ANSYS接觸問題（詳細(xì)）范本

接觸問題(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)。在一般的物理意義中,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:剛性體柔性體、柔性體柔性體 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治鲋邢嗷ゴ┻^。罰函數(shù)法。接觸剛度 lagrange乘子法,增加一個(gè)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(diǎn)對(duì)節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)對(duì)面、面對(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??；同時(shí)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(duì)于體積變形問題,用值1.0(默認(rèn)),對(duì)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(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)XX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)面給出一個(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(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pinball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)迭代過程,ANSYS最多使用20個(gè)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(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(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(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XX省值。COHE:粘滯力。即沒有法向壓力時(shí)開始滑動(dòng)的摩擦應(yīng)力值。FACT,DC:定義摩擦系數(shù)變化規(guī)律MUMUK*(1+(FACT-1)EXP(DC*vtfs/deltaT)式中:MUK動(dòng)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(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XX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(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XX省為自動(dòng)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(shí),用戶定義選項(xiàng)。Conta173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(用于純熱接觸問題)KEYOPT(2):選擇接觸算法。0時(shí),增廣的拉格朗日法XX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題。KEYOPT(4):選擇接觸檢查點(diǎn)。0時(shí),高斯點(diǎn)XX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值導(dǎo)致“剛好接觸”配置。0時(shí),不進(jìn)行自動(dòng)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Solution Control中打開基于接觸狀態(tài)變化的時(shí)間步預(yù)測(cè),此選項(xiàng)才起作用。Solution>Unabridged Menu>Load Step Opts>Solution Ctrl0時(shí),不控制,不影響自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)。對(duì)靜力問題自動(dòng)時(shí)間步打開時(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),最小值。此選項(xiàng)為下一子步預(yù)測(cè)最小時(shí)間增量(很耗機(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,且在第一個(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。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?。如果已?jīng)創(chuàng)建了一個(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(jì)算機(jī)資源。為了進(jìn)行切實(shí)有效的計(jì)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(gè)較大的難點(diǎn):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(gè)難點(diǎn)。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 Constraint Equations。除了上面兩個(gè)難點(diǎn)外,許多接觸問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-碰撞問題比較理想。關(guān)于ANSYS/LS-DYNA的更多的信息參見ANSYS/LS-DYNA User"s 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(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(gè)接觸體都是變形體(有相似的剛度)。柔體柔體接觸的一個(gè)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(diǎn)點(diǎn),點(diǎn)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(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)。如果相互作用的其中之一是一個(gè)面,模型的對(duì)應(yīng)組元是單元,如梁?jiǎn)卧?、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(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ANSYS Elements Reference和ANSYS Theory Reference。表5-1 ANSYS接觸分析功能點(diǎn)-點(diǎn)點(diǎn)-面面- 面CONTAC 12CONTAC52CONTA178CONTAC26CONTAC48CONTAC49CONTAC171,172 TARGET 169CONTAC 173, 174 TARGET 170點(diǎn)-點(diǎn)YYY點(diǎn)-面YYY面-面YYYY2-DYYYYYY3-DYYYY滑動(dòng)小小小大大大大大曲面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(dòng)用戶定義用戶定義用戶定義半自動(dòng)半自動(dòng)自動(dòng)網(wǎng)格工具EINTFEINTFNoneGCGENGCGENESURFESURF低階YYYYYYYY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(duì)。分別用TARGE169或TARGE170來模擬2D和3D目標(biāo)面。用CONTA171、CONTA172、CONTA173、CONTA174來模擬接觸面。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§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(diǎn)面接觸單元相比,面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)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；允許多種建模控制,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(diǎn)-點(diǎn)或點(diǎn)-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(diǎn)-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)-點(diǎn)接觸單元。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(diǎn)面接觸單元點(diǎn)面接觸單元主要用于給點(diǎn)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)),鉚頭裝配部件的角點(diǎn)。如果通過一組節(jié)點(diǎn)來定義接觸面,生成多個(gè)單元,那么可以通過點(diǎn)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(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)。CONTACT48 和 CONTACT49單元是點(diǎn)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 CONTACT26 單元用來模擬柔性點(diǎn)剛性面的接觸。對(duì)有不光滑剛性面的問題,不推薦采用 CONTACT26 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,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(diǎn)點(diǎn)接觸單元點(diǎn)點(diǎn)接觸單元主要用于模擬點(diǎn)點(diǎn)的接觸行為。為了使用點(diǎn)點(diǎn)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(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)點(diǎn)接觸單元也可以用于模擬面面的接觸問題,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)點(diǎn)的接觸單元來求解面面的接觸問題,過盈裝配問題是一個(gè)用點(diǎn)點(diǎn)的接觸單元來模擬面面接觸問題的典型例子。另一個(gè)點(diǎn)點(diǎn)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(diǎn)-點(diǎn)接觸問題的最好選擇。它比其他單元提供了范圍更廣的選項(xiàng)和求解類型。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(Preprocessor>Create>Contact Pair>Contact Wizard)進(jìn)入接觸向?qū)?為大多數(shù)接觸問題建立接觸對(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)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(gè)邊界的接觸問題中,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)面合起來叫作“接觸對(duì)”。使用TARGE169與CONTA171(或CONTA172)單元來定義2-D接觸對(duì)。使用TARGE170與CONTA173(或CONTA174)單元來定義3-D接觸對(duì)。程序通過相同的實(shí)常數(shù)號(hào)來識(shí)別每一個(gè)接觸對(duì)。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(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)面；5、定義接觸面；6、設(shè)置單元關(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ANSYS Modeling and Meshing Guide。命令:AMESH VMESH GUI:Main Menu>Preprocessor>Mesh5.4.4 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(dòng)。構(gòu)成一個(gè)接觸對(duì)的目標(biāo)單元和接觸單元通過共享的實(shí)常數(shù)號(hào)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(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)必須通過不同的實(shí)常數(shù)號(hào)來定義,即使實(shí)常數(shù)沒有變化。但不限制允許的面的數(shù)目。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 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)平面或凹面接觸,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。上面的論述對(duì)于不對(duì)稱接觸是正確的。但不對(duì)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(duì)稱接觸和對(duì)稱接觸的差異,并簡(jiǎn)要說明需要對(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”。這在模擬面-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)稱接觸算法比非對(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)格相同并且足夠密,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(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(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,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)目標(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)/位移可以只通過控制節(jié)點(diǎn)來表示?？刂乒?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)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 -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,來模擬目標(biāo)面(它需要實(shí)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(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:main menu>preprocessor>Element 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 menn>preprocessor>real constants對(duì)于 TARGE169 單元和 TARGE170 單元,僅需設(shè)置實(shí)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(shí)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(shí),才需要指定實(shí)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。命令: TSHAP GUI:main menu>preprocessor>modeling-create>Elements>Elem 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(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 -不能在同一個(gè)目標(biāo)面上混合2D和3D目標(biāo)單元。注意 -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ANSYS Modeling and Meshing Guide§9。命令: N E GUI:main menu>preprocessor> modeling- create>nodesmain menu>preprocessor> modeling- create>Elements在建立單元之后,可以通過列表單元來驗(yàn)證單元形狀。命令: ELIST GUI:utility menu>list>Elements>Nodes+Attributes5.4.7.5 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。ANSYS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:main menu>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 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 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(shí)體,則ANSYS可能無法生成一個(gè)單一的圓。命令: LMESH GUI:main menu>preprocessor>meshing-mesh>lines圖5-2 ANSYS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。命令: AMESH GUI:main menu>preprocessor>-meshing-mesh>Areas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ANSYS程序通過 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(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)單元這樣來分網(wǎng),而忽略 LESIZE 命令的設(shè)置XX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,命令: MSHKFY ,2GUI:main menu>preprocessor>-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(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 -低階單元致使獲取穿透和間隙時(shí)CPU的開銷較?。坏?分網(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 -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(dòng)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(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)該盡可能地通過定義多個(gè)目標(biāo)面,來使接觸區(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。過粗的網(wǎng)格離散可能導(dǎo)致收斂問題。如果剛性面有一個(gè)尖銳的凸角,求解大的滑動(dòng)問題時(shí)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 圖5-5 。圖5-5 凸角的光滑化5.4.7.5.2 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 圖5-6 。圖5-6 正確的節(jié)點(diǎn)順序?qū)?D接觸問題,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 menu>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 ,REVEGUI:main menu>preprocossor>create>Elements>Surf to Surf或重新定向單元的法向:命令: ENORM GUI:Main Menu>Preprocessor>Create>Move/Modify>Shell 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(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 CONTA173 或 CONTA174 接觸單元。程序通過組成柔體表面的接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(diǎn)協(xié)調(diào)。高階接觸單元可以通過消除中節(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魏我贿?。下伏單元也可以是超單元。但?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ANSYS Elements Reference。CONTA171: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?jiǎn)卧?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?如 PLANE82 或 VISCO88)的表面。CONTA173:這是3D、4節(jié)點(diǎn)的低階四邊形單元,可位于3D實(shí)體或殼單元(如 SOLID45 或 SHELL181)的表面。可退化成3節(jié)點(diǎn)的三角形單元。CONTA174: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 SOLID92、SOLID95 或 SHELL93)的表面?？赏嘶?節(jié)點(diǎn)的三角形單元。命令: ET GUI:main menu>preprocessor>Element type>Add/Edit/Delete5.4.8.2 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。ANSYS 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XX省值。如果下伏單元是一個(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^下面三個(gè)步驟,來自動(dòng)生成接觸單元。、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:Utility Menu>Select>Entities2、生成接觸單元命令: ESURF GUI:Main Menu>Preprocessor>Create>Elements>Surf to Surf如果接觸單元是附在已用實(shí)體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格的面或體上,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:Main Menu>Preprocessor>Create>Elements>Surf to Surf使用 TOPXX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(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(jì)算時(shí),程序可能會(huì)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(huì)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 menu>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),必須通過反轉(zhuǎn)所選擇的不正確單元的節(jié)點(diǎn)號(hào)來改變它們:命令: ESURF ,REVEGUI:Main Menu>Preprocessor>Create>Elements>Surf to Surf或重新定向單元法向:命令: ENORM GUI:Main Menu>Preprocessor>Create>Move/Modify>Shell Normals5.4.9 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),來控制面面接觸單元的接觸。參見ANSYS Elements Reference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(gè)系數(shù),用于計(jì)算允許的穿透。ICONT       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(shí)施加的剛度系數(shù)。FKT             指定切向接觸剛度。COHE        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)。命令: R GUI:main menu> preprocessor>real constant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?將負(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 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(shí)常數(shù)如 ICONT, FTOLN, PINB, PMAX, PMIN 中應(yīng)用比例系數(shù),則可能會(huì)出現(xiàn)問題。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(1)=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)大多的接觸問題XX省的關(guān)鍵選項(xiàng)是合適的。而在某些情況下,可能需要改XX省值。下面是可以控制接觸行為的一些關(guān)鍵選項(xiàng):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(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)CNOF自動(dòng)調(diào)整           KEYOPT(5)時(shí)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 menu>preprocessor>Elemant Type>Add/Edit/Delete5.4.9.3 選擇接觸算法Contact wizard basic>contact algorithm對(duì)面面接觸單元,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(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,拉格朗日方法容易得到良態(tài)條件,對(duì)接觸剛度的敏感性較小。然而,在有些分析中,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(shí)。使用拉格朗日方法的同時(shí)應(yīng)使用實(shí)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(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。FTLON XX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Contact Wizard>basic>normal penaltycontact stiffness 所有的接觸問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(shí)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(jì)一XX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(duì)值。比例因子一般在0.01和10之間；對(duì)于大變形問題,選1是比較好的；而對(duì)于彎曲為主的問題,通常為0.010.1。用戶應(yīng)當(dāng)總是檢驗(yàn)以使穿透到達(dá)極小值,而又避免過多的迭代次數(shù)。注意 -FTOLN 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進(jìn)行嘗試:1、開始時(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(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(shí)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 FKN 或 FTOLN 的值,重新進(jìn)行完整的分析。注意 - 如果穿透控制變成總體平衡迭代中的主因(如果為使問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,在某一法向壓應(yīng)力p作用下剪應(yīng)力達(dá)到此值時(shí)表面開始滑動(dòng) (=p+COHE,其中是摩擦系數(shù)-MU-作為材料特性定義,而 COHE 是粘聚力)。一旦剪應(yīng)力超過此值后,兩個(gè)表面之間將開始相互滑動(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XX省值為表面之間無摩擦。對(duì)于粗糙或綁定接觸( KEYOPT(12)=1、3、5、6),程序?qū)⒉还芙o定的 MU 值而認(rèn)為摩擦阻力無限大。程序提供了一個(gè)人為指定最大等效剪應(yīng)力的選項(xiàng),不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 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 XX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 von Mises屈服應(yīng)力)。經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)有助于決定 TAUMAX 的值。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)衰減摩擦模型:=MU×(1+(FACT-1)exp(-DC×V rel )其中:  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XX省為最小值1.0。  DC為衰減系數(shù)XX省為0.0,單位為time/length。因此,時(shí)間在靜態(tài)分析中有一些意義。  V rel 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)( 1 ,V rel ),則可以確定摩擦衰減系數(shù)為:如果不指定衰減系數(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CONTAC49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)無摩擦、粗糙和綁定接觸,接觸單元?jiǎng)偠染仃囀菍?duì)稱的。而涉及到摩擦的接觸問題產(chǎn)生一個(gè)不對(duì)稱的剛度。在每次迭代使用不對(duì)稱的求解器,比對(duì)稱的求解器需要更多的計(jì)算時(shí)間。因此ANSYS程序采用對(duì)稱化算法。通過采用這種算法大多數(shù)摩擦接觸問題,能夠使用對(duì)稱系統(tǒng)的求解器來求解。如果摩擦應(yīng)力在整個(gè)位移場(chǎng)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,則對(duì)剛度陣的任何對(duì)稱近似都可能導(dǎo)致收斂性降低。在這種情況下,選擇不對(duì)稱求解選項(xiàng)( NROPT ,UNSYM)來改善收斂性。5.4.9.6 選擇接觸檢查的位置Contact wizard>basic>contact detection接觸檢查點(diǎn)位于接觸單元的積分點(diǎn)上。在積分點(diǎn)上,接觸單元不穿透進(jìn)入目標(biāo)面。然而,目標(biāo)面能穿透進(jìn)入接觸面。見 圖5-10。圖5-10 接觸檢查點(diǎn)位于高斯積分點(diǎn)上圖5-11 接觸檢查點(diǎn)位于節(jié)點(diǎn)上Contact wizard>basic>contact detection ANSYS面面接觸單元使用高斯積分點(diǎn)作XX省值,高斯積分點(diǎn)通常會(huì)比 Newton-Cotes/Lobatto 節(jié)點(diǎn)積分方案產(chǎn)生更精確的結(jié)果,Newton-cotes/Lobatto 用節(jié)點(diǎn)本身作為積分點(diǎn)。通過KEYOPT(4)來選擇用戶想使用的方法。這一選項(xiàng)僅適用于低階接觸( CONTAC171 和 CONTAC173)。然而,使用節(jié)點(diǎn)本身作為積分點(diǎn)僅應(yīng)該用于角接觸問題(看 圖5-11 )。注意,使用節(jié)點(diǎn)作為接觸檢查點(diǎn)可能會(huì)導(dǎo)致其它收斂性問題,例如“滑脫”(節(jié)點(diǎn)滑出目標(biāo)面的邊界),見 圖5-12 。對(duì)大多數(shù)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CONTAC26、CONTAC48 和 CONTAC49。見本書§5.5。 圖5-12 節(jié)點(diǎn)滑脫5.4.9.7 調(diào)整初始接觸條件Contact wizard>initial adjustment在動(dòng)態(tài)分析中,剛體運(yùn)動(dòng)一般不會(huì)引起問題。然而在靜力分析中,當(dāng)物體沒有足夠的約束時(shí)會(huì)產(chǎn)生剛體運(yùn)動(dòng),有可能引起錯(cuò)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(dòng)時(shí),必須保證在初始幾何體中,接觸對(duì)是接觸的。換句話說,用戶要建立模型以便接觸對(duì)是“剛好接觸”的。然而這樣做,可能會(huì)遇到以下問題:剛體外形常常是復(fù)雜的,很難決定第一個(gè)接觸點(diǎn)發(fā)生在哪兒。既使實(shí)體模型在初始時(shí)處于接觸狀態(tài),在網(wǎng)格劃分后由于數(shù)值舍入誤差,兩個(gè)面的單元網(wǎng)格之間也可能會(huì)產(chǎn)生小縫隙。接觸單元的積分點(diǎn)和目標(biāo)單元之間可能有小縫隙。同理,在目標(biāo)面和接觸面之間可能發(fā)生過大的初始穿透。在這種情況下,接觸單元可能會(huì)高估接觸力,導(dǎo)致不收斂或接觸面之間脫開接觸關(guān)系。定義初始接觸