值，如1E-20)，是一個好辦法。但是，設置 ICONT=0，并不會關閉它。而是導致 ANSYS 用缺省值代替。當與其他約束自由體的方法聯(lián)用時，這反過來可能不能達到效果。3、使用實常數 PMIN 和 PMAX 來指定初始容許的穿透范圍。當指定 PMAX 或 PMIN 后，在開始分析時，