1、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。在一般的物理意義中，牌接觸狀態的表面有下列特點： 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系，防止它們在有限元分析中相互穿過。罰函數法。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 將罰函數法和lagrange乘子法結合起來，稱之為增廣lagrange法。 三種接觸單元：節點對節點、節點對面、面對面。 接觸單元的實常數和單元選項設置

2、： FKN：法向接觸剛度。這個值應該足夠大，使接觸穿透量小；同時也應該足夠小，使問題沒有病態矩陣。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，缺省為0.1。此值太小，會引起收斂困難。 ICONT：初始接觸調整帶。它能用于圍繞目標面給出一個“調整帶”，調整帶內任何接觸點都被移到目標面上；如果不給出ICONT值，ANSYS根據模型的大小提供一個較小的默認值（0.03 PINB：指定近區域接觸范圍（球形區）。當目標單元進入pinball區時

3、，認為它處于近區域接觸，pinball區是圍繞接觸單元接觸檢測點的圓（二維）或球（三維）。可以用實常數PINB調整球形區（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，而使其成為閉合接觸的初始狀態。初始調整是一個迭代過程，ANSYS最多使用20個迭代步把目標面調整到PMIN和PMAX范圍內，如果無法完成，給出警告，可能需要修改幾何模型。TAUMAX：接觸面的最大等效剪應力。給出這個參數在于，不管接觸壓力值多大，只要等效剪應力達到最大值TAUMAX，就會發生滑動

4、。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FKOP，該常數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ANSYS接觸單元的缺省值。COHE：粘滯力。即沒有法向壓力時開始滑動的摩擦應力值。FACT，DC：定義摩擦系數變化規律MUMUK*（1+（FACT

5、-1）EXP（DC*vtfs/deltaT）式中：MUK動摩擦系數（用戶自己定義） FACTMUS/MUK（用戶自己定義） MUS靜摩擦系數 DC衰減系數（用戶自己定義） Vtfs/deltaT表面間的相對速度 注意：動摩擦系數由被指定為材料屬性（MU），由MP命令或GUI定義。缺省值：FACT1，MUSMUK0，DC0 Keyopt的介紹，以Target170,Conta173為例：首先介紹170的Keyopt KEYOPT（3）：定義接觸行為KEYOPT（1）：單元階數（是否含有中節點）KEYOPT（1）0：低階單元（不含中節點）KEYOPT（1）1：高階單元（含中節點）KEYOPT（2）

6、：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，結構：UX，UY，和UZ；1時，結構和熱；2時，TEMP（用于純熱接觸問題）KEYOPT（2）：選擇接觸算法。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，罰函數法。它推薦應用于單元非常扭曲、大摩擦系數和用增廣的拉格朗日法收斂行為不好的問題。KEYOP

7、T（4）：選擇接觸檢查點。0時，高斯點（缺省選項，推薦）；1時，節點；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調整。允許ANSYS基于初始狀態自動給定CNOF值導致“剛好接觸”配置。0時，不進行自動調整；1時，閉合間隙；2時，減小穿透；3時，閉合間隙/減小穿透。KEYOPT（7）：時間步控制選項。（只有在Solution Control中打開基于接觸狀態變化的時間步預測，此選項才起作用。Solution>Unabridged Menu>Load Step Opts>Solution Ctrl0時，不控制，不影

8、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。KEYOPT（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

9、漸變。KEYOPT（10）：接觸剛度更新控制。0，閉合狀態的接觸剛度不進行任何更新；1，每一載荷步更新閉合狀態的接觸剛度（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（根據變形后下伏單元的剛度）。KEYOPT（11）：殼、梁單元厚度影響。如果已經創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，不發生滑動（類

10、似無限摩擦系數）；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區域內或已經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區域內或已經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域。隨載荷、材料、邊界條件和其它因素的不

11、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

12、影響，如接觸區域的熱傳導、電流等。 顯式動態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。5.2 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

13、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

14、，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5-1 ANSYS接觸分析功能點-點點-面面- 面CONTAC 12CONTAC52CONTA178CONTAC26CONTAC48CONTAC49CONTAC171,172 TARGET 169CONTAC 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

15、戶定義半自動半自動自動網格工具EINTFEINTFNoneGCGENGCGENESURFESURF低階YYYYYYYY高階YYY剛體-柔體YYYYYYYY柔體-柔體YYYYYYY熱接觸YYYY 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，

16、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點:支持面上的低階和高階單元(即角節點或有中節點的單元)；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；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；允許多種建模控制，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

17、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-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或瞬態分析，屈曲、模態、譜分析或子結構分析。不支持諧響應分析、縮減或模態疊加瞬態分析，或縮減或模態疊加諧響應分析。本章后面將分別討論ANSYS不

18、同接觸分析類型的能力。 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(梁端或尖角節點)，鉚頭裝配部件的角點。如果通過一組節點來定義接觸面，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

19、-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，依然可能失敗。 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的管道裝配模型，其中接觸

20、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

21、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)。下面諸節將論述不用接觸向導來建立接觸面和目標面的方法。

22、 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。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。 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、

23、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。 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：AMESH VMESH GUI：Main Menu>Preprocessor>Mesh 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生接觸。一旦已經

24、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系起來。接觸區域可以任意定義，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

25、。 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

26、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。 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

27、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。 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

28、目標單元。也可以按相同的方法來生成柔體接觸面(見§)。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，可以使用低階/高階三角形和四邊形來給它建模。.1 控制節點剛性

29、目標面可能會與“控制(pilot)節點”聯系起來，它實際上是一個只有一個節點的單元，其運動控制整個目標面的運動，因此可以把控制節點作為剛性目標的控制器。整個目標面的力/力矩和轉動/位移可以只通過控制節點來表示。控制節點可能是目標單元中的一個節點，也可能是一個任意位置的節點。只有當需要轉動或力矩載荷時，控制節點的位置才是重要的。如果用戶定義了控制節點，ANSYS程序只在控制節點上檢查邊界條件，而忽略其它節點上的任何約束。注意 -當前的接觸向導不支持生成控制節點。用戶可以在接觸向導外定義控制節點。.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)。

30、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。.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TARGE169單元，或3維的TARGE170單元)。命令： ET GUI：main menu>preprocessor>Element Type> Add/Edit/Delete隨后必須設置目標單元的實常數。命令： Real GUI：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

31、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。.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： TSHAP GUI：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

32、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，而對沒有下伏單元的目標單元指定為剛體狀態。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點和單元。參見ANSYS Modeling and M

33、eshing Guide§9。命令： N E GUI：main menu>preprocessor> modeling- create>nodesmain 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： ELIST GUI：utility menu>list>Elements>Nodes+Attributes.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

34、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)節點，使用下面的命令或GUI路徑：命令： KMESH GUI：main menu>preprocessor>meshing-mesh>keypoints注意 ： KMESH 總是生成控制節點。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

35、入(如IGES)的幾何實體，則ANSYS可能無法生成一個單一的圓。命令： LMESH GUI：main menu>preprocessor>meshing-mesh>lines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： AMESH GUI：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

36、，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，命令： MSHKFY ，2GUI：main menu>preprocess

37、or>-meshing-mesh>-Areas-Target Surf圖5-4 任意目標面的網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節點三角形或4節點四邊形單元)。如果目標面是曲面，用戶應該選擇高階目標單元(6節點三角形或8節點四邊形單元)。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 T

38、SHAP 命令，而ANSYS自動選擇合適的形狀。.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的區域組成。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.5.2 檢驗目標面的節點號順序(接觸方向)目標面的節點號

39、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點移向第二個節點時，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>Elemen

40、ts>Surf to Surf或重新定向單元的法向：命令： ENORM GUI：Main Menu>Preprocessor>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。 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

41、伏柔體單元必須處于同一階次(低階或高階)，以使在邊上的節點協調。高階接觸單元可以通過消除中節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。.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個節點的低階線單元，可位于2D實體、殼或梁單元(如 BEAM3

42、、PLANE42 或 SHELL51)的表面。CONTA172：這是2D、3節點的高階拋物線形單元，可位于有中節點的2D實體或梁單元(如 PLANE82 或 VISCO88)的表面。CONTA173：這是3D、4節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。可退化成3節點的三角形單元。CONTA174：這是3D、8節點的高階四邊形單元，可位于有中節點的3D實體或殼單元(如 SOLID92、SOLID95 或 SHELL93)的表面。可退化成6節點的三角形單元。命令： ET GUI：main menu>preprocessor>Ele

43、ment type>Add/Edit/Delete.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。.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

44、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，來自動生成接觸單元。、選擇節點選擇已分網的柔體表面的節點。對每一個面，檢查節點排列。如果用戶確定某一部分節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點。命令： NSEL GUI：Utility Menu>Select>Entities2、生成接觸單元命令： ESURF GUI：Main Menu>Preprocessor>Create>Elements>Surf to Surf如果接觸單元是附在已用實

45、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

46、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點號來改變它們：命令： ESURF ,REVEGUI：Main Menu>Preprocessor>

47、;Create>Elements>Surf to Surf或重新定向單元法向：命令： ENORM GUI：Main Menu>Preprocessor>Create>Move/Modify>Shell Normals 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。.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

48、。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"區域。PMIN和PMAX     定義初始穿透的容許范圍。TAUMAR    指定最大的接觸摩擦。CNOF  

49、0;     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            

50、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

51、系數的比率。DC         靜、動摩擦衰減系數。命令： R GUI：main menu> preprocessor>real constant對實常數 FKN, 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

52、，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, PMIN 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。.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

53、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(僅2D)        KEYOPT(3)接觸檢測點的位置(僅低階接觸單元)  

54、60; KEYOPT(4)CNOF自動調整           KEYOPT(5)時間步控制                 KEYOPT(7)偽接觸預防                KE

55、YOPT(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： KEYOPT ET GUI：main menu>preprocessor>Elemant Type>Add/Edit/Delete.3 選擇接觸算法Contact wizard basic>contact algorithm對面面接觸單元，程序

56、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

57、，可能會造成太多的迭代次數或者不收斂。.4 確定接觸剛度Contact Wizard>basic>normal penaltycontact stiffness 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，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

58、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

59、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 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。這種狀態稱為粘合狀態(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，叫作滑動狀態(Sliding)。粘合/滑動計算決定什么時候一個點從粘合狀態到滑動狀態，或從滑動狀態變到粘合狀態。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)=