接觸分析 基本屬性設置【知識薈萃】

1、接觸屬性 基本選項設置,第二章,本章我們將討論以下話題: 算法 法向罰剛度及其校正策略 穿透容差 Pinball區(qū)域 表面行為 接觸探測 這些選項對除點點接觸外所有的接觸單元類型都適用. 點點接觸的單元的設置和分析過程較特殊，將在單獨的章節(jié)中討論.,接觸屬性基本選項 章節(jié)預覽,行業(yè)重點,ANSYS如何保持接觸面的協(xié)調 ? 現(xiàn)實接觸物體并不產(chǎn)生互相穿透。因此，程序必須協(xié)調兩接觸面以避免其有限元模型互相穿透。 當程序阻止互相穿透時, 我們稱之為強制性接觸協(xié)調. ANSYS提供幾種不同的算法來實現(xiàn)接觸面間的協(xié)調.,接觸屬性基本選項A. 算法,行業(yè)重點,接觸屬性基本選項算法,罰函數(shù)法 或增強Lagra

2、nge 法: 上述兩方法都基于罰函數(shù)方程: 用一個彈簧施加接觸協(xié)調條件稱為罰函數(shù)法，彈簧剛度或接觸剛度稱為罰參數(shù) 。 該彈簧的變形量x滿足方程: F = k x 接觸剛度(k)越大, 接觸表面的侵入越少. 然而, 若該值太大, 會導致收斂困難.,行業(yè)重點,接觸屬性基本選項算法,當兩物體分開時接觸剛度是不被激活的. 一般情況下，穿透越小結果越準確. 罰函數(shù)法和增強的Lagrange法的主要區(qū)別在于增強型Lagrange法對接觸壓力的計算支持的更好 增強的 Lagrange 法對剛度K的敏感性較小. 正因為其敏感性較小，增強的 Lagrange法是ANSYS中采用的缺省算法,行業(yè)重點,增強的 La

3、grange法在對接觸壓力進行計算時，把穿透減小至可接受程度:,由于平衡 改正穿透量.,在修正階段 發(fā)生振蕩.,增大接觸應力 減少穿透量.,接觸屬性基本選項算法,行業(yè)重點,接觸屬性基本選項算法,另一種可選算法是Lagrange乘子法: Lagrange乘子法增加額外的自由度（接觸壓力）來滿足接觸協(xié)調. 因此,接觸壓力直接作為額外自由度求解出來. 通過壓力自由度保證接觸面無穿透或穿透很小 不需要法向接觸剛度 需要使用直接求解器，這會倒置求解較大模型時的計算開銷很大,行業(yè)重點,接觸屬性基本選項算法,Lagrange 乘子法可能產(chǎn)生擾動: 如果不允許穿透 (左圖),接觸狀態(tài)可能是打開的也可能是關閉的

4、，這使得接觸點的狀態(tài)不確定而導致收斂困難。 如果允許有較小的穿透（右圖）或者拉力（圖中沒有顯示）存在，會使得程序收斂更加容易。,行業(yè)重點,接觸屬性基本選項算法,MPC接觸算法專門針對特殊的一類接觸問題： MPC法(多點約束法)施加約束方程來把接觸面間的位移“系”在一起 該方法并不基于罰函數(shù)法或Lagrange乘子法. 不需要接觸剛度 額外的自由度并沒有加入模型 通過在迭代中對MPC方程不斷的校正，MPC接觸算法支持大變形效應,行業(yè)重點,接觸屬性基本選項算法,上面討論的選項都是針對法向的。如果定義了摩擦和綁定接觸，那么在切線方向： 和穿透類似，如果兩物體“粘”在一起的話，那么兩物體不應該有相對滑

5、動 對于罰函數(shù)法, 切向接觸剛度和滑移距離有類似的參數(shù)定義: 理想狀態(tài)下xsliding 0,但允許罰函數(shù)法中有較小的滑動 切向接觸壓力作為自由度考慮時，也可以采用Lagrange乘子法.,粘合時：,行業(yè)重點,面面接觸和點面接觸的算法可通過接觸向導中屬性標簽下的Basic菜單定義. 單元選項 KEYOPT(2) 對于點點接觸單元，其接觸算法只能通過傳統(tǒng)的設置單元選項KEYOPT(2)來實現(xiàn).,接觸屬性基本選項算法,行業(yè)重點,當使用Lagrange 算法時, 出現(xiàn) “允許的接觸壓力”選項而不是“法向罰剛度”,可根據(jù)接觸面的壓力激活二分法 和傳統(tǒng)的法向剛度相似, 但更高的值反而減少敏感性并使得程序

6、更容易收斂,接觸屬性基本選項算法,行業(yè)重點,小結 ANSYS 接觸分析技術提供了眾多算法來保證接觸面上的協(xié)調: 內在的優(yōu)點（pros）和缺點（cons）如下表所示：,接觸屬性基本選項算法,行業(yè)重點,ANSYS使用增強型Lagrange法或罰函數(shù)法時都需使用接觸剛度（FKN），產(chǎn)生一個小的穿透量(xpenetration 0）從而保證數(shù)值上的平衡。 然而實際情況下，兩接觸體并不互相穿透(xp = 0).,接觸屬性基本選項B.剛度,行業(yè)重點,接觸單元不但可以傳遞法向壓力，而且可傳遞切向摩擦力. 接觸單元使用切向罰剛度 (FKT) 來確保切線方向的接觸協(xié)調. 切向罰剛度和法向罰剛度一樣，影響收斂和求

7、解精度.,接觸屬性基本選項剛度,行業(yè)重點,接觸剛度對程序收斂和求解精度的影響最大 較大的剛度可提高求解精度，但使得收斂更加困難 必須謹慎定義接觸剛度的大小. 最適合的值和具體問題有關. 缺省值適用于大多數(shù)的接觸問題，但是，某些情形下程序提供的缺省值并不適合該問題. 可能需要進行一些試驗來取得一個即收斂又能保證求解精度的合適的剛度值. 我們將簡要的討論一下確定一個合適剛度值的小技巧,接觸屬性基本選項剛度,行業(yè)重點,作為專業(yè)分析人員，您面臨以下挑戰(zhàn): 使穿透最小以保證求解精度. 因此，接觸剛度應該非常大. 然而, 剛度太大卻有收斂性困難. 模型在接觸表面可能來回的振動.,接觸屬性基本選項剛度,行業(yè)

8、重點,接觸屬性基本選項剛度,ANSYS 如何計算接觸剛度? ANSYS根據(jù)模型的幾何特征、材料和用戶定義的法向罰剛度（FKN）來計算接觸剛度 根據(jù)節(jié)點計算出的剛度要乘上FKN. 必要時用戶可以修改FKN的值來調整剛度. 開始分析時推薦使用的 FKN值 : FKN = 1.0 ，對于較大物體的接觸(ANSYS中的缺省設置) FKN = 0.01 0.1 ，對柔體接觸(彎曲為主） 另外, 可按如下方法確定剛度值: (Force/Length)/Area 面面接觸 (CONTA171-174) Force/Length 點面接觸 (CONTA175) Force/Length 點點接觸 (CONTA

9、178),行業(yè)重點,對于面面接觸和點面接觸，在缺省情況下，ANSYS采用根據(jù)接觸對上所有單元計算出來的平均剛度值. 點點單元不使用接觸對概念.,接觸屬性基本選項剛度,缺省的剛度值和模型的幾何形狀有關. 當單元尺寸不一致時，每個單元計算出的剛度不同. 打開 “Pair Based” 選項時, 計算出的數(shù)值都采用接觸對平均值.,Pair Based,Elements Based,行業(yè)重點,接觸屬性基本選項剛度,對面面接觸和點面接觸，ANSYS可在求解過程中自動調整剛度: 在每個載荷步中，如果FKN被重新定義 (KEYOPT(10)=0) 當接觸對在接觸向導外被創(chuàng)建 每個載荷子步, 基于單元平均應力

10、 (KEYOPT(10)=1) 每次迭代, 基于收斂行為 (KEYOPT(10)=2) 注釋:如果模型存在塑性，ANSYS自動減少100倍的剛度計算.,行業(yè)重點,法向接觸剛度的自適應方案 (KEYOPT(10)=2) : 首次剛度迭代基于向前的收斂設置 隨后的迭代基于穿透 這里的 kN = 法向接觸剛度 i = 每載荷子步收斂需要迭代的次數(shù) gN = 法向穿透,=,5,.,2,10,5,10,75,.,0,0,0,1,i,if,i,if,diverge,or,i,if,N,N,N,k,=,+,+,+,i,N,i,N,i,N,i,N,i,N,i,N,i,N,g,g,if,g,g,if,4,1,1

11、,4,1,1,1,2,k,k,0,N,k,k,k,k,接觸屬性基本選項剛度,行業(yè)重點,切向接觸剛度的自適應方案(KEYOPT(10)=2) : 基于當前法向壓力 式中: kT = 切向接觸剛度 m = 摩擦系數(shù) p = 接觸壓力 lcrit = 所允許的最大彈性滑移距離 = SLTOL*l (SLTOL) 新實常數(shù) 正: 作為系數(shù) SLTOL*(接觸長度) 負: 真實值 SLTOL 缺省值為 1.0% 的接觸長度,crit,T,l,p,m,k,=,接觸屬性基本選項剛度,行業(yè)重點,可遵循以下分析策略: 1. 開始分析時使用一個較小的剛度值. 2. 檢查穿透和每一個子步的迭代次數(shù). 在一個快速的大

12、致的檢查中，把模型的顯示調為真實尺寸（true scale）后，如果能觀察到穿透現(xiàn)象，那么穿透可能過度了，應該增加剛度并重新開始分析. 如果需要過多的迭代或者根本不收斂，那么需要減小剛度值并重新開始分析. 使用接觸剛度校正選項KEYOPT（10）來調整剛度值，這樣可以在求解精度和收斂性之間取得一個較好的平衡. 注：keyopt(10)主要控制剛度矩陣更新的方法.,接觸屬性基本選項剛度,行業(yè)重點,再次提醒 : 接觸剛度是接觸分析中最重要的參數(shù)，它不但影響求解精度，而且影響程序收斂。 如果您能對此有較深的理解，那么大多數(shù)的接觸難題就能迎刃而解! 您應該對結果的有效性進行判斷，這可以通過改變罰剛度的

13、值進行參數(shù)敏感性研究. 在后續(xù)分析中逐漸減小剛度值，直到重要項（例如接觸壓力、最大等效應力等）開始顯著改變?yōu)橹? 一般情況下,適量的穿透并不會對結果（例如應力）造成負面影響. 然而，在一些位移十分重要的情況下（例如使用預拉伸單元PRETS 179），太大的穿透量會對結果產(chǎn)生很大的影響.,接觸屬性基本選項剛度,行業(yè)重點,請參考Workshop中的相關說明: 練習二. 接觸剛度.,接觸屬性基本選項剛度,行業(yè)重點,穿透容差 (FTOLN)控制指定接觸對的允許穿透量 缺省值為下面單元深度的0.1倍(h) 對Shell單元和Beam單元，單元深度為厚度的4倍. 對于接觸剛度，基于接觸對的方法可達到平均容

14、差值. 一般情況下，可以改變FKN的值或者FTOLN的值，但不能同時修改兩個 不要使用太大的容差值，因為它對收斂始終存在不利的影響.,接觸屬性基本選項C. 穿透容差,行業(yè)重點,接觸屬性基本選項穿透容差,穿透容差在增強Lagrange算法和Lagrange乘子法中均可以使用 對于增強Lagrange算法，如果最大允許穿透超出，那么ANSYS將校正接觸壓力計算并繼續(xù)平衡迭代（即使已經(jīng)滿足力收斂條件）直到穿透量滿意為止: 然而，如果需要的迭代次數(shù)過大的話，分析會繼續(xù)進行但彈出如下警告信息:,3D CONTACT ELEMENTS: 100 CONTACT POINTS HAVE TOO MUCH P

15、ENETRATION FORCE CONVERGENCE VALUE = 14.62 CRITERION= 16.37 CONVERGED EQUIL ITER 13 COMPLETED. NEW TRIANG MATRIX. MAX DOF INC= 0.2869E-05 LINE SEARCH PARAMETER = 1.000 SCALED MAX DOF INC = 0.2869E-05 3D CONTACT ELEMENTS: 100 CONTACT POINTS HAVE TOO MUCH PENETRATION,* WARNING * Convergence has been a

16、chieved inspite of large penetration. If this message is repeated frequently, we recommend either increasing penalty stiffness(FKN), or enlarge penetration tolerance(FTOLN).,行業(yè)重點,接觸屬性基本選項穿透容差,在Lagrange乘子法中，可能需要一定的穿透（FTOLN）或拉力（TNOP）用以防止顫動. 顫動的發(fā)生是因為接觸狀態(tài)改變的太頻繁，可在ANSYS的后處理中繪出接觸顫動值(CONT,CNOS) 使用“允許穿透值”或“

17、允許壓力值”可以對以下問題有所幫助： 如果上一步迭代產(chǎn)生的接觸狀態(tài)為開，且當前計算的穿透量比FTOLN小，那么接觸狀態(tài)依然為開。否則接觸狀態(tài)切換到關并進行下一次迭代. 如果上一步迭代產(chǎn)生的接觸狀態(tài)為關，且當前計算的接觸壓力為正但小于（TNOP），那么接觸狀態(tài)依然為關。否則，接觸狀態(tài)切換為開并進行下一次迭代. ANSYS 自動提供缺省值.,行業(yè)重點,ANSYS 如何確定接觸狀態(tài)? Pinball 區(qū)域 影響接觸狀態(tài)和一些其它接觸參數(shù)的確定. 對點點接觸單元不使用 Pinball 區(qū)域是包圍接觸單元的一個圓面 (二維情況下) 或者球體 (三維情況下) ，并使接觸單元具有遠近之分.,接觸面,目標面,

18、接觸屬性基本選項D. Pinball 區(qū)域,行業(yè)重點,Pinball 區(qū)域影響搜索接觸區(qū)域時的計算量: 斷開處的計算較簡單，且不占用多少計算時間 接觸臨近區(qū)域的計算包括將要接觸的單元或已經(jīng)接觸的單元，因此計算較慢且復雜,接觸屬性基本選項 Pinball 區(qū)域,行業(yè)重點,接觸屬性基本選項 Pinball 區(qū)域,Pinball 區(qū)域使接觸對可視化，例如緊配合問題.,該幾何模型的網(wǎng)格較好，有許多實體單元都完全穿透了剛性汽缸壁，增大接觸區(qū)域可使接觸單元確認目前的接觸狀態(tài),行業(yè)重點,當MPC算法激活時，Pinball對于控制節(jié)點之間約束關系非常有用.,接觸屬性基本選項 Pinball 區(qū)域,多點約束的生

19、成區(qū)域由Pinball區(qū)域的尺寸決定,行業(yè)重點,如果目標面有數(shù)個突起區(qū)域，那么Pinball對于克服錯誤的接觸定義也是非常有效的. 在輸出窗口或輸出文件中可查看何時程序檢測出了錯誤的接觸定義,接觸屬性基本選項 Pinball 區(qū)域,接觸面,目標面,可能發(fā)生錯誤接觸定義的區(qū)域,Contact element 16 has too much penetration related to target element 10 We assume it (may be more elements) is spurious contact.,行業(yè)重點,對Pinball區(qū)域的控制和剛度、穿透類似: 用戶可指

20、定一個程序缺省值的縮放比例系數(shù)，也可以指定一個絕對值 Pinball區(qū)域的尺寸在接觸對中會被平均化,接觸屬性基本選項 Pinball 區(qū)域,行業(yè)重點,什么是缺省的 Pinball 尺寸? 如下表總結,接觸屬性基本選項 Pinball 區(qū)域,以上數(shù)值針對大變形（NLGEOM，ON）有效，對于小變形（NLGEOM，OFF）則 乘以50 表中Depth下面的單元深度（實體單元） Depth4倍的單元厚度 （殼單元和梁單元）,行業(yè)重點,對于3類接觸類型，又存在幾種可供選擇的表面行為。這些選項使你可以模擬許多不同的特殊物理效應。 標準:支持法向接觸的打開和關閉，以及法向粘結/滑移摩擦. (缺省設置) 粗

21、糙:支持法向接觸的打開和關閉，無滑移(和無窮大的摩擦系數(shù)類似). 無分離:目標面和接觸面從接觸狀態(tài)開始時就“系”在一起(但允許小量的滑移). 綁定:目標面和接觸面完全粘合在一起.,接觸屬性基本選項E. 表面行為,行業(yè)重點,接觸表面行為： 無分離(始終): 任何一開始就處于pinball區(qū)域的接觸探測點或者接觸時引入的點在法向上無位移(允許滑移). 綁定接觸 (始終):任何一開始就處于pinball區(qū)域的接觸探測點或者接觸時引入的點一直處于綁定狀態(tài). 綁定接觸 (開始接觸時): 僅在開始接觸時綁定表面，開始時斷開的表面仍然斷開.,接觸屬性基本選項.表面行為,行業(yè)重點,對面面接觸和點面接觸，表面行

22、為定義在接觸屬性對話框的Basic菜單下，或者直接設置KEYOPT(12). 點點接觸只能直接設置KEYOPT (10).,接觸屬性基本選項.表面行為,行業(yè)重點,請參考 Workshop 中的章節(jié) 三. 表面行為 由于計算時間太長 ，練習僅進行前處理,接觸屬性基本選項.表面行為,行業(yè)重點,不連續(xù)性(尖角或方向的改變) 會對接觸探測產(chǎn)生影響并使得程序難以收斂.,目標面,接觸屬性基本選項F. 接觸探測,使用面面單元，每當高斯點穿透對應的目標面時接觸被檢測出,行業(yè)重點,在以下情況下，你可以改變面面接觸探測的方法和法向接觸定義: 高斯點垂直于接觸表面（缺省） 節(jié)點垂直于接觸面(KEYOPT(4)=1) 當接觸面比目標面平整時 比高斯點方案更耗時 節(jié)點垂直于目標面(KEYOPT(4)=2) 當目標面比接觸面更平整時 比使用KEYOPT（4）1的設置更耗時,接觸屬性基本選項接觸探測,行業(yè)重點,接觸屬性基本選項接觸探測,節(jié)點探測在以下情況下必須打開: Lagrange 乘子法: La