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ANSYS非线性接触问题分析汇总

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ANSYS 分线性接触问题分析汇总接触非线性是一门复杂的学科，ANSYS 关于计算非线性接触的设置选项多只又多，很多人摸不到头脑，本文就基于ANSYS 模拟过的几个接触实例，研究了相关设置选项对接触结果的影响。

实例1：橡胶密封圈配合接触研究—非线性求解设置对结果的影响密封圈配合模型简图见图1，左右两端为刚体，中间圆部分为橡胶密封圈，将刚体2沿刚体1方面移动，从而实现橡胶圈密封作用，采用plane182单元，设置轴对称行为，建立橡胶密封圈与刚体接触模型，见图2。

图1 密封圈配合模型简图 图2 密封圈配合有限元模型图接触对采用默认设置，摩擦系数取0.10，研究非线性求解器设置对收敛方面的影响，大变形静态（Large Displacement Static ）效应打开，自动时间步长（Automatic time stepping ）打开，子步数（Number of substeps ）设置为50，线性搜索（Line search ）打开。

1 收敛准则对结果的影响此实例收敛准则默认采用力收敛结合力矩收敛准则（基于L2范数），收敛容差（Tolerance ）默认为0.001，工程上认为0.05的收敛容差足够满足要求。

表 1 收敛容差对计算结果的影响收敛容差 最大应力/ MPa报错与否？ 0.001 4.12364报错 0.05 4.12785 报错 0.14.12996报错查看报错信息，见图3，表示单元过于扭曲，建议提高子步数或降低时间步长，需要提高网格质量，也要考虑材料属性，接触对及约束方程的合理性，若在第一步迭代就如此，需要预先执行单元形状检查。

图3 报错信息刚体1刚体2密封圈橡胶密封圈配合Von Mises应力云图见图4。

图4 橡胶密封圈配合Von Mises应力2 子步数对结果的影响此实例子步数设置为50、100、200、500，收敛容差（Tolerance）默认为0.001，研究子步数对收敛的影响。

表2 子步数对计算结果的影响子步数最大应力/ MPa 报错与否？50 4.12364 报错100 4.12795 报错200 4.12954 收敛500 4.12377 收敛1000 4.12218 收敛由表2可知，提高子步数对于ANSYS非线性问题求解的收敛性是有所增强的，由最大应力值可以看出如图3所示的报错信息，其结果有可能是合理的、一致的，需谨慎判断。

3 牛顿-拉普森选项（Newton-Raphson option）设置对结果的影响此实例牛顿-拉普森选项设置为下图5（引自ANSYS帮助文档）所示几种情形，收敛容差（Tolerance）默认为0.001，子步数为200。

图5 牛顿-拉普森选项设置表3 牛顿-拉普森选项对计算结果的影响牛顿-拉普森选项最大应力/ MPa 报错与否？AUTO 4.12954 收敛FULL 4.12954 收敛MODI 4.12954 收敛INI 4.12954 收敛UNSYM 4.12511 收敛由表3可知，收敛情况下，完全牛顿-拉普森非对称选项（Full N-R unsymm）结果与其他情形略有不同，有相关论文表明Full N-R unsymm选项对于收敛性有帮助，本实例进行了验证，在子步数取140时，FULL情形下，报错，最大应力为4.14331MPa；UNSYM情形下，收敛，最大应力为4.12913MPa，可见完全牛顿-拉普森非对称选项对于收敛性有所帮助。

实例2：旋转轴与圆盘过盈配合接触研究—接触属性Basic设置对结果的影响旋转轴与圆盘过盈配合模型简图见图1，因周期对称性，取1/12建立模型，采用扫略方式进行网格划分，接触区域网格一致，接触更为有效真实，施加总体旋转角速度及考虑重力作用，建立旋转轴与圆盘过盈配合模型，过盈配合通过设置接触面偏移量实现，见图2。

轴圆盘图1 旋转轴与圆盘过盈配合模型简图图2旋转轴与圆盘过盈配合有限元模型1 法向惩罚刚度对结果的影响法向惩罚刚度（Normal Penalty Stiffness）设置为1.0，0.5，0.1三种情况，其余设置不变，见图3，对比结果见表1。

表1 法向惩罚刚度对计算结果的影响法向惩罚刚度穿透容差最大应力/ MPa 报错与否？1.0 0.1 263.891 收敛0.5 0.1 252.113 收敛0.1 0.1 209.629 收敛由表1可知，随着法向惩罚刚度的降低，轴与圆盘接触过盈配合最大应力降低。

图3 接触属性Basic选项2 穿透容差对结果的影响穿透容差（Penetration tolerance）设置为0.1，0.2，0.3三种情况，其余设置保持不变，对比结果见表2。

表2 穿透容差对计算结果的影响穿透容差法向惩罚刚度最大应力/ MPa 报错与否？0.1 1.0 263.891 收敛0.2 1.0 252.076 收敛0.3 1.0 243.344 收敛由表2可知，随着穿透容差的增大，轴与圆盘接触过盈配合最大应力降低。

3 接触刚度更新方式对结果的影响接触刚度更新方式（Contact stiffness update）设置为Each iteration及Each load step两种情况，其余设置保持不变，对比结果见表3。

表3 穿透容差对计算结果的影响接触刚度更新方式最大应力/ MPa 报错与否？Each iteration 263.891 收敛Each load step 278.950 收敛由表3可知，每个载荷步更新方式比每次迭代更新方式最大应力值更大，检查收敛曲线发现每个载荷步更新方式收敛能难。

4 接触算法对结果的影响接触算法（Contact algorithm）设置为Augmented Lagrange method，Penalty method，MPC algorithm，Lagrange& Penalty method及Lagrange method五种情况，其余设置保持不变，对比结果见表4。

表4 接触算法对计算结果的影响接触算法最大应力/ MPa 报错与否？Augmented Lagrange method 263.891 收敛Penalty method 263.891 收敛MPC algorithm 3281.56收敛Lagrange& Penalty method 344.894 收敛Lagrange method 344.894 收敛由表4可知，MPC算法应力值特别大，不适用于此例，Augmented Lagrange 及Penalty算法接触应力值一致，Lagrange& Penalty及Lagrange算法接触应力值一致，说明：调整接触算法的时候，接触检测（Contact Detection）与接触面行为（Behavior of contact surface）会变化。

5 接触检测方式对结果的影响接触检测方式（Contact Detection）设置为On Gauss points，On nodes-Normal from contact，On nodes-Normal to target，及On Nodes-Surface projection四种情况，其余设置保持不变，对比结果见表5。

表5 接触检测方式对计算结果的影响接触检测最大应力/ MPa 报错与否？On Gauss points 263.891 收敛On nodes-Normal from contact 269.965 收敛On nodes-Normal to target 269.961 收敛On Nodes-Surface projection 256.691 收敛由表5可知，四种接触检测方式下，最大应力值比较一致。

6 接触面行为对结果的影响接触面行为（Behavior of contact surface）设置为Standard，Rough，No Saparation，Bonded，No Saparation（Always），Bonded（Always），Bonded（initial contact）7种情形，其余设置保持不变，接触面行为对计算结果的影响见表6。

表6 接触面行为对计算结果的影响接触面行为最大应力/ MPa 报错与否？Standard 263.891 收敛Rough 263.335 收敛No Saparation 263.891 收敛Bonded 263.335 收敛No Saparation（Always）263.891 收敛Bonded（Always）263.335 收敛Bonded（initial contact）263.335 收敛由表6可以看出，应力值分两种情形，比较一致，说明初始过盈紧量值足够保证轴旋转时圆盘不分离，因此本例不具有代表性，旋转轴与圆盘过盈配合应力云图见图4。

图4 旋转轴与圆盘过盈配合应力云图实例3：壳体-实体装配体接触研究—MPC算法设置对结果的影响壳体与实体装配，因自由度个数不同，需进行MPC（Multi-Point constraint）接触算法设置，如图1所示体壳相连结构，紫色面为壳体，绿色部分则为实体，壳体顶部施加Z方向位移，实体底面施加全约束，实体-壳体连接部位采用MPC 算法进行设置。

图1 体壳相连结构示意1 MPC算法设置对结果的影响体-壳相连，MPC共有Auto assembly detection、Shell/Solid（cntc norm directions）、Shell/Solid（all directions）、Shell/Solid（anywhere）四种设置方式，其余设置不变，MPC设置对计算结果的影响见表1。

表1 MPC行为对计算结果的影响MPC行为最大应力/ Pa 报错与否？Auto assembly detection 1253.54 收敛Shell/Solid（cntc norm directions）1253.54 收敛Shell/Solid（all directions）1253.54 收敛Shell/Solid（anywhere）1454.39 收敛由表可知，Shell/Solid（anywhere）设置最大应力值与其余3种情况不一样，偏高，建议采用默认的Auto assembly detection设置进行壳体与实体装配模拟。

2 网格疏密性对结果的影响部分网友提问，网格的疏密对计算结果的影响是否值得研究？当然值得！本例尝试一下接触问题网格疏密性研究，网格疏密性对计算结果的影响见表2，对应的有限元网格模型见图2。

表2 网格疏密性对计算结果的影响网格大小最大应力/ Pa 报错与否？0.040 5969.7 收敛0.020 1253.54 收敛0.010 798.967 收敛0.005 279.693 收敛由表可知，接触问题，网格大小对计算结果的影响非常大，网格减小，最大应力值也减小，可以预见，当网格足够小的时候，计算结果趋于稳定值，有限元划分网格的技巧对工程人员非常考究，采用多大的网格，进行有限元分析是一门学问，需要ANSYS学者好好的自行去研究，壳体与实体装配Von Mises应力分布见图3。

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ANSYS接触非线性算法详解

ANSYS接触非线性算法详解

ANSYS接触非线性算法详解本文将向读者详细介绍ANSYS接触非线性中的主要算法的计算原理，如图1所示给出了ANSYS Workbench结构模块中的接触算法选择面板。

1.完全罚函数法（Pure Penalty Method）完全罚函数法计算时需要提供法向和切向刚度矩阵。

完全罚函数的主要缺点是两个接触面之间的穿透量取决于这个刚度矩阵。

过高的刚度值会减小穿透总量，但会产生病态的总体刚度矩阵从而导致计算收敛困难。

2.增强的拉格朗日方法（Augmented Lagrangian Method）增强的拉格朗日方法是为了找到精确的拉格朗日乘子（即接触力），而对罚函数进行一系列修正迭代。

在方程的平衡迭代过程中增大接触附着力（压力和摩擦应力）以便最终的透穿值小于允许的容差值(FTOLN)。

与纯罚函数的方法相比，拉格朗日方法容易得到良态条件，对接触刚度的敏感性较小。

然而，在有些分析中，增进的拉格朗日方法可能需要更多的迭代，特别是在变形后网格变得太扭曲时。

图2 罚函数法的计算原理图3.MPC多点约束法MPC:多点约束是一个极为有效的接触模拟算法。

适用于绑定和不分离接触。

可以连接不同网格模型。

连接不同的单元类型：4.法向拉格朗日乘子法ANSYS提供了一种混合算法，即在接触法向使用拉格朗日乘子法，接触切向使用罚函数法。

对于粘结接触状态，这种方法强制施加零透穿值并且允许小滑动。

它也要求颤振控制参数FTOLN 和TNOP，还有允许的弹性滑动参数SLTO的最大值。

5.梁连接算法梁算法仅适用于绑定连接，该算法使用无质量的梁单元实现接触面和目标面的绑定连接。

ANSYS-接触非线性应用技巧

ANSYS-接触非线性应用技巧

A Pera Global Company © 2012 PERA China
NLGEOM,ON NSUB,10,100,1
案例：高压油管折弯
项目背景
– 本计算主要对油管工件由直管折弯为 弯管过程中，各部位材料的塑性应变 进行仿真，计算材料延伸率，并考察 ANSYS结构非线性能力。
高压油管结构示意图
Contact pair-1
Single contact pair
Contact pair-1
A Pera Global Company © 2012 PERA China
2.接触刚度不合适
缺省的接触刚度不再适用
ANSYS求解接触问题时，接触刚度对收敛性影响显著。大多数情况下缺省设置 有效，但不适于弯曲为主的接触问题。 不好收敛的信号是，收敛曲线平行于收敛准则，如下图。选择小的罚刚度值（ FKN），可以使接触容易收敛。
A Pera Global Company © 2012 PERA China
1.遗漏接触对
• 如果有些区域接触了（如自接触），但是没有定义接触对，单元会扭曲。
Phase 1
Phase 2
Phase 3
A Pera Global Company © 2012 PERA China
1.遗漏接触对
For symmetric contact or additional CP/CE, and boundary conditions, the equation system is over-constrained
Tip:
If the Lagrange multiplier method is used:
• Always use asymmetric contact.
ansys几何非线性+塑性+接触+蠕变

ansys几何非线性+塑性+接触+蠕变

除去蠕变，这个模型的结果可靠性是不错的。

作了一系列接触问题，通过试验验证符合的很好。

模型解释：（1）一个弹性结构受压（接触）变形，到发生塑性变形。

（2）拿开压缩板，结构回弹，但不会回到原始位置。

（3）这时计算蠕变，释放掉应力。

（4）再压弹性结构到开始压缩位置。

比较这四步的接触力。

结果：第二，三步当然没有接触力，（若没有应力释放，第一、第四步接触力应一样，）有了应力释放，第四步接触力比第一步减小。

这个模型中的蠕变没用太好。

用的是隐式6号蠕变方程，蠕变是时间和应力的函数，参数是乱定的（应力释放太快）。

想请教有关蠕变方面的资料，尤其是材料蠕变方程选用及参数方面的资料。

/prep7!------------CuSn8----------ET,1,182,,,3mp,ex,1,115e9mp,prxy,1,0.3r,1,0.3TB,BKIN,1TBDA TA,1,470E6,0tm=100*SET,C1,1.5625E-14      !ASSIGN VALUE*SET,C2,1.5        !ASSIGN V ALUE*SET,C3,        !ASSIGN V ALUE*SET,C4,0        !ASSIGN V ALUETB,CREEP,1,,,6        !ACTIV ATE DA TA TABLETBDA TA,1,C1,C2,C3,C4      !DEFINE DATA FOR TABLE!-----------contact-----------------ET,9,169ET,10,171R,9,,,0.1,0.1,,!RMORE,,,1.0E20,0.0,1.0,!RMORE,0.0,0,1.0,0,0,0.5!RMORE,,,1.0,0.0MP,MU,9,0.0!----------------geometryk,,2k,,2,0.2k,,,0.2k,,-0.2k,,-0.2,1.2k,,,1k,,2,1.2k,,1,1k,,1.25,1k,,2,1L,8,9,k,,1.5,1.2k,,1.75,1.45L, 1, 2 L, 1, 4 L, 4, 5 L, 5, 11larc,7,12,11,0.25 larc,11,12,7,0.25L, 7, 10 L, 10, 9 L, 8, 6 L, 6, 3 L, 3, 2LFILLT,11,10,0.3, ,!*LFILLT,4,5,0.5, ,!*LFILLT,11,12,0.3, ,!*LFILLT,4,3,0.5, ,FLST,2,16,4 FITEM,2,12 FITEM,2,15 FITEM,2,11 FITEM,2,13FITEM,2,10FITEM,2,1FITEM,2,9FITEM,2,8FITEM,2,7FITEM,2,6FITEM,2,5FITEM,2,14FITEM,2,4FITEM,2,16FITEM,2,3FITEM,2,2AL,P51Xrect,1,3,1.45+0.001,1.5type,1mat,1esize,0.05amesh,all!---------contact------------ allstype,10mat,9real,9lsel,s,,,6,7nsll,s,1esln,s,0esurf,alltype,9mat,9real,9lsel,s,,,17nsll,s,1esln,s,0esurf,all!------boundarylsel,s,,,3nsll,,1d,all,uxd,all,uylsel,s,,,19nsll,,1cp,11,uy,allcplgen,11,ux*get,nmin,node,,num,min d,nmin,uxksel,s,,,10nslk*get,ndis,node,,num,minfini/soluantype,staticnlgeom,onautots,onallssaverate,offtime,1e-8d,nmin,uy,-0.3nsub,20outres,all,allsolve*get,rf1,node,nmin,rf,fy *get,dis1,node,ndis,u,ytime,2e-8d,nmin,uy,0.0nsub,20outres,all,allsolve*get,rf2,node,nmin,rf,fy*get,dis2,node,ndis,u,y!BFUNIF,TEMP,90rate,onTIME,tm!NSUBST,10OUTPR,BASIC,10 ! PRINT BASIC SOLUTION FOR EVERY 10TH SUBSTEP OUTRES,ESOL,1 ! STORE ELEMENT SOLUTION FOR EVERY SUBSTEP SOLVE*get,rf3,node,nmin,rf,fy*get,dis3,node,ndis,u,yrate,offtime,tm+1e-8d,nmin,uy,-0.3nsub,20outres,all,allsolve*get,rf4,node,nmin,rf,fy*get,dis4,node,ndis,u,y/EOFtime,11d,nmin,uy,-0.0nsub,20outres,all,allsolve*get,rf11,node,nmin,rf,fy*get,dis11,node,ndis,u,y/eoffini/post1*get,rf2,node,nmin,rf,fy fini/eof。

《2024年基于ANSYS软件的接触问题分析及在工程中的应用》范文

《2024年基于ANSYS软件的接触问题分析及在工程中的应用》范文

《基于ANSYS软件的接触问题分析及在工程中的应用》篇一一、引言在当今的工程领域中，接触问题普遍存在于各种复杂机械系统和工程结构中。

ANSYS软件作为一种强大的工程仿真工具，在处理接触问题方面具有显著的优势。

本文将探讨基于ANSYS软件的接触问题分析方法及其在工程中的应用。

二、ANSYS软件中的接触问题分析1. 接触问题基本理论接触问题是一种高度非线性的问题，涉及到两个或多个物体在接触过程中产生的相互作用。

ANSYS软件通过建立接触对、定义接触面和目标面、设置接触参数等方式，实现对接触问题的模拟和分析。

2. ANSYS软件中的接触类型ANSYS软件支持多种类型的接触问题，包括点-点、点-面、面-面等接触类型。

此外，根据接触方式的不同，ANSYS还提供了刚性-柔性、柔性-柔性等多种接触方式。

用户可以根据实际问题的特点选择合适的接触类型和方式。

3. 接触问题的分析步骤（1）建立模型：在ANSYS中建立几何模型，定义材料属性和网格划分。

（2）定义接触对：选择合适的接触类型和方式，建立接触对。

（3）设置边界条件和载荷：设置模型的边界条件和载荷，包括约束、力、温度等。

（4）求解和分析：进行求解和分析，得到接触问题的解和结果。

三、ANSYS软件在工程中的应用1. 机械工程中的应用在机械工程中，ANSYS软件被广泛应用于分析各种机械零件和装配体的接触问题。

例如，齿轮传动系统的齿轮啮合、轴承的滚动接触等都可以通过ANSYS进行精确的模拟和分析。

此外，ANSYS还可以用于分析机械零件在运动过程中的应力分布和变形情况，为机械系统的设计和优化提供有力支持。

2. 土木工程中的应用在土木工程中，ANSYS软件可以用于分析建筑物、桥梁、隧道等工程结构的接触问题。

例如，建筑物外墙与支架的连接、桥梁的支座连接等都可以通过ANSYS进行模拟和分析。

此外，ANSYS还可以用于分析地震等自然灾害对工程结构的影响，为土木工程的设计和施工提供科学依据。