ANSYS高级接触问题73852

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ANSYS高级接触分析

§1 接触分类
• 刚－柔 • 一个表面是完全刚性的—除刚体运动外无应变、应
力和变形，另一表面为软材料构成是可变形的。 • 只在一个表面特别刚硬并且不关心刚硬物体的应力
时有效。 • 柔－柔 • 两个接触体都可以变形。
§2 接触单元
• ANSYS 采用接触单元来模拟接触问题：
• 跟踪接触位置；
• 保证接触协调性（防止接触表面相互穿透）；
•
所有的高级选项也可以通过接触向导来控制。
§2 面－面接触单元
• 使用面－面接触单元计算刚－柔、柔－柔接触分析。 • 把一个面指定为目标面（Target），另一个面指定为接触
面（contant），合起来叫接触对。 • 接触单元被约束不能侵入目标面，然而目标单元能侵入接§3 自动时间步、控制
接触单元的 Keyopt（7）选项控制时间步的预报。 • 0－无控制：不影响时间步尺寸。当自动时间步开关
打开时，对于静态问题通常选此项。 • 1－自动缩减：如果接触状态改变较大，将时间步二
分。对于动态问题，自动缩减通常是充分的。 • 2－合理的：比自动缩减花费时间更长的算法。为保
• 在粗略的检查中，如以实际比例显示整个模型时就能观察到穿透，则穿透可能太大了，需要提高刚度重新分析。
• 如果收敛的迭代次数过多（或未收敛），降低刚度重新分析。
• 注意：罚刚度可以在载荷步间改变，并且可以在重启动中调整。
• 牢记：接触刚度是同时影响计算精度和收敛性的最重要的参数。如果收敛有问题，减小刚度值，重新分析
§2 面－面接触单元
• 2D 面－面接触单元 • CONTA171 2D、2 节点低阶单元，可用于二维实体、壳、
梁单元的表面 • CONTA172 2D、3 节点高阶单元，可用于带中间节点的二

ANSYS高级接触分析资料

ANSYS接触问题的计算方法及参数设置

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(废话,),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通过两种算法来实现此法向接触关系:罚函数法和拉格朗日乘子法。

1.罚函数法是通过接触刚度在接触力与接触面间的穿透值(接触位移)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。

穿透值在程序中通过分离的接触体上节点间的距离来计算。

接触刚度越大,则穿透就越小,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入整个结构的平衡方程组K*X=F 中去。

并不改变总刚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既然是不可避免的,那么可以允许有多大为合适?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1中间的值。

当然,在需要时,也可以把接触刚度直接定义,FKN输入为负数,则程序将其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来在后处理中查看穿透的数值大小。

如果使用的是罚函数法求解接触问题,用户一般需要试用多个FKN值进行计算,可以先用一个较小的FKN值开始计算,例如0.1。

ANSYS接触问题(42页,详细)(图文)

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XX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。

【2019年整理】ANSYS高级接触问题73852

• 接触单元就是覆盖在分析模型接触面上的一层单元。
• 在 ANSYS 中可以采用三种不同的单元来模拟接触：
◦
面一面接触单元；
◦
点一面接触单元；
◦
点一点接触单元。
§2 接触单元
• 不同的单元类型具有完全不同的单元特性和分析过程。
• 1. 面一面接触单元用于任意形状的两个表面接触
• 不必事先知道接触的准确位置； • 两个面可以具有不同的网格； • 支持大的相对滑动； • 支持大应变和大转动。 • 例如: 面一面接触可以模拟金属成型，如轧制
§2 摩擦
• 1、两个接触体的剪切或滑动行为可以是无摩擦的或有摩擦的
• 无摩擦时允许物体没有阻力地相互滑动； • 有摩擦时，物体之间会产生剪切力。 • 2、摩擦消耗能量，并且是路径相关行为。 • 为获得较高的精度，时间步长必须小（图2-1）
图2－1
• 3、ANSYS 中，摩擦采用库仑模型，并有附加选项可处理复杂的粘着和剪切行为。
• 接触分析存在两大难点： • 在求解之前，你不知道接触区域的范围；表面之
间是接触还是分开是未知的；表面之间突然接触或突然不接触会导致系统刚度的突然变化。 • 大多数接触问题需要计算摩擦。摩擦是与路径有关的现象，摩擦响应还可能是杂乱的，使问题求解难以收敛。
§1 接触分类
• 刚－柔 • 一个表面是完全刚性的—除刚体运动外无应变、应
• 在数学上为保持平衡，需要有穿透值 • 然而，物理接触实体是没有穿透的 • 分析者将面对困难的选择： • 小的穿透计算精度高，因此接触刚度应该大； • 然而，太大的接触刚度会产生收敛困难：模型可能会振荡，接触
表面互相跳开。 • 接触刚度是同时影响计算精度和收敛的最重要的参数。你必须选

ANSYS高级接触问题处理

/ 面积。 • ·点一点〔除CONTA178〕和点－面接触单元需要为罚刚
度KN输入绝对值： • －初始估计时： • 对于大变形: 0.1*E < KN < 1.0*E • 对于弯曲: 0.01*E < KN < 0.1*E • E 为弹性模量
• 3、选取接触刚度的指导：
• Step 1.开场采用较小的刚度值 • Step 2.对前几个子步进展计算 • Step 3.检查穿透量和每一个子步中的平衡
应变、应力和变形，另一外表为软材料构成是可变形的。 • ·只在一个外表特别刚硬并且不关心刚硬物体的应力时有效。 • 柔－柔 • 两个接触体都可以变形。
§2 接触单元
• ANSYS采用接触单元来模拟接触问题： • —跟踪接触位置； • —保证接触协调性〔防止接触外表相互穿透〕； • —在接触外表之间传递接触应力〔正压力和摩擦〕。 • 接触单元就是覆盖在分析模型接触面上的一层单元。 • 在ANSYS中可以采用三种不同的单元来模拟接触： • 面一面接触单元； • 点一面接触单元； • 点一点接触单元。
面一面接触单元
• §1 概述 • 面－面接触单元，是模拟任意两个外表间接触的方法。外表可以具有任意形
状。是ANSYS中最通用的接触单元。精度高、特性丰富还可使用接触向导建模方便。〔其它接触单元目前尚不能用向导〕。 • ·面－面接触单元在面的高斯点处传递压力，这种先进技术使面－面接触单元具有很多优点： • －与低阶单元和高阶单元都兼容 • －提供更好的接触结果〔于后处理接触压力和摩擦应力〕 • －可考虑壳和梁的厚度，以及壳的厚度变化 • －半自动接触刚度计算 • －刚性外表由“控制节点〞控制 • －热接触特性 • －众多的高级选项来处理复杂问题。 • ·具有众多的高级选项〔20个可用的实常数、2个材料属性和30个可用的单元选项〕提供了丰富的特征库，能够用于模拟特殊的效果和处理困难的收敛情况。 • 然而众多的选项的智能缺省选项可以有效求解许多接触问题而不需要用户介入太多。 • 通常的做法是：开场使用高级选项之前，先试着采用缺省设置：只指定罚刚度，穿透容差和子步数，然后进展分析。只在采用缺省设置遇到困难时才采用高级选项。 • ·所有的高级选项也可以通过接触向导来控制。

ANSYS高级接触问题处理

的一个比例因子。
• －开始估计时，选用 • FKN = 1.0 大面积实体接触 • FKN = 0.01-0.1 较柔软（弯曲占主导的）部分 • －另外，也可以指定一个绝对刚度值，单位：（力/长度）
/ 面积。 • ·点一点（除CONTA178）和点－面接触单元需要为罚刚
度KN输入绝对值： • －初始估计时： • 对于大变形: 0.1*E < KN < 1.0*E • 对于弯曲: 0.01*E < KN < 0.1*E • E 为弹性模量
ANSYS 高级接触问题
• 接触问题概述 • 在工程中会遇到大量的接触问题，如齿轮的啮合、法兰
联接、机电轴承接触、卡头与卡座、密封、板成形、冲击等等。接触是典型的状态非线性问题，它是一种高度非线性行为。接触例子如图1：
• 分析中常常需要确定两个或多个相互接触物体的位移、接触区域的大小和接触面上的应力分布。
触
• 3. 点－点接触单元用于模拟单点和另一个确定点之间的接触。
• －建立模型时必须事先知道确切的接触位置；
• －多个点－点接触单元可以模拟两个具有多个单元表面间的接触；
• ·每个表面的网格必须是相同的； • ·相对滑动必须很小； • ·只对小的转动响应有效。
• 例如: 点一点接触可以模拟一些面的接触。如地基和土壤的接触
• 3、选取接触刚度的指导：
• Step 1.开始采用较小的刚度值 • Step 2.对前几个子步进行计算 • Step 3.检查穿透量和每一个子步中的平衡迭代次数
• ·在粗略的检查中，如以实际比例显示整个模型时就能观察到穿透，则穿透可能太大了，需要提高刚度重新分析。
• ·如果收敛的迭代次数过多（或未收敛），降低刚度重新分析。 • 注意：罚刚度可以在载荷步间改变，并且可以在重启动中调整。 • 牢记：接触刚度是同时影响计算精度和收敛性的最重要的参数。如

ANSYS高级接触分析

图3-3
• 例：Seal.dat (图3-3) • Step 5. 建立接触面单元 • 设置接触单元属性、选择可变形体表面节点，并在可变形体上建立接触单元（过程与在可变形体上建立目标单元相同） Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Elements > Surf/Contact > Surf to Surf (ESURF) • 这些接触单元与基体有同样的阶数（低阶或高阶）。 • 注意，在壳或梁单元上建立目标单元或接触单元时，可以选择要在梁或壳单元的顶层还是底层建立单元。
例如: 超弹密封
• Step 3. 设置单元选项和实常数 • 接触对由实常数号来定义，接触单元和目标单元必须具有相同的实常数。 • Step 4. 建立目标单元（网格） • 此步中所采用的方法依赖于目标面是刚性的还是柔性的。 • 刚性目标面采用： • 直接生成 (E 命令) • 自动划分 (LMESH, AMEAH) • 可变形目标面采用 • Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Elements > Surf/Contact > Surf to Surf(ESURF) • 对于直接生成刚性目标面，在建立目标单元之前需要要指定附加的单元属性 TSHAP
• 2、接触刚度的选取
选定一个合适的接触刚度值需要一些经验。 • 对于面一面接触单元，接触刚度通常指定为基体单元刚度的一个比例因子。 ◦ 开始估计时，选用 ◦ FKN = 1.0 大面积实体接触 ◦ FKN = 0.01-0.1 较柔软（弯曲占主导的部分） • 另外，也可以指定一个绝对刚度值，单位：（力/ 长度）/ 面积。 • 对于点一点（除 CONTA178）和点－面接触单元需要为罚刚度 KN 输入绝对值： ◦ 初始估计时： ◦ 对于大变形: 0.1*E < KN < 1.0*E ◦ 对于弯曲: 0.01*E < KN < 0.1*E ◦ E 为弹性模量

ANSYS高级接触问题73852

• 在数学上为保持平衡，需要有穿透值 • 然而，物理接触实体是没有穿透的 • 分析者将面对困难的选择： • 小的穿透计算精度高，因此接触刚度应该大； • 然而，太大的接触刚度会产生收敛困难：模型可能会振荡，接触
表面互相跳开。 • 接触刚度是同时影响计算精度和收敛的最重要的参数。你必须选
定一个合适的接触刚度。 • 除了在表面间传递法向压力外，接触单元还传递切向运动（摩
§2 接触单元
§2 接触单元
• 2. 点一面接触单元用于某一点和任意形状的面的接触
• 可使用多个点－面接触单元模拟棱边和面的接触；
• 不必事先知道接触的准确位置； • 两个面可以具有不同的网格； • 支持大的相对滑动； • 支持大应变和大转动。 • 例：点面接触可以模拟棱边和面之间的接触
和土壤的接触
§2 接触单元
§3 关于耦合和约束方程的应用
• 如果接触模型没有摩擦，接触区域始终粘在一起，并且分析是小挠度、小转动问题，那么可以用耦合或约束方程代替接触。
• 使用耦合或约束方程ห้องสมุดไป่ตู้优点是分析还是线性的
接触问题的一般特性
• §1 接触刚度
• 1、所有的 ANSYS 接触单元都采用罚刚度（接触刚度）来保证接触界面的协调性
擦）。采用切向罚刚度保证切向的协调性。（图1－2） • 作为初值，可采用：Ktangent=0.01 · Knormal • 切向罚刚度与法向罚刚度以同样的方式对收敛性和计算精度产生
影响。
• 2、接触刚度的选取
• 选定一个合适的接触刚度值需要一些经验。
• 对于面一面接触单元，接触刚度通常指定为基体单元刚度的一个比例因子。
§2 面－面接触单元
• §1 概述

ANSYS有限元分析_高级接触问题

• 2. 点一面接触单元用于某一点和任意形状的面的接触 • －可使用多个点－面接触单元模拟棱边和面的接触； • －不必事先知道接触的准确位置； • －两个面可以具有不同的网格； • －支持大的相对滑动； • －支持大应变和大转动。 • 例：点面接触可以模拟棱边和面之间的接触
• 3. 点－点接触单元用于模拟单点和另一个确定点之间的接触。 • －建立模型时必须事先知道确切的接触位置； • －多个点－点接触单元可以模拟两个具有多个单元表面间的接触； • · 每个表面的网格必须是相同的； • · 相对滑动必须很小； • · 只对小的转动响应有效。 • 例如: 点一点接触可以模拟一些面的接触。如地基和土壤的接触
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
• 3、选取接触刚度的指导：
• Step 1.开始采用较小的刚度值 • Step 2.对前几个子步进行计算 • Step 3.检查穿透量和每一个子步中的平衡迭代次数
• · 在粗略的检查中，如以实际比例显示整个模型时就能观察到穿透，则穿透可能太大了，需要提高刚度重新分析。 • · 如果收敛的迭代次数过多（或未收敛），降低刚度重新分析。 • 注意：罚刚度可以在载荷步间改变，并且可以在重启动中调整。 • 牢记：接触刚度是同时影响计算精度和收敛性的最重要的参数。如果收敛有问题，减小刚度值，重新分析 • 在敏感的分析中，还应该改变罚刚度来验证计算结果的有效性。 • －在分析中减小刚度范围，直到结果（接触压力、最大SEQV等）不再明显改变。
一摩擦系数 • 式中： • · 一旦所受剪力超过FT，两物体将发生相对滑动。 • 4、弹性库仑摩擦模型：允许粘着和滑动。
§3 自动时间步、控制
• 接触单元的Keyopt（7）选项控制时间步的预报。 • 0－无控制：不影响时间步尺寸。当自动时间步开关打开时，对于静态问题通常选此项。 • 1－自动缩减：如果接触状态改变较大，时间步二分。对于动态问题，自动缩减通常是充分的。 • 2－合理的：比自动缩减费用更昂贵的算法。为保持一个合理的时间载荷增量，需要在接触预测中选择此项。适用于静态分析和连续接触时瞬态分析。 • 3－最小值：该选项为下一子步、预报时间增量的最小值（计算费用十分昂贵，建议不用）。这个选项在碰撞和断续接触分析中是有用的。

ANSYS中的接触问题

点－点的接触在ANSYS程序中提供了三种点－点的接触单元，在此，我们主要介绍前二种：[$#8226] CONTAC12[$#8226] CONTAC52[$#8226] COMBIN40我们可以在预先知道接触位置的单点接触问题中使用点－点的接触单元。

也可以在接触面网格完全相同的情况，例如过盈装配问题中，用点－点的接触元来模型两个面之间的接触。

CONTAC12：2－D点－点的接触单元这个单元是通过总体坐标系X－Y平面内的二个结点来定义的，可以用于2－D平面应力，平面应变和轴对段分析中。

程序通过一个相对于总体坐标X轴的输入角Q（用度表示）来定们接触面，接触面不一定垂直于结点I，J的连线，并且结点I，J可以位于同一位置。

CONTAC12的单元坐标系是这样定义的，总体坐标的X轴逆时针旋转Q角便得到正的滑动方向，法向方法N垂直于S，正的法向位移有张开缝隙的作用。

我们可以用下面二种方法来定义初始过盈量或缝隙。

[$#8226] 明确定义实常数INTF，这时单元关键字K4必须设置成“Real Consttant”（这是这个选项的缺省值）。

一个负的INTF值表示处于初始张开的缝隙状态。

[$#8226] 让程序以初始节点位置为基础计算初始过盈量或缝隙，这时单元关键字k4必须设置为“Initnodelocats”。

初始分开的结点定义了初始张开的缝隙。

一个实常数，初始单元状态（START）一旦被定义，程序将忽略由INTF给定的条件，有效的开始条件是：[$#8226] START＝0：由INTF决定缝隙状态[$#8226] START＝1：缝隙是关闭的，且没有滑动[$#8226] START＝2：缝隙是关闭的，且有方向的滑动[$#8226] START＝－2：缝隙是关闭的，且有负方向的滑动[$#8226] START＝3：缝隙是张开的一个对开始条件的好的估计将有助于问题的收敛。

CONTAC12的实常数：界面角THETA－定义接触面方位的角度法向刚度KN－在法线方向的接触刚度位移过盈量INTF－初始过盈量基缝隙初始单元状态START粘附刚度KS－在滑动方向的接触刚度KS缺省到KNCONTAC12的单元关键字：摩擦类型K1 弹性库仑刚性库仑方位角来源于 K2 实常数THETA运动方向过盈量或缝隙基于 K4 实常数INTF初始接触的位置接触时间预测目标 K7 最小的时间增量合理的增量使用CONTAC12时的一些注意点：1、检查单元坐标系，保证使所定义的是一个间隙而不是一个钩子。

ANSYS接触问题

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。

最新ANSYS高级接触问题

基和土壤的接触
§3 关于耦合和约束方程的应用
• 如果接触模型没有摩擦，接触区域始终粘在一起，并且分析是小挠度、小转动问题，那么可以用耦合或约束方程代替接触。
• 使用耦合或约束方程的优点是分析还是线性的
接触问题的一般特性
• §1 接触刚度 • 1、所有的ANSYS接触单元都采用罚刚度（接触
• 采用足够小的时间步长以获得收敛。 • －对于瞬态分析，冲击时必须使用足够数
量的计算步以描述表面间的动量转移。
• －对于路径相关现象（如接触摩擦），相对较小的最大时间步长对计算精度是必须的。
面一面接触单元
• §1 概述 • 面－面接触单元，是模拟任意两个表面间接触的方法。表面可以具有任意形
状。是ANSYS中最通用的接触单元。精度高、特性丰富还可使用接触向导建模方便。（其它接触单元目前尚不能用向导）。 • ·面－面接触单元在面的高斯点处传递压力，这种先进技术使面－面接触单元具有很多优点： • －与低阶单元和高阶单元都兼容 • －提供更好的接触结果（于后处理接触压力和摩擦应力） • －可考虑壳和梁的厚度，以及壳的厚度变化 • －半自动接触刚度计算 • －刚性表面由“控制节点”控制 • －热接触特性 • －众多的高级选项来处理复杂问题。 • ·具有众多的高级选项（20个可用的实常数、2个材料属性和30个可用的单元选项）提供了丰富的特征库，能够用于模拟特殊的效果和处理困难的收敛情况。 • 然而众多的选项的智能缺省选项可以有效求解许多接触问题而不需要用户介入太多。 • 通常的做法是：开始使用高级选项之前，先试着采用缺省设置：只指定罚刚度，穿透容差和子步数，然后进行分析。只在采用缺省设置遇到困难时才采用高级选项。 • ·所有的高级选项也可以通过接触向导来控制。

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§2 接触单元
§2 接触单元
• 3. 点－点接触单元用于模拟单点和另一个确定点之间的接触。
• 建立模型时必须事先知道确切的接触位置； • 多个点－点接触单元可以模拟两个具有多个单元
表面间的接触； ◦ 每个表面的网格必须是相同的； ◦ 相对滑动必须很小； ◦ 只对小的转动响应有效。 • 例如: 点一点接触可以模拟一些面的接触。如地基
和土壤的接触
§2 接触单元
§3 关于耦合和约束方程的应用
• 如果接触模型没有摩擦，接触区域始终粘在一起，并且分析是小挠度、小转动问题，那么可以用耦合或约束方程代替接触。
• 使用耦合或约束方程的优点是分析还是线性的
接触问题的一般特性
• §1 接触刚度
• 1、所有的 ANSYS 接触单元都采用罚刚度（接触刚度）来保证接触界面的协调性
打开时，对于静态问题通常选此项。 • 1－自动缩减：如果接触状态改变较大，时间步二分。
对于动态问题，自动缩减通常是充分的。 • 2－合理的：比自动缩减费用更昂贵的算法。为保持
一个合理的时间载荷增量，需要在接触预测中选择此项。适用于静态分析和连续接触时瞬态分析。 • 3－最小值：该选项为下一子步、预报时间增量的最小值（计算费用十分昂贵，建议不用）。这个选项在碰撞和断续接触分析中是有用的。
• 在数学上为保持平衡，需要有穿透值 • 然而，物理接触实体是没有穿透的 • 分析者将面对困难的选择： • 小的穿透计算精度高，因此接触刚度应该大； • 然而，太大的接触刚度会产生收敛困难：模型可能会振荡，接触
表面互相跳开。 • 接触刚度是同时影响计算精度和收敛的最重要的参数。你必须选
定一个合适的接触刚度。 • 除了在表面间传递法向压力外，接触单元还传递切向运动（摩
◦
开始估计时，选用
◦
FKN = 1.0 大面积实体接触
◦
FKN = 0.01-0.1 较柔软（弯曲占主导的部分）
• 另外，也可以指定一个绝对刚度值，单位：（力/ 长度）/ 面积。
• 点一点（除 CONTA178）和点－面接触单元需要为罚刚度 KN 输入绝对值：
◦
初始估计时：
◦
对于大变形: 0.1*E < KN < 1.0*E
§2 接触单元
§2 接触单元
• 2. 点一面接触单元用于某一点和任意形状的面的接触
• 可使用多个点－面接触单元模拟棱边和面的接触；
• 不必事先知道接触的准确位置； • 两个面可以具有不同的网格； • 支持大的相对滑动； • 支持大应变和大转动。 • 例：点面接触可以模拟棱边和面之间的接触
§2 面－面接触单元
• §1 概述
• 面－面接触单元，是模拟任意两个表面间接触的方法。表面可以具有任意形状。是 ANSYS 中最通用的接触单元。精度高、特性丰富还可使用接触向导，建模方便。（其它接触单元目前尚不能用向导）。
•
面－面接触单元在面的高斯点处传递压力，这种先进技术使面－面接触
单元具有很多优点：
的单元选项）提供了丰富的特征库，能够用于模拟特殊的效果和处理困难的
收敛情况。
• 然而众多的选项的智能缺省选项可以有效求解许多接触问题而不需要用户介入太多。
• 通常的做法是：开始使用高级选项之前，先试着采用缺省设置：只指定罚刚度，穿透容差和子步数，然后进行分析。只在采用缺省设置遇到困难时才采用高级选项。
·接触分析中自动时间步的其它注意事项：
• 与所有其它非线性分析一样，对接触问题，时间步长是非常有力的提高收敛性的工具。
• 采用足够小的时间步长以获得收敛。 • 对于冲击瞬态分析，必须使用足够数量的计算步以描
述表面间的动量转移。 • 对于路径相关现象（如接触摩擦），相对较小的最大
时间步长对计算精度是必须的。
擦）。采用切向罚刚度保证切向的协调性。（图1－2） • 作为初值，可采用：Ktangent=0.01 · Knormal • 切向罚刚度与法向罚刚度以同样的方式对收敛性和计算精度产生
影响。
• 2、接触刚度的选取
• 选定一个合适的接触刚度值需要一些经验。
• 对于面一面接触单元，接触刚度通常指定为基体单元刚度的一个比例因子。
•
库仑法则是宏观模型，表述物体间的等
效剪力 FT 不能超过正压力 FN 的一部分：
FT <= μ× FN
• 式中： μ－摩擦系数
•
一旦所受剪力超过 FT，两物体将发生相对
滑动。
• 4、弹性库仑摩擦模型：允许粘着和滑动。
§3 自动时间步、控制
• 接触单元的 Keyopt（7）选项控制时间步的预报。 • 0－无控制：不影响时间步尺寸。当自动时间步开关
◦
与低阶单元和高阶单元都兼容
◦
提供更好的接触结果（于后处理接触压力和摩擦应力）
◦
可考虑壳和梁的厚度，以及壳的厚度变化
◦
半自动接触刚度计算
◦
刚性表面由“控制节点 – pilot node”控制
◦
热接触特性
◦
众多的高级选项来处理复杂问题。
•
具有众多的高级选项（20 个可用的实常数、2 个材料属性和 30 个可用
◦
对于弯曲: 0.01*E < KN < 0.1*E
◦
E 为弹性模量
• 3、选取接触刚度的指导：
• Step 1. 开始采用较小的刚度值 • Step 2. 对前几个子步进行计算 • Step 3. 检查穿透量和每一个子步中的平衡迭代次数
• 在粗略的检查中，如以实际比例显示整个模型时就能观察到穿透，则穿透可能太大了，需要提高刚度重新分析。
• 如果收敛的迭代次数过多（或未收敛），降低刚度重新分析。
• 注意：罚刚度可以在载荷步间改变，并且可以在重启动中调整。
• 牢记：接触刚度是同时影响计算精度和收敛性的最重要的参数。如果收敛有问题，减小刚度值，重新分析
• 在敏感的分析中，还应该改变罚刚度来验证计算结果的有效性。
• 在分析中减小刚度范围，直到结果（接触压力、最大 SEQV 等）不再明显改变。
§2 摩擦
• 1、两个接触体的剪切或滑动行为可以是无摩擦的或有摩擦的
• 无摩擦时允许物体没有阻力地相互滑动； • 有摩擦时，物体之间会产生剪切力。 • 2、摩擦消耗能量，并且是路径相关行为。 • 为获得较高的精度，时间步采用库仑模型，并有附加选项可处理复杂的粘着和剪切行为。

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