高級接觸問題

第一章接觸問題概述

在工程中常會遇到大量的接觸問題，如齒輪的嚙合、法蘭聯(lián)接、機電軸承接觸、卡頭與卡座、密封、板成形、沖擊等等。接觸是典型的狀態(tài)非線性問題，它是一種高度非線性行為。接觸例子見圖1.1。圖1.1輪齒接觸分析中常常需要確定兩個或多個相互接觸物體的位移、接觸區(qū)域的大小和接觸面上的應(yīng)力分布。接觸分析存在兩大難點：1.在求解之前，你不知道接觸區(qū)域、表面之間是接觸或分開是未知的，表面之間突然接觸或突然不接觸會導(dǎo)致系統(tǒng)剛度的突然變化。2.大多數(shù)接觸問題需要計算摩擦。摩擦是與路徑有關(guān)的現(xiàn)象，摩擦響應(yīng)還可能是雜亂的，使問題求解難以收斂。第一節(jié)接觸分類剛－柔·一個表面是完全剛性的—除剛體運動外無應(yīng)變、應(yīng)力和變形，另一表面為軟材料構(gòu)成是可變形的?！ぶ辉谝粋€表面特別剛硬并且不關(guān)心剛硬物體的應(yīng)力時有效。柔－柔·兩個接觸體都可以變形。第二節(jié)接觸單元ANSYS采用接觸單元來模擬接觸問題：—跟蹤接觸位置—保證接觸協(xié)調(diào)性（防止接觸表面相互穿透）—在接觸表面之間傳遞接觸應(yīng)力（正壓力和摩擦）接觸單元就是覆蓋在分析模型接觸面上的一層單元。在ANSYS中可以采用三種不同的單元來模擬接觸：一面一面接觸單元一點一面接觸單元一點一點接觸單元·不同的單元類型具有完全不同的單元特性和分析過程。1.面－面接觸單元用于任意形狀的兩個表面接觸－不必事先知道接觸的準(zhǔn)確位置；－兩個面可以具有不同的網(wǎng)格；－支持大的相對滑動；－支持大應(yīng)變和大轉(zhuǎn)動。例如:面一面接觸可以模擬金屬成型，如軋制過程，見圖1.2。圖1.2面一面接觸2.點－面接觸單元用于某一點和任意形狀的面的接觸－可使用多個點－面接觸單元模擬棱邊和面的接觸；－不必事先知道接觸的準(zhǔn)確位置；－兩個面可以具有不同的網(wǎng)格；－支持大的相對滑動；－支持大應(yīng)變和大轉(zhuǎn)動。例：點－面接觸可以模擬棱邊和面之間的接觸，見圖1.3。圖1.3點－面接觸點－點接觸單元用于模擬單點和另一個確定點之間的接觸。點－點接觸應(yīng)用較少,我們不做介紹.第三節(jié)關(guān)于耦合和約束方程的應(yīng)用如果接觸模型沒有摩擦，接觸區(qū)域始終粘在一起，并且分析是小撓度、小轉(zhuǎn)動問題，那么可以用耦合或約束方程代替接觸。使用耦合或約束方程的優(yōu)點是分析還是線性的示例1：利用耦合模擬接觸問題，見圖。數(shù)據(jù)庫文件：cpnorm.db1條件：接觸模型無摩擦，接觸區(qū)域始終粘在一起，小撓度，小轉(zhuǎn)動問題，可以用耦合代替接觸（耦合分析是線性的）。圖模擬接觸第二章接觸問題的一般特性在進入接觸分析的實施和實例討論之前，我們先對一般條件下的通用內(nèi)容進行討論，以便能正確理解和使用相關(guān)選項。第一節(jié)接觸剛度1.所有的ANSYS接觸單元都采用罰剛度（接觸剛度）來保證接觸界面的協(xié)調(diào)性，見圖2.1。圖2.1切向罰剛度·在數(shù)學(xué)上為保持平衡，需要有穿透值··然而，物理接觸實體是沒有穿透的分析者將面對困難的選擇：－小的穿透計算精度高，因此接觸剛度應(yīng)該大；－然而，太大的接觸剛度會產(chǎn)生收斂困難：模型可能會振蕩，接觸表面互相跳開。·接觸剛度是同時影響計算精度和收斂的最重要的參數(shù)。你必須選定一個合適的接觸剛度。除了在表面間傳遞法向壓力外，接觸單元還傳遞切向運動（摩擦）。采用切向罰剛度保證切向的協(xié)調(diào)性。見圖2.2作為初值，可采用：切向罰剛度以同樣的方式對收斂性和計算精度產(chǎn)生影響。圖2.2切向罰剛度2.接觸剛度的選取·選定一個合適的接觸剛度值需要一些經(jīng)驗?！τ诿嬉幻娼佑|單元，接觸剛度通常指定為基體單元剛度的一個比例因子。－開始估計時，選用FKN=1.0大面積實體接觸FKN=0.01～0.1較柔軟（彎曲占主導(dǎo)的）部分－另外，也可以指定一個絕對剛度值，單位：（力/長度）/面積?！c－面接觸單元需要為罰剛度KN輸入絕對值：－初始估計時：對于大變形:0.1*E<KN<1.0*E對于彎曲:0.01*E<KN<0.1*EE為彈性模量3.選取接觸剛度的指導(dǎo)：Step1開始采用較小的剛度值Step2對前幾個子步進行計算Step3檢查穿透量和每一個子步中的平衡迭代次數(shù)·在粗略的檢查中，如以實際比例顯示整個模型時就能觀察到穿透，則穿透可能太大了，需要提高剛度重新分析?！と绻諗康牡螖?shù)過多（或未收斂），降低剛度重新分析。注意：罰剛度可以在載荷步間改變，并且可以在重啟動中調(diào)整。牢記：接觸剛度是同時影響計算精度和收斂性的最重要的參數(shù)。如果收斂有問題，減小剛度值，重新分析在敏感的分析中，還應(yīng)該改變罰剛度來驗證計算結(jié)果的有效性。－在分析中減小剛度范圍，直到結(jié)果（接觸壓力、最大SEQV等）不再明顯改變。第二節(jié)摩擦1.兩個接觸體的剪切或滑動行為可以是無摩擦的或有摩擦的·無摩擦?xí)r允許物體沒有阻力地相互滑動；·有摩擦?xí)r，物體之間會產(chǎn)生剪切力。2.摩擦消耗能量，并且是路徑相關(guān)行為。為獲得較高的精度，時間步長必須小，見圖2.3。圖2.3時間步長3.ANSYS中，摩擦采用庫侖模型，并有附加選項可處理復(fù)雜的粘著和剪切行為。庫侖法則是宏觀模型，表述物體間的等效剪力不能超過正壓力的一部分：式中：一摩擦系數(shù)·一旦所受剪力超過，兩物體將發(fā)生相對滑動4.彈性庫侖摩擦模型：允許粘著和滑動，見圖2.4。圖2.4彈性庫侖摩擦模型圖2.5實常數(shù)TAUMAX與P間關(guān)系曲線·一些單元采用實常數(shù)TAUMAX()模擬這種限制（見圖2.5）。TAUMAX的一個估計上限為：圖2.6剪切剛度示意圖式中是接近表面的材料的等效Mises屈服應(yīng)力。經(jīng)典數(shù)據(jù)通常是TAUMAX比較好的初始值。粘著區(qū)被處理為彈性的，并且具有剪切剛度，見圖2.6?！ぜ羟袆偠染哂信c正剛度相同的效果：剛度大時精度高，剛度小時收斂性好?！た梢灾付ǎ蛴沙绦蛑付榈姆?jǐn)?shù)（通常為的1%）。圖2.5實常數(shù)TAUMAX與P間關(guān)系曲線圖2.6剪切剛度示意圖5.剛性庫侖摩擦：只允許滑動摩擦，見圖2.7接觸響應(yīng)不能是“粘著”－些模型只適用于分析同一方向上的連續(xù)滑動：例如砂輪打磨物體時在U=0時的連續(xù)等效無限剛度。如果滑動停止或反向會出現(xiàn)收斂困難。6.有時，表面會粘著在一起，即使沒有正壓力時也會有滑動阻力。一些單元可以用結(jié)合力（COHE）描述這種狀態(tài)，見圖2.8。圖2.7剛性庫侖摩擦圖2.8滑動阻力7.摩擦系數(shù)·物體滑動時的摩擦系數(shù)通常比靜止時的摩擦系數(shù)小。－滑動：動摩擦系數(shù)－靜止：靜摩擦系數(shù)·并非所有ANSYS接觸單元都支持靜摩擦系數(shù)和動摩擦系數(shù)的區(qū)別。－對于所有ANSYS接觸單元，被指定為材料屬性（MU）－對點－面接觸單元，用實常數(shù)FACT（靜、動摩擦比值）來區(qū)分靜、動摩擦系數(shù)。－對面一面接觸單元，動摩擦系數(shù)以表面相對速度的函數(shù)計算得出。動摩擦系數(shù)是速度的指數(shù)函數(shù)：或:式中：MUK=動摩擦系數(shù)（由用戶輸入）

FACT=MUS/MUK(由用戶輸入)

MUS=靜摩擦系數(shù)

dc=衰減系數(shù)（由用戶輸入）

Vtfs/deltaT=表面間的相對速度缺省值：FACT=1,MUS=MUK=0,dc=0動摩擦系數(shù)作為表面速度的函數(shù)，使靜態(tài)平衡過渡到動態(tài)，見圖2.9。圖2.9靜態(tài)平衡過渡到動態(tài)平衡8.無摩擦?xí)r，取=09.包含摩擦的接觸問題產(chǎn)生非對稱的剛度矩陣然而，采用非對稱方程求解器比對稱方程求解器需要更多的計算時間。因此，ANSYS采用對稱化算法，大對數(shù)的包含摩擦的接觸問題可以用此求解。如果求解時收斂性能不好，對于一些單元可以使用非對稱的求解選項（NROPT,USYM）－此時可以采用稀疏求解器（推薦）或波前求解器，當(dāng)非對稱矩陣出現(xiàn)時，兩者都可以自動轉(zhuǎn)換到非對稱求解器選項。－PCG對非對稱矩陣無效。10.ANSYS接觸單元摩擦選項總覽，見表2.1表2.1ANSYS接觸單元摩擦選項總覽Surf-to-Surf(CONTA171-174)Node-to-Node(CONTA178)Node-to-Node(CONTA12/52)Node-to-Surf(CONTA48/49)GeneralFrictionyesyesyesyesElasticCoulombyesyesyesyesRigidCoulombnonoyesyesStatic/DynamicMUyesnonoyesDynamicFrictionFormulayes;mu=1(muk,FACT,dc)nononoTAUMAXwithFrictionyesnononoLargeStrain(NLGEOM,ON)yesnononoCohesionyesnonoyesUnsymmetricMatrixyesyesyesnoAutoorUserSpecifiedKTyes;KT=1(MU,KN)yes;KKS=1(MU,FKN)yes;KT=KNyes;KT=0.01KN第三節(jié)自動時間步長及其控制接觸是一種狀態(tài)非線性。在分析過程中，接觸狀態(tài)會改變，見圖2.10。圖2.10接觸狀態(tài)·有時希望考慮臨界接觸狀態(tài)變化對時間步長的影響；有時又不期望。因此需要特殊的工具來控制接觸分析中的時間步預(yù)測?！r間步控制是一個自動時間步特徵。該控制用于當(dāng)接觸單元的狀態(tài)即將改變時，預(yù)報并縮減當(dāng)前的時間步。接觸單元的Keyopt（7）選項控制時間步的預(yù)報。0－無控制：不影響時間步尺寸。當(dāng)自動時間步開關(guān)打開時，對于靜態(tài)問題通常選此項。1－自動縮減：如果接觸狀態(tài)改變較大，時間步二分。對于動態(tài)問題，自動縮減通常是充分的。2－合理的：比自動縮減費用更昂貴的算法。為保持一個合理的時間載荷增量，需要在接觸預(yù)測中選擇此項。適用于靜態(tài)分析和連續(xù)接觸時瞬態(tài)分析。3－最小值：該選項為下一子步預(yù)報時間增量的最小值（計算費用十分昂貴，建議不用）。這個選項在碰撞和斷續(xù)接觸分析中是有用的。·接觸分析中自動時間步的其它注意事項：－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。－對于瞬態(tài)分析，沖擊時必須使用足夠數(shù)量的計算步以描述表面間的動量轉(zhuǎn)移?！τ诰_的位移計算，這需要小的最小時間步長：式中:=表面的特征頻率:·對于精確的加速度或速度:－對于路徑相關(guān)現(xiàn)象（如接觸摩擦），相對較小的最大時間步長對計算精度是必須的。第三章面－面接觸單元第一節(jié)概述面－面接觸單元，是模擬任意兩個表面間接觸的方法。表面可以具有任意形狀。是ANSYS中最通用的接觸單元。精度高、特性豐富還可使用接觸向?qū)Ы７奖?。·面－面接觸單元在面的高斯點處傳遞壓力，這種先進技術(shù)使面－面接觸單元具有很多優(yōu)點：－與低階單元和高階單元都兼容－提供更好的接觸結(jié)果（于后處理接觸壓力和摩擦應(yīng)力）－可考慮殼和梁的厚度，以及殼的厚度變化－半自動接觸剛度計算－剛性表面由“控制節(jié)點”控制－熱接觸特性－眾多的高級選項來處理復(fù)雜問題?！ぞ哂斜姸嗟母呒夁x項（20個可用的實常數(shù)、2個材料屬性和30個可用的單元選項）提供了豐富的特征庫，能夠用于模擬特殊的效果和處理困難的收斂情況。然而眾多的選項的智能缺省選項可以有效求解許多接觸問題而不需要用戶介入太多。通常的做法是：開始使用高級選項之前，先試著采用缺省設(shè)置：只指定罰剛度，穿透容差和子步數(shù)，然后進行分析。只在采用缺省設(shè)置遇到困難時才采用高級選項?！に械母呒夁x項也可以通過接觸向?qū)砜刂?。第二?jié)面－面接觸單元使用面－面接觸單元計算剛－柔、柔－柔接觸分析。把一個面指定為目標(biāo)面（Targe），另一個面指定為接觸面（Conta），合起來叫接觸對。接觸單元被約束不能侵入目標(biāo)面，然而目標(biāo)單元能侵入接觸面?！?D目標(biāo)單元TARGE169:圖3.1（a）2D目標(biāo)單元·2D面－面接觸單元CONTA171—2D、2節(jié)點低階單元，可用于二維實體、殼、梁單元的表面CONTA172—2D、3節(jié)點高階單元，可用于帶中間節(jié)點的二維實體單元表面CONTA171CONTA172圖3.1（b）2D面－面接觸單元·3D目標(biāo)單元TARGE170圖3.23D目標(biāo)單元·3D面－面接觸單元CONTA173—3D、4節(jié)點低階四邊形單元，可退化為三角形圖3.33D面－面接觸單元—CONTA173CONTA174—3D、8節(jié)點高階四邊形單元，可退化為6節(jié)點三角形單元圖3.43D面－面接觸單元—CONTA174第三節(jié)面－面接觸分析步驟及實例1

（不通過接觸向?qū)?chuàng)建接觸對）Step1建立基體有限元模型設(shè)置基體單元類型、實常數(shù)、材料特性給基體分網(wǎng)：命令：AMESHVMESHStep2指定接觸面和目標(biāo)面·對于剛一柔接觸，目標(biāo)面總是剛性面·對于柔－柔接觸，目標(biāo)面和接觸面的不同選擇會產(chǎn)生不同的穿透，見圖3.5，并且影響求解精度。圖3.5目標(biāo)面和接觸面的不同選擇·接觸面和目標(biāo)面確定準(zhǔn)則－如凸面和平面或凹面接觸，應(yīng)指定平面或凹面為目標(biāo)面；－如一個面上的網(wǎng)格較粗而另一個面上的網(wǎng)格較細，應(yīng)指定粗網(wǎng)格面為目標(biāo)面；－如一個面比另一個面的剛度大，應(yīng)指定剛度大的面為目標(biāo)面；－如一個面為高階單元而另一面為低階單元，應(yīng)指定低階單元面為目標(biāo)面；－如一個面比另一個面大，應(yīng)指定大的面為目標(biāo)面。例如:超彈密封，見圖3.6。圖3.6超彈密封Step3設(shè)置單元選項和實常數(shù)

接觸對由實常數(shù)號來定義，接觸單元和目標(biāo)單元必須具有相同的實常數(shù)號。定義實常數(shù)Step4建立目標(biāo)單元（網(wǎng)格）·此步中所采用的方法依賴于目標(biāo)面是剛性的還是柔性的。－剛性目標(biāo)面采用：直接生成(E命令)

自動劃分(LMESH,AMEAH)－可變形目標(biāo)面采用GUI:MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Elements>Surf/Contact>SurftoSurf(ESURF)·對于直接生成剛性目標(biāo)面，在建立目標(biāo)單元之前需要要指定附加的單元屬性TSHAP。TSHAP定義目標(biāo)面單元形狀·剛性目標(biāo)面的自動劃分不需要TSHAP。ANSYS能根據(jù)實體模型確定合適的目標(biāo)單元形狀。－劃分線(LMESH)2D剛性目標(biāo)面－劃分面(AMESH)3D剛性目標(biāo)面－創(chuàng)建關(guān)鍵點(KMESH)－控制節(jié)點（Pilot）剛性目標(biāo)面能與控制點聯(lián)系起來，Pilot實際上是只有一個節(jié)點的單元，通過這個節(jié)點的運動可以控制整個目標(biāo)面的運動。ANSYS只在Pilot節(jié)點上檢查邊界條件而忽略其它節(jié)點的約束?！勺冃误w目標(biāo)面建立目標(biāo)單元的步驟是：1.先選擇可變形體表面上的節(jié)點

2.然后在可變形體上建立目標(biāo)單元GUI:MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Elements>Surf/Contact>SurftoSurf(ESURF)·ANSYS將根據(jù)基體的網(wǎng)格確定目標(biāo)單元形狀和外法線方向?！z查外法線方向（這在自動劃分剛性目標(biāo)面時非常重要）－打開單元坐標(biāo)系標(biāo)志并重繪單元/PSYMS,ESYS,1－目標(biāo)單元外法線方向應(yīng)該指向接觸面。如果單元法向不指向接觸面，用命令使之反轉(zhuǎn)：

ESURF,,REVE例：Seal.datSeal.dat文件中的有限元模型圖3-7Step5建立接觸面單元·設(shè)置接觸單元屬性、選擇可變形體表面節(jié)點，并在可變形體上建立接觸單元（過程與在可變形體上建立目標(biāo)單元相同）。GUI:MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Elements>Surf/Contact>SurftoSurf·這些接觸單元與基體有同樣的階數(shù)（低階或高階）?！ぷ⒁猓涸跉せ蛄簡卧辖⒛繕?biāo)單元或接觸單元時，可以選擇要在梁或殼單元的頂層還是底層建立單元?！ぴ谶x擇柔體表面上的節(jié)點時，如果你確定某一部分節(jié)點永遠不會接觸到目標(biāo)面時，可以忽略它，以減少計算時間?！そ佑|面的外法向應(yīng)指向目標(biāo)面。如果發(fā)現(xiàn)外法線方向不正確，用下列命令修改之ESURF,,REVEStep6在有限元模型上施加邊界條件·如果目標(biāo)面是剛性面，目標(biāo)面將會自動固定?！ざx了Pilot點ANSYS只檢查該點的邊界條件，忽略目標(biāo)面上其它節(jié)點約束。控制點能控制目標(biāo)面的運動。對Seal.dat施加的邊界條件，見圖3.7。Step7定義求解選項和載荷步，以下是默認設(shè)置：·推薦使用非線性求解自動控制·使用不帶自適應(yīng)下降的fullNewton-Raphson法求解·時間步必須足夠小。使用自動時間步?！ぷ硬綌?shù)的最大值（NSBMX）應(yīng)較大，最小值（NSBMIN）應(yīng)較小Step8求解Step9后處理·結(jié)果包括位移、應(yīng)力、應(yīng)變和接觸等信息；·接觸壓力、摩擦應(yīng)力、總應(yīng)力、接觸侵入、接觸間隙距離、滑動距離和接觸狀態(tài)都可以從/POST1或/POST26中得到。面一面接觸分析實例（建立接觸對不通過接觸向?qū)В嵗?：彈性環(huán)裝配，見圖3.8。圖3.8彈性環(huán)裝配軸對稱施加位移載荷：在L45線上施加0.4″的-Y向位移打開幾何非線性開關(guān)(NLGEOM,on)設(shè)Time=0.4并為自動時間步給出子步數(shù)(20,500,10)給出輸出控制（要求輸出每一子步結(jié)果）求解并查看輸出和監(jiān)視文件重啟動分析并將-Y向偏移量增加到0.55″使咬接裝配的第2個齒咬合。問題以彎曲為主，設(shè)FKN=0.1L45GUI方式：Step1恢復(fù)數(shù)據(jù)庫文件Snap.db（Snap.db數(shù)據(jù)庫包含此有限元模型的完整幾何模型、材料、邊界條件。但未定義目標(biāo)單元與接觸單元）。GUI：UtilityMenu>File>ResumeFrom選Snap.db【OK】基體單元:Plane42,,,1軸對稱材料:MAT,1 EX=0.175e6;NUXY=0.35;MU=0.0MAT,2 EX=90000;NUXY=0.35約束節(jié)點163UY=0182UY=0Step2創(chuàng)建目標(biāo)面單元類型GUI：MainMenu>Preprocessor>ElementTyper>Add/Edit/Delete【Add】contact2Dtarget169Elementtyperreferencenumber=2【OK】或命令流:/PREP7ET,2,Target169Step3建立接觸面單元類型GUI:MainMenu>Preprocessor>ElementTyper>Add/Edit/Delete【Add】contact2ndSurf171Elementtyperreferencenumber=3【OK】【close】或命令:ET,3,conta171Step4指定接觸法向剛度GUI:MainMenu>Preprocessor>RealConstants>Add/Edit/Delete【Add】Type3CONTA171【OK】RealConstantSetNo.=1NormalPenaltyStiffnessFKN=0.1(對彎曲問題采用初值0.1)PenetrationtoleranceFTOLN=0.1圖3.14建立接觸面單元類型確定罰剛度FKN值通常在0.01-10之間，對于體積變形問題用1.0（默認），對彎曲問題用0.1確定侵入容差：侵入容差(FTOLN)是與接觸單元下面的實體單元深度（h）相乘的比例因子。若此值太小會引起收斂困難，絕對不要用太小的容差!增大罰剛度（FKN）將減少侵入。·將FKN增大100倍會相應(yīng)地減少侵入，但是接觸壓力只改變5％。如不收斂可調(diào)整FKN或FTOLN值重新運行。檢查侵入和每個子步的平衡迭代數(shù)，如果收斂受入侵容差的驅(qū)使可能是FKN值估計不足或FTOLN值太小。如果需要多次迭代才能使殘值收斂而不是侵入。FKN值可能估計得太高?；蛎睿篟,1,,,0.1,0.1(3)設(shè)置單元屬性GUI:MainMenu>Preprocessor>Create>Element>ElemAttributes或命令流：Type,2Mat,1Real,1Step5創(chuàng)建目標(biāo)單元(1)為目標(biāo)面選擇線GUI:UtilityMenu>Select>Entities拾取線，見圖3.9【OK】圖3.9拾取線或命令流文件：LSEL,S,,,2,4LSEL,A,,,15,18……LSEL,A,,,63(2)選擇附于線上的全部節(jié)點，見圖3.10。GUI:UtilityMenu>Select>EntitiesNodesAttachedto⊙lines,all圖3.10選擇附于線上的全部節(jié)點【OK】或命令流：NSLL,S,1NPlot圖3.9拾取線圖3.10選擇附于線上的全部節(jié)點創(chuàng)建目標(biāo)單元GUI:MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Elements>Surf/Contact>SurftoSurf注意：如果基體單元是2D平面或3D實體單元“Tlab”無效，如果基體單元是2D單元，“Shape”無效。選【PickAll】或命令：ESURF，見圖3.11。圖3.11ESURFStep6創(chuàng)建接觸單元(1)為接觸面選線GUI:UtilityMenu>Select>EntitiesLinesByNum/pick⊙FromFull【OK】選線(見圖3.12)【OK】圖3.12為接觸面選線或命令流:LSEL,,s,,33,34LSEL,a,,,43,44…(2)選擇附于選定線上的全部節(jié)點GUI:UtilityMenu>Select>EntitiesNodesAttachedtoLines,all⊙FromFull【OK】或命令流:圖3.13選擇線上的全部節(jié)點NSLL,S,1NPLOT，見圖3.13圖3.12為接觸面選線圖3.13選擇線上的全部節(jié)點(3)設(shè)置單元屬性GUI:MainMenu>Preprocessor>Create>Element>ElemAttributesElementtypenumber=3ConTA171Materialnumber=1Realconstantsetnumber=1【OK】或命令流：Type,3Mat,1Real,1創(chuàng)建接觸面單元圖3.14選擇所有單元GUI:MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Elements>Surf/Contact>SurftoSurf…【OK】【PickAll】見圖3.14或命令:ESURF圖3.14

創(chuàng)建接觸單元圖3.15

選擇所有單元Step7選擇所有選項并畫單元GUI:UtilityMenu>Select>EverythingUtilityMenu>Plot>Elements或命令流:Allsel,allEplot見圖3.15Step8求解/soluantype,static

nlgeom,onsolc,ontime,0.4nsubst,20,500,10outres,all,alldl,45,,uy,-0.4solvedl,45,,uy,-0.55solvefiniStep9后處理第四節(jié)應(yīng)用接觸向?qū)?chuàng)建接觸對所有面－面接觸的單元選項和參數(shù)都可以通過接觸向?qū)砜刂啤Ｊ褂媒佑|向?qū)нM行接觸分析方便快捷：·自動定義單元類型和實常數(shù)·快速得到接觸選項和參數(shù)·快速顯示和反轉(zhuǎn)接觸法向使用接觸向?qū)П仨毷紫葘w進行網(wǎng)格劃分，否則不能激活接觸向?qū)?。下面仍以彈性環(huán)裝配接觸問題為例。采用接觸向?qū)瓿山佑|對的創(chuàng)建來說明接觸向?qū)У氖褂梅椒ātep1恢復(fù)數(shù)據(jù)庫文件GUI:UtilityMenu>File>Resumefrom…選Snap.db恢復(fù)單元【OK】見圖3.16此數(shù)據(jù)庫Snap.db包括此有限元模型的幾何、基體單元、分網(wǎng)、材料和邊界條件。但不包括接觸單元與目標(biāo)單元及接觸有關(guān)的參數(shù)。圖3.16

恢復(fù)單元Step2啟動接觸向?qū)UI:MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>ContactPair圖3.17啟動接觸向?qū)О碈ontactWizardStep3創(chuàng)建接觸對圖3.18創(chuàng)建目標(biāo)面【PickTarget】拾取線(見圖3.19)【OK】，再定義接觸面返回到圖【Next】見圖3.20。圖3.19/SOLsolveDL,45,,-UY,-0.4$第五節(jié)平面密封圈計算實例·驗證為接觸剛度估計一個合適的初始值的重要性·驗證接觸分析中摩擦的應(yīng)用－彈性庫侖摩擦·驗證基于接觸單元臨界狀態(tài)變化的時間步預(yù)測如何會對計算效率有害模型描述：2D超彈平面密封圈1/2對稱，密封圈壓縮模擬本例具有：幾何非線性（大應(yīng)變與大變形）材料非線性（超彈）接觸非線性數(shù)據(jù)文件:Seal.inpStep1建模：單元類型、實常數(shù)、材料特性、基體分網(wǎng)/prep7et,1,56!HYPER562D4nodeU_PHyperelasticSolidmp,nuxy,1,0.49tb,mooney,1tbdata,1,80!C10=80tbdata,2,20!C01=20k,1$k,2,0.333,0$k,3,0.867,0.867$k,4,1.1,0.867k,5,1.1,1$k,6,0.8,1$k,7,0.267,0.133$k,8,0,0.133l,1,2*repeat,7,1,1 !將l,1,2命令重復(fù)7次l,8,1lfil,1,2,0.20$lfil,2,3,0.15$lfil,5,6,0.20lfil,6,7,0.15$lfil,7,8,0.05$lfil,8,1,0.05al,all!應(yīng)用所有選擇的線生成面k,25,-0.6,0$k,26,1.1,0$k,27,-0.6,1.0$k,28,1.1,1.0lstr,26,25!L9lstr,27,28!L10!***基體分網(wǎng)***lesize,8,,,2$lesize,13,,,4$lesize,14,,,4esize,0.035type,1mat,1amesh,allsave,seal,db用接觸向?qū)?chuàng)建接觸對，用GUI方式創(chuàng)建Pilot節(jié)點（剛性面控制點），然后求解。Step1恢復(fù)數(shù)據(jù)庫文件Seal.db（包括基體的幾何、單元、分網(wǎng)；沒有選接接觸單元與目標(biāo)單元，未定義接觸對）GUI：UtilityMenu>File>Resumefrom…選Seal.db【OK】Step2啟動接觸向?qū)UI：MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>ContactPair【ContactWizard】創(chuàng)建接觸對1。Step5創(chuàng)建目標(biāo)單元控制點(1)設(shè)置單元屬性GUI:MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Element>ElemAttributes(2)繪關(guān)鍵點GUI:UtilityMenu>Plot>Keypoints>Keypoints(3)建立目標(biāo)單元控制點GUI:MainMenu>Preprocessor>Meshing>Mesh>Keypoints選K27【OK】或命令流：KMESH,27Step6施加位移約束控制點27上施加UY=-0.85GUI:MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement>OnKeypoints選K27【OK】Lab2DOFstobeconstrained:UYValue:-0.5【OK】施加對稱邊界條件：GUI:MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement>SymmetryB.C.>OnLines

選線L4【OK】Step7求解控制、求解GUI:MainMenu>Solution>AnalysisType>Sol′nControls

GUI:MainMenu>Solution>Solve>LSCurrentStep8后處理/POST26GUI:MainMenu>TimeHistPostpro選控制點269第五節(jié)面－面接觸單元高級接觸選項面一面接觸具有20個可用實常數(shù)，2個材料屬性和30個可用單元選項設(shè)置。能夠模擬特殊的效果和處理困難的收斂情況。通常分析開始先用缺省值，只指定罰剛度和穿透容差及子步數(shù)。只能在缺省設(shè)置遇到困難時才用高級選項。所有的單元選項和參數(shù)都可以通過接觸向?qū)砜刂?；也可以通過實常數(shù)和單元選項來指定。Conta171接觸單元和Targe169目標(biāo)單元的單元選項、實常數(shù)見圖20。進入接觸選項菜單用下列過程：GUI：MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>ContactPair選【Property】我們將按照建立模型時的邏輯順序討論這些選項（在接觸向?qū)е胁o必要按此順序）。圖3.20單元選項、實常數(shù)1.第1個重要選項：如何保證接觸協(xié)調(diào)性?！な褂眯拚睦嗜辗ǎㄈ笔。ぜ兞P函數(shù)方法在接觸向?qū)е蠦asicContactalgorithm:AugmentedLagrangeMethodPenaltyMethod－對大多數(shù)模型，修正的拉格朗日方法能很好地工作。－罰函數(shù)法推薦用于具有變形很大的單元，很大的摩擦系數(shù)和/或用修正的拉格朗日方法時收斂性很差的情況?！ぷ钪匾倪x項是法向罰剛度或接觸剛度。－對于大面積接觸采用起始值（因子）1.0，對于柔性接觸采用0.1。—大值對應(yīng)較高精度；小值對應(yīng)較好的收斂性。有時最好先以較小的接觸剛度進行分析，然后在一系列載荷步中逐漸增大剛度－“漸變”的接觸剛度，提高收斂性在最后的載荷步逐漸提高到一個剛硬的值將提高計算精度?？赏ㄟ^向?qū)У幕颈砘騿卧匦圆藛卧O(shè)置以允許程序更新接觸剛度。向?qū)asiccontactstiffnessupdate:Eachloadstep(PAIRIDbased)noneEachloadstep(允許用戶指定剛度變化)Eachsubstep(允許自動和用戶指定變化)

2.第2個重要選項－穿透容差缺省情況下，穿透容差是一個因子乘以基體單元厚度。－對于變化很大的網(wǎng)格密度，采用因子會在接觸表面的某些部分產(chǎn)生太小的容差，這時采用絕對值可能更好。－不要使用太小的容差，因為它總是對收斂性有害。3.對于臨界接觸狀態(tài)變化的自動時間步控制－不控制：不影響自動時間步，對靜力問題自動時間步打開時此選項一般是足夠的。－自動二分：如果接觸狀態(tài)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。－合理值：比自動細分更耗時的算法。－最小值：此選項為下一步預(yù)測最小時間增量（很耗計算時間，不推薦）或在單元選項中控制：Contacttime/loadpredictionK7:Noprediction對于臨界接觸狀態(tài)變化的自動時間步控制4.Pinball區(qū)域影響接觸狀態(tài)的確定和其它許多接觸特性Pinball區(qū)域是環(huán)繞接觸單元的園（2D）或球（3D），描述接觸單元周圍“遠”和“近”區(qū)域的邊界，見圖3.21在缺省情況下，Pinball區(qū)域半徑是4×基體單元厚度（剛－柔）或2×基體單元厚度（柔-柔）。描述接觸單元周圍“遠”和“近”區(qū)域的邊界可以為Pinball半徑指定一個不同的值。Pinball賦值也可用實常數(shù)PINB調(diào)整球形區(qū)（對于初始值侵入大的問題是必要的）。5.幾種不同的接觸模式這些選項使你能夠模擬特殊的物理現(xiàn)象。模擬特殊的物理現(xiàn)象或單元選項:BehaviorcontactsurfaceK12:standard這些選項包括：－標(biāo)準(zhǔn)：正常的接觸閉合和打開行為，具有正常的粘著/滑動摩擦行為。－粗糙：正常接觸閉合和打開行為，但不發(fā)生滑動（類似于具有無限摩擦系數(shù)）－不分離（滑動）：目標(biāo)面和接觸面一旦建立接觸就不再分離（允許滑動）－綁定：目標(biāo)面和接觸面一旦接觸就粘在一起－不分離（永遠）：初始位于Pinball區(qū)域內(nèi)或已經(jīng)接觸的接觸檢查點在法向不分離（允許滑動）－綁定接觸（永遠）：初始位于Pinball區(qū)域內(nèi)或已經(jīng)接觸的接觸檢查點在剩余的分析過程中綁定在一起（DesignSpace缺省值）－綁定接觸（初始接觸）：只在初始接觸的地方采用綁定，初始分開的地方保持分開。計算實例：懸臂梁端部旋轉(zhuǎn)（不分離行為）6.影響某些表面行為的選項－ContactOpeningstiffness（分開時的間隙剛度）保證不分離和綁定行為，它通過使用當(dāng)存在間隙也具有非零剛度的彈簧來連接表面。缺省情況下，此彈簧剛度等于法向罰剛度，其效果類似于法向罰剛度－剛度太小精度低；剛度太大會引起收斂問題。影響某些表面行為的選項－摩擦系數(shù)影響基本摩擦行為：MU=0指定無摩擦行為MU>0確定滑動摩擦力最大摩擦應(yīng)力表示可以在摩擦接觸面上傳遞的最大應(yīng)力（基體材料的剪切屈服應(yīng)力）

摩擦系數(shù)影響基本摩擦行為圖3.22摩擦系數(shù)影響基本摩擦行為－Contactcohesion表示當(dāng)沒有法向壓力時開始滑動的摩擦應(yīng)力值?！つΣ翆?dǎo)致非對稱剛度陣。因為非對稱矩陣很難計算（因此導(dǎo)致求解變慢），程序自動控制執(zhí)行對稱求解，利用此算法可以解決多數(shù)含摩擦接觸問題?！び袝r，采用非對稱矩陣能獲用更好的收斂性。如果遇到收斂緩慢問題可以用不對稱求解選項?！び涀。哼@種情況必須使用稀疏或波前求解器。對于每個支持非對稱矩陣的單元，此選項也可以由下列菜單激活：GUI：MainMenu>Solution>UnabridgedMenu>AnalysisOptions設(shè)置Newton-Raphson選項為fullN_Runsymm計算實例：不離接觸－如果使用梁或殼單元建模，為了考慮梁和殼的厚度可以移動接觸表面。對于Shell181單元，由于大應(yīng)變變形引起的厚度變化進行也在考慮之中，見圖3.23。圖3.20Shell181單元7.初始穿透有幾種技術(shù)可以模擬初始穿透接觸問題（如過盈裝置匹配）。可以使用初始幾何穿透，或指定偏移量，或二者皆有?！ぶ付ㄆ屏浚–NOF）指定偏移量（CNOF）或在實常數(shù)中指定偏移量（CNOF）contactsurfaceoffsetCNOF:0.025

－正的CNOF，加大初始穿透－負的CNOF，減小初始穿透或?qū)е麻g隙·CNOF可與幾何穿透組合，見圖

·自動CNOF調(diào)整允許ANSYS基于初始穿透自動給定CNOF值。－導(dǎo)致“剛好接觸”配置－ICONT缺省為0

CONF與幾何穿透組合

自動CNOF調(diào)整或單元選項:AutoCNOF/ICONTadjustmentK5:No.Auto.Adjust·初始穿透選項包括：－Includeeverything：包括由幾何模型和指定偏移量（如果有的話）引起的初始穿透－Excludeeverything：忽略所有初始穿透效應(yīng)。－Includewithrampedeffects：漸變初始穿透，以提高收斂性。－Includeoffsetonly：只包括由偏移量指定的基本初始穿透。－Includeoffsetonlyw/ramp：只包括由偏移量指定的基本初始穿透，且漸變初始穿透以提高收斂性

初始穿透選項如果模型包含初始幾何穿透，接觸力將立即“階躍”到一個大值。－載荷突變經(jīng)常導(dǎo)致收斂困難，期望有一種機制能夠?qū)⒊跏即┩感?yīng)漸變到零。Includewithrampedeffects和Includeoffsetonlyw/ramp選項通過在第一載荷步，將初始穿透漸變?yōu)榱憧朔諗坷щy。為求得好的結(jié)果，在第一載荷步不應(yīng)施加其它載荷，見圖

圖

第一載荷步計算實例：初始穿透圖

初始不接觸兩個物體圖3.638.剛體模式初始不接觸的兩個（或多個）物體的靜力分析中，在接觸建立前可能產(chǎn)生剛體運動，見圖

。此例中圓柱體沒有施加位移約束，面由力控制。圓柱體的約束由圓柱體和平板之間的接觸建立。求解過程中兩個物體分離，剛度矩陣奇異。(1)剛好接觸，見圖

圖

剛好接觸

這需要了解何處是剛好接觸位置。如果表面彎曲或不規(guī)則這將很困難。由于有限元網(wǎng)格劃分時的數(shù)值誤差，在物體之間可能會存在小間隙或小穿透。這可能引起不收斂或接觸物體彈開。三個高級接觸特性允許調(diào)整初始接觸條件以防止剛體模式。(1)自動CONF調(diào)整程序計算CNOF以清除間隙。(2)初始接觸環(huán)（ICONT）將調(diào)整帶內(nèi)接觸表面上的節(jié)點移到目標(biāo)面上(3)初始允許穿透范圍(PMIN&PMAX）：將剛體表面移動到接觸面上調(diào)整初始接觸條件（ICONT），見下圖。實常數(shù)ICONT可用于指定目標(biāo)面上的“調(diào)整環(huán)”。位于調(diào)整環(huán)內(nèi)的任何接觸點都要移動到目標(biāo)面上。推薦只進行很小的修正，如果ICONT值太大會產(chǎn)生不連續(xù)。如果未指定常數(shù)ICONT，ANSYS根據(jù)模型尺寸為ICONT提供一個小的缺省值。－關(guān)閉ICONT，必須將其設(shè)置成非常小的值(如1e-20)－0值代表非0的缺省值計算實例：剛體－ICONT調(diào)整初始接觸條件（PMIN和PMAX），見圖3.68。實常數(shù)PMIN和PMAX指定初始穿透范圍。ANSYS把整個目標(biāo)面（連同變形體）移到由PMIN和PMAX指定的穿透范圍內(nèi)。調(diào)整初始接觸條件（ICONT）·如果目標(biāo)面無約束，采用PMIN和PMAX的初始調(diào)整將不被執(zhí)行。·初始調(diào)整是一個迭代過程，ANSYS最多使用20個迭代步把目標(biāo)面調(diào)整到PMIN和PMAX范圍內(nèi)?！ぎ?dāng)目標(biāo)面被移動，接觸體之間不再存在間隙，而成為閉合接觸的初始狀態(tài)。調(diào)整初始接觸條件（PMIN和PMAX）計算實例：剛體PMIN&PMAX第六節(jié)

幾種典型接觸問題分析實例例2.懸臂梁端部旋轉(zhuǎn)（“不分離”行為）目標(biāo)：采用“不分離”行為選項施加大轉(zhuǎn)動模擬特定物理效果。不分離：目標(biāo)面和接觸面一旦建立接觸就不再分離（允許滑動）。模型描述：懸臂梁，端部施加旋轉(zhuǎn)，見圖文件：no_separation.inp采用Solid185單元：3D8nodestructuralSolid單元，具有大變形能力。圖

懸臂梁端部旋轉(zhuǎn)/view,,1,1,1/prep7k,1,10,0,0BLOCK,0,10,-0.5,0.5,-0.5,0.5RECTNG,9.5,10,-1,1AGEN,,7,,,,,-0.5,,,1ARSYM,Z,7et,1,185mp,ex,1,10000esize,0.5vmesh,1ESIZE,2!為目標(biāo)面分網(wǎng)用/solutionnsel,,loc,x,0d,all,all,0/pbc,u,,1finisheplotSAVE,no-separation,db以下用接觸向?qū)Ы⒔佑|對:例2.緊配合環(huán)（初始穿透）目標(biāo)：驗證接觸初始穿透選項。采用缺省值和漸進化穿透選項求解一個大的初始穿透接觸分析，比較結(jié)果。模型模述：緊配合環(huán)、軸對稱，見圖

圖

緊配合環(huán)（初始穿透）文件：Interference.inp/PREP7ET,1,183,,,1 !軸對稱，大應(yīng)變ET,2,169 !Target1692D目標(biāo)單元ET,3,172 !Conta1722D3節(jié)點高階拋物線接觸單元MP,EX,1,10E3MP,NUXY,1,0MP,MU,2,0 !無摩擦RECTNG,1.5,2,0,1RECTNG,1.9,2.4,0,1ESIZE,0.05AMESH,ALL!Type,1;Mat,1TYPE,2MAT,2REAL,2LSEL,,LOC,X,1.9NSLL,,1 !1.9線上的節(jié)點ESURF !創(chuàng)建目標(biāo)單元Target169!***TYPE,3 !Mat,2;Real,2LSEL,,LOC,X,2NSLL,S,1ESURF !創(chuàng)建接觸面conta172ALLSEL,ALL/SOLUTIOND,NODE(1.5,0,0),UY,0D,NODE(2.4,0,0),UY,0NLGEOM,ONNSUBST,10,50,5FINISH/PBC,U,,1/NUMBER,1/PNUM,MAT,1EPLOTSAVE,interference,db1 !包含有限元模型、接觸對、材料、邊界條件，求解控制例3.兩剛性面間夾－圓柱體分析（剛體模式－應(yīng)用初始接觸環(huán)ICONT）目標(biāo)：驗證使用初始接觸環(huán)調(diào)整帶來克服接觸分析中的剛體模式模型描述：2D平面應(yīng)力、1/4對稱、施加壓力，見圖

文件名:ICONT.inp

有限元分析模型兩剛性面間夾－圓柱體分析/prep7CYL4,0,0,0,0,1,90RECTNG,0,2.5,1.003,1.5ET,1,182

!Plane1822DStructuralSolid4節(jié)點UX,UY平面應(yīng)力、平面應(yīng)變和軸對稱單元、大變形、大應(yīng)變MP,EX,1,1000MP,EX,2,30E6mp,nuxy,2,0.3ESIZE,0.1AMESH,1MAT,2AMESH,2SAVE,ICONT,db以下用接觸向?qū)?chuàng)建接觸對第四章點－面接觸·點－面接觸單元是90年代普遍使用的接觸單元。由于點－面接觸單元理論上的限制，使它們被更新更好的面一面接觸單元取代?！c一面接觸單元可以用來模擬一個表面和一個節(jié)點的接觸；也可以把表面指定為一組節(jié)點，用點－面接觸單元來模擬面一面的接觸?！っ嬉幻娼佑|單元處理角點接觸有困難，因為它們采用高斯點作為接觸檢查點，在角點處會呈現(xiàn)過渡穿透。在此情況下，可以混合使用面一面接觸單元和點－面接觸單元，見圖

面一面接觸單元和點－面接觸單元混合·點－面接觸單元不必知道接觸面的位置。允許大變形，大的相對滑動，庫侖摩擦滑動；接觸面間可用不同的網(wǎng)格劃分?！c—面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(biāo)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。接觸單元形狀為三角形、四面體或椎體，其底面由目標(biāo)面上的節(jié)點組成，而頂點為接觸面上的節(jié)點，見圖

·點－面接觸單元在節(jié)點傳遞力（面－面接觸單元在高斯點傳遞力）此特性使其只能用于低階單元（角節(jié)點）－這是由于中間節(jié)點的單元節(jié)點上的反力不均勻，見圖

點－面接觸單元第一節(jié)接觸剛度點－面接觸單元（conta48、49）要求給出罰剛度?？梢酝ㄟ^實驗來確定一個合適的接觸剛度，使求解收斂而且侵入量可以接受。選擇接觸剛度：對于塊狀實體，通常赫芝接觸剛度適用于罰剛度，可以這樣來估算：