實(shí)用文檔

接觸問(wèn)題（參考ANSYS的中文幫助文件）

當(dāng)兩個(gè)分離的表面互相碰觸并共切時(shí)，就稱它們牌接觸狀態(tài)。在?般的物理意義中，牌接觸

狀態(tài)的表面有下列特點(diǎn)：

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：剛性體一柔性體、柔性體一柔性體

實(shí)際接觸體相互不穿透，因此，程序必須在這兩個(gè)面間建立一種關(guān)系，防止它們?cè)谟邢拊?/p>

析中相互穿過(guò)。

一一罰函數(shù)法。接觸剛度

——由grange乘子法，增加?個(gè)附加自由度（接觸壓力），來(lái)滿足不穿透條件

——將罰函數(shù)法和lagrange乘子法結(jié)合起來(lái)，稱之為增廣lagrange法。

三種接觸單元：節(jié)點(diǎn)對(duì)節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)對(duì)面、而對(duì)面。

接觸單元的實(shí)常數(shù)和單元選項(xiàng)設(shè)置：

FKN：法向接觸剛度。這個(gè)值應(yīng)該足夠大，使接觸穿透量?。煌瑫r(shí)也應(yīng)該足夠小，使問(wèn)題沒(méi)

有病態(tài)矩陣。FKN值通常在之間，對(duì)于體枳變形問(wèn)題，用值1.0（默認(rèn)），對(duì)彎曲問(wèn)

題，用值0.1。

FTOLN：最大穿透容差。穿透超過(guò)此值將嘗試新的迭代。這是一個(gè)與接觸單元下面的實(shí)體單

元深度（h）相乘的比例系數(shù)，缺省為0.1。此值太小，會(huì)引起收斂困難。

ICONT：初始接觸調(diào)整帶。它能用于圍繞目標(biāo)面給出?個(gè)''調(diào)整帶〃，調(diào)整帶內(nèi)任何接觸點(diǎn)都

被移到目標(biāo)面上；如果不給出ICONT值，ANSYS根據(jù)模型的大小提供一個(gè)較小的默認(rèn)值（V

0.03=

PINB：指定近區(qū)域接觸范圍（球形區(qū)）。當(dāng)目標(biāo)單元進(jìn)入pinb利區(qū)時(shí)，認(rèn)為它處于近區(qū)域

接觸，pinball區(qū)是圍繞接觸單元接觸檢測(cè)點(diǎn)的圓（二維）或球（三維）?？梢杂脤?shí)常數(shù)PINB

調(diào)整球形區(qū)（此方法用于初始穿透大的問(wèn)題是必要的）

PMIN和PMAX：初始容許穿透容差。這兩個(gè)參數(shù)指定初始穿透范圍，ANSYS把整個(gè)目標(biāo)面

（連同變形體）移到到由PMIN和PMAX指定的穿透范圍內(nèi)，而使其成為閉合接觸的初始狀

態(tài)。初始調(diào)整是一個(gè)迭代過(guò)程,ANSYS最多使用20個(gè)迭代步把三標(biāo)面調(diào)整到PMIN和PMAX

范圍內(nèi)，如果無(wú)法完成，給出警告，可能需要修改幾何模型。

TAUMAX：接觸面的最大等效明應(yīng)力。給出這個(gè)參數(shù)在于，不管接觸壓力值多大，只要等效

剪應(yīng)力達(dá)到最大值TAUMAX,就會(huì)發(fā)生滑動(dòng)。該剪應(yīng)力極限值通常用于接觸壓力會(huì)變得非常

大的情況。

CNOF：指定接觸面偏移。+CNOF增加1過(guò)盈、-CNOF減少過(guò)盈或產(chǎn)生間隙、CNOF能與幾何

穿透組合應(yīng)用。

FKOP：接觸張開(kāi)彈簧剛度。針對(duì)不分離或綁定接觸模型，需要設(shè)置實(shí)常數(shù)FKOP,該常數(shù)為

張開(kāi)接觸提供了一個(gè)剛度值。FKOP阻止接觸面的分離：FKOP默認(rèn)為1.0,用于建立粘結(jié)模

型，用一個(gè)較小值（le-5）去建立軟彈簧模型。

FKT：切向接觸剛度。作為初值，可以采用一FKT=0.01*FKN,這是大多數(shù)ANSYS接觸單

元的缺省值。

COHE：粘滯力。即沒(méi)有法向壓力時(shí)開(kāi)始滑動(dòng)的摩擦應(yīng)力值。

FACT,DC：定義摩擦系數(shù)變化規(guī)律

MU=MUK*（1+（FACT-1）EXP（-DC*vtfs/deltaT））

式中：MUK=動(dòng)摩擦系數(shù)（用戶自己定義）

FACT=MUS/MIK（用戶自己定義）

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MUS=靜摩擦系數(shù)

DC=衰減系數(shù)(用戶自己定義)

Vtfs/deltaT=表面間的相對(duì)速度

注意：動(dòng)摩擦系數(shù)由被指定為材料屬性(MU),由MP命令或GUI定義。缺省值：FACT=1,

MUS=MUK=O,DC=O

Keyopt的介紹，以Targetl70,Contal73為例：

首先介紹170的Keyopt

KEYOPT(3)：定義接觸行為

KEYOPT(1)：?jiǎn)卧A數(shù)(是否含有中節(jié)點(diǎn))

KEYOPT(1)=0：低階單元(不含中節(jié)點(diǎn))

KEYOPT(1)=1：高階單元(含中節(jié)點(diǎn))

KEYOPT(2)：剛體目標(biāo)面約束條件

=0時(shí)，自動(dòng)約束選項(xiàng)，每一個(gè)載荷步的末尾，程序內(nèi)部將是性面重新設(shè)置約束。

滿足以下條件，剛性面則缺省為自動(dòng)約束

沒(méi)有明確定義邊界條件：

目標(biāo)面與其它單元沒(méi)有聯(lián)系：

沒(méi)有定義耦合或約束方程。

=1時(shí)，用戶定義選項(xiàng)。

Contal73的Keyopt：

KEYOPT(1)：自由度選項(xiàng)。=0時(shí)，結(jié)構(gòu)：UX,UY,和UZ：=1時(shí)，結(jié)構(gòu)和熱：=2

時(shí)，TEMP(用于純熱接觸問(wèn)題)

KEYOPT(2)：選擇接觸算法。=0時(shí)，增廣的拉格朗日法(缺省選項(xiàng))，推薦于一般應(yīng)

用，它對(duì)罰剛度不太敏感，但是也要求給出一個(gè)穿透容差。=1時(shí)，罰函數(shù)法。它推薦應(yīng)用

于單元非常扭曲、大摩擦系數(shù)和用增廣的拉格朗日法收斂行為不好的問(wèn)題。

KEYOPT(4)：選擇接觸檢查點(diǎn)。=0時(shí)，高斯點(diǎn)(缺省選項(xiàng)，推薦)；=1時(shí)，節(jié)點(diǎn)；

ANSYS面對(duì)面單元默認(rèn)用高斯積分點(diǎn)作為接觸檢查點(diǎn)。

KEYOPT(5)：自動(dòng)CNOF調(diào)整。允許ANSYS基于初始狀態(tài)自動(dòng)給定CNOF值一一導(dǎo)致

''剛好接觸〃配置。=0時(shí)，不進(jìn)行自幼調(diào)整；=1時(shí)，閉合間隙：=2時(shí)，減小穿透：=3

時(shí)，閉合間隙/減小穿透。

KEYOPT(7)：時(shí)間步控制選項(xiàng)。(只有在SolutionControl中打開(kāi)基于接觸狀態(tài)變化的

時(shí)間步預(yù)測(cè)，此選項(xiàng)才起作用。Solution>UnabridgedMenu>LoadStep

Opts>SolutionCtrl

=0時(shí)，不控制，不影響自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)。對(duì)靜力問(wèn)題自動(dòng)時(shí)間步打開(kāi)時(shí)此選項(xiàng)一般是足夠

的。

=1時(shí)，自動(dòng)二分，如果接觸狀態(tài)變化明顯，時(shí)間步長(zhǎng)將二分，對(duì)于動(dòng)力問(wèn)題自動(dòng)二分

通常是足夠的：

=2時(shí)，合理值。比自動(dòng)細(xì)分更耗時(shí)的算法；

=3時(shí)，最小俏。此選項(xiàng)為下一子步預(yù)測(cè)最小時(shí)間增量(氣耗機(jī)時(shí)，不推薦)。

KEYOPT(8)：防止偽接觸選項(xiàng)。=0時(shí)，不防止：=1時(shí)，檢測(cè)并忽略偽接觸。

KEYOPT(9)：初始穿透間隙控制。=0時(shí)，包括幾何穿透/間隙和CNOF；=1時(shí)，忽略幾

何穿透/間隙和CNOF：=2時(shí)，包括幾何穿透/間隙和CNOF,旦在第一個(gè)載荷步中漸變：=

3時(shí)，忽略幾何穿透/間隙，包括CNOF：=4時(shí)，忽略幾何穿透/間隙，包括CNOF,且在第

一個(gè)載荷步中漸變。

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KEYOPT（10）：接觸剛度更新控制。=0,閉合狀態(tài)的接觸剛度不進(jìn)行任何更新；=1,每

一載荷步更新閉合狀態(tài)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(dòng)更新接觸剛度（根據(jù)變形后下伏單元的剛度）。

KEYOPT（11）：殼、梁?jiǎn)卧穸扔绊憽?/p>

如果已經(jīng)創(chuàng)建了?個(gè)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(rèn)）：=1,在指定表面的頂部或底部。

注意：當(dāng)用SHELL181單元時(shí)，由于大應(yīng)變變形引起的厚度改變也被考慮。

KEYOPT（12）：創(chuàng)立不同的接觸表面相互作用模型。

=0,標(biāo)準(zhǔn)的接觸行為，張開(kāi)時(shí)法向壓力為0；

=1.粗糙接觸行為，不發(fā)生滑動(dòng)（類似無(wú)限摩擦系數(shù)）：

=2,不分離,允許滑動(dòng)；

=3,綁定接觸，目標(biāo)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(qū)域內(nèi)或已經(jīng)接觸的接觸檢查點(diǎn)在法向不

分離；

=5,綁定接觸（總是），初始位于pinball區(qū)域內(nèi)或已經(jīng)接觸的接觸檢查點(diǎn)總是與目標(biāo)

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(kāi)的地方保持張開(kāi)。

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5.1概述

接觸問(wèn)題是一種高度非線性行為，需要較多的計(jì)算機(jī)資源。為了進(jìn)行切實(shí)有

效的計(jì)算，理解問(wèn)題的物理特性和建立合理的模型是很重要的。

接觸問(wèn)題存在兩個(gè)較大的難點(diǎn)：其一，在用戶求解訶題之前，用戶通常不知

道接觸區(qū)域。隨載荷、材料、邊界條件和其它因素的不同，表面之間可以接觸或

者分開(kāi)，這往往在很大程度上是難以預(yù)料的，并且還可能是突然變化的。其二，

大多數(shù)的接觸問(wèn)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(yīng)可能是無(wú)序的，所以摩擦使問(wèn)題的收斂性成為一個(gè)難點(diǎn)。

注意一如果在模型中，不考慮摩擦，且物體之間的總是保持接觸，則可以

應(yīng)用約束方程或自由度藕合來(lái)代替接觸。約束方程僅在小應(yīng)變分析（NLGEOM,

off）中可用。見(jiàn)^ANSYSModelingandMeshingGuided中的§12,Couplingand

ConstraintEquations。

除了上面兩個(gè)難點(diǎn)外，許多接觸問(wèn)題還必須涉及到多物理場(chǎng)影響，如接觸區(qū)

域的熱傳導(dǎo)、電流等。

5.1.1顯式動(dòng)態(tài)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(duì)于短時(shí)間接觸-碰撞問(wèn)題比較理想。關(guān)于

ANSYS/LS-DYNA的更多的信息參見(jiàn)UNSYS/LS-DYNAUser'sGuide》。

5.2一般接觸分類

接觸問(wèn)題分為兩種基本類型：剛體一柔體的接觸，柔體一柔體的接觸。在剛

體一柔體的接觸問(wèn)題中，接觸面的一個(gè)或多個(gè)被當(dāng)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(shí)，可以

假定為剛體一柔體的接觸，許多金屬成形問(wèn)題歸為此類接觸。柔體一柔體的接觸

是一種更普遍的類型，在這種情況下，兩個(gè)接觸體都是變形體（有相似的剛度）。

柔體一柔體接觸的一個(gè)例子是栓接法蘭。

5.3ANSYS接觸分析功能

ANSYS支持三種接觸方式：點(diǎn)一點(diǎn)，點(diǎn)一面，面一面接觸。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(wèn)題。

為了給接觸問(wèn)題建模，首先必須認(rèn)識(shí)到模型中的哪些部分可能會(huì)相互接觸。

如果相互作用的其中之一是一點(diǎn)，模型的對(duì)應(yīng)組元是一個(gè)節(jié)點(diǎn)。如果相互作用的

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其中之一是一個(gè)⑶，模型E勺對(duì)應(yīng)組元是單元，如梁?jiǎn)卧?、殼單元或?qū)嶓w單兀。有

限元模型通過(guò)指定的接觸單元來(lái)識(shí)別可能的接觸對(duì)，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(guò)程，后面會(huì)

分類詳述，然后論述ANSYS接觸單元和他們的功能。參見(jiàn)《ANSYSElements

Reference》和《ANSYSTheoryReference》。

表57ANSYS接觸分析功能

點(diǎn)一點(diǎn)點(diǎn)-面面面

CONTACCONTACONTACCOXTACCONTAC

C0NTACCONTAC171,172CONTAC173,174

12TARGET169TARGET170

52178264849

點(diǎn)一點(diǎn)YYY

點(diǎn)-而YYY

面一面YYYY

2-DYYYYYY

3-DYYYY

滑動(dòng)小小小大大大大大

曲面YY

圓柱間隙YY

純

LagrangeY

乘子

增加

LagrangeYYYYY

乘子

用戶定半自用戶定用戶定用戶定

接觸剛度半自動(dòng)半自動(dòng)

義動(dòng)義義義

自動(dòng)網(wǎng)格

EINTFEINTFNoneGCGENGCGENESURFESURF

工具

低階YYYYYYYY

高階YYY

剛體-柔

YYYYYYYY

體

柔體-柔

YYYYYYY

體

熱接觸YYYY

5.3.1面一面的接觸單元

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ANSYS支持剛體一柔體和柔體一柔體的面一面的接觸單元。這些單兀應(yīng)用

“目標(biāo)”面和“接觸”面來(lái)形成接觸對(duì)。

分別用TARGE169或TARGE170來(lái)模擬2D和3D目標(biāo)面。

用C0NTA171、C0NTA172、C0NTA173、C0NTA174來(lái)模擬接觸面。

為了建立一個(gè)“接觸對(duì)”，給目標(biāo)單元和接觸單元指定相同的實(shí)常數(shù)號(hào)。參

見(jiàn)§5.4。

這些面-面接觸單元非常適合于過(guò)盈裝配安裝接觸或嵌入接觸，鍛造，深拉

問(wèn)題。與點(diǎn)一面接觸單元相比，面一面接觸單元有許多優(yōu)點(diǎn)：

支持面上的低階和高階單元（即角節(jié)點(diǎn)或有中節(jié)點(diǎn)的單元）；

支持有大滑動(dòng)和摩擦的大變形。計(jì)算一致剛度陣，可用不對(duì)稱剛度陣

選項(xiàng)；

提供為工程目的需要的更好的接觸結(jié)果，如法向壓力和摩擦應(yīng)力；

沒(méi)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(wǎng)格離散引起的表面不連續(xù)；

與點(diǎn)一面接觸單元比，需要較少的接觸單元，因而只需較小的磁盤空

間和CPU時(shí)間，并具有高效的可視化；

允許多種建?？刂?，例如：

綁定接觸，不分離接觸，粗糙接觸；

漸變初始穿透；

目標(biāo)面自動(dòng)移動(dòng)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-力耦合分析。

使用這些單元來(lái)做為剛性目標(biāo)面，能模擬2D和3D中的直線（面）和曲線（面），

通常用簡(jiǎn)單的幾何形狀例如圓、拋物線、球、圓錐、圓柱來(lái)模擬曲面。更復(fù)雜的

剛體形狀或普通可變形體，可以應(yīng)用特殊的前處理技巧來(lái)建模，參見(jiàn)§5.4。

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面一面接觸單兀小能很好地應(yīng)用于點(diǎn)一點(diǎn)或點(diǎn)-面接觸問(wèn)題，如管道或加頭裝

配。在這種情況下，應(yīng)當(dāng)應(yīng)用點(diǎn)一點(diǎn)或點(diǎn)-面接觸單元。用戶也可以在大多數(shù)接觸

區(qū)域應(yīng)用面-面接觸單元，而在少數(shù)接觸角點(diǎn)應(yīng)用點(diǎn)一點(diǎn)接觸單元。

面一面接觸單元只支持一般的靜態(tài)或瞬態(tài)分析，屈曲、模態(tài)、譜分

析或子結(jié)構(gòu)分析。不支持諸響應(yīng)分析、縮減或模態(tài)疊加瞬態(tài)分析，或縮減或模態(tài)

疊加諧響應(yīng)分析。

本章后面將分別討論ANSYS不同接觸分析類型的能力。

5.3.2點(diǎn)一面接觸單元

點(diǎn)一面接觸單元主要用于給點(diǎn)一面接觸行為建模，例如兩根梁的相互接觸

（梁端或尖角節(jié)點(diǎn)），鐘頭裝配部件的角點(diǎn)。

如果通過(guò)一組節(jié)點(diǎn)來(lái)定義接觸面，生成多個(gè)單元，那么可以通過(guò)點(diǎn)一面接觸

單元來(lái)模擬面一面的接觸I可題。面既可以是剛性體也可以是柔性體。這類接觸問(wèn)

題的一個(gè)典型例子是插頭插到插座里。

使用這類接觸單元，不需要預(yù)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(wǎng)格。并且允許有大的變形和大的相對(duì)滑動(dòng)，雖然這一功能也可以模

擬小的滑動(dòng)。

C0NTACT48和C0NTACT49單元是點(diǎn)一面的接觸單元。這2種單元支持大滑

動(dòng)、大變形、以及接觸部件間不同的網(wǎng)格。用戶也可以用這2種單元來(lái)進(jìn)行熱-

機(jī)械耦合分析，其中熱在接觸實(shí)體之間的傳導(dǎo)非常重要。

應(yīng)用C0NTACT26單元用來(lái)模擬柔性點(diǎn)一剛性面的接觸。對(duì)有不光滑剛性面

的問(wèn)題，不推薦采用C0NTACT26單元，因?yàn)樵谶@種環(huán)境下，可能導(dǎo)致接觸的丟

失。在這種情況下，C0NTACT48通過(guò)使用偽單元算法，能提供較好的建模能力（參

見(jiàn)《ANSYSTheoryReferenced）,但如果目標(biāo)面嚴(yán)重不連續(xù),依然可能失敗。

5.3.3點(diǎn)一點(diǎn)接觸單元

點(diǎn)一點(diǎn)接觸單元主要用于模擬點(diǎn)一點(diǎn)的接觸行為。為了使用點(diǎn)一點(diǎn)接觸單

元，用戶需要預(yù)先知道接觸位置，這類接觸問(wèn)題只能適用于接觸面之間有較小相

對(duì)滑動(dòng)的情況（即使在幾何非線性情況下）。其中一個(gè)例子是傳統(tǒng)的管道裝配模

型，其中接觸點(diǎn)總是在管端和約束之間。

點(diǎn)一點(diǎn)接觸單元也可以用于模擬面一面的接觸問(wèn)題，如果兩個(gè)面上的節(jié)點(diǎn)一

一對(duì)應(yīng)，相對(duì)滑動(dòng)又可以忽略不計(jì)，兩個(gè)面位移（轉(zhuǎn)動(dòng)）保持小量，那么可以用點(diǎn)

一點(diǎn)的接觸單元來(lái)求解面一面的接觸問(wèn)題，過(guò)盈裝配問(wèn)題是一個(gè)用點(diǎn)一點(diǎn)的接觸

單元來(lái)模擬面一面接觸問(wèn)題的典型例子。

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另一個(gè)點(diǎn)一點(diǎn)接觸單元的應(yīng)用是表面應(yīng)力的精確分析，如選平機(jī)葉片的分

析。

ANSYS的C0NTA178單元是大多數(shù)點(diǎn)一點(diǎn)接觸問(wèn)題的最好選擇。它比其他單元

提供了范圍更廣的選項(xiàng)和求解類型。C0NTAC12和C0NTAC52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面一面的接觸分析

用戶可以應(yīng)用面-面接觸單元來(lái)模擬剛體-柔體或柔體之間的接觸。從菜單

(Prcprocessor>Create>ContactPair>ContactWizard)進(jìn)入接觸向?qū)?，為大?/p>

數(shù)接觸問(wèn)題建立接觸對(duì)提供了簡(jiǎn)單的方法。接觸向?qū)⒅笇?dǎo)用戶建立接觸對(duì)的整

個(gè)過(guò)程。每個(gè)對(duì)話框中的HELP按鈕對(duì)其應(yīng)用及選項(xiàng)作了詳細(xì)說(shuō)明。

在用戶未對(duì)模型的任何區(qū)域分網(wǎng)之前，接觸向?qū)Р荒軕?yīng)用。如果用戶希望建

立剛體-柔體模型，則在進(jìn)入接觸向?qū)?，僅對(duì)用作柔體接觸面的部分分網(wǎng)(不對(duì)

剛體目標(biāo)面分網(wǎng))。如用戶希望建立柔體-柔體接觸模型，則應(yīng)在進(jìn)入接觸向?qū)?

對(duì)所有用作接觸面的部件進(jìn)行分網(wǎng)(包括目標(biāo)面)。

下面諸節(jié)將論述不用接觸向?qū)?lái)建立接觸面和目標(biāo)面的方法。

5.4.1應(yīng)用面一面接觸單元

在涉及到兩個(gè)邊界的接觸問(wèn)題中，很自然把一個(gè)邊界作為“目標(biāo)”面，而把

另一個(gè)作為“接觸”面。對(duì)剛體一柔體的接觸，目標(biāo)面總是剛性面，接觸面總是

柔性面。對(duì)柔體一柔體的接觸，目標(biāo)面和接觸面都與變形體關(guān)聯(lián)。這兩個(gè)面合起

來(lái)叫作“接觸對(duì)”。使用TARG接69與C0NTA171(或C0NTA172)單元來(lái)定義2-D

接觸對(duì)。使用TARGE170與C0NTA173(或C0NTA174)單元來(lái)定義3-D接觸對(duì)。程序

通過(guò)相同的實(shí)常數(shù)號(hào)來(lái)識(shí)別每一個(gè)接觸對(duì)。

5.4.2接觸分析的步驟

典型面一面接觸分析的基本步驟如下，后面將對(duì)每一步驟進(jìn)行詳細(xì)解釋。

1、建立幾何模型并劃分網(wǎng)格；

2、識(shí)別接觸對(duì)；

3、指定接觸面和目標(biāo)面；

4、定義目標(biāo)而；

5、定義接觸面;

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6、設(shè)置單兀關(guān)鍵選項(xiàng)和實(shí)常數(shù)；

7、定義/控制剛性目標(biāo)面的運(yùn)動(dòng)（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(xiàng)和載荷步；

10、求解接觸問(wèn)題：

11、查看結(jié)果。

5.4.3建立幾何模型并劃分網(wǎng)格

在這一步，用戶需要建立代表接觸體的幾何實(shí)體模型。與其它分析一樣，需

要設(shè)置單元類型、實(shí)常數(shù)、材料特性。用恰當(dāng)?shù)膯卧愋徒o接觸體劃分網(wǎng)格。參

見(jiàn)《ANSYSModelingandMeshingGuide》。

命令：AMESH

VMESH

GUI：MainMenu>Preprocessor>Mesh

5.4.4識(shí)別接觸對(duì)

用戶必須判斷模型在變形期間哪些地方可能發(fā)生接觸。一旦已經(jīng)判斷出潛在

的接觸面，就應(yīng)該通過(guò)目標(biāo)單元和接觸單元來(lái)定義它們，目標(biāo)和接觸單元將跟蹤

變形階段的運(yùn)動(dòng)。構(gòu)成一個(gè)接觸對(duì)的目標(biāo)單元和接觸單元通過(guò)共享的實(shí)常數(shù)號(hào)聯(lián)

系起來(lái)。

接觸區(qū)域可以任意定義，然而為了更有效地進(jìn)行計(jì)算（主要指CPU時(shí)間），用

戶可能想定義更小的局部化的接觸區(qū)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(duì)必須通過(guò)不同的實(shí)常數(shù)號(hào)來(lái)定義，即使實(shí)常數(shù)沒(méi)有變化。但

不限制允許的面的數(shù)目。

實(shí)用文檔

O“cnnXbody

圖5-1局部接觸區(qū)域

由于幾何模型和潛在變形的多樣性，有時(shí)候一個(gè)接觸面的同一區(qū)域可能與多

個(gè)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(gè)接觸對(duì)（使用多組覆蓋接

觸單元）。每個(gè)接觸對(duì)有不同的實(shí)常數(shù)號(hào)。見(jiàn)圖5-1。

5.4.5指定接觸面和目標(biāo)面

接觸單元被限制不得穿透目標(biāo)面。但是，目標(biāo)單元可以穿透接觸面。對(duì)于剛

體-柔體接觸，目標(biāo)面總是剛體表面，而接觸面總是柔體表面。對(duì)于柔體-柔體接

觸，選擇那一個(gè)面作為接觸面或目標(biāo)面可能會(huì)引起穿透量的不同，從而影響求解

結(jié)果。這可參照下面的論述：

如凸面預(yù)期與一個(gè)平面或四面接觸，則平面/凹面應(yīng)當(dāng)指定為目標(biāo)面；

如一個(gè)面有較密的網(wǎng)格，而相比較之下，另一個(gè)面網(wǎng)格較粗，則較密

網(wǎng)格的面應(yīng)當(dāng)是接觸面，而較粗網(wǎng)格的面則為目標(biāo)面；

如一個(gè)面比另一個(gè)面剛，則較柔的面應(yīng)當(dāng)指定為接觸面，而較剛的面

則為目標(biāo)面；

如果高階單元位于一個(gè)外表面，而低階單元位于另一個(gè)面，則前者應(yīng)

指定為接觸面，后者則為目標(biāo)面；

如果一個(gè)面明顯地比另一個(gè)面大（如一個(gè)面包圍其他面），則較大的面

應(yīng)指定為目標(biāo)面。

實(shí)用文檔

上面的論述對(duì)于小對(duì)稱接觸是止確的。但不對(duì)稱接觸可能小能滿足模型需

要。下面一小節(jié)祥細(xì)論述穴對(duì)稱接觸和對(duì)稱接觸的差異，并簡(jiǎn)要說(shuō)明需要對(duì)稱接

觸的一些場(chǎng)合。

5.4.6不對(duì)稱接觸與對(duì)稱接觸

不對(duì)稱接觸定義為所有的接觸單元在一個(gè)面上，而所有的目標(biāo)單元在另一個(gè)

面上的情況。有時(shí)候也稱為“單向接觸”。這在模擬直-面接觸時(shí)最為有效。但

是，在某些環(huán)境下，不對(duì)稱接觸不能滿足要求。在這些情況下，可以把任一個(gè)面

指定為目標(biāo)面和接觸面。然后在接觸的面之間生成二組接觸對(duì)(或僅是一個(gè)接觸

對(duì)，如自接觸情況)。這就稱為對(duì)稱接觸，有時(shí)也稱為“雙向接觸”。顯然，對(duì)

稱接觸不如非對(duì)稱接觸效率高。但是，許多分析要求應(yīng)用對(duì)稱接觸(典型地，是

為了減少穿透)。要求對(duì)稱接觸的情況如下：

接觸面和目標(biāo)面區(qū)分不十分清楚；

二個(gè)面都有十分粗糙的網(wǎng)格。對(duì)稱接觸算法匕非對(duì)稱接觸算法在更多

的面上施加了接觸約束條件。

如果二個(gè)面上的網(wǎng)格杓同并且足夠密，則對(duì)稱接觸算法可能不會(huì)顯著改變運(yùn)

行，而事實(shí)上可能更費(fèi)CPU時(shí)間。在這種情況下，拾取一個(gè)面為目標(biāo)面，而另一

個(gè)面為接觸面。在任何接觸模型中，可以混合不同的接觸對(duì)：剛體-柔體或柔體-

柔體接觸對(duì)；對(duì)稱接觸或非線稱接觸。但在一個(gè)接觸對(duì)中只能有一種類型。

5.4.7定義目標(biāo)面

目標(biāo)面可以是2D或3D的剛體或柔體的面。對(duì)于柔體目標(biāo)面，一般應(yīng)用ESURF

命令來(lái)沿現(xiàn)有網(wǎng)格的邊界生成目標(biāo)單元。也可以按相同的方法來(lái)生成柔體接觸面

(見(jiàn)§5.4.8)。用戶不應(yīng)當(dāng)應(yīng)用下列剛性目標(biāo)面作為柔體接觸面:ARC,CARC,CIRC,

CYL1,CONE,SPHE或PIL0o對(duì)于剛體目標(biāo)面的情況論述如下。

在2D情況下，剛性目標(biāo)面的形狀可以通過(guò)一系列直線、圓弧和拋物線來(lái)描

述，所有這些都可以用TARGE169單元來(lái)表示。另外，可以使用它們的任意組合

來(lái)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(guò)三角面、圓柱面、

圓錐面和球面來(lái)描述，所有這些都可以用TAPGE170單元來(lái)表示。對(duì)于一個(gè)復(fù)雜

的、任意形狀的目標(biāo)面，可以使用低階/高階三角形和四邊形來(lái)給它建模。

5.4.7.1控制節(jié)點(diǎn)

剛性目標(biāo)面可能會(huì)與"控制(pilot)節(jié)點(diǎn)”聯(lián)系起來(lái)，它實(shí)際上是一個(gè)只有

一個(gè)節(jié)點(diǎn)的單元，其運(yùn)動(dòng)控制整個(gè)LI標(biāo)面的運(yùn)動(dòng)，因此可以把控制節(jié)點(diǎn)作為剛性

目標(biāo)的控制器。整個(gè)目標(biāo)面的力/力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)/位移可以只通過(guò)控制節(jié)點(diǎn)來(lái)表示。

控制節(jié)點(diǎn)可能是目標(biāo)單元中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，也可能是一個(gè)任意位置的節(jié)點(diǎn)。只有當(dāng)

實(shí)用文檔

需要轉(zhuǎn)動(dòng)或力矩載荷時(shí).，控制節(jié)點(diǎn)的位置才是重要的。如果用戶定義了控制節(jié)點(diǎn)，

ANSYS程序只在控制節(jié)點(diǎn)上檢查邊界條件，而忽略其它節(jié)點(diǎn)上的任何約束。

注意一當(dāng)前的接觸向?qū)Р恢С稚煽刂乒?jié)點(diǎn)。用戶可以在接觸向?qū)舛x

控制節(jié)點(diǎn)。

5.4.7.2基本圖元

用戶可以使用基本幾何圖元，如圓、圓柱、圓錐、球，來(lái)模擬目標(biāo)面（它需

要實(shí)常數(shù)來(lái)定義半徑）。也可以組合圖元與一般的直線、拋物線、三角形和四邊

形來(lái)定義目標(biāo)面。

5.4.7.3單元類型和實(shí)常數(shù)

在生成目標(biāo)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：mainmenu>preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete

隨后必須設(shè)置R標(biāo)單元的實(shí)常數(shù)。

命令：Real

GUI：mainmenn>preprocessor>realconstants

對(duì)于TARGE169單元和TARGE170單元，僅需設(shè)置實(shí)常數(shù)RI和R2（如果需要

的話）。關(guān)于目標(biāo)單元、.單元形狀、實(shí)常數(shù)的完整描述，參見(jiàn)《ANSYSElements

Referenced中TARGE169單元和TARGE170單元的論述c

注意一只有在使用直接生成法建立目標(biāo)單元時(shí)，才需要指定實(shí)常數(shù)RI、R2。

另外除了直接生成法，用戶也可以使用ANSYS網(wǎng)格劃分工具生成目標(biāo)單元，下面

解釋這兩種方法。

5.4.7.4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。

命令：TSHAP

GUI：mainmenu>preprocessor>modeling-create>Elements>

ElcmAttributes

隨后指定單元形狀，可能的形狀有:

實(shí)用文檔

直線(2D)

拋物線(2-D)

順時(shí)針的圓弧(2-D)

反時(shí)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(jié)點(diǎn)(2-D和3-D)

一旦用戶指定目標(biāo)單元形狀，所有以后生成的單元都將保持這個(gè)形狀，除非

用戶指定另外一種形狀。

注意一不能在同一個(gè)目標(biāo)面上混合2D和3D目標(biāo)單元。

注意一不能在同一個(gè)目標(biāo)面上混合剛體目標(biāo)單元和柔體目標(biāo)單元。在求解

期間，ANSYS對(duì)具有下伏單元的目標(biāo)單元指定為可變形狀態(tài)，而對(duì)沒(méi)有下伏單元

的目標(biāo)單元指定為剛體狀態(tài)。如果刪除柔性表面的下伏單元的一部分，在求解時(shí)

會(huì)出現(xiàn)一個(gè)錯(cuò)誤。

用戶可以用標(biāo)準(zhǔn)的ANSYS直接生成技術(shù)生成節(jié)點(diǎn)和單元。參見(jiàn)《ANSYS

ModelingandMeshingGuide》§9。

命令：N

E

GUI：mainmenu>preprocessor>modeling-creat9>nodes

mainmenu>preprocessor>modeling-create>Elenents

在建立單元之后，可以通過(guò)列表單元來(lái)驗(yàn)證單元形狀。

命令：ELIST

GUI：utilitymenu>1ist>E1ements>Nodes+Attributes

實(shí)用文檔

5.4.7.5使用ANSYS網(wǎng)格劃分工具生成剛性目標(biāo)單元

用戶也可以用標(biāo)準(zhǔn)的ANSYS網(wǎng)格劃分功能讓程序自動(dòng)地生成目標(biāo)單元"NSYS

程序會(huì)基于體模型生成合適的目標(biāo)單元形狀，而忽略TSHAP命令的選項(xiàng)。

為了生成一個(gè)控制(Pilot)節(jié)點(diǎn)，使用下面的命令或GUI路徑：

命令：KMESH

GUI：mainmenu>preprocessor>meshing-mesh>keypoints

注意：KMESH總是生成控制節(jié)點(diǎn)。

為了生成一個(gè)2D剛性目標(biāo)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(jiàn)圖5-2。如果所有的圓弧形成一個(gè)封閉的圓，ANSYS生

成一個(gè)單一的圓，參見(jiàn)圖5-3o但是，如果圍成封閉圓的弧是從外部輸入(如

IGES)的幾何實(shí)體，則ANSYS可能無(wú)法生成一個(gè)單一的圓。

命令：LMESH

GUI：mainmenu>preprocessor>meshing-mesh>lines

P-3炸

ParaboU

wors

(b)CreatedEltmtntt

圖5-2ANSYS幾何實(shí)體和相應(yīng)的剛性目標(biāo)單元

圖5-3從圓弧線段生成單一的圓

為了生成3D的目標(biāo)單元，使用下面的命令或GUI路徑。

實(shí)用乂檔

命令：AMESH

GUI：mtiinmenu>preprocessor>-meshing-mesh>Ar9cis

如果實(shí)體模型的表面部分形成了一個(gè)完整的球、圓柱或圓錐，那么AXSYS程

序通過(guò)AMESH命令，自動(dòng)生成一個(gè)基本3D目標(biāo)單元。因?yàn)樯奢^少的單元，從

而使用戶分析計(jì)算更有效率。對(duì)任意形狀的表面，應(yīng)該使用AMESH命令來(lái)生成

目標(biāo)單元。在這種情況下，網(wǎng)格形狀的質(zhì)量不重要。而目標(biāo)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(wǎng)格。如果在表面邊界上沒(méi)有曲率，則在

網(wǎng)格劃分時(shí)，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(gè)單元這樣來(lái)分網(wǎng)，而忽略LESIZE命令的設(shè)置。缺省的單元形狀是四邊形。如

果要用三角形目標(biāo)單元，應(yīng)用MSHAPE,1o圖5-4示出任意目標(biāo)面的網(wǎng)格布局。

下面的命令或GUI路徑，將盡可能地生成一個(gè)映射網(wǎng)格（如果不能進(jìn)行映射,

它將生成自由網(wǎng)格）。

命令：MSHKFY,2

GUI：mainmenu>preprocessor>-meshing-mesh>-Areas-TargetSurf

圖5-4任意目標(biāo)面的網(wǎng)格布局

如果目標(biāo)面是平面（或接近平面），用戶可以選擇低階目標(biāo)單元（3節(jié)點(diǎn)三角形

或4節(jié)點(diǎn)四邊形單元）。如果目標(biāo)面是曲面，用戶應(yīng)該選擇高階目標(biāo)單元（6節(jié)點(diǎn)

三角形或8節(jié)點(diǎn)四邊形單元）。為此在目標(biāo)單元定義中設(shè)置KEYOPT（1）=1。

注意一低階單元致使獲取穿透和間隙時(shí)CPU的開(kāi)銷較?。旱牵志W(wǎng)后的

面可能不夠光滑。高階單元?jiǎng)t在獲取穿透和間隙時(shí)CPU的開(kāi)銷較大；但是需要較

少的單元就可以離散整個(gè)目標(biāo)曲面。

注意一如果通過(guò)程序分網(wǎng)（KMESH、LMESH、ESURF命令）來(lái)建立目標(biāo)單元,

則忽略TSHAP命令，而ANSYS自動(dòng)選擇合適的形狀。

實(shí)用文檔

5.4.7.5.1建模和網(wǎng)格劃分的一些訣竅

?個(gè)目標(biāo)面可能由兩個(gè)或多個(gè)不連續(xù)的區(qū)域組成。用戶應(yīng)該盡可能地通過(guò)定

義多個(gè)目標(biāo)面，來(lái)使接觸區(qū)域限于局部（每個(gè)目標(biāo)面有一個(gè)不同的實(shí)常數(shù)號(hào)）。剛

性面上的形狀不限制，不要求光滑。但是，要保證剛性目標(biāo)面上曲面的離散足夠。

過(guò)粗的網(wǎng)格離散可能導(dǎo)致攻斂問(wèn)題。如果剛性面有?個(gè)尖銳的凸角，求解大的滑

動(dòng)問(wèn)題時(shí)很難獲得收斂結(jié)果。為了避免這些建模問(wèn)題，在實(shí)體模型上使用線或面

的倒角來(lái)使尖角光滑化，或者在曲率突變的區(qū)域使用更細(xì)的網(wǎng)格或使用高階單

元，見(jiàn)圖5-5。

圖5-5凸角的光滑化

S.4.7.5.2檢驗(yàn)?zāi)繕?biāo)面的節(jié)點(diǎn)號(hào)順序（接觸方向）

目標(biāo)面的節(jié)點(diǎn)號(hào)順序是重要的，因?yàn)樗x了接觸方向。對(duì)2D接觸問(wèn)題，

當(dāng)沿著目標(biāo)線從第一個(gè)節(jié)點(diǎn)移向第二個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，變形體的接觸單元必須位于目標(biāo)

面的右邊。見(jiàn)圖5-6。

圖5-6正確的節(jié)點(diǎn)順序

對(duì)3D接觸問(wèn)題，目標(biāo)三角形單元號(hào)應(yīng)使剛性面的外法線方向指向接觸面。

外法線通過(guò)右手法則來(lái)定義。

為了檢查法線方向，顯示單元坐標(biāo)系。

實(shí)用文檔

命令：/PSYMB,ESYS,1

GUI：Utilitymenu>PlotCtrls>symbols

如果單元法向不指向接觸面，選擇該單元，反轉(zhuǎn)表面法線的方向。

命令：ESURF,,REVE

GUI：mainmenu>preprocossor>create>Elements>SurftoSurf

或重新定向單元的法向：

命令：EN0RM

GUI：MainMenu>Preprocessor>Create>Move/Modify>ShellNormals

注意一在目標(biāo)元素（如完整的圓、圓柱、圓錐、球）上的接觸，只能在這些

目標(biāo)元素的外表面上出現(xiàn)，

5.4.8定義柔體的接觸面

為了建立柔體的接觸面，對(duì)于2D接觸必須使用接觸單元CONFA171或

CONFA172接觸單元；對(duì)于3D接觸必須使用COXTA173或CONTA174接觸單元。

程序通過(guò)組成柔體表面的接觸單元來(lái)定義接觸面?；蛴|單元與下伏柔體單元

有同樣的幾何特性。接觸單元與下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(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)。高階接觸單元可以通過(guò)消除中節(jié)點(diǎn)而與低階下層單元匹

配。下伏單元可能是實(shí)體單元、殼單元、2D梁?jiǎn)卧?。接觸面可以在殼或梁?jiǎn)卧?/p>

任何一邊。下伏單元也可以是超單元。但是，軸對(duì)稱調(diào)和單元不能用作下伏單元。

與目標(biāo)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(shí)常

數(shù)號(hào)（在每個(gè)接觸對(duì)中，實(shí)常數(shù)號(hào)必須與它所對(duì)應(yīng)的目標(biāo)面的實(shí)常數(shù)號(hào)相同），最

后生成接觸單元。

5.4.8.1單元類型

下面簡(jiǎn)單描述四種類型的接觸單元。參見(jiàn)《ANSYSElementsReference））。

C0NTA171：這是2D、2個(gè)節(jié)點(diǎn)的低階線單元，可位于2D實(shí)體、殼或梁

單元（如BEAM3、PLANE42或SHELL51）的表面,

CONTA172：這是2D、3節(jié)點(diǎn)的高階拋物線形單元，可位于有中節(jié)點(diǎn)的

2D實(shí)體或梁?jiǎn)卧ㄈ鏟LANE82或VISCO88）的表面。

實(shí)用文檔

C0NTA173：這是3D、4節(jié)點(diǎn)的低階四邊形單兀，可位于3D實(shí)體或殼單

元（如SOLID45或SHELU81）的表面?？赏嘶?節(jié)點(diǎn)的三角形單元。

C0NTA174：這是3D、8節(jié)點(diǎn)的高階四邊形單元，可位于有中節(jié)點(diǎn)的3D

實(shí)體或殼單元（如S0LID92、S0LID95或SHELL93）的表面?？赏嘶?

節(jié)點(diǎn)的三角形單元。

命令：ET

GUI：mainmenu>preprocessor>Elementtype>Add/Edit/Delete

5.4.8.2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)集，一個(gè)接觸對(duì)中的接觸面

和目標(biāo)面必須有相同的實(shí)常數(shù)號(hào)。每個(gè)接觸對(duì)必須有不同的實(shí)常數(shù)號(hào)。

ANSYS使用下伏單元的材料特性來(lái)計(jì)算一個(gè)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(shù)100降低"NSYS自動(dòng)為切向（滑動(dòng)）剛度定義一個(gè)與MU和法向

剛度成正比的缺省值。如昊下伏單元是一個(gè)超單元，接觸單元的材料必須與超單

元形成時(shí)的原始結(jié)構(gòu)單元相同。

5.4.8.3生成接觸單元

既可以通過(guò)直接生成法生成接觸單元，也可以在下層單元的外表面上自動(dòng)生

成接觸單元。推薦采用自動(dòng)生成法，這種方法更為簡(jiǎn)單和可靠?？梢酝ㄟ^(guò)下面三

個(gè)步驟，來(lái)自動(dòng)生成接觸單元。

1、選擇節(jié)點(diǎn)

選擇已分網(wǎng)的柔體表面的節(jié)點(diǎn)。對(duì)每一個(gè)面，檢查節(jié)點(diǎn)排列。如果用戶確定

某一部分節(jié)點(diǎn)永遠(yuǎn)不會(huì)接觸到目標(biāo)面，用戶可以忽略它以便減少計(jì)算時(shí)間。然而

用戶必須保證設(shè)有漏掉可能會(huì)接觸到目標(biāo)面的節(jié)點(diǎn)。

命令：NSEL

GUI：UtilityMenu>Select>Entities

2、生成接觸單元

命令：ESURF

GUI：MainMenu>Preprocessor>Create>Elements>SurftoSurf

實(shí)用文檔

如果接觸單兀是附在已用實(shí)體單兀劃分網(wǎng)格的曲或體上，程序會(huì)自動(dòng)決定接

觸計(jì)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(gè)表面（上表

面或下表面）是接觸面。

命令：ESURF,,TOP（或BOTIOM）

GUI：MainMenu>Preprocessor>Create>Elements>SurftoSurf

使用TOP（缺?。┥山佑|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(shí)體單元，則TOP或

BOTTOM選項(xiàng)不起作用

3、檢查接觸單元外法向。當(dāng)程序進(jìn)行是否接觸的檢查時(shí)，接觸面的外法線

方向至關(guān)重要。對(duì)于3D.單元，按節(jié)點(diǎn)順序號(hào)以右手法則來(lái)決定單元的外法向。

接觸面的外法向應(yīng)該指向目標(biāo)面。否則，在開(kāi)始分析計(jì)算時(shí)，程序可能會(huì)認(rèn)為是

有過(guò)度穿透的面，而很難找到初始解。在這些情況下，程序一般會(huì)立即停止執(zhí)行。

圖5-7說(shuō)明正確和不正確的外法向。

命令：/PSYMB,ESYS

GUI：Utilitymenu>plotctrls>symbols

圖5-7定義接觸單元的外法向

當(dāng)發(fā)現(xiàn)單元的外法線方向不正確時(shí).，必須通過(guò)反轉(zhuǎn)所選擇的不正確單元的節(jié)

點(diǎn)號(hào)來(lái)改變它們：

命令：ESURF,,REVE

GUI：MainMenu>Preprocessor>Create>Elements>SurftoSurf

或重新定向單元法向：

命令：ENORM

GUI：MainMenu>Preprocessor>Create>Move/Modify>ShellNormals

實(shí)用文檔

5.4.9設(shè)置實(shí)常數(shù)和單元關(guān)鍵選項(xiàng)

程序使用20個(gè)實(shí)常數(shù)和數(shù)個(gè)單元關(guān)鍵選項(xiàng)，來(lái)控制面一面接觸單元的接觸。

參見(jiàn)《ANSYSElementsReferenced中對(duì)接觸單元的描述。

5.4.9.1實(shí)常數(shù)

在20個(gè)實(shí)常數(shù)中，兩個(gè)（R1和R2）用來(lái)定義目標(biāo)面單元的幾何形狀。剩下的

用來(lái)控制接觸面單元。

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。

FT0I.N是基于單元厚度的一個(gè)系數(shù)，用于計(jì)算允許的穿透。

IC0NT定義初始閉合因子。

P1NB定義“Pinball”區(qū)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。

CN0F指定施加于接觸面的正或負(fù)的偏移值。

FKOP指定在接觸分開(kāi)時(shí)施加的剛度系數(shù)。

FKT指定切向接觸剛度。

C0HE制定滑動(dòng)抗力粘聚力。

TCC指定熱接觸傳導(dǎo)系數(shù)。

FHTG指定摩擦耗散能量的熱轉(zhuǎn)換率。

SBCT指定Stefan-Boltzman常數(shù)。

RDVF指定輻射觀察系數(shù)。

FWGT指定在接觸面和目標(biāo)面之間熱分布的權(quán)重系數(shù)。

FACT靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)的比率。

DC靜、動(dòng)摩擦衰減系數(shù)。

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命令：R

GUI：mainmenu>preprocessor>realconstcint

對(duì)實(shí)常數(shù)FKN,FTOLN,ICONT,PINB,PMAX,PMIN,FKOP和FKT,用戶既

可以定義一個(gè)正值，也可以定義一個(gè)負(fù)值。程序?qū)⒄底鳛楸壤蜃樱瑢⒇?fù)值作

為絕對(duì)值。程序?qū)⑾路鼏卧暮穸茸鳛镮CON,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,

ICON=-0.1則表示真實(shí)調(diào)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(zhǎng)度作為厚度。參見(jiàn)圖5-8。

CortMfftomefW

DepthaattKhed

?Umertl

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(shí)常數(shù)如TCONT,FTOLN,PTNB,

PMAX,PMIN中應(yīng)用比例系數(shù)，則可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。因?yàn)閺谋壤禂?shù)得到的實(shí)際

結(jié)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(xiàn)這一問(wèn)題，請(qǐng)用絕對(duì)值代替比例系數(shù)。

TCC,FHTG,SBCT,RDVF和FWGT僅用于熱接觸分析［KEYOPT(D=1］。

5.4.9.2單元關(guān)鍵選項(xiàng)

每種接觸單元都包括數(shù)個(gè)關(guān)鍵選項(xiàng)。對(duì)大多的接觸問(wèn)題，缺省的關(guān)鍵選項(xiàng)是

合適的。而在某些情況下，可能需要改變?nèi)笔≈怠Ｏ旅媸强梢钥刂平佑|行為的一

些關(guān)鍵選項(xiàng)：

自由

度KEYOPT(l)

接觸算法(罰函數(shù)+拉格朗F1乘子或罰函數(shù))KEYOPT(2)

存在超單元時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)(僅2D)KEYOPT(3)

接觸檢測(cè)點(diǎn)的位置(僅低階接觸單元)KEYOPT(4)

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CNOF自動(dòng)調(diào)

整KEY0PT(5)

時(shí)間步控制KEY0PT(7)

偽接觸預(yù)防KEY0PT(8)

初始穿透或間隙的影響KEY0PT(9)

法向和切向接觸剛度修正方法控制KEYOPT(IO)

殼的厚度影響KEYOPT(ll)

接觸面行為(粗糙、綁定等)KEYOPT(12)

命令：KEYOPT

ET

GUI：mainmenu>preprocessor>ElemantType>Add/Edit/Delete

5.4.9.3選擇接觸算法

Contactwizardbasic>contactalgorithm

對(duì)面一面接觸單元，程序可以使用增進(jìn)的拉格朗日方法或罰函數(shù)方法。通過(guò)

單元關(guān)鍵字KEYOPT(2)來(lái)指定。

增進(jìn)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(duì)罰

函數(shù)進(jìn)行一系列修正迭代，與罰函數(shù)的方法相比，拉格朗口方法容易得到良態(tài)條

件，對(duì)接觸剛度的敏感性較小。然而，在有些分析中，噌進(jìn)的拉格朗口方法可能

需要更多的迭代，特別是在變形后網(wǎng)格變得太扭曲時(shí)工

使用拉格朗口方法的同時(shí)應(yīng)使用實(shí)常數(shù)FTOLNoFT0LN為拉格朗口方法指定

容許的最大穿透。如果程序發(fā)現(xiàn)穿透大于此值時(shí)，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。FTLCN的缺省值為0.1。用戶

可以改變這個(gè)值，但要注意，如果此值太小，可能會(huì)造成太多的迭代次數(shù)或者不

收斂。

5.4.9.4確定接觸剛度

ContactWizard>basic>normalpenaltycontactstiffness

所有的接觸問(wèn)題都需要定義接觸剛度，兩個(gè)表面之間穿透量的大小取決于接

觸剛度。過(guò)大的接觸剛度可能會(huì)引起總剛矩陣的病態(tài)，從而造成收斂困難。一般

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來(lái)說(shuō)，應(yīng)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(shí)乂應(yīng)該

讓接觸剛度足夠小以不致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(lái)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(lái)為接觸剛度指定一個(gè)比例因子或指定一個(gè)絕對(duì)值。比例

因子一般在0.01和10之間；對(duì)于大變形問(wèn)題，選1是比較好的；而對(duì)于彎曲為

主的問(wèn)題，通常為0.01?0.1。用戶應(yīng)當(dāng)總是檢驗(yàn)以使穿透到達(dá)極小值，而又避

免過(guò)多的迭代次數(shù)。

注意一FT0LN和FKN從一個(gè)荷載步到另一個(gè)荷載步中，都可以修改。也可

以在重啟動(dòng)中修改。這時(shí)，必須定義KEYOPT(10)=1,2°

為了確定一個(gè)較好的接觸剛度值，可能需要一些經(jīng)驗(yàn)。用戶可以按下面的步

驟來(lái)進(jìn)行嘗試：

1、開(kāi)始時(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(wèn)題，比過(guò)高的接觸剛度導(dǎo)致的收斂性困難，要容易解

決。

2、對(duì)前幾個(gè)子步進(jìn)行計(jì)算分析，直到最終荷載的一個(gè)比例(剛好完全建立

接觸)。

3、檢查每一子步中的穿透量和平衡迭代次數(shù)。如果總體收斂困難是由過(guò)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FT0LN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)到收斂值時(shí)需要過(guò)多的迭代次數(shù)，而不是由于

過(guò)大的穿透量引起的，那么FKN的值可能被高估。

4、按需要調(diào)整FKN或FTOLN的值，重新進(jìn)行完整的分析。

注意一如果穿透控制變成總體平衡迭代中的主因(如果為使問(wèn)題收斂到穿

透容差內(nèi)，比收斂到不平衡力的容差內(nèi)，需要更多的迭代)，用戶應(yīng)該增大FTOLN

值，以允許更多的穿透，或增大FKN。

5.4.9.5選擇摩擦類型

在基本的庫(kù)侖摩擦模型中，兩個(gè)接觸面在開(kāi)始相互滑動(dòng)之前，在它們的界面

上會(huì)有達(dá)到某一大小的剪應(yīng)力產(chǎn)生。這種狀態(tài)稱為粘合狀態(tài)(stick)。庫(kù)侖摩擦

模型定義了一個(gè)等效剪應(yīng)力丁，在某一法向壓應(yīng)力P作用下剪應(yīng)力達(dá)到此值時(shí)表

面開(kāi)始滑動(dòng)(T=up+COHE,其中u是摩擦系數(shù)一MU一作為材料特性定義，而

COHE是粘聚力)。一旦剪應(yīng)力超過(guò)此值后，兩個(gè)表面之間將開(kāi)始相互滑動(dòng)。這種

狀態(tài)，叫作滑動(dòng)狀態(tài)(Sliding)。粘合/滑動(dòng)計(jì)算決定什么時(shí)候一個(gè)點(diǎn)從粘合狀態(tài)

到滑動(dòng)狀態(tài)，或從滑動(dòng)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(wú)摩擦。對(duì)于粗糙或綁定接觸(KEYOPT(12)=1、3、5、6),程序

將不管給定的MU值而認(rèn)為摩擦阻力無(wú)限大。

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程序提供了一個(gè)人為指定最大等效剪應(yīng)力的選項(xiàng)，小管接觸壓力值的大小，

如果等效剪應(yīng)力達(dá)到此值時(shí)，即發(fā)生滑動(dòng)，見(jiàn)圖5-9＞為了指定接觸界面上最

大容許剪應(yīng)力，設(shè)置常數(shù)TAUMAX（缺省為1.0E20）。這個(gè)剪應(yīng)力極限，通常用

于在接觸壓力非常大的時(shí)候（如在某些加工過(guò)程中）的一些情況，以至于用庫(kù)侖理

論計(jì)算出的界面剪應(yīng)力超過(guò)了材料的屈服極限。TAUMAX的一個(gè)合理上限估值為

是表面附近材料的vonMises屈服應(yīng)力）。經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)有助于決定TAUMAX

的值。

TAUKUX

COME

圖5-9摩擦模式

5.4.9.5.1靜、動(dòng)摩擦系數(shù)

摩擦系數(shù)依賴于接觸面的相對(duì)滑動(dòng)速度，通常靜摩擦系數(shù)高于動(dòng)摩擦系數(shù)。

ANSYS提供了如下表示的指數(shù)哀減摩擦模型：

H=MUX（1+（FACT-1）exp（-DCXVrel）

其中：

u為摩擦系數(shù)。

MU動(dòng)摩擦系數(shù)，用MP命令輸入。

FACT是靜摩擦系數(shù)與動(dòng)摩擦系數(shù)之比，缺省為最小值l.Oo

DC為衰減系數(shù)，缺省為0.0,單位為time/lcngth。因此，時(shí)間在靜

態(tài)分析中有一些意義。

V⑹是ANSYS計(jì)算的滑動(dòng)速度。

如果知道靜、動(dòng)摩擦系數(shù)和至少一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)（R「Vrel）,則可以確定摩

擦衰減系數(shù)為：

DC=xlnUFACT-l)xMuJ

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如果小指定衰減系數(shù)，且FACT大于1.0,當(dāng)接觸進(jìn)入滑動(dòng)狀態(tài)時(shí)，

摩擦系數(shù)會(huì)從靜摩擦系數(shù)突變到動(dòng)摩擦系數(shù)，這種行為類似于CONTAC46和

C0NTAC49單元所用的動(dòng)摩擦模型，因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致收斂困難，所以不建議采用。

5.4.9.5.2對(duì)稱、不對(duì)稱求解器

對(duì)無(wú)摩擦、粗