面面接觸問題

1、面面接觸問題 與所有其它非線性分析一樣，對接觸問題，時間步長是非常有力的提高收斂性的工具。 采用足夠小的時間步長以獲得收斂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(biāo)”面而把另一個作為“接觸”面，對剛體柔體的接觸，“目標(biāo)”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(shí)常數(shù)號來識別“接觸對”。接觸分析的步驟：執(zhí)行一個典型的面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2 識別接觸對3 定義剛

2、性目標(biāo)面4 定義柔性接觸面5 設(shè)置單元關(guān)鍵字和實(shí)常的6 定義控制剛性目標(biāo)面的運(yùn)動7 給定必須的邊界條件8 定義求解選項(xiàng)和載荷步9 求解接觸問題10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(shí)體模型。與其它分析過程一樣，設(shè)置單元類型，實(shí)常的，材料特性。用恰當(dāng)?shù)膯卧愋徒o接觸體劃分網(wǎng)格。命令：AMESHVMESHGUI：Main MenuPreprocessormeshMapped3 or4 Sided Main MenuPneprocessormeshmapped4 or 6 sided步驟二：識別接觸對你必須認(rèn)識到，模型在變形期間哪些地方可能發(fā)生接觸，一是你

3、已經(jīng)識別出潛在的接觸面，你應(yīng)該通過目標(biāo)單元和接觸單元來定義它們，目標(biāo)和接觸單元跟蹤變形階段的運(yùn)動，構(gòu)成一個接觸對的目標(biāo)單元和接觸單元通過共享的實(shí)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(jìn)行計(jì)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(shí)常數(shù)號來定義（即使實(shí)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(biāo)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(shí)常數(shù)號。步驟三：定義剛性目標(biāo)面剛性目標(biāo)面可能是2D的或3D的。在2

4、D情況下，剛性目標(biāo)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(biāo)面。在3D情況下，目標(biāo)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(biāo)面，應(yīng)該使用三角面來給它建模?？刂平Y(jié)點(diǎn)（Pilot）剛性目標(biāo)面可能會和“pilot結(jié)點(diǎn)“聯(lián)系起來，它實(shí)際上是一個只有一個結(jié)點(diǎn)的單元，通過這個結(jié)點(diǎn)的運(yùn)動可以控制整個目標(biāo)面的運(yùn)動，因此可以把pilot結(jié)點(diǎn)作為剛性目標(biāo)的控制器。整個目標(biāo)面的受力和轉(zhuǎn)動情況可以通過pilot結(jié)點(diǎn)表示出來，“pilot結(jié)點(diǎn)”可能是目

5、標(biāo)單元中的一個結(jié)點(diǎn)，也可能是一個任意位置的結(jié)點(diǎn)，只有當(dāng)需要轉(zhuǎn)動或力矩載荷時，“pilot結(jié)點(diǎn)”的位置才是重要的，如果你定義了“pilot結(jié)點(diǎn)”ANSYS程序只在“pilot結(jié)點(diǎn)”上檢查邊界條件，而忽略其它結(jié)點(diǎn)上的任何約束。對于圓、圓柱、圓錐、和球的基本圖段，ANSYS總是使用同一個結(jié)點(diǎn)作為“pilot結(jié)點(diǎn)”基本原型你能夠使用基本幾形狀來模擬目標(biāo)面，例如：圓、圓柱、圓錐、球。直線、拋物線、弧線、和三角形。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(biāo)形狀合在一起以便形成一個同一實(shí)常數(shù)號的復(fù)雜目標(biāo)面。但你可以給每個基本原型指定它自己的實(shí)常的號。單元類型和實(shí)常數(shù)在生成目標(biāo)單元之前，首

6、先必須定義單元類型（TARG169或TARG170）。 命令：ET GUI:main menupreprocessorElement Type Add/Edit/Delete隨后必須設(shè)置目標(biāo)單元的實(shí)常數(shù)。 命令:Real GUI:main mennpreprocessorreal constants對TARGE169和TARGE170僅需設(shè)置實(shí)常數(shù)R1和R2，而只有在使用直接生成法建立目標(biāo)單元時，才需要從為指定實(shí)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(biāo)單元，下面解釋這兩種方法。使用直接生成法建立剛性目標(biāo)單元為了直接生成目標(biāo)單元，使用下面的命令和菜單路徑。

7、命令：TSHAP GUI：main menupreprocessormodeling-createElementsElem Attributes隨后指定單元形狀，可能的形狀有：straight line (2D)parabola (2-D)clockwise arc(2-D)counterclokwise arc (2-D)circle(2-D)Triangle (3-D)Cylinder (3-D)Cone (3-D)Sphere (3-D)Pilot node (2-D和3-D)一旦你指定目標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)的ANS

8、YS直接生成技術(shù)生成結(jié)點(diǎn)和單元。 命令：N E GUI：main menupnoprocessor modeling- create nodes main menupnoprocessor modeling- createElements在建立單元之后，你可以通過列示單元來驗(yàn)證單元形狀 命令：ELIST GUI：utility menulistElementsNodes+Attributes使用ANSYS網(wǎng)格劃分工具生成剛性目標(biāo)單元你也可以使用標(biāo)準(zhǔn)的ANSYS網(wǎng)格劃分功能讓程序自動地生成目標(biāo)單元，ANSYS程序?qū)詫?shí)體模型為基礎(chǔ)生成合適的目標(biāo)單元形狀而忽略TSHAP命令的選項(xiàng)。為了生成一個“

9、PILOT結(jié)點(diǎn)”使用下面的命令或GUI路徑： 命令：Kmesh GUI：main menuproprocessormeshing-meshkeypoints 注意： KMESH總是生成“PILOT結(jié)點(diǎn)”為了生成一個2D目標(biāo)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：LMESH GUI：main menupneprocessormesling-meshlines為了生成3D的目標(biāo)單元，使用下面的命令或GUI路徑。如果實(shí)體模型的表面部分形成

10、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3D目標(biāo)單元，因?yàn)樯奢^少的單元，從而使你分析計(jì)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(biāo)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(biāo)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：AMESH GUI：main menupreprocessor-meshing-meshArea ANSYS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(jìn)行映射，它將生成自由網(wǎng)格）

11、 命令：MSHKFY，2 GUI：main menupreprocessor-meshling-mesh-Ares-Target Surf建模和網(wǎng)格劃分的注意點(diǎn)：一個目標(biāo)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(biāo)面來使接觸區(qū)域局部比（每個目標(biāo)面有一個不同的實(shí)常數(shù)號）剛性目標(biāo)面上由的離散能足夠指述出目標(biāo)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(shí)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(shí)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(xì)的網(wǎng)格。注意：不能使用鏡面對稱技術(shù)（ARSYSM，LSYMM）來映射圓、

12、圓柱、圓錐或球面到對稱平面的另一邊，因?yàn)槊總€實(shí)常數(shù)的設(shè)置不能同時賦給多個基本原型段。檢驗(yàn)?zāi)繕?biāo)面的接觸方向。目標(biāo)面的結(jié)點(diǎn)號順序是重要的，因?yàn)樗x了接觸主向，對2D接觸問題，當(dāng)沿著目標(biāo)線從第一個結(jié)點(diǎn)移向第二個結(jié)點(diǎn)時，變形體的接觸單元必須位于目標(biāo)面的右邊。對3D接觸問題，目標(biāo)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(biāo)系 命令：/PSYMS，ESYS，1 GUI：Utility menuplotctrlssymbols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，REVE GUI：main menuprepro

13、cossorcreateElementon free surf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2D）或CONTA173或CONTA174（對3D）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(shí)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一邊。與目標(biāo)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(shí)常數(shù)號（實(shí)常數(shù)號必須與它對應(yīng)目標(biāo)的實(shí)常數(shù)號相同）最后生成接觸單元。

14、單元類型：下面簡單描述四種類型的接觸單元CONTA171：這是一種2D，2個結(jié)點(diǎn)的低附線單元，可能位于2D實(shí)體，殼或梁單元的表面CONTA172：這是一個2D的，3結(jié)點(diǎn)的高階拋物線形單元，可能位于有中結(jié)點(diǎn)的2D實(shí)體或梁單元的表面CONTA173：這是一個3D的，4結(jié)點(diǎn)的低階四邊形單元可能位于3D實(shí)體或殼單元的表面，它可能褪化成一個結(jié)點(diǎn)的三角形單元。CONTA174：這是一個3D，8結(jié)點(diǎn)的高階四邊形單元，可能位于有中結(jié)點(diǎn)的3D實(shí)體或殼單元的表面，它可能褪化成6結(jié)點(diǎn)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(diǎn)。 命令：ET GUI：main

15、 menupreprocessorElement typeAdd/Edit/Delete實(shí)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(shí)常數(shù)的設(shè)置，每個接觸對的接觸面和目標(biāo)面必須有相同的實(shí)常數(shù)號，而每個接觸對必須有它自己不同的實(shí)常數(shù)號。ANSYS使用下面柔性體單元的材料特性來計(jì)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，這種方可以通過下面三個步驟來自動生成接觸單元法更為簡單和可靠。1、選擇結(jié)點(diǎn)選擇

16、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(diǎn)永遠(yuǎn)不會接觸到目標(biāo)面，你可以忽略它以便減少計(jì)算時間，然而，你必須保證設(shè)有漏掉可能會接觸到目標(biāo)面的結(jié)點(diǎn)。 命令：NSEL GUI：main menupreprocessorcreateElementon free surf2、生成接觸單元 命令：ESURF GUI：main menupreprocessorcreateElementon free surf如果接觸單元是附在已用實(shí)體單元劃分網(wǎng)格的面或體上，程序會自動決定接觸計(jì)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，TOP OR

17、BOTIOM GUI：main menupreprocessorcreateElementon free surf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(shí)體單元，則TOP或BOTTOM選項(xiàng)不起作用3、檢查接觸單元外法線的方向，當(dāng)程序進(jìn)行是否接觸的檢查時，接觸面的外法線方向是重要的，對3D單元，按結(jié)點(diǎn)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(biāo)面，否則，在開始分析計(jì)算時，程序可能會認(rèn)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

18、正確。 命令：/PSYMB GUI：Utility menuplotctrlssymbols 當(dāng)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(diǎn)號來改變它們。 命令：ESURF，REVE GUI：main menupreprocossorCreateElements on free surf步驟5：設(shè)置實(shí)常數(shù)和單元關(guān)鍵字程序使用九個實(shí)常數(shù)和好幾個單元關(guān)鍵字來控制面面接觸單元的接觸行為。實(shí)常數(shù)9個實(shí)常數(shù)中，兩個（R1和R2）用采定義目標(biāo)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(biāo)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

19、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：R GUI：main menu preprocessorreal constant對實(shí)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(fù)值，程序?qū)⒄底鳛楸壤蜃?，將?fù)值作為真實(shí)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(shí)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

20、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≈担瑏砜刂平佑|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）接觸方位點(diǎn)的位置 （KEYOPI（4）剛度矩陣的選擇 （KEYOPT（6）時間步長控制 （KEYOPT（7）初始滲透影響 （KEYOPT（9）接觸表面情況 （KEYOPT（12） 命令：KEYOPT ET GUI：main menupreprocessorElemant TypeAdd/Edit/Delete選擇接觸算法：對面面的接觸單元，程序可以使用

21、擴(kuò)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(kuò)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(xiàng)進(jìn)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(kuò)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(shí)常數(shù)FTOLN FTOLN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(zhǔn)則，總的求解仍被當(dāng)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

22、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(jì)一個缺省的接觸剛度值，你能夠用實(shí)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(dāng)避免過多的迭代次數(shù)時，應(yīng)該盡量使?jié)B透到達(dá)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(yàn)，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

23、要比高估些值好因?yàn)橛梢粋€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(jìn)行計(jì)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(dá)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(dá)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)（

24、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(jì)算決定什么時候一個點(diǎn)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(fù)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(rèn)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(xiàng)，如果等效剪應(yīng)力達(dá)到此值時，滑動發(fā)生?？磮D1，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

25、常大的時候，以至于用庫侖理論計(jì)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 （ 是材料的mises屈服應(yīng)力）。 圖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(jì)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(dāng)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(xiàng)（KEYOPT

26、（6）=1）來改善收斂性。 選擇檢查接觸與否的位置接觸檢查點(diǎn)位于接觸單元的積分點(diǎn)上，在積分點(diǎn)上，接觸單元不滲透進(jìn)入目標(biāo)面，然而，目標(biāo)面能滲透進(jìn)入接觸面，看圖2。 圖2 接觸檢查點(diǎn)位于高斯積分點(diǎn)上ANSYS面接觸單元使用GAUSS積分點(diǎn)作為缺省值，GAUSS積分點(diǎn)通常會比Newton-Cotes/robatto結(jié)點(diǎn)積分項(xiàng)產(chǎn)生更精確的結(jié)果，Newton-cotes/lobatto使用結(jié)點(diǎn)本身作為積分點(diǎn)，通過KEYOPT（4）來選擇，你想使用的方法，然而，使用結(jié)點(diǎn)本身作為積分點(diǎn)僅應(yīng)該用于角接觸問題（看圖3）。 圖3 接觸檢查點(diǎn)位于高斯結(jié)點(diǎn)上然而，使用結(jié)點(diǎn)作為接觸發(fā)現(xiàn)點(diǎn)，可能會導(dǎo)致其它的收斂性問題，例

27、如“滑脫”（結(jié)點(diǎn)滑下目標(biāo)面的邊界）看圖4，對大多的點(diǎn)面的接觸問題，我們推薦使用其它的點(diǎn)面的接觸單元，例如CONTA26、CONTA48和CONTA49。 圖4 結(jié)點(diǎn)滑脫調(diào)整初始接觸條件 在動態(tài)分析中，剛體運(yùn)動一般不會引起問題，然而在靜力分析中，當(dāng)物體沒有足夠的約束時會產(chǎn)生剛體運(yùn)動，有可能引起錯誤而終止計(jì)算。 在僅僅通過接觸的出現(xiàn)來約束剛體運(yùn)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(diǎn)發(fā)生在哪兒既使實(shí)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

28、也可能會產(chǎn)生小的縫隙。接觸單元的積分點(diǎn)和目標(biāo)單元之間可能有小的縫隙。 同理，在目標(biāo)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(dú)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(shí)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(biāo)面的“調(diào)整環(huán)”的深度，如果沒有人為指定ICONT的值，程序會

29、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(fù)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(diǎn)被自動移到目標(biāo)面上，（看圖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5(b)） 圖5 用ICON進(jìn)行接觸面的調(diào)整 (a) 調(diào)整前 (b) 調(diào)整后2、使用實(shí)常數(shù)PMIN和PMAX來指定初始容許的滲透范圍，當(dāng)指定PMAX或PMIN后，在開始分析時，程序會將目標(biāo)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(biāo)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(shí)現(xiàn)。

30、 對給定載或給定位移的剛性目標(biāo)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(biāo)面也可以進(jìn)行初始接觸的調(diào)整。 當(dāng)目標(biāo)面上的節(jié)點(diǎn)，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(dú)立地處理目標(biāo)面上節(jié)點(diǎn)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(xiàng)。 初始狀態(tài)調(diào)整是一個迭代過程，程序最多進(jìn)行20次迭代，如果目標(biāo)面不能進(jìn)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6給出了一個初始接觸調(diào)整迭代失敗的例子。目標(biāo)面的UY被約束住。因此，初

31、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(biāo)面在X方向的任何運(yùn)動都不會引起初始接觸。 圖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7。 圖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(jìn)到0，看圖8。當(dāng)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(jìn)的（KBC，0） 圖8 漸進(jìn)初始滲透在開始分析時，程序會給出每個目標(biāo)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(biāo)面的最大滲透成最小間隙。對

32、于給定的目標(biāo)面如果沒有發(fā)現(xiàn)接觸，可能是目標(biāo)面離接觸面太遠(yuǎn)（超出了Piaball區(qū)域或者是接觸/目標(biāo)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(biāo)面的運(yùn)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(yuǎn)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(dāng)目標(biāo)面進(jìn)入pinball區(qū)域后，接觸單元就被當(dāng)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(diǎn)為中心的。使用實(shí)常數(shù)PINB來為pinball指定一個比例因子（正值）或其實(shí)值（負(fù)值），缺省時，程序?qū)inball區(qū)域定義為一個以4*變形體單元厚

33、度為半徑的圓（對2-D問題）或球（對3-D問題）。 檢查接觸的計(jì)算時間依賴于pinball區(qū)域的大小，遠(yuǎn)區(qū)接觸單元的計(jì)算是簡單的且計(jì)算時間較少，近區(qū)接觸計(jì)算將要接觸的接觸單元是較慢的,并是較復(fù)雜，當(dāng)單元已經(jīng)接觸時，計(jì)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(dāng)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KE

34、YOPT（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(yùn)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(jìn)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(diǎn)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

35、觸單元，來自超單元的信息包括結(jié)點(diǎn)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2D單元（CONTA171 CONTA172）關(guān)鍵字選項(xiàng)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(shí)常數(shù)的R2來指定指定厚度對3D單元（CONTA173，CONTA174）關(guān)鍵字選項(xiàng)如下示：使用H單元（KET

36、OPI（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(dāng)設(shè)置KFTOPI（11）=1時則考慮梁或殼的厚度，從底面或頂面來計(jì)算接觸距離，建模時要考慮到厚度，記住剛性目標(biāo)面會向任一邊移動，半個梁或殼單元的厚度，當(dāng)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(dāng)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（

37、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(dāng)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(jìn)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(xiàng) 面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(biāo)需要和接觸面

38、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(biāo)的運(yùn)動。 按照物體的原始外形來建立的且整個表剛性目標(biāo)面是面的運(yùn)動是通過“pilot”結(jié)點(diǎn)上的給定來定義的，（如果沒有定義“pilot”結(jié)點(diǎn)，則通過剛性目標(biāo)面上的不同結(jié)點(diǎn)。）為了控制整個目標(biāo)面的運(yùn)動，在下面的任何情況下都必須使用pilot結(jié)點(diǎn)。目標(biāo)面上作用著給定的外力目標(biāo)面發(fā)生旋轉(zhuǎn)目標(biāo)面和其它單元相連（例結(jié)構(gòu)質(zhì)量單元） pilot結(jié)點(diǎn)的厚度代表著整個剛性面的運(yùn)動，你可以在pilot結(jié)點(diǎn)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(diǎn)上定義一個質(zhì)量單元。 當(dāng)使用pilot結(jié)點(diǎn)時，記住下

39、面的幾點(diǎn)局限性每個目標(biāo)面只能有一個“Pilot的結(jié)點(diǎn)圓、圓錐、圓柱、球的第一個結(jié)點(diǎn)（結(jié)點(diǎn)工）是”pilot“結(jié)點(diǎn)，你不能另外定義或改變pilot結(jié)點(diǎn)程序忽略不是lilot結(jié)點(diǎn)的所有其它結(jié)點(diǎn)上的邊 條件。只有“pilot”結(jié)點(diǎn)能與其它單元相連當(dāng)定義了“pilot”結(jié)點(diǎn)后，不能使用約束方程（CF）或結(jié)點(diǎn)來耦合（CP）來控制目標(biāo)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(diǎn)，是在pilot結(jié)點(diǎn)上加載，如果沒有使用“pilot”結(jié)點(diǎn)，則只能有剛體運(yùn)動。 在每個載 步的開始，程序檢查每個目標(biāo)面的邊界條件，如果下面的條件都滿足，那么程序?qū)⒛繕?biāo)面作為固定處理：在目標(biāo)面結(jié)點(diǎn)上沒

40、有明確定義邊界條件或給定力目標(biāo)面結(jié)點(diǎn)沒有和其它單元相連沒有目標(biāo)面結(jié)上使用約束方程或結(jié)點(diǎn)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(xiàng) 為了更好的收斂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)面面的接觸分析中推薦使用的選項(xiàng)時間步長必須足夠 以描述適當(dāng)?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,on GUI：Main MenuSolution-load st

41、ep opts-Time/FrequenceTime&Time step /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(xiàng)設(shè)置成FULL 命令：NROPT,FULL,OFF GUI：Main MenuSolutionAnalysis options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：NEQIT GUI：Main MenuSolution-load step opts-NonlinearE

42、quilibriwm iter因?yàn)榇蟮臅r間增量會使迭代趨向于變得不穩(wěn)定，使用線性搜索選項(xiàng)來使計(jì)算穩(wěn)定化。 命令：LNSRCH GUI：Main menusolution-load step opts-Nonlinearlins search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(xiàng) 命令：PRED GUI：main meansolarion-load step opis-nonlinearpredictor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(shí)常數(shù)FKN）檢驗(yàn)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(jìn)行求解，求解過程與一般的非線問題求解過程相同步驟十：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（post1）或時間歷程后處理器（post26）中查看結(jié)果。注意點(diǎn)：1.為了在post1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。2.必須存在結(jié)果文件在post1中查看結(jié)果1.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。2.進(jìn)入post1如果你的模型不在當(dāng)前的數(shù)據(jù)庫中，使用恢復(fù)命令（resume）來恢復(fù)它。命令：/post1GUI：main menuGeneral postpro