1、參考ANSYS的中文幫助文件接觸問題（參考ANSYS的中文幫助文件） 當(dāng)兩個分離的表面互相碰觸并共切時，就稱它們牌接觸狀態(tài)。在一般的物理意義中，牌接觸狀態(tài)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(guān)系，防止它們在有限元分析中相互穿過。 罰函數(shù)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(shù)法和lagrange乘子法結(jié)合起來，稱之為增廣lagrange法。 三種接觸單元：節(jié)點對節(jié)點、節(jié)點對面、面

2、對面。 接觸單元的實常數(shù)和單元選項設(shè)置： FKN：法向接觸剛度。這個值應(yīng)該足夠大，使接觸穿透量小；同時也應(yīng)該足夠小，使問題沒有病態(tài)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(rèn)），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(shù)，缺省為0.1。此值太小，會引起收斂困難。 ICONT：初始接觸調(diào)整帶。它能用于圍繞目標(biāo)面給出一個“調(diào)整帶”，調(diào)整帶內(nèi)任何接觸點都被移到目標(biāo)面上；如果不給出ICONT值，ANSYS根據(jù)模型的大小提供一個較小的默認(rèn)值（0.03 PINB：指定近區(qū)域接觸范圍（球形

3、區(qū)）。當(dāng)目標(biāo)單元進(jìn)入pinball區(qū)時，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點的圓（二維）或球（三維）?？梢杂脤嵆?shù)PINB調(diào)整球形區(qū)（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(shù)指定初始穿透范圍，ANSYS把整個目標(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)，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(yīng)力。給出這個參數(shù)在于，不管接觸壓力值多大，只要等效

4、剪應(yīng)力達(dá)到最大值TAUMAX，就會發(fā)生滑動。該剪應(yīng)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(chǎn)生間隙、CNOF能與幾何穿透組合應(yīng)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(shè)置實常數(shù)FKOP，該常數(shù)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(rèn)為1.0，用于建立粘結(jié)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(shù)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(yīng)力值。 FACT，D

5、C：定義摩擦系數(shù)變化規(guī)律 MUMUK*（1+（FACT-1）EXP（DC*vtfs/deltaT） 式中：MUK動摩擦系數(shù)（用戶自己定義） FACTMUS/MUK（用戶自己定義） MUS靜摩擦系數(shù) DC衰減系數(shù)（用戶自己定義） Vtfs/deltaT表面間的相對速度 注意：動摩擦系數(shù)由被指定為材料屬性（MU），由MP命令或GUI定義。缺省值：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(shù)（是否含有中節(jié)點） KEYOPT（1）0：低階單元（不含中節(jié)點

6、） KEYOPT（1）1：高階單元（含中節(jié)點） KEYOPT（2）：剛體目標(biāo)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(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約束 沒有明確定義邊界條件； 目標(biāo)面與其它單元沒有聯(lián)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(jié)構(gòu)：UX，UY，和UZ；1時，結(jié)構(gòu)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(yīng)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(shù)法。它

7、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題。 KEYOPT（4）：選擇接觸檢查點。0時，高斯點（缺省選項，推薦）；1時，節(jié)點；ANSYS面對面單元默認(rèn)用高斯積分點作為接觸檢查點。 KEYOPT（5）：自動CNOF調(diào)整。允許ANSYS基于初始狀態(tài)自動給定CNOF值導(dǎo)致“剛好接觸”配置。0時，不進(jìn)行自動調(diào)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(tài)變化的時間步預(yù)測，此選項才起作用。Solution>Unabridged Menu>Load St

8、ep Opts>Solution Ctrl 0時，不控制，不影響自動時間步長。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(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； 2時，合理值。比自動細(xì)分更耗時的算法； 3時，最小值。此選項為下一子步預(yù)測最小時間增量（很耗機(jī)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

9、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漸變。 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，程序自動更新接觸剛度（根據(jù)變形后下伏單元的剛度）。 KEYOPT（11）：殼、梁單元厚度影響。 如果已經(jīng)創(chuàng)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(rèn)）；1，在指定表面的頂部或底部。 注意：當(dāng)用SHELL181單元時，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

10、互作用模型。 0，標(biāo)準(zhǔn)的接觸行為，張開時法向壓力為0； 1，粗糙接觸行為，不發(fā)生滑動（類似無限摩擦系數(shù)）； 2，不分離，允許滑動； 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(jī)資源。為了進(jìn)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

11、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(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，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(yīng)用約束方程或自由度藕合來代替接觸。約束方程僅在小應(yīng)變分析( NLGEOM ，off)中可用。見ANSYS Modeling and Meshing Guide中的12，Coupling and Const

12、raint 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影響，如接觸區(qū)域的熱傳導(dǎo)、電流等。5.1.1 顯式動態(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。顯式接觸分析對于短時間接觸-碰撞問題比較理想。關(guān)于ANSYS/LS-DYNA的更多的信息參見ANSYS/LS-DYNA Users 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(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

13、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(rèn)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(yīng)組元是一個節(jié)點。如果相互作用的其中之一是一個面，模型的對應(yīng)組元是單元，如梁單元、殼單元或?qū)嶓w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

14、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，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 12 CONTAC52 CONTA 178 CONTAC26 CONTAC48 CONTAC49 CONTAC171,172 TARGET 169 CONTAC 173, 174 TARGET 170 點-點 Y YY點-面YYY面-面YYYY2-DYYYYYY3-DYYYY滑動小 小 小 大 大 大大大

15、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 用戶定義 半自動半自動自動網(wǎng)格工具EINTF EINTF None GCGEN GCGEN ESURF ESURF 低階 YY Y Y Y Y Y Y 高階YYY剛體-柔體YYYYYYYY柔體-柔體YYYYYYY熱接觸YYYY5.3.1 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(yīng)用“目標(biāo)”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(biāo)面。 用CONTA171、CONTA172、CONTA173、C

16、ONTA174來模擬接觸面。為了建立一個“接觸對”，給目標(biāo)單元和接觸單元指定相同的實常數(shù)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，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(yōu)點: 支持面上的低階和高階單元(即角節(jié)點或有中節(jié)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(jié)果，如法向壓力和摩擦應(yīng)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(wǎng)格離散引起的表面不連續(xù)； 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

17、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-力耦合分析。使用這些單元來做為剛性目標(biāo)面，能模擬2D和3D中的直線(面)和曲線(面)，通常用簡單的幾何形狀例如圓、拋物線、球、圓錐、圓柱來模擬曲面。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建模，參見5.4。面-面接觸單元不能很好地應(yīng)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(yīng)當(dāng)應(yīng)用點-點或點-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)接觸角點應(yīng)用點-點接觸單元。

18、 面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。不支持諧響應(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(jié)點)，鉚頭裝配部件的角點。如果通過一組節(jié)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(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滑動

19、，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(wǎng)格。用戶也可以用這2種單元來進(jìn)行熱-機(jī)械耦合分析，其中熱在接觸實體之間的傳導(dǎo)非常重要。應(yīng)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(huán)境下，可能導(dǎo)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(biāo)面嚴(yán)重不連續(xù)，依然可能失敗。5.3.3 點點接觸單元點點接觸單元主要

20、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(yù)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(tǒng)的管道裝配模型，其中接觸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(jié)點一一對應(yīng)，相對滑動又可以忽略不計，兩個面位移(轉(zhuǎn)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(yīng)用是表面應(yīng)力的精確分析，如透平機(jī)葉片的分析。ANSYS的 CONTA178 單元是大多數(shù)點-點接觸問題的最好選擇。它比其他單元提

21、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(yīng)用面-面接觸單元來模擬剛體-柔體或柔體之間的接觸。從菜單(PreprocessorCreateContact PairContact Wizard)進(jìn)入接觸向?qū)?，為大多?shù)接觸問題建立接觸對提供了簡單的方法。接觸向?qū)⒅笇?dǎo)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(yīng)用及選項作了詳細(xì)說明。在用戶未對模型的任何區(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)?，僅對用作柔體接觸面的部分分網(wǎng)(不對剛體

22、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)斫⒔佑|面和目標(biāo)面的方法。5.4.1 應(yīng)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(biāo)”面，而把另一個作為“接觸”面。對剛體柔體的接觸，目標(biāo)面總是剛性面，接觸面總是柔性面。對柔體柔體的接觸，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

23、的實常數(shù)號來識別每一個接觸對。5.4.2 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(jìn)行詳細(xì)解釋。1、建立幾何模型并劃分網(wǎng)格；2、識別接觸對；3、指定接觸面和目標(biāo)面；4、定義目標(biāo)面；5、定義接觸面；6、設(shè)置單元關(guān)鍵選項和實常數(shù)；7、定義控制剛性目標(biāo)面的運(yùn)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(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體模型。與其它分析一樣，需要設(shè)置單元類型、實常數(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ANSYS Modeling and

24、Meshing Guide。命令： AMESH VMESH GUI：Main MenuPreprocessorMesh5.4.4 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(fā)生接觸。一旦已經(jīng)判斷出潛在的接觸面，就應(yīng)該通過目標(biāo)單元和接觸單元來定義它們，目標(biāo)和接觸單元將跟蹤變形階段的運(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常數(shù)號聯(lián)系起來。接觸區(qū)域可以任意定義，然而為了更有效地進(jìn)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(qū)域，但要保證它足以描述所需要的所有接觸行為。不同的接觸對必須通過不同的實常數(shù)號來定義，即使實常數(shù)沒有變化。但不限制允許的面的數(shù)目。圖5-1 局部

25、接觸區(qū)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(qū)域可能與多個目標(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(使用多組覆蓋接觸單元)。每個接觸對有不同的實常數(shù)號。見 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。對于柔體-柔體接觸，選擇那一個面作為接觸面或目標(biāo)面可能會引起穿透量的不同，從而影響求解結(jié)果。這可參照下面的論述： 如凸面預(yù)期與一個平面或凹面接觸，則平面/凹面應(yīng)當(dāng)指定為目標(biāo)面； 如一個面有較密的網(wǎng)格，而相比較之下，另一個面網(wǎng)格較粗，則較密網(wǎng)格的面應(yīng)當(dāng)

26、是接觸面，而較粗網(wǎng)格的面則為目標(biāo)面； 如一個面比另一個面剛，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外表面，而低階單元位于另一個面，則前者應(yīng)指定為接觸面，后者則為目標(biāo)面； 如果一個面明顯地比另一個面大(如一個面包圍其他面)，則較大的面應(yīng)指定為目標(biāo)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(jié)祥細(xì)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。5.4.6 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(biāo)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

27、，在某些環(huán)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(biāo)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觸效率高。但是，許多分析要求應(yīng)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(biāo)面區(qū)分不十分清楚； 二個面都有十分粗糙的網(wǎng)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(wǎng)格相同并且足夠密，則對稱接觸算法可能不會顯著改變運(yùn)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(biāo)面，而另一個面為接觸面。在任何接觸

28、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。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。對于柔體目標(biāo)面，一般應(yīng)用 ESURF 命令來沿現(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生成柔體接觸面(見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 PILO。對于剛體目標(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

29、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、圓錐面和球面來描述，所有這些都可以用 TAPGE170 單元來表示。對于一個復(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給它建模。5.4.7.1 控制節(jié)點剛性目標(biāo)面可能會與“控制(pilot)節(jié)點”聯(lián)系起來，它實際上是一個只有一個節(jié)點的單元，其運(yùn)動控制整個目標(biāo)面的運(yùn)動，因此可以把控制節(jié)點作為剛性目標(biāo)的控制器。整個目標(biāo)面的力/力矩和轉(zhuǎn)動/位移可以只通過控制節(jié)點來表示。控制節(jié)點可能是目標(biāo)單元中的一個節(jié)點，也可能是一個任意位置的節(jié)點。只有當(dāng)需要轉(zhuǎn)動或力矩載荷時，控制節(jié)點的位置才是重要的。如果用戶定義了控制節(jié)點，

30、ANSYS程序只在控制節(jié)點上檢查邊界條件，而忽略其它節(jié)點上的任何約束。注意 -當(dāng)前的接觸向?qū)Р恢С稚煽刂乒?jié)點。用戶可以在接觸向?qū)舛x控制節(jié)點。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，來模擬目標(biāo)面(它需要實常數(shù)來定義半徑)。也可以組合圖元與一般的直線、拋物線、三角形和四邊形來定義目標(biāo)面。5.4.7.3 單元類型和實常數(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：main menupreprocessorElement Type Add/Edit/Delete隨后必須設(shè)置目標(biāo)單元的實

31、常數(shù)。命令： Real GUI：main mennpreprocessorreal constants對于 TARGE169 單元和 TARGE170 單元，僅需設(shè)置實常數(shù)R1和R2(如果需要的話)。關(guān)于目標(biāo)單元、單元形狀、實常數(shù)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(biāo)單元時，才需要指定實常數(shù)R1、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

32、令： TSHAP GUI：main menupreprocessormodeling-createElementsElem Attributes隨后指定單元形狀，可能的形狀有： 直線(2D) 拋物線(2-D) 順時針的圓弧(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(jié)點(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形狀，除非用戶指定另外一種形狀。注意 -不能在同一個目標(biāo)面上混合2D和3D目標(biāo)單元。注意 -不能在同一個目標(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對具有下伏單元的

33、目標(biāo)單元指定為可變形狀態(tài)，而對沒有下伏單元的目標(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，在求解時會出現(xiàn)一個錯誤。用戶可以用標(biāo)準(zhǔn)的ANSYS直接生成技術(shù)生成節(jié)點和單元。參見ANSYS Modeling and Meshing Guide9。命令： N E GUI：main menupreprocessor modeling- createnodesmain menupreprocessor modeling- createElements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 menulistElementsNodes+Attr

34、ibutes5.4.7.5 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地生成目標(biāo)單元。ANSYS程序會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。為了生成一個控制(Pilot)節(jié)點，使用下面的命令或GUI路徑：命令： KMESH GUI：main menupreprocessormeshing-meshkeypoints注意 ： KMESH 總是生成控制節(jié)點。為了生成一個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

35、 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 menupreprocessormeshing-meshlines圖5-2 ANSYS幾何實體和相應(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。命令： AMESH GUI：main menupreprocessor-meshing-meshAreas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ANS

36、YS程序通過 AMESH 命令，自動生成一個基本3D目標(biāo)單元。因為生成較少的單元，從而使用戶分析計算更有效率。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有曲率，則在網(wǎng)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(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 ,1。 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，

37、將盡可能地生成一個映射網(wǎng)格(如果不能進(jìn)行映射，它將生成自由網(wǎng)格)。命令： MSHKFY ，2GUI：main menupreprocessor-meshing-mesh-Areas-Target Surf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)點三角形或4節(jié)點四邊形單元)。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)點三角形或8節(jié)點四邊形單元)。為此在目標(biāo)單元定義中設(shè)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?。坏?，分網(wǎng)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

38、就可以離散整個目標(biāo)曲面。注意 -如果通過程序分網(wǎng)( KMESH 、LMESH、ESURF 命令)來建立目標(biāo)單元，則忽略 TSHAP 命令，而ANSYS自動選擇合適的形狀。5.4.7.5.1 建模和網(wǎng)格劃分的一些訣竅一個目標(biāo)面可能由兩個或多個不連續(xù)的區(qū)域組成。用戶應(yīng)該盡可能地通過定義多個目標(biāo)面，來使接觸區(qū)域限于局部(每個目標(biāo)面有一個不同的實常數(shù)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(biāo)面上曲面的離散足夠。過粗的網(wǎng)格離散可能導(dǎo)致收斂問題。如果剛性面有一個尖銳的凸角，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

39、的區(qū)域使用更細(xì)的網(wǎng)格或使用高階單元，見 圖5-5 。圖5-5 凸角的光滑化5.4.7.5.2 檢驗?zāi)繕?biāo)面的節(jié)點號順序(接觸方向)目標(biāo)面的節(jié)點號順序是重要的，因為它定義了接觸方向。對2D接觸問題，當(dāng)沿著目標(biāo)線從第一個節(jié)點移向第二個節(jié)點時，變形體的接觸單元必須位于目標(biāo)面的右邊。見 圖5-6 。圖5-6 正確的節(jié)點順序?qū)?D接觸問題，目標(biāo)三角形單元號應(yīng)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(biāo)系。命令：/ PSYMB ，ESYS，1GUI：Utility menuPlotCtrlssymbols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

40、令： ESURF ,REVEGUI：main menupreprocossorcreateElementsSurf to Surf或重新定向單元的法向：命令： ENORM GUI：Main MenuPreprocessorCreateMove/ModifyShell Normals注意 -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

41、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)點協(xié)調(diào)。高階接觸單元可以通過消除中節(jié)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(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，然后選擇正確的實常數(shù)號(在每個接觸對中，實常數(shù)號必須與它所對應(yīng)的目標(biāo)面的實常數(shù)號相同)，最后生成接觸單元。5.4.8.1 單元類型下面簡單描述四種類型的接觸單元。參見ANSYS Elements Reference。 CONT

42、A171：這是2D、2個節(jié)點的低階線單元，可位于2D實體、殼或梁單元(如 BEAM3、PLANE42 或 SHELL51)的表面。 CONTA172：這是2D、3節(jié)點的高階拋物線形單元，可位于有中節(jié)點的2D實體或梁單元(如 PLANE82 或 VISCO88)的表面。 CONTA173：這是3D、4節(jié)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?？赏嘶?節(jié)點的三角形單元。 CONTA174：這是3D、8節(jié)點的高階四邊形單元，可位于有中節(jié)點的3D實體或殼單元(如 SOLID92、SOLID95 或 SHELL93)的表面?？赏嘶?節(jié)點的三角形單

43、元。命令： ET GUI：main menupreprocessorElement typeAdd/Edit/Delete5.4.8.2 實常數(shù)和材料特性在定義了單元類型之后，需要選擇正確的實常數(shù)集。一個接觸對中的接觸面和目標(biāo)面必須有相同的實常數(shù)號。每個接觸對必須有不同的實常數(shù)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(shù)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

44、結(jié)構(gòu)單元相同。5.4.8.3 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(jié)點選擇已分網(wǎng)的柔體表面的節(jié)點。對每一個面，檢查節(jié)點排列。如果用戶確定某一部分節(jié)點永遠(yuǎn)不會接觸到目標(biāo)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(shè)有漏掉可能會接觸到目標(biāo)面的節(jié)點。命令： NSEL GUI：Utility MenuSelectEntities2、生成接觸單元命令： ESURF GUI：Main MenuPreprocessorCreateElementsSurf

45、to Surf如果接觸單元是附在已用實體單元劃分網(wǎng)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 MenuPreprocessorCreateElementsSurf 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(dāng)程

46、序進(jìn)行是否接觸的檢查時，接觸面的外法線方向至關(guān)重要。對于3D單元，按節(jié)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(yīng)該指向目標(biāo)面。否則，在開始分析計算時，程序可能會認(rèn)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(zhí)行。 圖5-7 說明正確和不正確的外法向。命令：/ PSYMB ,ESYSGUI：Utility menuplotctrlssymbols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，必須通過反轉(zhuǎn)所選擇的不正確單元的節(jié)點號來改變它們：命令： ESURF ,REVEGUI：Main MenuPreprocessorCreateElemen

47、tsSurf to Surf或重新定向單元法向：命令： ENORM GUI：Main MenuPreprocessorCreateMove/ModifyShell Normals5.4.9 設(shè)置實常數(shù)和單元關(guān)鍵選項程序使用20個實常數(shù)和數(shù)個單元關(guān)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。5.4.9.1 實常數(shù)在20個實常數(shù)中，兩個(R1和R2)用來定義目標(biāo)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(biāo)單元幾何形狀。FKN 定義法向接觸剛度因子。FTOLN 是基于單元厚度的一個系數(shù)，用于計算允許的穿透。ICONT

48、定義初始閉合因子。PINB 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。CNOF 指定施加于接觸面的正或負(fù)的偏移值。FKOP 指定在接觸分開時施加的剛度系數(shù)。FKT 指定切向接觸剛度。COHE 制定滑動抗力粘聚力。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)和動摩擦系數(shù)的比率。DC 靜、動摩擦衰減系數(shù)。命令： R GUI：main menu preprocess

49、orreal constant對實常數(shù) 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(fù)值。程序?qū)⒄底鳛楸壤蜃樱瑢⒇?fù)值作為絕對值。程序?qū)⑾路鼏卧暮穸茸鳛镮CON，F(xiàn)TOLN，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(shù)如 ICO

50、NT, FTOLN, PINB, PMAX, PMIN 中應(yīng)用比例系數(shù)，則可能會出現(xiàn)問題。因為從比例系數(shù)得到的實際結(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)這一問題，請用絕對值代替比例系數(shù)。TCC, FHTG, SBCT, RDVF 和 FWGT 僅用于熱接觸分析KEYOPT(1)=1。5.4.9.2 單元關(guān)鍵選項每種接觸單元都包括數(shù)個關(guān)鍵選項。對大多的接觸問題，缺省的關(guān)鍵選項是合適的。而在某些情況下，可能需要改變?nèi)笔≈?。下面是可以控制接觸行為的一些關(guān)鍵選項：自由度 KEYOPT(1)接觸算法(罰函數(shù)+拉格朗日乘子或罰函數(shù)) KEYOPT(2)存在超單元時的應(yīng)力

51、狀態(tài)(僅2D) KEYOPT(3)接觸檢測點的位置(僅低階接觸單元) KEYOPT(4)CNOF自動調(diào)整 KEYOPT(5)時間步控制 KEYOPT(7)偽接觸預(yù)防 KEYOPT(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 menupreprocessorElemant TypeAdd/Edit/Delete5.4.9.3 選擇接觸算法Contact wizard basiccontact algorithm對面面接

52、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。通過單元關(guān)鍵字 KEYOPT(2)來指定。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，拉格朗日方法容易得到良態(tài)條件，對接觸剛度的敏感性較小。然而，在有些分析中，增進(jìn)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。使用拉格朗日方法的同時應(yīng)使用實常數(shù) FTOLN。FTOLN 為拉格朗日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，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。FTLON 的缺省值為0.1。用戶可以改變這個值，但要注意，

53、如果此值太小，可能會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Contact Wizardbasicnormal 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(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接受，但同時又應(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，來估計一個缺省的接觸剛度值。用戶可用實常數(shù) 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.

54、01和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(yīng)當(dāng)總是檢驗以使穿透到達(dá)極小值，而又避免過多的迭代次數(shù)。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(jīng)驗。用戶可以按下面的步驟來進(jìn)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(dǎo)致的穿透問題，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平衡迭代次數(shù)。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(dá)到收斂值時需要過多的迭代次數(shù)，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(diào)整