非線性接觸分析

接觸分析接觸問題是一種高度非線性行為，需要較大的計算資源，為了進行實為有效的計算，理解問題的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，在你求解問題之前，你不知道接觸區(qū)域，表面之間是接觸或分開是未知的，突然變化的，這隨載荷、材料、邊界條件和其它因素而定；其二，大多的接觸問題需要計算摩擦，有幾種摩擦和模型供你挑選，它們都是非線性的，摩擦使問題的收斂性變得困難。一般的接觸分類接觸問題分為兩種基本類型：剛體一柔體的接觸，半柔體一柔體的接觸，在剛體一柔體的接觸問題中，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，問題可以被假定為剛體一柔體的接觸，許多金屬成形問題歸為此類接觸，另一類，柔體一柔體的接觸，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（有近似的剛度）。ANSYS接觸能力ANSYS支持三種接觸方式：點一點，點一面，平面一面，每種接觸方式使用的接觸單元適用于某類問題。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，模型的對立應(yīng)組元是一個結(jié)點。如果相互作用的其中之一是一個面，模型的對應(yīng)組元是單元，例如梁單元，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匹對，接觸單元是覆蓋在分析模型接觸面之上的一層單元，至于ANSTS使用的接觸單元和使用它們的過程，下面分類詳述。點一點接觸單元點一點接觸單元主要用于模擬點一點的接觸行為，為了使用點一點的接觸單元，你需要預(yù)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）如果兩個面上的結(jié)點一一對應(yīng)，相對滑動又以忽略不計，兩個面撓度（轉(zhuǎn)動）保持小量，那么可以用點一點的接觸單元來求解面一面的接觸問題，過盈裝配問題是一個用點一點的接觸單元來模擬面一與的接觸問題的典型例子。點一面接觸單元點一面接觸單元主要用于給點一面的接觸行為建模，例如兩根梁的相互接觸。如果通過一組結(jié)點來定義接觸面，生成多個單元，那么可以通過點一面的接觸單元來模擬面一面的接觸問題，面即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到插座里。使用這類接觸單元，不需要預(yù)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。Contact48和Contact49都是點一面的接觸單元，Contact26用來模擬柔性點一剛性面的接觸，對有不連續(xù)的剛性面的問題，不推薦采用Contact26因為可能導(dǎo)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。面一面的接觸單元ANSYS支持剛體一柔體的面一面的接觸單元，剛性面被當作“目標”面，分別用Targe169和Targe170來模擬2—D和3—D的“目標”面，柔性體的表面被當作“接觸”面，用Conta171,Conta172,Conta173,Conta174來模擬。一個目標單元和一個接單元叫作一個“接觸對”程序通過一個共享的實常號來識別“接觸對”，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的號。與點一面接觸單元相比，面一面接觸單元有好幾項優(yōu)點，-支持低階和高階單元-支持有大滑動和摩擦的大變形，協(xié)調(diào)剛度陣計算，單元提法不對稱剛度陣的選項。-提供工程目的采用的更好的接觸結(jié)果，例如法向壓力和摩擦應(yīng)力。-沒有剛體表面形狀的限制，剛體表面的光滑性不是必須允許有自然的或網(wǎng)格離散引起的表面不連續(xù)。?與點一面接觸單元比，需要較多的接觸單元，因而造成需要較小的磁盤空間和CPU時間。?允許多種建模控制，例如：?綁定接觸?漸變初始滲透?目標面自動移動到補始接觸?平移接觸面（老虎梁和單元的厚度）?支持死活單元使用這些單元，能模擬直線（面）和曲線（面），通常用簡單的幾何形狀例如圓、拋物線、球、圓錐、圓柱采模擬曲面，更復(fù)雜的剛體形狀能使用特殊的前處理技巧來建模。執(zhí)行接觸分析不同的接觸分析類型有不同的過程，下面分別討論面一面的接觸分析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，對剛體一柔體的接觸，“目標”面總是剛性的，“接觸”面總是柔性面，這兩個面合起來叫作“接觸對”使用Targe169和Conta171或Conta172來定義2-D接觸對，使用Targe170和Conta173或Conta174來定義3-D接觸對，程序通過相同的實常收號來識別“接觸對”。接觸分析的步驟：執(zhí)行一個典型的面一面接觸分析的基本步驟列示如下：1-建立模型，并劃分網(wǎng)格識別接觸對定義剛性目標面定義柔性接觸面5-設(shè)置單元關(guān)鍵字和實常的6-定義/控制剛性目標面的運動-給定必須的邊界條件-定義求解選項和載荷步求解接觸問題查看結(jié)果步驟1：建立模型，并劃分網(wǎng)格在這一步中，你需要建立代表接觸體幾何形狀的實體模型。與其它分析過程一樣，設(shè)置單元類型，實常的，材料特性。用恰當?shù)膯卧愋徒o接觸體劃分網(wǎng)格。命令：AMESHVMESHGUI：MainMenu>Preprocessor>mesh>Mapped>3or4SidedMainMenu>Pneprocessor>mesh>mapped>4or6sided步驟二：識別接觸對你必須認識到，模型在變形期間哪些地方可能發(fā)生接觸，一是你已經(jīng)識別出潛在的接觸面，你應(yīng)該通過目標單元和接觸單元來定義它們，目標和接觸單元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號聯(lián)系起來。接觸環(huán)（區(qū)域）可以任意定義，然而為了更有效的進行計算（主要指CPU時間）你可能想定義更小的局部化的接觸環(huán)，但能保證它足以描述所需要的接觸行為，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)號沒有變化）。由于幾何模型和潛在變形的多樣形，有時候一個接觸面的同一區(qū)域可能和多個目標面產(chǎn)生接觸關(guān)系。在這種情況下，應(yīng)該定義多個接觸對（使用多組覆蓋層接觸單元）。每個接觸對有不同的實常數(shù)號。步驟三：定義剛性目標面剛性目標面可能是2-D的或3-D的。在2-D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TAPGE169來表示。另外，可以使用它們的任意組合來描述復(fù)雜的目標面。在3—D情況下，目標面的形狀可以通過三角面，圓柱面，圓錐面和球面來推述，所有這些都可以用TAPGE170來表示，對于一個復(fù)雜的，任意形狀的目標面，應(yīng)該使用三角面來給它建模?？刂平Y(jié)點(Pilot剛性目標面可能會和“pilot結(jié)點“聯(lián)系起來，它實際上是一個只有一個結(jié)點的單元，通過這個結(jié)點的運動可以控制整個目標面的運動，因此可以把pilot結(jié)點作為剛性目標的控制器。整個目標面的受力和轉(zhuǎn)動情況可以通過pilot結(jié)點表示出來，“pilot結(jié)點”可能是目標單元中的一個結(jié)點，也可能是一個任意位置的結(jié)點，只有當需要轉(zhuǎn)動或力矩載荷時，“pilot結(jié)點”的位置才是重要的，如果你定義了“pilot結(jié)點”ANSYS程序只在“pilot結(jié)點”上檢查邊界條件，而忽略其它結(jié)點上的任何約束。對于圓、圓柱、圓錐、和球的基本圖段，ANSYS總是使用條一個結(jié)點作為“pilot結(jié)點”基本原型你能夠使用基本幾形狀來模擬目標面，例如：“圓、圓柱、圓錐、球。直線、拋物線、弧線、和三角形不被允許、雖然你不能把這些基本原型彼此合在一起，或者是把它們和其它的目標形狀合在一起以便形成一個同一實常數(shù)號的復(fù)雜目標面。但你可以給每個基本原型指定它自己的實常的號。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(TARG169或TARG170)。命令：ETGUI:mainmenu>preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete隨后必須設(shè)置目標單元的實常數(shù)。命令:RealGUI:mainmenn>preprocessor>realconstants對TARGE169和TARGE170僅需設(shè)置實常數(shù)R1和R2，而只有在使用直接生成法建立目標單元時，才需要從為指定實常數(shù)R1、R2,另外除了直接生成法，你也可以使用ANSYS網(wǎng)格劃分工具生成目標單元，下面解釋這兩種方法。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路徑。命令：TSHAPGUI：mainmenu>preprocessor>modeling-create>Elements>ElemAttributes隨后指定單元形狀，可能的形狀有：straightline(2D)parabola(2-D)clockwisearc(2-D)counterclokwisearc(2-D)circle(2-D)Triangle(3-D)Cylinder(3-D)Cone(3-D)Sphere(3-D)Pilotnode(2-D和3-D)一旦你指定目標單元形狀，所有以后生成的單元都將保持這個形狀，除非你指定另外一種形狀。然后你就可以使用標準的ANSYS直接生成技術(shù)生成結(jié)點和單元。命令：NEGUI：mainmenu>pnoprocessor>modeling-create>nodesmainmenu>pnoprocessor>modeling-create>Elements在建立單元之后，你可以通過列示單元來驗證單元形狀命令：ELISTGUI：utilitymenu>list>Elements>Nodes+Attributes使用ANSYS網(wǎng)格劃分工具生成剛性目標單元你也可以使用標準的ANSYS網(wǎng)格劃分功能讓程序自動地生成目標單元，ANSYS程序?qū)詫嶓w模型為基礎(chǔ)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“PILOT結(jié)點”使用下面的命令或GUI路徑：命令：KmeshGUI：mainmenu>proprocessor>meshing-mesh>keypoints注意：KMESH總是生成“PILOT結(jié)點”為了生成一個2—D目標單元，使用下面的命令和GUI路徑：ANSYS在每條直線上生成一條單一的線，在樣條曲線上生成拋物線部分，在每條圓弧和倒角上生成圓弧部分，如果所有的圓弧形成一個封閉的圓，ANSYS生成一個單一的圓段。命令：LMESHGUI：mainmenu>pneprocessor>mesling-mesh>lines為了生成3—D的目標單元，使用下面的命令或GUI路徑。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程序自動生成一個基本的3—D目標單元，因為生成較少的單元，從而使你分析計算更有效率，對任意形狀的表面，應(yīng)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)量不是重要的，而目標單元的形狀是否能完成好的模擬剛性面的表面幾何形狀顯得更重要。命令：AMESHGUI：mainmenu>preprocessor>-meshing-mesh>AreaANSYS在所有可能的面上推薦使用三角形的映射網(wǎng)格劃分，如果在表面的邊界上沒有曲率，則在網(wǎng)格劃分時，指定那條邊界分為一分，下面的命令或GUI路徑將盡可能的生成一個映射網(wǎng)格（如果不能進行映射，它將生成自由網(wǎng)格）命令：MSHKFY，2GUI：mainmenu>preprocessor>-meshling-mesh>-Ares-TargetSurf建模和網(wǎng)格劃分的注意點：一個目標面可能由兩個或多個面斷的區(qū)域組成，你應(yīng)該盡可能地通過定義多個目標面來使接觸區(qū)域局部比（每個目標面有一個不同的實常數(shù)號）剛性目標面上由的離散能足夠指述出目標面的形狀，過粗的網(wǎng)格離散可能導(dǎo)致收斂問題。如果剛性面有一個實的凸角，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比，或者在曲率突然變化的區(qū)域使用更細的網(wǎng)格。注意：不能使用鏡面對稱技術(shù)（ARSYSM，LSYMM）來映射圓、圓柱、圓錐或球面到對稱平面的另一邊，因為每個實常數(shù)的設(shè)置不能同時賦給多個基本原型段。檢驗?zāi)繕嗣娴慕佑|方向。目標面的結(jié)點號順序是重要的，因為它定義了接觸主向，對2—D接觸問題，當沿著目標線從第一個結(jié)點移向第二個結(jié)點時，變形體的接觸單元必須位于目標面的右邊。對3—D接觸問題，目標三角形單元號應(yīng)該使剛性面的外法線方向指向接觸面，外法線通過右手原則來定義為了檢查法線方向，顯示單元坐標系命令：/PSYMS，ESYS，1GUI：Utilitymenu>plotctrls>symbols如果單元法向不指向接觸面，選擇單元反轉(zhuǎn)表面的法向的方向。命令：ESURF，，REVEGUI：mainmenu>preprocossor>create>Element>onfreesurf步驟4：定義柔性體的接觸面為了定義柔性體的接觸面，必須使用接觸單元CONFA171或CONFA172（對2—D）或CONTA173或CONTA174（對3—D）來定義表面程序通過組成變形體表面的接觸單元來定義接觸表面，接觸單元與下面覆蓋的變形體單元有同樣的幾何特性，接觸單元與下面覆蓋的變形體單元必須處于同一階次（低階或高階）下面的變形體單元可能是實體單元、殼單元、梁單元或超單元，接觸面可能殼或梁單元任何—邊。與目標面單元一樣，你必須定義接觸面的單元類型，然后選擇正確的實常數(shù)號（實常數(shù)號必須與它對應(yīng)目標的實常數(shù)號相同）最后生成接觸單元。單元類型：下面簡單描述四種類型的接觸單元CONTA171：這是一種2—D,2個結(jié)點的低附線單元，可能位于2—D實體，殼或梁單元的表面CONTA172：這是一個2—D的，3結(jié)點的高階拋物線形單元，可能位于有中結(jié)點的2—D實體或梁單元的表面CONTA173：這是一個3—D的，4結(jié)點的低階四邊形單元可能位于3—D實體或殼單元的表面，它可能褪化成一個結(jié)點的三角形單元。CONTA174：這是一個3—D，8結(jié)點的高階四邊形單元，可能位于有中結(jié)點的3—D實體或殼單元的表面，它可能褪化成6結(jié)點的三角形單元。不能在高階柔性體單元的表面上分成低階接觸單元，反之也不行，不能在高階接觸單元上消去中結(jié)點。命令：ETGUI：mainmenu>preprocessor>Elementtype>Add/Edit/Delete實常數(shù)和材料特性在定義了單元類型之后，需要選擇正確的實常數(shù)的設(shè)置，每個接觸對的接觸面和目標面必須有相同的實常數(shù)號，而每個接觸對必須有它自己不同的實常數(shù)號。ANSYS使用下面柔性體單元的材料特性來計算一個合適的接觸（或罰）剛度，如果下面的單元是一個超單元。接觸單元的材料的設(shè)置必須與超單元形成時的原始結(jié)構(gòu)單元相同，生成接觸單元。我們既可以通過直接生成法生成接觸單元，也可以在柔性體單元的外表面上自動生成接觸單元，我們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生成接觸單元1、選擇結(jié)點選擇已劃分網(wǎng)格的柔性體表面的結(jié)果，如果你確定某一部分結(jié)點永遠不會接觸到目標面，你可以忽略它以便減少計算時間，然而，你必須保證設(shè)有漏掉可能會接觸到目標面的結(jié)點。命令：NSELGUI：mainmenu>preprocessor>create>Element>on>freesurf2、生成接觸單元命令：ESURFGUI：mainmenu>preprocessor>create>Element>onfreesurf如果接觸單元是附在已用實體單元劃分網(wǎng)格的面或體上，程序會自動決定接觸計算所需的外法向，如果下面的單元是梁或殼單元，則必須指明哪個表面（上表面或下表面）是接觸面命令：ESURF，TOPORBOTIOMGUI：mainmenu>preprocessor>create>Element>onfreesurf使用上表面生成接觸單元，則它們的外法向與梁或殼單元的法向相同，使用下表面生成接觸單元，則它們的外法向與梁或殼單元的法向相反，如果下面的單元是實體單元，則TOP或BOTTOM選項不起作用3、檢查接觸單元外法線的方向，當程序進行是否接觸的檢查時，接觸面的外法線方向是重要的，對3—D單元，按結(jié)點程序號以右手定則來決定單元的外法向，接面的外法向應(yīng)該指向目標面，否則，在開始分析計算時，程序可能會認為有面的過度滲透而很難找到初始解。在此情況下，程序一般會立即停止執(zhí)行，你可以檢查單元外法線方向是否正確。命令：/PSYMBGUI：Utilitymenu>plotctrls>symbols當發(fā)現(xiàn)單元的外法線方向不正確時，必須通過倒不正確單元的結(jié)點號來改變它們。

命令：ESURF,REVEGUI：mainmenu>preprocossor>Create>Elementsonfreesurf步驟5：設(shè)置實常數(shù)和單元關(guān)鍵字程序使用九個實常數(shù)和好幾個單元關(guān)鍵字來控制面一面接觸單元的接觸行為。實常數(shù)9個實常數(shù)中，兩個(R1和R2)用采定義目標面單元的幾何形狀，乘下的7個用來控制接觸行為。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定義最大的滲透范圍ICONT定義初始靠近因子PINB定義“Pinball"區(qū)域PMIN和PMAX定義初始滲透的容許范圍TAUMAR指定最大的接觸摩擦命令：RGUI：mainmenu>preprocessor>realconstant對實常數(shù)FKN，F(xiàn)TOLN，ICONT，PINB，PMAX，和PMIN，你既可以定義一個正值也可以定義一個負值，程序?qū)⒄底鳛楸壤蜃?，將負值作為真實值，程序?qū)⑾旅娓采w原單元的厚度作為ICON，F(xiàn)TOLN，PINB，PMAX和PMIN的參考值，例如對ICON，0.1表明初始間隙因子是0.1*下面覆蓋層單元的厚度。然而，-0.1表明真實縫隙是0.1，如果下面覆蓋層單元是超單元，則將接觸單元的最小長度作為厚度。單元關(guān)鍵字每種接觸單元都飯知好幾個關(guān)鍵字，對大多的接觸問題缺省的關(guān)鍵字是合適的，而在某些情況下，可能需要改變?nèi)笔≈?，來控制接觸行為。接觸算法(罰函數(shù)+拉格郎日或罰函數(shù))(KEYOPT(2))出現(xiàn)超單元時的應(yīng)力狀態(tài)(DEYOPT(3))(KEYOPI(KEYOPI(4))(KEYOPT(6))(KEYOPT(7))(KEYOPT(9))(KEYOPT(12))剛度矩陣的選擇時間步長控制初始滲透影響接觸表面情況命令：KEYOPTETGUI：mainmenu>preprocessor>ElemantType>Add/Edit/Delete選擇接觸算法：對面一面的接觸單元，程序可以使用擴增的拉格朗日算法或罰函數(shù)方法，通過使用單元關(guān)鍵字KETOPT(2)來指定。擴張的拉格朗日算法是為了找到精確的拉格朗日乘子而對罰函數(shù)修正項進行反復(fù)迭代，與罰函數(shù)的方法相比，拉格朗日方法不易引起病態(tài)條件，對接觸剛度的靈敏度較小，然而，在有些分析中，擴增的拉格朗日方法可能需要更多的迭代，特別是在變形后網(wǎng)格變得太扭曲時。使用拉格朗日算法的同時應(yīng)使用實常數(shù)FTOLNFTOLN為搠格朗日算法指定容許的最大滲艉，如果程序發(fā)現(xiàn)滲透大于此值時，即使不平衡力和位移增量已經(jīng)滿足了收斂準則，總的求解仍被當作不收斂處理，F(xiàn)TLON的缺省值為0.1，你可以改變這個值，但要注意如果此值太小可能會造成太多的迭代次數(shù)或者不收斂。決定接觸剛度所有的接觸問題都需要定義接觸剛度，兩個表面之間滲量的大小取決了接觸剛度，過大的接觸剛度可能會引起總剛矩陣的病態(tài)，而造成收斂困難，一般來諮，應(yīng)該選取足夠大的接觸剛度以保證接觸滲透小到可以接受，但同時又應(yīng)該讓接觸剛度足夠小以使不會引起總剛矩陣的病態(tài)問題而保證收斂性。程序會根據(jù)變形體單元的材料特性來估計一個缺省的接觸剛度值，你能夠用實常數(shù)FKN來為接觸剛度指定一個比例因子或指定一個真正的值，比例因子一般在0.01和10之間，當避免過多的迭代次數(shù)時，應(yīng)該盡量使?jié)B透到達極小值。為了取得一個較好的接觸剛度值，又可需要一些經(jīng)驗，你可以按下面的步驟過行。1、開始時取一個較低的值，低估些值要比高估些值好因為由一個較低的接觸剛度導(dǎo)致的滲透問題要比過高的接觸剛度導(dǎo)致的收斂性困難，要容易解決。2、對前幾個子步進行計算3、檢查滲透量和每一子步中的平衡迭代次數(shù)，如果總體收斂困難是由過大的滲透引起的（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需要過多的迭代次數(shù)，而不是由于過大的滲透量，那么FKN的值可能被高估。4、按需要調(diào)查FKN或FTOLN的值，重新分析。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(yīng)力產(chǎn)生，這種狀態(tài)則作粘合狀態(tài)（stick）庫侖摩擦模型定義了一個等效剪應(yīng)力。一旦剪應(yīng)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(shù)可以是任一非負值。程序缺省值為表面之間無摩擦，對rough或bonded接觸（KEYOPT（2）=1（或3），程序?qū)⒉还芙o定的MV值而認為摩擦阻力無限大。程序提供了一個不管接觸壓力的故而人為指定最大等效剪應(yīng)力的選項，如果等效剪應(yīng)力達到此值時，滑動發(fā)生?？磮D，4-1，為了指定接觸界面上最大許可剪應(yīng)力，設(shè)置常數(shù)TAUMAX（缺省為1.0E20），這種限制剪應(yīng)力的情況一般用于接觸壓力非常大的時候，以至于用庫侖理論計算出的界面剪應(yīng)力超過了材料的屈服極限。一對TAUMAX的一個合理高估為一^（r^是材料的mises屈服應(yīng)力）。V3V3圖4一1摩擦模式對無摩擦rough和bonded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(chǎn)生一個不對稱的剛度，而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的摩擦接觸問題能夠使用對稱系統(tǒng)的求解器來求解。如果摩擦應(yīng)力在整個位移范圍內(nèi)有相當大的影響，并且摩擦應(yīng)力的大小高度依賴于求解過程。對剛度陣的任何對稱近似都可能導(dǎo)致收斂性的降低，在這種情況下，選擇不對稱求解選項（KEYOPT（6）=1）來改善收斂性。選擇檢查接觸與否的位置接觸檢查點位于接觸單元的積分點上，在積分點上，接觸單元不滲透進入目標面，然而，目標面能滲透進入接觸面，看圖4—2。

ANSYS面一接觸單元使用GAUSSANSYS面一接觸單元使用GAUSS積分點作為缺省值，GAUSS積分點通常會比Newton-Cotes/robatto結(jié)點積分項產(chǎn)生更精確的結(jié)果，Newton-cotes/lobatto使用結(jié)點本身作為積分點，通過KEYOPT(4)來選擇，你想使用的方法，然而，使用結(jié)點本身作為積分點僅然而，使用結(jié)點作為接觸發(fā)現(xiàn)點，可能會導(dǎo)致其它的收斂性問題，例如“滑脫”(結(jié)點滑下目標面的邊界)看圖4一4,對大多的點一面的接觸問題，我們推薦使用其它的點一面的接觸單元，例如CONTA2&CONTA48和CONTA49。ajiililue^

ajiililue^圖4—4結(jié)點滑脫調(diào)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時會產(chǎn)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(xiàn)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，你要建立模型以便接觸對是“剛好接觸”的，然而這樣作可能會遇到以下問題：?剛體外形常常是復(fù)雜的，很難決定第一個接觸點發(fā)生在哪兒?既使實體模型是在初始接觸狀態(tài)，在網(wǎng)格劃分后余于數(shù)值舍入誤差；兩個面的單元網(wǎng)格之間也可能會產(chǎn)生小的縫隙。?接觸單元的積分點和目標單元之間可能有小的縫隙。同理，在目標面和接觸面之間可能發(fā)生過大的初始滲透，在這種情況下，接觸單元可能會高估接觸力，導(dǎo)致不收斂或民接觸面之間脫離開接觸關(guān)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，程序提供了幾種方法來調(diào)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)行成幾個聯(lián)合起來執(zhí)行，它們是為了消除由于生成網(wǎng)格造成的數(shù)值舍入誤差而引起的小縫隙或滲透，而不是為了改正網(wǎng)格或幾何數(shù)據(jù)的錯誤。1、使用實常數(shù)ICONT來指定一個好的初始接觸環(huán)，初始接觸環(huán)是指沿著目標面的“調(diào)整環(huán)”的深度，如果沒有人為指定ICONT的值，程序會根據(jù)幾何尺寸來給ICONT提供一個小值，同時輸出一個表時什么值被指定的警告信息，對ICONT一個正值表示相對于下面變形體單元厚度的比例因子，一個負值表示接觸環(huán)的真正值，任何落在“調(diào)整環(huán)”敬域內(nèi)的接觸檢查點被自動移到目標面上，(看圖4—5(a))建議使用一個小的ICONT值否則，可能會發(fā)生大的不連續(xù)(看圖4—5(b))ContactsurfaceRigidbodyInitialcontactclosureTargetsurface圖4—5用ICON進行接觸面的調(diào)整調(diào)整前調(diào)整后2、使用實常數(shù)PMIN和PMAX來指定初始容許的滲透范圍，當指定PMAX或PMIN后，在開始分析時，程序會將目標面移到初始接觸狀態(tài)，如果初始滲透大于PMAX，程序會調(diào)整目標面的減少滲透，接觸狀態(tài)的初始調(diào)節(jié)僅僅通過平移來實現(xiàn)。ICONT提供一個小值，同時輸出一個表時什么值被指定的警告信息，對ICONT一個正值表示相對于下面變形體單元厚度的比例因子，一個負值表示接觸環(huán)的真正值，任何落在“調(diào)整環(huán)”敬域內(nèi)的接觸檢查點被自動移到目標面上，(看圖4—5(a))建議使用一個小的ICONT值否則，可能會發(fā)生大的不連續(xù)(看圖4—5(b))ContactsurfaceRigidbodyInitialcontactclosureTargetsurface對給定載或給定位移的剛性目標面將會執(zhí)行初始接觸狀態(tài)的初始調(diào)節(jié)。同樣，對沒有指定邊界條件的目標面也可以進行初始接觸的調(diào)整。當目標面上的節(jié)點，有給的零位移值時，使用PMAX和PMIN的初始調(diào)節(jié)將不會被執(zhí)

行。注意：ANSYS程序獨立地處理目標面上節(jié)點的自由度，例如：如果你指定自中度UX值為“0”，那么，沿著X方向就沒有初始調(diào)查，然而，在Y和Z方向仍然會激活PMAX和PMIN選項。初始狀態(tài)調(diào)整是一個迭代過程，程序最多進行20次迭代，如果目標面不能進入可接受的滲透范圍，程序會給出一個警告信息，你可能需要調(diào)整你的初始幾何模型。圖4-6給出了一個初始接觸調(diào)整迭代失敗的例子。目標面的UY被約束住。因此，初始接觸唯一容許的調(diào)整是在X方向，然而，在這個問題中，剛性目標面在X方向的任何運動都不會引起初始接觸。圖4—6一個初始調(diào)整失敗的例子3、設(shè)置KEYOPI(9)=1來消除初始滲透，看圖4—7。ContactsurfaceRigidbody圖4—7消除初始始滲透在某些情況下，例如過盈裝配問題，期望有過度的滲，為了緩解收斂性困難，在第一個載荷步中設(shè)置KEYOTI(9)=2來使過度滲透漸進到0，看圖ContactsurfaceRigidbody圖4—7消除初始始滲透在某些情況下，例如過盈裝配問題，期望有過度的滲，為了緩解收斂性困難，在第一個載荷步中設(shè)置KEYOTI(9)=2來使過度滲透漸進到0，看圖4—8。當使用這種方法時，在第一個載步中不要給定其它任何載荷，也就是說要保證載荷是漸進的(KBC，0)一1BeginningoframpingstepMiddleoframpingstepRigidbody—TargetsurfaceRigidbodyEndoframpingstepRigidbody在開始分析時，程序會給出每個目標面的初始接觸狀態(tài)的輸出信息，（在輸出窗口或輸出文件中），這個信息有助于決定每個目標面的最大滲透成最小間隙。對于給定的目標面如果沒有發(fā)現(xiàn)接觸，可能是目標面離接觸面太遠（超出了Piaball區(qū)域或者是接觸/目標單元已經(jīng)被殺死。決定接觸狀態(tài)和Pinball區(qū)域。接觸單元相對于目標面的運動和位置決定了接觸單元的狀態(tài)；程序檢測每個接觸單元并給出一種狀態(tài)STAT=0未合的遠區(qū)接觸STAT=1未合的近區(qū)接觸STAT=2滑動接觸STAT=3粘合接觸當目標面進入pinball區(qū)域后，接觸單元就被當作未合上的近區(qū)域接觸，pinball區(qū)域是以接觸單元的積分點為中心的。使用實常數(shù)PINB來為pinball指定一個比例因子（正值）或其實值（負值），缺省時，程序?qū)inball區(qū)域定義為一個以4*變形體單元厚度為半徑的圓（對2-D問題）或球（對3-D問題）。檢查接觸的計算時間依賴于pinball區(qū)域的大小，遠區(qū)接觸單元的計算是簡單的且計算時間較少，近區(qū)接觸計算將要接觸的接觸單元是較慢的，并是較復(fù)雜，當單元已經(jīng)接觸時，計算最為復(fù)雜。如果剛性面有好幾個凸形區(qū)域，為了克服偽接觸定義，設(shè)置一個合適的pinball區(qū)域是有用的，名而對大多數(shù)問題，缺省值是合適的選擇表面作用模式通過設(shè)置kcyopt（12）來選擇下面的某種作用模式?法問單邊接觸(KEYOPT(12)=0)?.粗糙接觸，用來模擬無滑動的，表面相當粗糙的摩擦接觸問題，這種設(shè)置對應(yīng)于摩擦系數(shù)無限大(MU)，因此用戶定義的摩擦系的(MU)被忽略KEYOPT(12)=1)?.不分開的接觸，用來模擬那種一是接觸就再不分開的問題，這種不分開是指對法方接觸而言，允許有相對滑動。(KEYOPT(12)=2)?.綁定接觸用來模擬那種接觸一是發(fā)生表面在所省方向都被綁定的問題。一旦接觸就再也不能脫開也不允許有相對滑動(KEYOPT(12)=3)用超單元建立接觸模型面一面的接觸單元能模擬剛體和另一個有的運動的線單性體的接觸，而線單性體又以體用超單元來建模，這大大降低了進行接觸代的自由度數(shù)，記住任荷接觸結(jié)定都必須是超單元的主自由度。既然超單元僅僅由一組保留的結(jié)點自由度組成，它沒有用來定義接觸的表面幾何形狀，因此，必須在形成超單元之前在單元表面上成接觸單元，來自超單元的信息包括結(jié)點連結(jié)和組合剛度，但是沒有材料特性和應(yīng)力狀態(tài)，(是否軸支稱，平面應(yīng)力或平面應(yīng)變)，一個限制是接觸單元的材料特性設(shè)置必須與形成超單元之前的原始單元的材料特性相同。使用KEYOPT(3)來提供接觸分析的信息，對2—D單元(CONTA171CONTA172)關(guān)鍵字選項如下所示：?.不使用超單元(KETOPT(3)=0)?.軸對稱(KEYOPT(3)=1)?.平面應(yīng)變或單位厚度的平面應(yīng)力(KEYOPT(3)—2)?.需要厚度輸X的平面應(yīng)力(KEYOPT(3)=3)，對這種情況使用實常數(shù)的R2來指定指定厚度對3—D單元(CONTA173,CONTA174)關(guān)鍵字選項如下示：?使用H單元(KETOPI(3)=0)?使用超單元(KEYOPI(3)=1)考慮厚度影響程序夠用KEYOPI(11)來考慮殼(2-D和3-D)和梁(2-D)的厚度缺省時，程序不考慮單元厚度，用或中面來表示它。當設(shè)置KFTOPI(11)=1時則考慮梁或殼的厚度，從底面或頂面來計算接觸距離，建模時要考慮到厚度，記住剛性目標面會向任一邊移動，半個梁或殼單元的厚度，當使用殼單元181號時，在變形期間厚度的變化也將被考慮。使用時間步長控制時間步長控制是一個自動時間步長特征，這個特征預(yù)測什么時間接觸單元的狀態(tài)，將發(fā)生變化或者需要二分當前的時間步長，使用KEYOPT(7)來選擇下列四種行為之一來控制時間步長。KEYOPT(7)=0時不提供控制，KEYOPT(7)=3提供最多的控制。KEYOPI(7)=0，設(shè)有控制，時間步的大小不受預(yù)測影響，當自動時間步長被激活且允許一個很小的時間步長時，這個設(shè)置是合適的。KETOPI(7)=1如果一次迭代期間有太大的滲透發(fā)生或者接觸狀態(tài)突然變化，則進行時間步長二分。KEYOPI(7)=2對下一個子步預(yù)測一個合理的時間增量KETOPI(7)=3對下一個子步，預(yù)測一個最小的時間增量使用死活單元選項面一面的接觸單元允許激活或殺死單元，能夠在分析的某一階段中殺死這個單元而在以后的階段再重新激活它，這個特征對于模擬復(fù)雜的金屬戍形過程是有用的、在此過程的不同分析階段有多個目標需要和接觸面相互作用，回彈模擬常常需要在成形過程的后期移走剛性工具。步驟六：控制剛性目標的運動。按照物體的原始外形來建立的且整個表剛性目標面是面的運動是通過“pilot”結(jié)點上的給定來定義的，（如果沒有定義“pilot”結(jié)點，則通過剛性目標面上的不同結(jié)點。）為了控制整個目標面的運動，在下面的任何情況下都必須使用"pilot”結(jié)點。-目標面上作用著給定的外力-目標面發(fā)生旋轉(zhuǎn)-目標面和其它單元相連（例結(jié)構(gòu)質(zhì)量單元）"pilot”結(jié)點的厚度代表著整個剛性面的運動，你可以在"pilot"結(jié)點上給定邊界條件（位移、初速度）集中載轉(zhuǎn)動等等，為了考慮剛體的質(zhì)量，在"pilot"結(jié)點上定義一個質(zhì)量單元。當使用”pilot”結(jié)點時，記住下面的幾點局限性?每個目標面只能有一個“Pilot"的結(jié)點?.圓、圓錐、圓柱、球的第一個結(jié)點（結(jié)點工）是”pilot“結(jié)點，你不能另外定義或改變"pilot"結(jié)點??程序忽略不是"lilot"結(jié)點的所有其它結(jié)點上的邊條件。..只有“pilot”結(jié)點能與其它單元相連?.當定義了“pilot”結(jié)點后，不能使用約束方程（CF）或結(jié)點來耦合（CP）來控制目標面的自由度，如果你在剛性面上給定任意載荷或者約束，你必須定義“pilot”結(jié)點，是在"pilot"結(jié)點上加載，如果沒有使用“pilot”結(jié)點，則只能有剛體運動。在每個載步的開始，程序檢查每個目標面的邊界條件，如果下面的條件都滿足，那么程序?qū)⒛繕嗣孀鳛楣潭ㄌ幚恚?在目標面結(jié)點上沒有明確定義邊界條件或給定力??目標面結(jié)點沒有和其它單元相連..沒有目標面結(jié)上使用約束方程或結(jié)點來合在每個載體步的末尾，程序?qū)潘杀粌?nèi)部設(shè)置的約束條件步驟7：給變形體單元加必要的邊界條件現(xiàn)在可以按需要加上任你邊界條件。加載過程與其它的分析類型相同步驟8：定義求解和載步選項接觸問題的收斂性隨問題不同而不同，下面列式了一些典型的在大多數(shù)面一面的接觸分析中推薦使用的選項?時間步長必須足夠以描述適當?shù)慕佑|。如果時間步太大，則接觸力的光滑傳遞會被破壞，設(shè)置精確時間步長的可信賴的方法是打開自動時間步長。命令：Autots,onGUI：MainMenu>Solution>-loadstepopts-Time/Frequence>Time&Timestep/Time&substeps?.如果在迭代期間接觸狀態(tài)變化，可能發(fā)生不連續(xù)，為了避免收斂太慢，使用修改的剛度陣，將牛頓一拉普森選項設(shè)置成FULL命令：NROPT,FULL,,OFFGUI：MainMenu>Solution>Analysisoptions不要使用自下降因子，對面一面的問題，自適應(yīng)下降因子通常不會提供任何幫助，因此我們建議關(guān)掉它。?設(shè)置合理的平衡迭代次數(shù)，一個合理的平衡迭代次數(shù)通常在25和50之間命令：NEQITGUI：MainMenu>Solution>-loadstepopts-Nonlinear>Equilibriwmiter?因為大的時間增量會使代趨向于變得不穩(wěn)定，使用線性搜索選項來使計算穩(wěn)定化。命令：LNSRCHGUI：Mainmenu>solution>-loadstepopts-Nonlinear>linssearch?除非在大轉(zhuǎn)動和動態(tài)分析中，打開時間步長預(yù)測器選項命令：PREDGUI：mainmean>solarion>-loadstepopis-nonlinear>predictor?在接觸分析中許多不收斂問題是由于使用了太大的接觸剛度引起的，（實常數(shù)FKN）檢驗是否使用了合適的接觸剛度。步驟九：求解現(xiàn)在可以對接觸問題進行求解，求解過程與一般的非線問題求解過程相同第十步：檢查結(jié)果接觸分析的結(jié)果主要包括位移、應(yīng)力、應(yīng)變，支，和接觸信息（接觸壓力、滑動等）你可以在一般的后處理器（postl）或時間歷程后處理器（post26）中查看結(jié)果。注意點：為了在postl中查看結(jié)果，數(shù)據(jù)庫文件所包含的模型必須與用于求解的模型相同。必須存在結(jié)果文件在postl中查看結(jié)果從輸出文件中查看分析是否收斂。如果不收斂，你可能不想后處理，而更在乎為什么不收斂。如果已經(jīng)收斂，繼續(xù)后處理。進入postl如果你的模型不在當前的數(shù)據(jù)庫中，使用恢復(fù)命令（resume）來恢復(fù)它。命令：/postlGUI：mainmenu>Generalpostproc讀入所期望的載荷步和子步的結(jié)果，這可以通過載荷步和子步數(shù)也可以通過時間來實現(xiàn)。命令：SETGUI：mainmenu>generadpostproc使用下面的任何一個選項來顯示結(jié)果選項：顯示變形形狀態(tài)命令：PLDISPGUI：mainmenu>generalpostproc>plotresnltdeformedshape選項：等值顯示命令：PLNSOLPLESOLGUI：mainmenu>generalpostproc>plotresult>contourplot-nodedsolu或element和solu使用這個選項來顯示應(yīng)力，應(yīng)變或其它項的等值圖，如果相鄰的單元有不同的材料行為（例如塑性或多彈性材料特性，不同的材料類型，或不同的死活屬性）則在結(jié)果顯示時應(yīng)避免結(jié)點應(yīng)力平均錯誤。也可以將定的接觸信息用等值圖顯示出來，對2—D接觸分析，模型用灰色表示，所要求顯示的項將沿著接觸單元存在的模型的邊界以梯型面積表示出來，對3—D接觸分析，模型將用灰色表示，而要求的項在接觸單元存在的2—D表面上等值顯示。還可以等值顯示單元表的數(shù)據(jù)和線性化單元數(shù)據(jù)。命令：PLETABPLLSGUI：mainmenu>generalpostproc>ElementTable>PlotElementTablemainmenu>GeneralPostproc>PlotResults>-Contourplot-lineElemRes選項：列表顯示命令：PRNSOLPRESOLPRRSOLPRETABPRITERNSORTESORTGUI：Mainmenu>GeneralPostproc>ListResults>NodedSolutionMainmenu>GeneralPostproc>LostResults>ElementSolutionMainmenu>GeneralPostproc>ListResults>ReactionSolution在列表顯示它們之前，可以用NSORT和ESORT來對它們進行排序選項：動畫可以動畫顯示接觸結(jié)果隨時間的變化命令：ANIMEGUI：Wilitymenn>Plotctrls>Animate>ContoursInerfimepost26中查看結(jié)果你也可以使用post26來查看一個非線性結(jié)構(gòu)對加載歷程的響應(yīng)使用post26，可以比較一個變量陡另一個變量的變化關(guān)系，例如，可以畫出某個結(jié)點位移隨給定載的曲線關(guān)系，某個結(jié)點的塑性應(yīng)變與時間的關(guān)系，一個典型的post26后處理過程需要分以下幾個步驟從輸出文件中檢查是否分析已經(jīng)收斂求解已收斂，進入post26，如果模型不在當前數(shù)據(jù)庫中恢復(fù)它命令：/Post26GUI:Mainmenu>TimehistPostpro定義變量命令：NSOLESOLRFORCEGUI：Mainmenu>TimeHistPostpro>DefineVariable畫曲線或列表顯示命令：PLVARPRVAREXTREMGUI：Mainmenu>TimeHistPostproc>GraphVariableMainmenu>TimeHistPostproc>ListViriarleMainmenu>TimeHistPostproc>ListExtremes點一面接觸分析我們能使用點一面接觸單元來模擬一個表面和一個結(jié)點的接觸，另外，可以通過把表面指定為一組結(jié)點，從而用點一面接觸來代表面一面的接觸。ANSYS程序的點一面接觸單元允許下列非線性行為：-有大變形的面一面接觸分析?接觸和分開-庫侖摩擦滑動?熱傳遞點一面的接觸是一種在工程應(yīng)用中普遍發(fā)生的現(xiàn)象，例如：夾子、金屬成形等等，工程技術(shù)人員對由于結(jié)構(gòu)之間的接觸而產(chǎn)生的應(yīng)力變形為和溫度改變是感興趣的。使用點一面的接觸單元在ANSYS程序中點一面的接觸是通過跟蹤一個表面(接觸面)上的點相對于另一表面(目標面)上的線或面的位置來表示的，程序使用接觸單元來跟蹤兩個面的相對位置，接觸單元的形狀為三角形，四面體或錐形，其底面由目標面上的節(jié)點組成，而頂點為接觸面上的節(jié)點。圖4一9繪出了二組的接觸單元(COWTA(48))和三維的接觸單元(COWTA(49))圖4—9(a)2-D接觸單元一COWTAC483-D接觸單元—COWTAC492-D接觸單元—COWTAC26如果目標面是剛性的，而問題又是2-D的，則可以使用CONTA26來建模點一面接觸分析的步驟下面列出了典型的點一面接觸分析的基本步驟建模并劃分網(wǎng)格識別接觸對生成接觸單元設(shè)置單元關(guān)鍵字和實常數(shù)給定必須的邊界條件定義求解選項求解查看結(jié)果第1步：建模，劃分網(wǎng)格在這一步中，需要建立代表接觸體幾何形狀的模型，設(shè)置單元類型，實常數(shù)和材料特性，用適當?shù)膯卧愋蛣澐志W(wǎng)格命令：AMESHVMESHGUI：Mainmenu>Pneprocossor>Mesh>Mapped>3or4SidedMainmenu>Pneprocessor>Mesh>Mapped>4to6sided應(yīng)該避免使用有中結(jié)點的單元，特別是在3維問題中，因為這些單元表面節(jié)點上“有效剛度”是很不均勻的，例如，對95號單元來說，角結(jié)點上有一個負剛度。然而，是接觸關(guān)系建立，ANSYS程序的點一面接觸算法假定剛度均勻分布在面上的所有結(jié)點上，因此，在接觸分析中使用這些單元時，能導(dǎo)致收斂困難。僅僅在使用COWTA48的2維分析中，才可以在接觸面上使用中結(jié)點單元，但不能在目標面上使用中結(jié)點單元，當生成48號接觸單元的時候，目標面上的中節(jié)點將被忽略，這樣將會導(dǎo)致在目標面上不均勻的力傳遞。第2步，識別接觸對你必須認識到在變形過程中，哪兒可能發(fā)生接觸，一是你已知認識到潛在接觸面，通過接觸單元來定義它們，為了更有效地進行計算（主要指CPU時間），你可能想，定義比較小的，局部的接觸區(qū)域，但要保證你所定義的接觸區(qū)域能模擬所有必須的接觸。由于幾何形狀和潛在變形的多樣化，可能有多個目標面和同一個接觸面相互作用，在這種情況下，必須定義多個接觸對，對每個表面，你需要建立一個包含表面節(jié)點的組元。命令：CMGUI：Utility>Select>Comp/Assembly>CneateComponent然后就可以使用這些表面結(jié)點，在接觸面之間形成所有有可能的接觸形狀。如果你能肯定某些面永遠不會相互接觸，那么應(yīng)該適當?shù)陌ǜ嗟慕Y(jié)點第三步：生成接觸單元在生成接觸單元之前，首先必須定義單元類型，對點一面的接觸使用CONTAC48（2維）和CONTAC49（3維）命令：ETGUI：Mainmenu>Pneprocessor>ElomentType>Add/Edit/Relete然后再定義接觸單元的實常數(shù)，每個不同的接觸面應(yīng)該有一個不同的實常數(shù)號，即便實常的值相同，因為使用不同的實常數(shù)號，程序能夠較好的區(qū)分出是殼的頂面還底面接觸，或者是能夠在不同的接觸面進行較好的區(qū)分。例如：在角接觸中，每條也應(yīng)該有它自己的實常數(shù)號，如圖4-10所示，另一種典型應(yīng)用是梁的雙邊接觸，如圖4-11所示命令：RRMODIFGUI：Mainmenu>Pneprocessor>RealConstants接著就是在對應(yīng)的接觸對之間生成接觸單元。命令：GCGENGUI：Mainmenu>Pnprocossor>Cneate>Elements>AtConfactsrf對生成點一面的接觸單元的幾點提示。?一般來說，生成的接觸單元不需超過所需要的2-3,使用“限制半徑”（RADC）或“生成的單元數(shù)”（NUMC）選項來限制生成的接觸單元數(shù)，如果生成的接觸單元數(shù)超過所需的10或更多，則會極大增加計算時間，同時也需要大量的硬盤空間。?進行接觸分析時在接觸面上建議使用無中結(jié)點的單元。?對梁或殼單元需要通過“目標面”（TLAB）選項來指定單元數(shù)一邊是目標面。?對于卷曲的（非平面）目標面，使用CONTA49的“基本形狀”（shape）選項來指定單元的基本形狀是三角形，這個選項能使目標單元較好的模擬目標面的原形。?每次在新的接觸對之間生成接觸單元時，都指定一個新的實常數(shù)號，既使接觸單元的實常數(shù)值沒有改變，生成對稱或反對稱的接觸單元。你可以選擇生成對稱的或反對稱的接觸單元，用一個簡單的GCGEN命令定義一對接觸面生成一種反對稱的接觸方式。在這種情況下，一個面是接觸面而另一個是目標面，另外你可以使用兩個GCGEN命令，將兩個面都定義成即是目標面又是接觸面，這種情況叫作對稱接觸方式，例如：考慮兩個面A和B，在第一個GCGEN命令中，將面A指定為接觸面，面B指定為目標面，而在第二個GCGEN命令中，將面A指定為目標面，而將面B指定為接觸面，下面是在前處理中生成接觸單元的標準命令流輸入。NSEL，S，NODE…！在接觸面上選擇一組結(jié)點CM，CONTACT，NODE！將所造結(jié)點生成組元"COMTACT”NSEL，S，NODE?!大目標面上選擇一組新結(jié)點CM，TARGET，NODE!將所選結(jié)點生成組元"TARGET”NSEL，ALLGCGEN，CONTACT，TARGETGCGEN，TARGET，CONTACT一般來說，對稱接觸方式是一種更好的方法，因為它不需要特別考慮哪個面是接觸面，哪個面是目標面，相反，反對稱接觸方式在區(qū)分目標面和接觸面時需要遵守以下規(guī)則：?如果一個面的接觸部分是平的或凹的，而另一個面的接觸部分是尖的或凸的，則應(yīng)該將平凹面作為目標面，?如果兩個接觸面都是平的，則可以任意選擇?如果兩個接觸面都凸的，應(yīng)該將兩個面中較平的作為目標面?如果一個接觸部分有尖邊，而另一個沒有，則有尖邊的面應(yīng)作為接觸面。生成已經(jīng)開始接觸的模型，那就是建立開始變形時的模型，這樣，單元實際上已經(jīng)彼此重疊在一起，用這種方法，在對結(jié)構(gòu)進行分析時只需使用一個載荷步，同時應(yīng)該打開“線性搜索”選識，從許多過盈分析問題中發(fā)現(xiàn)，為了得到收斂的結(jié)果，必須打開此選項。命令：LNSRCH，ONGUI：mainmenu>Preprocessor>load>Nolinesr>LineSearch用一個較弱的初始法向剛度（實常數(shù)KN）來生成已經(jīng)開始接觸的模型進行計算，然后在以后的載步中，使用新的R命令來逐步增加KN的值到一適當?shù)闹?。（在此方法中，必須明確定義切向剛度佳，而不能使用缺省值）第四步：設(shè)置單元關(guān)鍵字和實常數(shù)使用點一面的接觸單元時，程序使用四個單元關(guān)鍵字和幾個實常數(shù)來控制接觸行為單元關(guān)鍵字：CONTAC48和CONTAC49使用下面的單元關(guān)鍵字KEYOPT（1）：選擇正確的自由度（包含或不包括溫度）KEYOP（2）：選擇罰函數(shù)的方法或罰函數(shù)+拉格朗日方法KEYOPT（3）：選擇摩擦類型；無摩擦彈性庫侖摩擦或剛性庫侖摩擦。KEYOPT（7）：選擇接觸時間步預(yù)測控制命令：KEYOPTETGUI：MainMneu>Pneporcessor>ElementType>Add/Delete摩擦類型你需要選擇一種摩擦類型，點一面接觸單元支持彈性庫侖摩擦和剛性庫侖摩擦，彈性庫侖摩擦允許存在粘合和滑動狀態(tài)，粘合區(qū)被當作一個剛度為KT的彈性區(qū)來處理，在變形期間當接觸面是粘合而不是滑動的時候，選擇這種摩擦類型是好的，剛性庫侖行為僅僅允許有滑動摩，而接觸面不能粘合，僅僅在兩個面處理持續(xù)的相對滑動時，才選擇這種摩擦類型，如果運動停止或逆轉(zhuǎn)，將會遇到收斂性的問題。罰函數(shù)與罰函數(shù)+拉格朗日方法協(xié)調(diào)控制方法保證一個面不會滲透進入另一個面超過某一容許量，這可以通過罰函數(shù)方法或罰函數(shù)+拉格朗日方法來實現(xiàn)，在這種方法中，將有力加在接觸結(jié)點上，直到接觸結(jié)點滲透進入目標面。熱一結(jié)構(gòu)結(jié)觸如果兩個溫度不同的物體此接觸，在它們之間將會發(fā)生熱傳遞我們能夠聯(lián)合這種點一面的接觸單元和熱一結(jié)構(gòu)來合場單元來模擬這種情況下的熱傳遞，（對不關(guān)心應(yīng)力的分析，能夠用標準的熱單元來給系統(tǒng)的固定部分建模。）其關(guān)鍵字設(shè)置如表1—2所示，這些單元的熱一結(jié)構(gòu)都被激活，（必須為實常數(shù)COND（接觸傳導(dǎo)率）定義一個值，以模擬接觸界面之間的熱量流動）接觸預(yù)測CONTAC48和CONTAC49對控制接觸時間預(yù)測提供了三個選項。-沒有預(yù)測：當自動時間步被找開并允許小的時間步時，大多的靜力分析使用此選項，如果允許一個足夠小的時間步自動時間步長二分特征將會把步長減小到必要的大小，然而，二分法并不是一種需要進行時間預(yù)測的有效方法，對在加載過程中，有不連續(xù)接觸區(qū)域的那些問題，時間步預(yù)測是必須的。?合理的時間步：為了保持一個合理的時間/載增量，需要在接觸預(yù)測中選擇此項。此項在時間步長預(yù)測器正在完好運行的靜態(tài)分析中，或在連續(xù)接觸（滾動接觸）的瞬態(tài)分析中是有用的，如果接觸點的位置隨時間的變化是一個非線性函數(shù)，那么線性時間步長預(yù)測不可能是有效的，雖然其它的非線性特征能夠小時間步以使線性時間步長預(yù)測能夠提供很好的預(yù)測效果。?最小的時間/載荷增量預(yù)測，無論什么時候，當接觸狀態(tài)發(fā)生的改變時，預(yù)測會取一個最小的時間/載荷增量，這個選項在碰撞和斷續(xù)接觸的瞬態(tài)分析中是有用的，或者用于由于線性預(yù)測不起作用而導(dǎo)致的第二個選項無用時，為了更有效的進行計算，僅僅對處于初始接觸狀態(tài)的那些接觸單元使用此選項。實常數(shù)CONTAC48和CONTAC49使用下面的實常數(shù)KN定義法向接剛度。KT定義粘合接觸剛度TOLN定義最大的滲透容差FACT定義靜摩擦與動摩擦的比值TOLS定義一個小的容差以增加目標面的長度。COND定義接觸傳導(dǎo)率命令：RGUI：Mainmenu>Preprocessor>RealConstants法向剛度我們必須給接觸剛度KN提供一個值，（對KN設(shè)有缺省值）KN應(yīng)該是足夠大的以便不會引起過大的滲透，但又不應(yīng)該大到導(dǎo)致病態(tài)條件，對大多的接觸分析，應(yīng)該按下面的公式來估計KN的值。KN=fEhf：控制接觸協(xié)調(diào)性的因子，這個因子通常在0.01和100之間，開始時通常取f=1E:楊氐模量如果接觸發(fā)生在兩種不同的材料間，考慮使用楊氏模量較小者）h：特征接觸長度，這個值取決于問題幾何形狀的特殊性在3維外形中，h應(yīng)該等于典型的接觸目標長度（也就是目標面的平方根）或者典型的單元尺寸，對大多數(shù)柔體一柔體的接觸問題，通常發(fā)現(xiàn)處于接觸狀態(tài)的平均單元尺寸幾乎等于目標長度。當目標長度與典型的單元尺寸當相差很大時，應(yīng)該使用典型的單元尺寸來作為h的值，在2維平面應(yīng)力或應(yīng)變問題中，對平面應(yīng)變或無厚度輸入的平面應(yīng)力問題，讓h=1，對于有厚度輸入的平面應(yīng)力問題，讓h等于厚度，在2維軸對稱分析中，讓h等于平均接觸半徑當估計柔軟結(jié)構(gòu)的KN值時（特別是在梁或殼的模型中）應(yīng)該在兩個接觸體上進行一個簡單的迭代分析來計算局部接觸剛度，如圖：4—9示Twobodies,Twobodies,withpotentialcontactatpoints1and2.圖1—9計算柔軟結(jié)構(gòu)的接觸剛度KN=P/（1A11+1A21）上式中：？=作用在接觸位置的點載（位置1和2）A1,A2=位置1和2的結(jié)點位移在計算KN時，使用體系的實際邊界條件，（就是說KN不是赫茲接觸剛度，它考慮了整個結(jié)構(gòu)的柔度）粘合剛度彈性區(qū)的大小取決于你使用的粘合剛度的值（KT）與法向剛度KN一樣，你可能想使用一個較大的粘合剛度，但不要大到影響收斂性，一般來說，粘合剛度KT應(yīng)該比法向剛度KN1，2或3的量級。如果你想模擬單性庫侖摩擦，程序?qū)褂玫終T的值。程序使用KT=KN/100作為缺省值，然而與KN一樣，如果KT太大，可能會經(jīng)歷一個病態(tài)條件，因此，對大多的情況，KT的缺省值可能是不適合的。滲透容差：當使用罰函數(shù)+拉格朗日方法時（KEYOPT（2）=1），在表面法方向給定的絕對容差（TOLN），被用來決定是否滿足滲透協(xié)調(diào)性，如果接觸結(jié)點滲進目標的距離在TOLN的范圍內(nèi)，則認為滿足接觸協(xié)調(diào)性，TOLN的值必須是的而是長度單位TOLN的值一般約為表面單元尺寸的1%，如果將TOLN的值定得太小，可能要浪費大量的計算時間。靜摩擦與動摩擦系的比值。如果KEYOPT（3）=0，不考慮兩個表面間的摩擦，則實常數(shù)KT和FACT都不需要，當KEYOPT（3）=1或2時，需要輸入摩擦系數(shù)，MU它可以被指定為一個溫度的函數(shù)，此時，MU的值被作為動摩擦系數(shù)，而靜摩擦系數(shù)是FACT*MU。目標長度如果兩個接觸面上的結(jié)點是一一對應(yīng)的，或者在靠近對稱邊界上有接觸產(chǎn)生時，于接觸結(jié)點目標面上的兩個鄰近單元之間來回擺動，因而可能會導(dǎo)致求解振蕩，當發(fā)生這種情況時，可能會極大地增加求解時間，為了克服這個問題，可以給實常數(shù)TOLS指定一個值，這將在目標面的兩個鄰近單元之間建立一個“緩沖區(qū)”，TOLS的值是一個特征接觸長度的百分比，那就是說：TOLS=0.5將建立一個寬度接觸長度的0.5%的緩沖區(qū)。熱傳導(dǎo)率對熱一結(jié)構(gòu)接觸的問題為了描述通過接觸界面的傳導(dǎo)率，需要定義一個接觸傳導(dǎo)率（實常數(shù)（CONT））單位是熱量/（時間*溫度）通過接觸界面的熱傳導(dǎo)率通常的接觸體自身的傳導(dǎo)率，因為從微觀上說接觸表面是不光滑的，只有整個接觸面的一個小的百分比面積處于真正的接觸中，因而導(dǎo)致了傳導(dǎo)率的降低。因此，通常不能用接觸體的熱傳導(dǎo)來描述接觸界面的熱傳導(dǎo)率，對理想熱接觸（在接觸面上沒有溫度降）將使用一個大的CONT值，可以能100KA/L這個量級上，K是接觸體的傳導(dǎo)率，A和L是接觸單元的面積和長度，通常情況下考慮到不理想的熱傳導(dǎo)，應(yīng)該給COND輸入一個小得多的值第五步，加上必要的邊界條件加載過程與其它分析過程相同，值得注意的是：在分析期間如果兩個物體分開，那么剛度矩陣變得奇異和不可求解（在靜力分析中），如果是剛度矩陣變得奇異程度將會給出“Pilootratio”的警告信息，但程序仍會設(shè)法求解，最終會出現(xiàn)一個"negatiuemaindiagonal"或"DofLimifexleeded"的信息。為了克服這個問題，采用下面的某種建議-建模時，使接觸體處于恰好接觸的位置?使用給定位移來將它移到某個位置?使用很弱的彈簧把兩個分開的物體連起來，使用動態(tài)方法求解。第6步定義求解選項接觸問題的收斂性與問題的特殊性有關(guān)，下面列出了一些典型的，在大多的點一面的接觸分析中推薦采用的選項。?使用KEYOPI（7）來設(shè)置合適的時間步長?時間步長必須是足夠小的，如果時間步長太大，接觸力的光滑傳遞將被破壞，設(shè)置一精確良的可信方法是打開自動時間步長命令：Autots,onGUI:Mainmenu>Solution>-LoadStopopts-Time/Frequenc>Time&Timestep/TimeSubstops?設(shè)置一個合適的平衡迭代次數(shù)，一個合理的平衡迭代次數(shù)通常在25和70之間。命令：NEQZTGUI：Mainmenu>Solution>-LoadStopopis->Equilibriamiter?除非在大轉(zhuǎn)動分析中，打開時間步長預(yù)測。命令：PREDGUI：Mainmenu>Solution>LoadStopopts-Nonlinear>Predictor?設(shè)置中頓一拉普森選項到“FULL”，同時打開自下降因子命令：NROPT，F(xiàn)ULL，ONGUI：mainmenu>solutim>Analysisopfions?在接觸分析中，許多的不收斂性是由使用了太大的接觸剛度（實常數(shù)KN）造成的，如果是這樣，減少接觸剛度然重啟動（此時必須明確定義切向剛度）?相反，如果在接觸分析中發(fā)生太大滲透，則是使用了一個太小的KN值，此時，在下面的幾個載步中逐步增加KN的值然后重啟動，（此時也必須明確定義切向剛度）第7步：求解求解過程與其它分析過程相同第8步：查看結(jié)果我們可以采用一般的后處理器POST1或時間歷程后處理器POST26來查看結(jié)果。接觸單元的輸出量包括：?單元的現(xiàn)在狀態(tài)和過去狀態(tài)的分開（沒有接觸）接觸粘合狀態(tài)接觸滑動狀態(tài)粘合=1，滑動=2或-2，分開=3或4?兩個表面間的距離，如果是正值，那么兩個面是分開的（STAT=3或4）如果是負值則代表滲透量（STAT=1或2）?法向力Fn（FN）?滑動力Fs（FS）使用單元CONTAC26CONTAC26是ANSYS的點一剛性面接觸單元，使用CONTAC26時，需注意以下幾點：?這種單元是通過總體X-Y評面上的3個結(jié)點來定義的，能用于2維平面應(yīng)力，平面應(yīng)變和軸對稱問題。?結(jié)點2叫作接觸結(jié)點，通常連到有限元模型的表面上?結(jié)點J和K組成目標面，這用來表示一個剛性面-目標面的形狀可以是直線，凹形圓弧，或凸形圓?。ㄓ蓪嵆?shù)控制）?當目標面的形狀是凹形并是不連續(xù)時，在接觸面上將會有空隙，當接觸節(jié)點移進空隙順時，就會發(fā)生丟失接觸的現(xiàn)象。在生成CONTAC26單元時，只能使用直接生成法命令：EGUI：mainmenu>Preprocess>Cneate>Elcment>ThruNodes點一點的接觸在ANSYS程序中提供了三種點一點的接觸單元，在此，我們主要介紹前二種：CONTAC12CONTAC52COMBIN40我們可以在預(yù)先知道接觸位置的單點接觸問題中使用點一點的接觸單元。也可以在接觸面網(wǎng)格完全相同的情況，例如過盈裝配問題中，用點一點的接觸元來模型兩個面之間的接觸。CONTAC12：2-D點一點的接觸單元這個單元是通過總體坐標系X-Y平面內(nèi)的二個結(jié)點來定義的，可以用于2-D平面應(yīng)力，平面應(yīng)變和軸對段分析中。程序通過一個相對于總體坐標X軸的輸入角Q（用度表示）來定們接觸面，接觸面不一定垂直于結(jié)點I，J的連線，并且結(jié)點I，J可以位于同一位置。CONTAC12的單元坐標系是這樣定義的，總體坐標的X軸逆時針旋轉(zhuǎn)Q角便得到正的滑動方向，法向方法N垂直于S，正的法向位移有張開縫隙的作用。我們可以用下面二種方法來定義初始過盈量或縫隙。?明確定義實常數(shù)INTF，這時單元關(guān)鍵字K4必須設(shè)置成“RealConsttant”（這是這個選項的缺省值）。一個負的INTF值表示處于初始張開的縫隙狀態(tài)。?讓程序以初始節(jié)點位置為基礎(chǔ)計算初始過盈量或縫隙，這時單元關(guān)鍵字k4必須設(shè)置為“Initnodelocats”。初始分開的結(jié)點定義了初始張開的縫隙。一個實常數(shù)，初始單元狀態(tài)（START）一旦被定義，程序?qū)⒑雎杂蒊NTF給定的條件，有效的開始條件是：STARTS0：由INTF決定縫隙狀態(tài)STARTS1:縫隙是關(guān)閉的，且沒有滑動STARTS2:縫隙是關(guān)閉的，且有方向的滑動STARTS—2:縫隙是關(guān)閉的，且有負方向的滑動STARTS3：縫隙是張開的一個對開始條件的好的估計將有助于問題的收斂。CONTAC12的實常數(shù)：界面角THETA-定義接觸面方位的角度法向剛度KN—在法線方向的接觸剛度位移過盈量INTF—初始過盈量基縫隙初始單元狀態(tài)START粘附剛度KS—在滑動方向的接觸剛度KS缺省到KNCONTAC12的單元關(guān)鍵字：摩擦類型K1彈性庫侖剛性庫侖方位角來源于K2實常數(shù)THETA過盈量或縫隙基于運動方向K4實常數(shù)INTF初始接觸的位置

接觸時間預(yù)測目標K7最小的時間增量合理的增量使用CONTAC12時的一些注意點：1、檢查單元坐標系，保證使所定義的是一個間隙而不是一個鉤子。2、保證接觸平面的方位角與變形狀態(tài)中所期望的方位角遠配。3、在大變形中，單元不會改變幾何開頭開辦會標系。4、為了加強收斂性，使用合適的START條件。5、使用合理的時間步長預(yù)測選項（在關(guān)鍵字K）中。CONTAC52：3-D在點一點的接觸單元。程序通過2個結(jié)點來定義CONTAC52這兩個結(jié)點不能處于同一位置，在CONTAC52單元中，接觸面垂直于結(jié)點I-J的連線。在CONTAC52中，單元坐標系是這樣定義的：X軸沿著結(jié)點I-J的連線，Z軸指向總體坐標系的Z軸，Y軸垂直于X軸和Z軸。單元的方法向位移定義為，一個的值有使間隙張開的趨勢。擬使用兩種方式來定義初始大小。-明確定義實常數(shù)GAP，這時單元關(guān)鍵字K4必須被設(shè)置為“RealConstGAP”（這是這個選項的缺省值）。正的Gap值表示一個初始張開的，負的Gap值表示初始過盈量。?指示程序以初始結(jié)點位置為基礎(chǔ)計算初始。這時單元關(guān)鍵字K4必須設(shè)置成“InitialNodeLoc”。初始分開的結(jié)點定義初始張開的縫隙，初始過盈量不能用此選項輸入。一旦定義了實常數(shù)“START”程序?qū)⒑雎杂伞癎AP”指定的條件有效的開始條件是STARTS0：間隙狀態(tài)由“GAP”來決定STARTS1:間隙是關(guān)閉的且沒有滑動STARTS2：間隙是關(guān)閉的有滑動STARTS3：間隙是打開的。CONTAC52的實常數(shù)：法向剛度KN-在法線方向的剛度K初始間隙大小GAP初始條件START-初始單元狀態(tài)粘附剛度KS-滑動方向的接觸剛度KS缺省至UKNCONTAC52的單元關(guān)鍵字：間隙大小基于K4彈性庫侖摩擦剛性庫侖摩擦實常數(shù)GAP初始點位置接觸時間預(yù)測的目標間隙大小基于K4彈性庫侖摩擦剛性庫侖摩擦實常數(shù)GAP初始點位置接觸時間預(yù)測的目標K7最小的時間增量使用CONTAC52的一些注意點：1、兩個結(jié)點不能位于同一位置，為了定義接觸平面的方位兩個結(jié)點間必須有一個小的距離。2、在大變形分析中，單元不能改變幾何形狀和坐標系。3、為了增強收斂性，使用合適的“START”條件。4、使用合理的時間步長預(yù)測選項在兩個面之間生成接觸單元。如果使想在網(wǎng)格相同的兩個接觸面的界面上快速生成點一點的接觸單元，那么EINTF命令是用的。GUI：Main>preprocessor>create>Element>AtcoincidNd這個命令將會在距離小于指定容差的結(jié)點間生成接觸單元。接觸分析實例（GUI方法）在這個實例中，我們將對一個彈簧卡子進行接觸分析，計算將卡頭壓進卡座和拉出卡座所需要的力。問題描述：此問題屬于需要輸入厚度的平面應(yīng)力問題，卡頭和卡座的底板被認為是剛性的，因此在建模時不以考慮。由于模型和載荷都是對稱的，因此可用模型的右半部來進行計算。求解通過二個載荷步實現(xiàn)。問題詳細說明：材料性質(zhì)：EX=2.8e3（楊氏模量）NUXY=0.3（泊松比）MU=0.2（摩擦系數(shù)）問題描述圖:求解步驟：步驟一：建立計算所需要的模型。在這一步中，建立計算分析所需要的模型，包括定義單元類型，劃分網(wǎng)格，給定邊界條件。并將數(shù)據(jù)庫文件保存為“exercise3.db”。在此，對這一步的過程不作詳細敘述。步驟二：恢復(fù)數(shù)據(jù)庫文件“exercise3?db”選擇菜單路徑UtilityMenu>File>Resumefro