ansys接觸定義

1、ansys接觸定義1 概述接觸問題是一種高度非線性行為，需要較大的計(jì)算資源，為了進(jìn)行實(shí)為有效的計(jì)算，理解問題的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，在你求解問題之前，你不知道接觸區(qū)域，表面之間是接觸或分開是未知的，突然變化的，這隨載荷、材料、邊界條件和其它因素而定；其二，大多的接觸問題需要計(jì)算摩擦，有幾種摩擦和模型供你挑選，它們都是非線性的，摩擦使問題的收斂性變得困難。一般的接觸分類接觸問題分為兩種基本類型：剛體柔體的接觸，半柔體柔體的接觸。（1）剛-柔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

2、種軟材料和一種硬材料接觸時(shí)，問題可以被假定為剛體柔體的接觸，許多金屬成形問題歸為此類接觸。（2）柔-柔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（有近似的剛度）。2 ANSYS接觸能力ANSYS支持三種接觸方式：點(diǎn)點(diǎn)，點(diǎn)面，平面面，每種接觸方式使用的接觸單元適用于某類問題。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)立應(yīng)組元是一個(gè)結(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，例如梁單元，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(shí)別可能的接觸匹對(duì)，接觸單元是覆蓋在分析模型接觸面之上的

3、一層單元，至于ANSYS使用的接觸單元和使用它們的過程，下面分類詳述。2.1 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)的接觸單元，你需要預(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） 如果兩個(gè)面上的結(jié)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，相對(duì)滑動(dòng)又以忽略不計(jì)，兩個(gè)面撓度（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的接觸問題的典型例子。2.2 點(diǎn)面接觸單元點(diǎn)面接觸單元主要用于給點(diǎn)面的接觸行為建模，例如兩根梁的相互接觸。如果通過一組結(jié)點(diǎn)來定義接觸面，生成多個(gè)單元，那么可以通過點(diǎn)面的接觸

4、單元來模擬面面的接觸問題，面即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)。Contact48和Contact49都是點(diǎn)面的接觸單元，Contact26用來模擬柔性點(diǎn)剛性面的接觸，對(duì)有不連續(xù)的剛性面的問題，不推薦采用Contact26因?yàn)榭赡軐?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。2.3 面面的接觸單元ANSYS支持剛體柔體的面面的接觸單元，剛性面被當(dāng)作“目標(biāo)”面，分別用Targe169和Targe170來模

5、擬2D和3D的“目標(biāo)”面，柔性體的表面被當(dāng)作“接觸”面，用Conta171,Conta172,Conta173,Conta174來模擬。一個(gè)目標(biāo)單元和一個(gè)接單元叫作一個(gè)“接觸對(duì)”程序通過一個(gè)共享的實(shí)常號(hào)來識(shí)別“接觸對(duì)”，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)常的號(hào)。與點(diǎn)面接觸單元相比，面面接觸單元有好幾項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)（1）支持低階和高階單元；（2）支持有大滑動(dòng)和摩擦的大變形，協(xié)調(diào)剛度陣計(jì)算，單元提法不對(duì)稱剛度陣的選項(xiàng)；（3）提供工程目的采用的更好的接觸結(jié)果，例如法向壓力和摩擦應(yīng)力；（4）沒有剛體表面形狀的限制，剛體表面的光滑性不是必須允許有自然的或網(wǎng)格離散引起的表面不連續(xù)；（5）與點(diǎn)面

6、接觸單元比，需要較多的接觸單元，因而造成需要較小的磁盤空間和CPU時(shí)間；（6）允許多種建?？刂?，例如：綁定接觸、漸變初始滲透、目標(biāo)面自動(dòng)移動(dòng)到補(bǔ)始接觸、平移接觸面（老虎梁和單元的厚度）、支持死活單元。使用這些單元，能模擬直線（面）和曲線（面），通常用簡單的幾何形狀例如圓、拋物線、球、圓錐、圓柱采模擬曲面，更復(fù)雜的剛體形狀能使用特殊的前處理技巧來建模。3 執(zhí)行接觸分析不同的接觸分析類型有不同的過程，下面分別討論。3.1 面面的接觸分析在涉及到兩個(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)”面總是剛性的，“接觸”面總是柔性面，這兩個(gè)面合起來叫

7、作“接觸對(duì)”使用Targe169和Conta171或Conta172來定義2-D接觸對(duì)，使用Targe170和Conta173或Conta174來定義3-D接觸對(duì)，程序通過相同的實(shí)常收號(hào)來識(shí)別“接觸對(duì)”。接觸分析的步驟：執(zhí)行一個(gè)典型的面面接觸分析的基本步驟列示如下：（1） 建立模型，并劃分網(wǎng)格（2） 識(shí)別接觸對(duì)（3） 定義剛性目標(biāo)面（4） 定義柔性接觸面（5） 設(shè)置單元關(guān)鍵字和實(shí)常的（6） 定義控制剛性目標(biāo)面的運(yùn)動(dòng)（7） 給定必須的邊界條件（8） 定義求解選項(xiàng)和載荷步（9） 求解接觸問題（10） 查看結(jié)果步驟一：建立模型，并劃分網(wǎng)格在這一步中，你需要建立代表接觸體幾何形狀的實(shí)體模型。與其它分析

8、過程一樣，設(shè)置單元類型，實(shí)常，材料特性。用恰當(dāng)?shù)膯卧愋徒o接觸體劃分網(wǎng)格。命令：AMESH、VMESHGUI：Main MenuPreprocessormeshMapped3 or4 Sided Main MenuPneprocessormeshmapped4 or 6 sided 步驟二：識(shí)別接觸對(duì)你必須認(rèn)識(shí)到，模型在變形期間哪些地方可能發(fā)生接觸，一是你已經(jīng)識(shí)別出潛在的接觸面，你應(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)常號(hào)聯(lián)系起來。接觸環(huán)（區(qū)域）可以任意定義，然而為了更有效的進(jìn)行計(jì)算（主要指CPU時(shí)間）你可能想定義

9、更小的局部化的接觸環(huán)，但能保證它足以描述所需要的接觸行為，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)號(hào)沒有變化）。 由于幾何模型和潛在變形的多樣形，有時(shí)候一個(gè)接觸面的同一區(qū)域可能和多個(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)（使用多組覆蓋層接觸單元）。每個(gè)接觸對(duì)有不同的實(shí)常數(shù)號(hào)步驟三：定義剛性目標(biāo)面剛性目標(biāo)面可能是2D的或3D的。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TAPGE169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、圓錐面和球面來推述，所有這些都可以用TA

10、PGE170來表示，對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的，任意形狀的目標(biāo)面，應(yīng)該使用三角面來給它建?？刂平Y(jié)點(diǎn)（Pilot）剛性目標(biāo)面可能會(huì)和“pilot結(jié)點(diǎn)”聯(lián)系起來，它實(shí)際上是一個(gè)只有一個(gè)結(jié)點(diǎn)的單元，通過這個(gè)結(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)可以控制整個(gè)目標(biāo)面的運(yùn)動(dòng)，因此可以把pilot結(jié)點(diǎn)作為剛性目標(biāo)的控制器。整個(gè)目標(biāo)面的受力和轉(zhuǎn)動(dòng)情況可以通過pilot結(jié)點(diǎn)表示出來，“pilot結(jié)點(diǎn)”可能是目標(biāo)單元中的一個(gè)結(jié)點(diǎn)，也可能是一個(gè)任意位置的結(jié)點(diǎn)，只有當(dāng)需要轉(zhuǎn)動(dòng)或力矩載荷時(shí)，“pilot結(jié)點(diǎn)”的位置才是重要的，如果你定義了“pilot結(jié)點(diǎn)”ANSYS程序只在“pilot結(jié)點(diǎn)”上檢查邊界條件，而忽略其它結(jié)點(diǎn)上的任何約束。對(duì)于圓、圓柱、圓錐、和球

11、的基本圖段，ANSYS總是使用一個(gè)結(jié)點(diǎn)作為“pilot結(jié)點(diǎn)”。基本原型你能夠使用基本幾形狀來模擬目標(biāo)面，例如：“圓、圓柱、圓錐、球。直線、拋物線、弧線、和三角形不被允許、雖然你不能把這些基本原型彼此合在一起，或者是把它們和其它的目標(biāo)形狀合在一起以便形成一個(gè)同一實(shí)常數(shù)號(hào)的復(fù)雜目標(biāo)面。但你可以給每個(gè)基本原型指定它自己的實(shí)常的號(hào)。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（TARG169或TARG170）。命令：ETGUI:main menupreprocessorElement Type Add/Edit/Delete隨后必須設(shè)置目標(biāo)單元的實(shí)常數(shù)。命令:RealGUI:main me

12、nnpreprocessorreal constants 對(duì)TARGE169和TARGE170僅需設(shè)置實(shí)常數(shù)R1和R2，而只有在使用直接生成法建立目標(biāo)單元時(shí)，才需要從為指定實(shí)常數(shù)R1、R2，另外除了直接生成法，你也可以使用ANSYS網(wǎng)格劃分工具生成目標(biāo)單元，下面解釋這兩種方法。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路徑。命令：TSHAPGUI：main menupreprocessormodeling-createElementsElem Attributes隨后指定單元形狀，可能的形狀有： straight line (2D) parabola (2-D)

13、clockwise arc(2-D) counterclokwise arc (2-D) circle(2-D) Triangle (3-D) Cylinder (3-D) Cone (3-D) Sphere (3-D) Pilot node (2-D和3-D) 一旦你指定目標(biāo)單元形狀，所有以后生成的單元都將保持這個(gè)形狀，除非你指定另外一種形狀。然后你就可以使用標(biāo)準(zhǔn)的ANSYS直接生成技術(shù)生成結(jié)點(diǎn)和單元。命令：N、EGUI：main menupnoprocessor modeling- create nodesmain menupnoprocessor modeling- createElem

14、ents在建立單元之后，你可以通過列示單元來驗(yàn)證單元形狀命令：ELISTGUI：utility menulistElementsNodes+Attributes使用ANSYS網(wǎng)格劃分工具生成剛性目標(biāo)單元你也可以使用標(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?qū)?huì)以實(shí)體模型為基礎(chǔ)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)“PILOT結(jié)點(diǎn)”使用下面的命令或GUI路徑：命令：KmeshGUI：main menuproprocessormeshing-meshkeypoints注意：KMESH總是生成“PILOT結(jié)點(diǎn)”為了生成一個(gè)2D目標(biāo)單元，使用下面的命令

15、和GUI路徑：ANSYS在每條直線上生成一條單一的線，在樣條曲線上生成拋物線部分，在每條圓弧和倒角上生成圓弧部分，如果所有的圓弧形成一個(gè)封閉的圓，ANSYS生成一個(gè)單一的圓段。命令：LMESHGUI：main menupneprocessormesling-meshlines 為了生成3D的目標(biāo)單元，使用下面的命令或GUI路徑。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程序自動(dòng)生成一個(gè)基本的3D目標(biāo)單元，因?yàn)樯奢^少的單元，從而使你分析計(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)量不是重要的，而目標(biāo)單元的形狀是否能完

16、成好的 模擬剛性面的表面幾何形狀顯得更重要。命令：AMESHGUI：main menupreprocessor-meshing-meshArea ANSYS在所有可能的面上推薦使用三角形的映射網(wǎng)格劃分，如果在表面的邊界上沒有曲率，則在網(wǎng)格劃分時(shí)，指定那條邊界分為一分，下面的命令或GUI路徑將盡可能的生成一個(gè)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-meshling-mesh-Ares-Target Surf建模和網(wǎng)格劃分的注意點(diǎn):一個(gè)目標(biāo)面可能由兩個(gè)或多個(gè)面的區(qū)域組成，你應(yīng)該盡可能地通過定義多個(gè)目標(biāo)面來使接觸區(qū)域局部

17、比（每個(gè)目標(biāo)面有一個(gè)不同的實(shí)常數(shù)號(hào)）剛性目標(biāo)面上由的離散能足夠指述出目標(biāo)面的形狀，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)實(shí)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比，或者在曲率突然變化的區(qū)域使用更細(xì)的網(wǎng)格。注意：不能使用鏡面對(duì)稱技術(shù)（ARSYSM，LSYMM）來映射圓、圓柱、圓錐或球面到對(duì)稱平面的另一邊，因?yàn)槊總€(gè)實(shí)常數(shù)的設(shè)置不能同時(shí)賦給多個(gè)基本原型段。檢驗(yàn)?zāi)繕?biāo)面的接觸方向。目標(biāo)面的結(jié)點(diǎn)號(hào)順序是重要的，因?yàn)樗x了接觸主向，對(duì)2D接觸問題，當(dāng)沿著目標(biāo)線從第一個(gè)結(jié)點(diǎn)移向第二個(gè)結(jié)點(diǎn)時(shí)，變形體的接觸單元必須位于目標(biāo)面的右邊。

18、對(duì)3D接觸問題，目標(biāo)三角形單元號(hào)應(yīng)該使剛性面的外法線方向指向接觸面，外法線通過右手原則來定義為了檢查法線方向，顯示單元坐標(biāo)系命令：/PSYMS，ESYS，1 GUI：Utility menuplotctrlssymbols 如果單元法向不指向接觸面，選擇單元反轉(zhuǎn)表面的法向的方向。命令：ESURF，REVE GUI：main menupreprocossorcreateElementon free surf 步驟四：定義柔性體的接觸面為了定義柔性體的接觸面，必須使用接觸單元CONFA171或CONFA172（對(duì)2D）或CONTA173或CONTA174（對(duì)3D）來定義表面程序通過組成變形體表面的

19、接觸單元來定義接觸表面，接觸單元與下面覆蓋的變形體單元有同樣的幾何特性，接觸單元與下面覆蓋的變形體單元必須處于同一階次（低階或高階）下面的變形體單元可能是實(shí)體單元、殼單元、梁單元或超單元，接觸面可能殼或梁單元任何一邊。與目標(biāo)面單元一樣，你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)（實(shí)常數(shù)號(hào)必須與它對(duì)應(yīng)目標(biāo)的實(shí)常數(shù)號(hào)相同）最后生成接觸單元。單元類型：下面簡單描述四種類型的接觸單元CONTA171：這是一種2D，2個(gè)結(jié)點(diǎn)的低附線單元，可能位于2D實(shí)體，殼或梁單元的表面。CONTA172：這是一個(gè)2D的，3結(jié)點(diǎn)的高階拋物線形單元，可能位于有中結(jié)點(diǎn)的2D實(shí)體或梁單元的表面。CONTA173：這是

20、一個(gè)3D的，4結(jié)點(diǎn)的低階四邊形單元可能位于3D實(shí)體或殼單元的表面，它可能褪化成一個(gè)結(jié)點(diǎn)的三角形單元。CONTA174：這是一個(gè)3D，8結(jié)點(diǎn)的高階四邊形單元，可能位于有中結(jié)點(diǎn)的3D實(shí)體或殼單元的表面，它可能褪化成6結(jié)點(diǎn)的三角形單元。不能在高階柔性體單元的表面上分成低階接觸單元，反之也不行，不能在高階接觸單元上消去中結(jié)點(diǎn)。命令：ETGUI：main menupreprocessorElement typeAdd/Edit/Delete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)的設(shè)置，每個(gè)接觸對(duì)的接觸面和目標(biāo)面必須有相同的實(shí)常數(shù)號(hào)，而每個(gè)接觸對(duì)必須有它自己不同的實(shí)常數(shù)號(hào)。ANSYS使

21、用下面柔性體單元的材料特性來計(jì)算一個(gè)合適的接觸（或罰）剛度，如果下面的單元是一個(gè)超單元。接觸單元的材料的設(shè)置必須與超單元形成時(shí)的原始結(jié)構(gòu)單元相同，生成接觸單元。我們既可以通過直接生成法生成接觸單元，也可以在柔性體單元的外表面上自動(dòng)生成接觸單元，我們推薦采用自動(dòng)生成法，這種方法更為簡單和可靠。自動(dòng)生成接觸單元可以通過下面三個(gè)步驟來自動(dòng)生成接觸單元1、選擇結(jié)點(diǎn)選擇已劃分網(wǎng)格的柔性體表面的結(jié)果，如果你確定某一部分結(jié)點(diǎn)永遠(yuǎn)不會(huì)接觸到目標(biāo)面，你可以忽略它以便減少計(jì)算時(shí)間，然而，你必須保證設(shè)有漏掉可能會(huì)接觸到目標(biāo)面的結(jié)點(diǎn)。命令：NSELGUI：main menupreprocessorcreateElem

22、entonfree surf 2、生成接觸單元命令：ESURFGUI：main menupreprocessorcreateElementon free 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，如果下面的單元是梁或殼單元，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 OR BOTIOM GUI：main menupreprocessorcreateElementon free surf 使用上表面生成接觸單元，則它們的外法向與梁或殼單元的法向相同，使用下表面生成接觸單元，則它們的外法向與梁或殼單元的法向相反，如果

23、下面的單元是實(shí)體單元，則TOP或BOTTOM選項(xiàng)不起作用3、檢查接觸單元外法線的方向，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是重要的，對(duì)3D單元，按結(jié)點(diǎn)程序號(hào)以右手定則來決定單元的外法向，接面的外法向應(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)為有面的過度滲透而很難找到初始解。在此情況下，程序一般會(huì)立即停止執(zhí)行，你可以檢查單元外法線方向是否正確。命令：/PSYMB GUI：Utility menuplotctrlssymbols 當(dāng)發(fā)現(xiàn)單元的外法線方向不正確時(shí)，必須通過倒不正確單元的結(jié)點(diǎn)號(hào)來改變它們。命令：ESURF，REVE GUI：main menupreprocossor

24、CreateElements on free surf 前提：有限元模型。已識(shí)別接觸面及目標(biāo)面。（*可應(yīng)用自由度耦合來替代接觸。）定義接觸單元及實(shí)常數(shù)（剛性）目標(biāo)單元 TARGE169 TARGE170 ；（柔性）接觸單元 CONTA171CONTA172。*Commands*ET,K,169 !K指定的單元編號(hào)ET,K+1,172* *實(shí)常數(shù) 一個(gè)接觸對(duì)對(duì)應(yīng)同一個(gè)實(shí)常數(shù)號(hào)。TARGE單元的實(shí)常數(shù)包括：R1、R2 定義目標(biāo)單元幾何形狀CONTA單元的實(shí)常數(shù)包括：No.NameDescription1R1Target circle radius（剛性環(huán)半徑）2R2Super element th

25、ickness（單元厚度）3FKNNormal penalty stiffness factor（法向接觸剛度因子）4FTOLNPenetration tolerance factor（最大允許的穿透）5ICONTInitial contact closure（初始閉合因子）6PINBPinball region（“Pinball”區(qū)域）7PMAXUpper limit of initial allowable penetration（初始穿透的最大值）8PMINLower limit of initial allowable penetration（初始穿透的最小值）9TAUMAXMaxim

26、um friction stress（最大的接觸摩擦）10CNOFContact surface offset（施加于接觸面的正或負(fù)的偏移值）11FKOPContact opening stiffness or contact damping12FKTangent penalty stiffness factor（切向接觸剛度）13COHEContact cohesion（滑動(dòng)抗力粘聚力）14TCCThermal contact conductance（熱接觸傳導(dǎo)系數(shù)）15FHTGFrictional heating factor（摩擦耗散能量的熱轉(zhuǎn)換率）16FACTStatic/dynamic ratio（靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)的比率）17DCExponential decay coefficient（摩擦衰減系數(shù)）18FHEGJoule dissipation weight factor19ECCElectric contact conductance20FWGTHeat distribution weighing factor21SBCTStefan-Boltzmann constant22RDVFRadiation view factor23SLTOAllowable elastic slip24TNOPMaximum allowable tensile con