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ANSYS接触属性简介ANSYS 接触属性简介(1)使用 ANSYS 进行接触分析时，如何正确设置接触属性以保证计算收敛和精度是一个相当复杂的问题。
这里从 ANSYS 帮助文件中翻译有关内容，对不同接触单元的属性及其设置做一些简单介绍，希望对需要进行接触分析的朋友有所帮助。
以下为ANSYS 中用于创建接触对的接触属性对话框中的标签：Basic –基本属性Friction –摩擦Initial Adjustment –初始调整Misc –杂项Rigid target –刚性目标Thermal –热Electric –电Magnetic –磁Constraint –约束ID –标识符注解：上述标签不是任何时候都是可用的。
在GUI 方式中出现的标签和每个标签显示的选项取决于所定义的接触对的种类，以及访问接触属性对话框的位置 (从 Contact Wizard 或 Contact Manager)。
接触属性：基本属性基本属性标签包含有关接触行为和收敛的一般属性。
首先应该尝试使用默认设置执行接触分析，然后根据分析中遇到的具体困难和特殊情况修改设置。
使用如下问题和解答帮助确定是否需要根据特殊情况修改任何默认的设置。
这些问题只是作为一种提示，引导用户确定如何调整接触属性的设置，但并不包含这些参数的所有可能的应用。
建议用户阅读有关的章节(后面列出)，即使该问题并未直接用于你的情况。
有关的章节给出了如何使用相关参数的更完整的说明。
在这一对话框中，选项表示选择一个默认值；the factor radio 按钮表示设置一个比例因子；the constant radio 按钮表示设置一个常数比例因子。
有关单元：CONTA171, CONTA172, CONTA173, CONTA174, CONTA175 接触属性：摩擦摩擦 (Friction) 标签包含有关接触界面上的静摩擦和动摩擦的参数。
首先应该尝试使用默认设置执行接触分析，然后根据分析中遇到的具体困难和特殊情况修改设置。
ansys接触单元类型
在ANSYS软件中，接触单元类型有多种，以下是部分介绍：
-Bonded：适用于所有的接触区域（实体接触，面接触，线接触）。
使用绑定以后，在接触面或者接触边之间不存在切向的相对滑动或者法向的相对分离。
-No separation：在接触面或者接触线之间不允许发生法向的相对分离，但是允许发生少量的切向无摩擦滑动。
-Frictionless：用于模拟无摩擦的单边接触。
当外力发生改变时，接触面之间可能会分开，也可能会闭合。
这种情况下假设摩擦系数为零，即当发生切向相对滑动时，没有摩擦力。
-Rough：模拟非常粗糙的接触，保证两个物体之间只是发生静摩擦，而不会发生切向的滑移，从而不会产
生滑动摩擦。
它相当于在两个物体之间施加了无限大的摩擦系数。
-Frictional：有摩擦的接触。
两个接触面之间既可以法向分离，也可以切向滑动。
当切向外力大于最大静摩擦力后，发生切向滑动。
一旦发生切向滑动后，会在接粗面之间出现滑动摩擦力，该滑动摩擦力要根据正压力和摩擦系数来计算。
此时需要用户输入摩擦系数。
-Forced frictional sliding：该选项只对刚体动力学适用。
ANSYS中的接触ANSYS⽀持三种接触⽅式：点─点，点─⾯，平⾯─⾯，每种接触⽅式使⽤的接触单元适⽤于某类问题。
为了给接触问题建模，⾸先必须认识到模型中的哪些部分可能会相互接触，如果相互作⽤的其中之⼀是⼀点，模型的对⽴应组元是⼀个结点。
如果相互作⽤的其中之⼀是⼀个⾯，模型的对应组元是单元，例如梁单元，壳单元或实体单元，有限元模型通过指定的接触单元来识别可能的接触匹对，接触单元是覆盖在分析模型接触⾯之上的⼀层单元，⾄于ANSTS使⽤的接触单元和使⽤它们的过程，下⾯分类详述。
点─点接触单元点─点接触单元主要⽤于模拟点─点的接触⾏为，为了使⽤点─点的接触单元，你需要预先知道接触位置，这类接触问题只能适⽤于接触⾯之间有较⼩相对滑动的情况（即使在⼏何⾮线性情况下）如果两个⾯上的结点⼀⼀对应，相对滑动⼜以忽略不计，两个⾯挠度（转动）保持⼩量，那么可以⽤点─点的接触单元来求解⾯─⾯的接触问题，过盈装配问题是⼀个⽤点─点的接触单元来模拟⾯─与的接触问题的典型例⼦。
点─⾯接触单元点─⾯接触单元主要⽤于给点─⾯的接触⾏为建模，例如两根梁的相互接触。
如果通过⼀组结点来定义接触⾯，⽣成多个单元，那么可以通过点─⾯的接触单元来模拟⾯─⾯的接触问题，⾯即可以是刚性体也可以是柔性体，这类接触问题的⼀个典型例⼦是插头到插座⾥。
使⽤这类接触单元，不需要预先知道确切的接触位置，接触⾯之间也不需要保持⼀致的⽹格，并且允许有⼤的变形和⼤的相对滑动。
Contact48和Contact49都是点─⾯的接触单元，Contact26⽤来模拟柔性点─刚性⾯的接触，对有不连续的刚性⾯的问题，不推荐采⽤Contact26因为可能导致接触的丢失，在这种情况下，Contact48通过使⽤伪单元算法能提供较好的建模能⼒。
⾯─⾯的接触单元ANSYS⽀持刚体─柔体的⾯─⾯的接触单元，刚性⾯被当作“⽬标”⾯，分别⽤Targe169和Targe170来模拟2─D和3—D的“⽬标”⾯，柔性体的表⾯被当作“接触”⾯，⽤Conta171,Conta172,Conta173,Conta174来模拟。
ANSYS接触问题的计算方法及参数设置接触问题的关键在于接触体间的相互关系，此关系又可分为在接触前后的法向关系与切向关系。
法向关系：在法向，必须实现两点：1）接触力的传递。
2）两接触面间没有穿透。
ANSYS提供了多种算法来实现此法向接触关系，其中常用的两种方法是：罚函数法和拉格朗日乘子法。
1．罚函数法通过接触刚度在接触力与接触面间的穿透值（接触位移）之间建立力与位移的线性关系：接触刚度*接触位移= 法向接触力对面面接触单元17*，接触刚度由实常数FKN 来定义。
在程序中通过分离的接触体上节点间的距离来计算穿透值。
接触刚度越大，穿透值就越小，理论上在接触刚度为无穷大时，可以实现完全的接触状态，使穿透值等于零。
但是显而易见，在程序计算中，接触刚度不可能为无穷大（否则病态），穿透也就不可能真实达到零，而只能是个接近于零的有限值。
以上力与位移的接触关系可以很容易地合并到整个结构的平衡方程组 [K] * {X} = {F} 中去，并不改变总刚度矩阵 [K] 的大小。
这种罚函数法有以下几个问题必须解决：1）接触刚度FKN 应该取多大？2）接触刚度FKN 取大一些可以减少虚假穿透，但是会使刚度矩阵成为病态。
3）既然与实际情况不符合的虚假穿透是不可避免的，那么可以允许有多大的虚假穿透为合适？因此，在ANSYS 程序里，通常输入FKN 实常数不是直接定义接触刚度的数值，而是接触体下单元刚度的一个因子，这使得用户可以方便地定义接触刚度了，一般FKN 取0.1 到10 中间的值。
当然，在需要时，也可以直接定义接触刚度，FKN输入为负数，则程序将其数值理解为直接输入的接触刚度值。
对于接近病态的刚度阵，不要使用迭代求解器，例如PCG 等。
它们会需要更多的迭代次数，并有可能不收敛。
可以使用直接法求解器，例如稀疏求解器等。
这些求解器可以有效求解病态问题。
穿透的大小影响结果的精度。
用户可以用"PLESOL,CONT,PENE" 命令，在后处理中查看穿透的数值大小。
ANSYS收敛性问题-接触单元
ANSYS在计算过程中偶尔存在收敛性问题，往往问题出现时，无法判断具体原因，另分析人员十分困惑和无奈。
这种收敛性问题在计算混凝土极限承载力或桩基承载力时出现的概率比较多。
笔者最近在求解桩土相互作用时，遇到了收敛性问题，下面仅讲述我调试过程中的一些思路，供大家参考。
桩土分析模型主要特点是含有很大的接触面积，需要考虑桩土摩擦力，同时土壤材料使用DP材料。
桩和土体使用接触单元处理彼此间力的相互作用。
在计算初期，计算需要很长时间的迭代无法收敛。
我想可能是来自于以下几方面原因：
（1）上层土体强度太低，变形程度太大，网格发生畸变；
（2）接触区域太长，属于那种细长比很大的情况，接触关系无法较好的模拟；
（3）网格不够细密，桩深度方向无法较好的模拟摩擦。
通过对以上几个原因进行反复测试，偶尔会出现收敛的情况，但方案变了还是会存在不收敛的情况。
最后，笔者采用变量的方式设置所有接触对的接触刚度和渗透容差，将接触刚度设置为0.5，渗透容差因子设置为2，结果模型在求解任何方案时均具有良好的收敛性。
这也表明，接触刚度和渗透容差是影响收敛性的关键问题。
Ansys非线性接触分析和设置设置实常数和单元关键选项程序利用20个实常数和数个单元关键选项，来操纵面─面接触单元的接触。
参见《ANSYS Elements Reference》中对接触单元的描述。
实常数在20个实常数中，两个(R1和R2)用来概念目标面单元的几何形状。
剩下的用来操纵接触面单元。
R1和R2 概念目标单元几何形状。
FKN 概念法向接触刚度因子。
FTOLN 是基于单元厚度的一个系数，用于计算许诺的穿透。
ICONT 概念初始闭合因子。
PINB 概念“Pinball"区域。
PMIN和PMAX 概念初始穿透的允许范围。
TAUMAR 指定最大的接触摩擦。
CNOF 指定施加于接触面的正或负的偏移值。
FKOP 指定在接触分开时施加的刚度系数。
FKT 指定切向接触刚度。
COHE 制定滑动抗力粘聚力。
TCC 指定热接触传导系数。
FHTG 指定摩擦耗散能量的热转换率。
SBCT 指定 Stefan-Boltzman 常数。
RDVF 指定辐射观看系数。
FWGT 指定在接触面和目标面之间热散布的权重系数。
FACT 静摩擦系数和动摩擦系数的比率。
DC 静、动摩擦衰减系数。
命令： RGUI：main menu> preprocessor>real constant对实常数 FKN, FTOLN, ICONT, PINB, PMAX, PMIN, FKOP 和 FKT，用户既能够概念一个正值，也能够概念一个负值。
程序将正值作为比例因子，将负值作为绝对值。
程序将下伏单元的厚度作为ICON，FTOLN，PINB，PMAX 和 PMIN 的参考值。
例如 ICON = 说明初始闭合因子是“*基层单元的厚度”。
但是，ICON = 那么表示真实调整带是单位。
若是下伏单元是超单元，那么将接触单元的最小长度作为厚度。
参见图5-8。
图5-8 基层单元的厚度在模型中，若是单元尺寸转变专门大，而且在实常数如 ICONT, FTOLN, PINB, PMAX, PMIN 中应用比例系数，那么可能会显现问题。
参考ANSYS的中文帮助文件接触问题（参考ANSYS的中文帮助文件）当两个分离的表面互相碰触并共切时，就称它们牌接触状态。
在一般的物理意义中，牌接触状态的表面有下列特点：1、不互相渗透；2、能够互相传递法向压力和切向摩擦力；3、通常不传递法向拉力。
接触分类：刚性体－柔性体、柔性体－柔性体实际接触体相互不穿透，因此，程序必须在这两个面间建立一种关系，防止它们在有限元分析中相互穿过。
――罚函数法。
接触刚度――lagrange乘子法，增加一个附加自由度（接触压力），来满足不穿透条件――将罚函数法和lagrange乘子法结合起来，称之为增广lagrange法。
三种接触单元：节点对节点、节点对面、面对面。
接触单元的实常数和单元选项设置：FKN：法向接触刚度。
这个值应该足够大，使接触穿透量小；同时也应该足够小，使问题没有病态矩阵。
FKN值通常在0.1~10之间，对于体积变形问题，用值1.0（默认），对弯曲问题，用值0.1。
FTOLN：最大穿透容差。
穿透超过此值将尝试新的迭代。
这是一个与接触单元下面的实体单元深度（h）相乘的比例系数，缺省为0.1。
此值太小，会引起收敛困难。
ICONT：初始接触调整带。
它能用于围绕目标面给出一个“调整带”，调整带内任何接触点都被移到目标面上；如果不给出ICONT值，ANSYS根据模型的大小提供一个较小的默认值（＜0.03＝PINB：指定近区域接触范围（球形区）。
当目标单元进入pinball区时，认为它处于近区域接触，pinball区是围绕接触单元接触检测点的圆（二维）或球（三维）。
可以用实常数PINB调整球形区（此方法用于初始穿透大的问题是必要的）PMIN和PMAX：初始容许穿透容差。
这两个参数指定初始穿透范围，ANSYS 把整个目标面（连同变形体）移到到由PMIN和PMAX指定的穿透范围内，而使其成为闭合接触的初始状态。
初始调整是一个迭代过程，ANSYS最多使用20个迭代步把目标面调整到PMIN和PMAX范围内，如果无法完成，给出警告，可能需要修改几何模型。
TAUMAX：接触面的最大等效剪应力。
给出这个参数在于，不管接触压力值多大，只要等效剪应力达到最大值TAUMAX，就会发生滑动。
该剪应力极限值通常用于接触压力会变得非常大的情况。
CNOF：指定接触面偏移。
+CNOF增加过盈、-CNOF减少过盈或产生间隙、CNOF能与几何穿透组合应用。
FKOP：接触张开弹簧刚度。
针对不分离或绑定接触模型，需要设置实常数FKOP，该常数为张开接触提供了一个刚度值。
FKOP阻止接触面的分离；FKOP默认为1.0，用于建立粘结模型，用一个较小值（1e-5）去建立软弹簧模型。
FKT：切向接触刚度。
作为初值，可以采用－FKT＝0.01*FKN，这是大多数ANSYS 接触单元的缺省值。
COHE：粘滞力。
即没有法向压力时开始滑动的摩擦应力值。
FACT，DC：定义摩擦系数变化规律MU＝MUK*（1+（FACT-1）EXP（－DC*vtfs/deltaT））式中：MUK＝动摩擦系数（用户自己定义）FACT＝MUS/MUK（用户自己定义）MUS＝静摩擦系数DC＝衰减系数（用户自己定义）Vtfs/deltaT＝表面间的相对速度注意：动摩擦系数由被指定为材料属性（MU），由MP命令或GUI定义。
缺省值：FACT＝1，MUS＝MUK＝0，DC＝0Keyopt的介绍，以Target170,Conta173为例：首先介绍170的KeyoptKEYOPT（3）：定义接触行为KEYOPT（1）：单元阶数（是否含有中节点）KEYOPT（1）＝0：低阶单元（不含中节点）KEYOPT（1）＝1：高阶单元（含中节点）KEYOPT（2）：刚体目标面约束条件＝0时，自动约束选项，每一个载荷步的末尾，程序内部将是性面重新设置约束。
满足以下条件，刚性面则缺省为自动约束没有明确定义边界条件；目标面与其它单元没有联系；没有定义耦合或约束方程。
＝1时，用户定义选项。
Conta173的Keyopt：KEYOPT（1）：自由度选项。
＝0时，结构：UX，UY，和UZ；＝1时，结构和热；＝2时，TEMP（用于纯热接触问题）KEYOPT（2）：选择接触算法。
＝0时，增广的拉格朗日法（缺省选项），推荐于一般应用，它对罚刚度不太敏感，但是也要求给出一个穿透容差。
＝1时，罚函数法。
它推荐应用于单元非常扭曲、大摩擦系数和用增广的拉格朗日法收敛行为不好的问题。
KEYOPT（4）：选择接触检查点。
＝0时，高斯点（缺省选项，推荐）；＝1时，节点；ANSYS面对面单元默认用高斯积分点作为接触检查点。
KEYOPT（5）：自动CNOF调整。
允许ANSYS基于初始状态自动给定CNOF 值――导致“刚好接触”配置。
＝0时，不进行自动调整；＝1时，闭合间隙；＝2时，减小穿透；＝3时，闭合间隙/减小穿透。
KEYOPT（7）：时间步控制选项。
（只有在Solution Control中打开基于接触状态变化的时间步预测，此选项才起作用。
Solution>Unabridged Menu>Load Step Opts>Solution Ctrl＝0时，不控制，不影响自动时间步长。
对静力问题自动时间步打开时此选项一般是足够的。
＝1时，自动二分，如果接触状态变化明显，时间步长将二分，对于动力问题自动二分通常是足够的；＝2时，合理值。
比自动细分更耗时的算法；＝3时，最小值。
此选项为下一子步预测最小时间增量（很耗机时，不推荐）。
KEYOPT（8）：防止伪接触选项。
＝0时，不防止；＝1时，检测并忽略伪接触。
KEYOPT（9）：初始穿透间隙控制。
＝0时，包括几何穿透/间隙和CNOF；＝1时，忽略几何穿透/间隙和CNOF；＝2时，包括几何穿透/间隙和CNOF，且在第一个载荷步中渐变；＝3时，忽略几何穿透/间隙，包括CNOF；＝4时，忽略几何穿透/间隙，包括CNOF，且在第一个载荷步中渐变。
KEYOPT（10）：接触刚度更新控制。
＝0，闭合状态的接触刚度不进行任何更新；＝1，每一载荷步更新闭合状态的接触刚度（FKN或FKT，由用户指定）；＝2，与＝1同，此外，在每一子步，程序自动更新接触刚度（根据变形后下伏单元的刚度）。
KEYOPT（11）：壳、梁单元厚度影响。
如果已经创建了一个梁或壳单元模型，接触表面能够偏置，用于考虑梁或壳的厚度。
＝0，在中面接触（默认）；＝1，在指定表面的顶部或底部。
注意：当用SHELL181单元时，由于大应变变形引起的厚度改变也被考虑。
KEYOPT（12）：创立不同的接触表面相互作用模型。
＝0，标准的接触行为，张开时法向压力为0；＝1，粗糙接触行为，不发生滑动（类似无限摩擦系数）；＝2，不分离，允许滑动；＝3，绑定接触，目标面和接触面一旦接触就粘在一起；＝4，不分离接触（总是），初始位于pinball区域内或已经接触的接触检查点在法向不分离；＝5，绑定接触（总是），初始位于pinball区域内或已经接触的接触检查点总是与目标面绑定在一起；＝6，绑定接触（初始接触），只在初始接触的地方采用绑定，初始张开的地方保持张开。
5.1 概述接触问题是一种高度非线性行为，需要较多的计算机资源。
为了进行切实有效的计算，理解问题的物理特性和建立合理的模型是很重要的。
接触问题存在两个较大的难点：其一，在用户求解问题之前，用户通常不知道接触区域。
随载荷、材料、边界条件和其它因素的不同，表面之间可以接触或者分开，这往往在很大程度上是难以预料的，并且还可能是突然变化的。
其二，大多数的接触问题需要考虑摩擦作用，有几种摩擦定律和模型可供挑选，它们都是非线性的。
摩擦效应可能是无序的，所以摩擦使问题的收敛性成为一个难点。
注意--如果在模型中，不考虑摩擦，且物体之间的总是保持接触，则可以应用约束方程或自由度藕合来代替接触。
约束方程仅在小应变分析( NLGEOM，off)中可用。
见《ANSYS Modeling and Meshing Guide》中的§12，Coupling and Constraint Equations。
除了上面两个难点外，许多接触问题还必须涉及到多物理场影响，如接触区域的热传导、电流等。
5.1.1 显式动态接触分析能力除了本章讨论的隐式接触分析外，ANSYS还在ANSYS/LS-DYNA中提供了显式接触分析功能。
显式接触分析对于短时间接触-碰撞问题比较理想。
关于ANSYS/LS-DYNA的更多的信息参见《ANSYS/LS-DYNA User"s Guide》。
5.2 一般接触分类接触问题分为两种基本类型：刚体─柔体的接触，柔体─柔体的接触。
在刚体─柔体的接触问题中，接触面的一个或多个被当作刚体，(与它接触的变形体相比，有大得多的刚度)。
一般情况下，一种软材料和一种硬材料接触时，可以假定为刚体─柔体的接触，许多金属成形问题归为此类接触。
柔体─柔体的接触是一种更普遍的类型，在这种情况下，两个接触体都是变形体(有相似的刚度)。
柔体─柔体接触的一个例子是栓接法兰。
5.3 ANSYS接触分析功能ANSYS支持三种接触方式：点─点，点─面，面─面接触。
每种接触方式使用不同的接触单元集，并适用于某一特定类型的问题。
为了给接触问题建模，首先必须认识到模型中的哪些部分可能会相互接触。
如果相互作用的其中之一是一点，模型的对应组元是一个节点。
如果相互作用的其中之一是一个面，模型的对应组元是单元，如梁单元、壳单元或实体单元。
有限元模型通过指定的接触单元来识别可能的接触对，接触单元是覆盖在分析模型接触面之上的一层单元，至于ANSYS使用的接触单元和使用它们的过程，后面会分类详述，然后论述ANSYS接触单元和他们的功能。
参见《ANSYS Elements Reference》和《ANSYS Theory Reference》。
表5-1 ANSYS接触分析功能5.3.1 面─面的接触单元ANSYS支持刚体─柔体和柔体─柔体的面─面的接触单元。
这些单元应用“目标”面和“接触”面来形成接触对。
分别用TARGE169或TARGE170来模拟2D和3D目标面。
用CONTA171、CONTA172、CONTA173、CONTA174来模拟接触面。
为了建立一个“接触对”，给目标单元和接触单元指定相同的实常数号。
参见§5.4。
这些面-面接触单元非常适合于过盈装配安装接触或嵌入接触，锻造，深拉问题。
与点─面接触单元相比，面─面接触单元有许多优点:支持面上的低阶和高阶单元(即角节点或有中节点的单元)；支持有大滑动和摩擦的大变形。
计算一致刚度阵，可用不对称刚度阵选项；提供为工程目的需要的更好的接触结果，如法向压力和摩擦应力；没有刚体表面形状的限制，刚体表面的光滑性不是必须的，允许有自然的或网格离散引起的表面不连续；与点─面接触单元比，需要较少的接触单元，因而只需较小的磁盘空间和CPU时间，并具有高效的可视化；允许多种建模控制，例如：绑定接触，不分离接触，粗糙接触；渐变初始穿透；目标面自动移动到初始接触；平移接触面(考虑梁和单元的厚度)，用户定义的接触偏移；死活能力；支持热-力耦合分析。
