關(guān)于接觸剛度的討論

1、.關(guān)于接觸剛度的討論2021-09-11 10:11閱讀65評論0字號： 大大中中小小BBS 錦城驛站我最近在做接觸分析，老覺得不合理。接觸剛度應(yīng)該是與接觸面等材料屬性有關(guān)，為什么還要自己定義這個(gè)剛度.我仿照使用ANSYS6。1進(jìn)展構(gòu)造力學(xué)分析里面的接觸例子，求解時(shí)出現(xiàn)realconstant2hasbeenreferencedbyelementtypeselementtypes1and2oneofwhichiscontactelement.書上說的是通過共享實(shí)常數(shù)來判別接觸對，為什么又出現(xiàn)這樣的錯(cuò)誤提示呢.請大家?guī)椭?。決定接觸剛度所有的接觸問題都需要定義接觸剛度，兩個(gè)外表之間滲量的大小取決了

2、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承受，但同時(shí)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(gè)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(gè)比例因子或指定一個(gè)真正的值，比例因子一般在0.01和10之間，當(dāng)防止過多的迭代次數(shù)時(shí)，應(yīng)該盡量使?jié)B透到達(dá)極小值。為了取得一個(gè)較好的接觸剛度值，又可需要一些經(jīng)歷，你可以按下面的步驟過行。1、開場時(shí)取一個(gè)較低的值，低估些值要比高估些值好因?yàn)橛梢粋€(gè)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

3、難，要容易解決。2、對前幾個(gè)子步進(jìn)展計(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到達(dá)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。(ANSYS公司的資料我的理解：接觸剛度與接觸面等材料屬性無關(guān)，理論上接觸剛度越大越好，盡量小的接觸滲透。但難收斂。通過共享實(shí)常數(shù)來判別接觸對。要注意使用一個(gè)contactelement和一個(gè)targetelement共享

4、實(shí)常數(shù)。如：type,1!defined1asacontactelementreal,1mat,1!meshtype,2!defined2asatargetelementreal,1mat,1!mesh我還有一點(diǎn)疑惑：接觸剛度對整個(gè)過程的應(yīng)力分布有何影響.會不會出現(xiàn)，用不同的接觸剛度都可以給出求解結(jié)果，但結(jié)果隨著接觸剛度的不同有很大差異的現(xiàn)象.可以這樣理解：現(xiàn)實(shí)中兩個(gè)接觸的物體，正常是不能滲透的，兩個(gè)接觸的物體由于受接觸力發(fā)生變形。仿真的接觸物體，除了變形外，還會出現(xiàn)接觸滲透，這是因?yàn)槎x了接觸剛度，接觸力除以接觸剛度就是接觸滲透量。所以需要大的接觸剛度，但要解決收斂問題。我在計(jì)算中確實(shí)遇到了

5、這樣的問題：給出不同的接觸剛度，都能給出具體的計(jì)算結(jié)果。但針對我的具體情況，解除的計(jì)算結(jié)果相差很大10%還多一點(diǎn)，按你的觀點(diǎn)，我是不是可以認(rèn)為，我定義的接觸剛度大的那個(gè)結(jié)果是相對準(zhǔn)確的.接觸剛度這么說我都糊涂了材料肯定是不允許滲透的，這是接觸協(xié)調(diào)條件決定的剛度按照字面的理解應(yīng)該是抗擊變形的能力，這應(yīng)該就是與材料屬性相關(guān)的，能解釋一下這個(gè)概念嗎.謝謝了！xidianstuwrote:接觸剛度這么說我都糊涂了材料肯定是不允許滲透的！錯(cuò)，為了計(jì)算的方便防止大的單元奇異及重劃分在ANSYS中允許一定量的滲透，這個(gè)滲透的大小，由接觸剛度決定，不過好似還有其它的一個(gè)什么因素我忘了。請問dingdingda

6、ng你怎么知道定義大的接觸剛度計(jì)算的數(shù)值相對準(zhǔn)確呢.我的計(jì)算時(shí)也出現(xiàn)像你這樣的問題！就是在不改變其他的參數(shù)只改變接觸剛度其迭代次數(shù)和結(jié)果都沒有大的變化！我做的練習(xí)是實(shí)體單元！依我的個(gè)人理解：解的結(jié)果會隨著接觸剛度，穿透容忍度的不同而有所不同。但對于穿透容忍度足夠小的情況下，解的結(jié)果將隨接觸剛度影響不會很大。不過，在穿透容忍度小特別小的時(shí)候當(dāng)然不容易收斂。因此在穿透容忍度一定的情況下，當(dāng)然是接觸剛度大穿透小的解更加準(zhǔn)確。接觸剛度是否就是與分析誤差有關(guān)的一個(gè)量，可能接觸分析需要迭代，也就是判斷什么時(shí)候終止迭代.大家看看這個(gè)吧！我想對大家的理解可能有幫助摘自ansys中文用戶專區(qū)。我記得我曾經(jīng)貼出過

7、在有限元分析中，接觸單元通常用來描述兩物體相互接觸或滑動(dòng)的界面。近年來，ANSYS開發(fā)了一系列的接觸單元。剛開場有節(jié)點(diǎn)對節(jié)點(diǎn)單元CONTAC12和CONTAC52，接著有節(jié)點(diǎn)對地單元CONTAC26，然后有節(jié)點(diǎn)對面單元CONTAC48和CONTAC49。最近幾年，我們引入一類面對面接觸單元CONTA169和CONTA174，同時(shí)還有一種新的節(jié)點(diǎn)對節(jié)點(diǎn)單元CONTA178。雖然接觸單元的參數(shù)具有多樣性，但我們在使用他們時(shí)可謹(jǐn)記重要的一點(diǎn)，他們具有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即除了CONTA178的KEYOPT2=0或1外，所有的接觸單元都有接觸剛度。在現(xiàn)實(shí)中實(shí)際上相鄰構(gòu)造之間只是一種空隙，但在有限元分析中，

8、這種空隙是一帶有剛度的接觸單元，這是因?yàn)橥ㄟ^剛度矩陣來實(shí)現(xiàn)接觸算法的。一些接觸單元要求使用者輸入剛度值，同時(shí)另外的接觸單元假設(shè)沒有輸入那么使用缺省值。分析工程師所面對的問題就是針對給定的條件確定一個(gè)合理的剛度值。如果過高，問題將會不收斂，如果過低，可能得到錯(cuò)誤的結(jié)果。那么我們所面對的問題是怎樣才能找到一個(gè)正確的剛度值.我認(rèn)為唯一的方法就是我們必須試用不同的值直到找到正確的值。也就是剛開場我們應(yīng)該使用一個(gè)較小的值，然后穩(wěn)步的增加直到分析的結(jié)果不再有什么變化。那么對于我們這一特定分析的問題，這一點(diǎn)就是我們所想要的適宜值。我們可舉例說明，如圖1所示，平行放置兩個(gè)懸臂梁，并有少許的交迭，下面的左邊固支

9、，上面的右邊固支，當(dāng)在上面梁的自由端施加一個(gè)向下位移時(shí)，梁變形彎曲并接觸下面的梁，然后一起向下運(yùn)動(dòng)。用SOLID45單元?jiǎng)澐至?，用TARGE170和CONTA174面面接觸單元來描述相互作用。在此根底上，把CONTA174單元的剛度從非常低變到非常高，從而來觀察它對結(jié)果的影響和收斂的迭代次數(shù)。圖2說明了下梁自由端的偏移隨接觸單元?jiǎng)偠鹊淖兓闆r，當(dāng)剛度增加時(shí)，偏移量接近一個(gè)常數(shù)值我們可以假定它是一個(gè)正確的結(jié)果。圖3說明求解所需的迭代次數(shù)，當(dāng)接觸單元?jiǎng)偠仍黾訒r(shí)，求解所需的迭代次數(shù)也是增加的，并服從指數(shù)關(guān)系。如果剛度過高，問題很有可能根本就不收斂。圖4說明在上梁自由端接觸單元的滲透量，當(dāng)剛度增加時(shí)，

10、滲透量降低。從這些圖可知，當(dāng)接觸單元的剛度為10e6時(shí)，可獲得合理準(zhǔn)確的結(jié)果。任何大于該值的剛度對下梁的偏移量沒有什么影響，而求解所需的迭代數(shù)卻顯著的增加。對于這個(gè)題目，10e6的剛度是很適合的。但是，如果改變邊界條件、網(wǎng)格密度、兩梁之間的相對位置、材料特性或梁的幾何形狀，能獲得滿意結(jié)果的接觸剛度值將是不同的。比方，如果網(wǎng)格密度增加，那么接觸單元數(shù)將增加，每一個(gè)單元上的載荷將降低。如果接觸單元數(shù)增加兩倍，一個(gè)適宜的接觸單元?jiǎng)偠戎祽?yīng)為原來的一半。由于每個(gè)題目都是不一樣的，所以在求解之前并沒有通用的方法來確定接觸單元?jiǎng)偠鹊淖钫_值。我們不得不試算一個(gè)我們認(rèn)為適宜的值然后查看計(jì)算結(jié)果。一個(gè)有經(jīng)歷的分

11、析工程師可能只查看一個(gè)計(jì)算結(jié)果來判定所取值的適宜度，但對于大多數(shù)情況而言，最好用一個(gè)合理而不過度準(zhǔn)確的剛度值進(jìn)展第一次求解，然后用10倍于該值的剛度進(jìn)展第二次求解，如果兩者結(jié)果相差很小，而迭代數(shù)增加很多，那么我們那么正好取得了曲線上的突變點(diǎn)，從而獲得相當(dāng)好的結(jié)果。接觸單元?jiǎng)偠葐栴}僅僅是一個(gè)例子，即對于分析工程師來說，總是置疑于分析結(jié)果的正確與否是非常重要的，并要意識到數(shù)值仿真的局限性和潛在的假設(shè)及他們怎樣影響所分析問題的結(jié)果。我在計(jì)算爆炸動(dòng)力問題的時(shí)候曾經(jīng)使用過20的比例因子這是接觸問題的計(jì)算方法。接觸問題的關(guān)鍵在于接觸體間的相互關(guān)系廢話，此關(guān)系又可分為在接觸前后的法向關(guān)系與切向關(guān)系。法向關(guān)系

12、：在法向，必須實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)：1接觸力的傳遞。2兩接觸面間沒有穿透。ANSYS通過兩種算法來實(shí)現(xiàn)此法向接觸關(guān)系：罰函數(shù)法和拉格朗日乘子法。1罰函數(shù)法是通過接觸剛度在接觸力與接觸面間的穿透值接觸位移間建立力與位移的線性關(guān)系：接觸剛度*接觸位移=法向接觸力對面面接觸單元17*，接觸剛度由實(shí)常數(shù)FKN來定義。穿透值在程序中通過別離的接觸體上節(jié)點(diǎn)間的距離來計(jì)算。接觸剛度越大，那么穿透就越小，理論上在接觸剛度為無窮大時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)完全的接觸狀態(tài)，使穿透值等于零。但是顯而易見，在程序計(jì)算中，接觸剛度不可能為無窮大否那么病態(tài)，穿透也就不可能真實(shí)到達(dá)零，而只能是個(gè)接近于零的有限值。以上力與位移的接觸關(guān)系可以很容易地合

13、并入整個(gè)構(gòu)造的平衡方程組K*X=F中去。并不改變總剛K的大小。這種罰函數(shù)法有以下幾個(gè)問題必須解決：1接觸剛度FKN應(yīng)該取多大.2接觸剛度FKN取大些可以減少虛假穿透，但是會使剛度矩陣成為病態(tài)。3既然與實(shí)際情況不符合的虛假穿透既然是不可防止的，那么可以允許有多大為適宜.因此，在ANSYS程序里，通常輸入FKN實(shí)常數(shù)不是直接定義接觸剛度的數(shù)值，而是接觸體下單元?jiǎng)偠鹊囊粋€(gè)因子，這使得用戶可以方便地定義接觸剛度了，一般FKN取0.1到1中間的值。當(dāng)然，在需要時(shí)，也可以把接觸剛度直接定義，F(xiàn)KN輸入為負(fù)數(shù)，那么程序?qū)⑵渲道斫鉃橹苯虞斎氲慕佑|剛度值。對于接近病態(tài)的剛度陣，不要使用迭代求解器，例如PCG等。

14、它們會需要更多的迭代次數(shù)，并有可能不收斂?？梢允褂弥苯臃ㄇ蠼馄鳎缦∈枨蠼馄鞯?。這些求解器可以有效求解病態(tài)問題。穿透的大小影響結(jié)果的精度。用戶可以用PLESOL,CONT,PENE來在后處理中查看穿透的數(shù)值大小。如果使用的是罰函數(shù)法求解接觸問題，用戶一般需要試用多個(gè)FKN值進(jìn)展計(jì)算，可以先用一個(gè)較小的FKN值開場計(jì)算，例如0.1。因?yàn)檩^小的FKN有助于收斂，然后再逐步增加FKN值進(jìn)展一系列計(jì)算，最后得到一個(gè)滿意的穿透值。FKN的收斂性要求和穿透太大產(chǎn)生的計(jì)算誤差總會是一對矛盾。解決此矛盾的方法是在接觸算法中采用擴(kuò)展拉格朗日乘子法。此方法在接觸問題的求解控制中可以有更多更靈活的控制。可以更快的

15、實(shí)現(xiàn)一個(gè)需要的穿透極限。2拉格朗日乘子法與擴(kuò)展拉格朗日乘子法拉格朗日乘子法與罰函數(shù)法不同，不是采用力與位移的關(guān)系來求接觸力，而是把接觸力作為一個(gè)獨(dú)立自由度。因此這里不需要進(jìn)展迭代，而是在方程里直接求出接觸力接觸壓力來。Kx=F+Fcontact從而，拉格朗日乘子法不需要定義人為的接觸剛度去滿足接觸面間不可穿透的條件，可以直接實(shí)現(xiàn)穿透為零的真實(shí)接觸條件，這是罰函數(shù)法所不可能實(shí)現(xiàn)的。使用拉格朗日乘子法有以下考前須知：1剛度矩陣中將有零對角元，使有些求解器不克使用。只能使用直接法求解器，例如波前法或系數(shù)求解器。而PCG之類迭代求解器是不能用于有零主元問題的。2由于增加了額外的自由度，剛度陣變大了。3

16、一個(gè)可能發(fā)生的嚴(yán)重問題，就是在接觸狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，例如從接觸到別離，從別離到接觸，此時(shí)接觸力有個(gè)突變，產(chǎn)生chattering接觸狀態(tài)的振動(dòng)式交替改變。如何控制這種chattering，是純粹拉格朗日法所難以解決的。因此，為控制chattering，ANSYS采用的是罰函數(shù)法與拉格朗日法混合的擴(kuò)展拉格朗日乘子法。在擴(kuò)展拉格朗日法中，可以采用實(shí)常數(shù)TOLN來控制最大允許穿透值。還有最大允許拉力FTOL。這兩個(gè)參數(shù)只對擴(kuò)展拉格朗日乘子法有效。在擴(kuò)展拉格朗日乘子法里，程序按照罰函數(shù)法開場，與純粹拉格朗日法類似，用TOLN來控制最大允許穿透值。如果迭代中發(fā)現(xiàn)穿透大于允許的TOLN值，對178單元是TO

17、LN，而對面面接觸單元171-174那么是FTOLN那么將各個(gè)接觸單元的接觸剛度加上接觸力乘以拉格朗日乘子的數(shù)值。因此，這種擴(kuò)展拉格朗日法是不停更新接觸剛度的罰函數(shù)法，這種更新不斷重復(fù)，直到計(jì)算的穿透值小于允許值為止。盡管與拉格朗日法相比，擴(kuò)展拉格朗日法的穿透并不是零，與罰函數(shù)法相比，可能迭帶次數(shù)會更多。擴(kuò)展拉格朗日法有以下優(yōu)點(diǎn)：1較少病態(tài)，個(gè)接觸單元的接觸剛度取值可能更合理。2與罰函數(shù)法相比擬少病態(tài)，與單純的拉格朗日法相比，沒有剛度陣零對角元。因此在選擇求解器上沒有限制，PCG等迭代求解器都可以應(yīng)用。3用戶可以自由控制允許的穿透值TOLN。如果輸入了TOLN，而使用罰函數(shù)法，那么程序忽略它要

18、是在fkn設(shè)置中的所設(shè)置的值超過100，那樣計(jì)算是不是合理的.接觸分析中確定接觸剛度是較關(guān)鍵的一步。 下面是說明書中的介紹，供參考： 所有的接觸問題都需要定義接觸剛度，兩個(gè)外表之間穿透量的大小取決于接 觸剛度。過大的接觸剛度可能回引起總剛矩陣的病態(tài)，從而造成收斂困難。一 般來說，應(yīng)該選取足夠大的接觸剛度以保證接觸穿透小到可以承受，但同時(shí)又 應(yīng)該讓接觸剛度足夠小以不致于引起總剛矩陣的病態(tài)而保證收斂性。 ANSYS程序根據(jù)下伏柔體單元的材料特性，來估計(jì)一個(gè)缺省的接觸剛度值。 用戶可用實(shí)常數(shù)FKN來為接觸剛度指定一個(gè)比例因子或指定一個(gè)絕對值。比例 因子一般在0.01-10之間。對于大變形問題，通常為0.01-0.1。用戶應(yīng)當(dāng)總是 檢驗(yàn)以使穿透到極小值，而又防止過多的疊代次數(shù)。 為了確定一個(gè)較好的接觸剛度值，可能需要一些經(jīng)歷。用戶可以按照下面 的步驟來進(jìn)展嘗試： 1、開場時(shí)取一個(gè)較低的值。低估值要比高估值好，因?yàn)橛梢粋€(gè)較低的接觸剛度 導(dǎo)致的穿透問題，比過高的接觸剛度導(dǎo)致的收斂性困難