有限元分析及工程應(yīng)用-2016第六章

1、有限元基本理論及應(yīng)用有限元基本理論及應(yīng)用 第六章第六章 接觸問題的有限元分析接觸問題的有限元分析 接觸問題存在兩個(gè)較大的難點(diǎn)： 1）在求解問題之前，接觸區(qū)域不確定，表面之間是否接 觸或分開是未知的、瞬時(shí)變化的，它由載荷、材料、邊界 條件和其它因素而定； 2）大多的接觸問題需要計(jì)算摩擦，有多種摩擦及其模型 可供挑選，但它們都是非線性的，摩擦使問題的收斂性變 得困難。 接觸問題基本類型：剛體柔體接觸，柔體柔體接觸。 在剛體柔體的接觸中，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)，問題可以被假定 為剛體柔體的接觸，許多金屬成形問

2、題歸為此類接觸； 而柔體柔體的接觸，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)。 6.1 接觸邊界的有限元算法 （1）直接迭代法 在用有限元位移法求解接觸問題時(shí)，首先假設(shè)初始 接觸狀態(tài)形成系統(tǒng)剛度矩陣，求得位移和接觸力后，根 據(jù)接觸條件不斷修改接觸狀態(tài)，重新形成剛度矩陣求解， 反復(fù)迭代直至收斂。 每次迭代都要重新形成剛度矩陣，求解控制方程， 而實(shí)際上接觸問題的非線性主要反映在接觸邊界上，因 此，通常采用靜力凝聚技術(shù)，使得每次迭代只是對接觸 點(diǎn)進(jìn)行， 大大提高了求解效率。 虛力法：用沿邊界的虛擬等效壓力來模擬接觸狀態(tài)， 這樣在每次迭代中并不重新形成剛度矩陣，所做的只

3、是 回代工作。 有限元混合法：以結(jié)點(diǎn)位移和接觸力為未知量，并 采用有限元形函數(shù)插值，將接觸區(qū)域的位移約束條件和 接觸力約束條件均反映到剛度矩陣中去，構(gòu)成有限元混 合法控制方程 6.1 接觸邊界的有限元算法 （1）直接迭代法 00 KJUF LC 對彈塑性接觸問題，在求解過程中接觸非線性和材料非 線性都需要迭代求解。 通常是利用系統(tǒng)剛度矩陣的變化來反映材料非線性的影 響，在每次塑性修正迭代過程中都要結(jié)合對接觸狀態(tài)的判 斷進(jìn)行接觸迭代計(jì)算，并且，荷載增量更是受到不允許在 一個(gè)增量步中出現(xiàn)兩種非線性的限制。 6.1 接觸邊界的有限元算法 （2）接觸約束算法 TT1 min 2 . .0s tg UU

4、KUUF U 接觸約束算法就是通過對接觸邊界約束條件的適當(dāng) 處理，將約束優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為無約束優(yōu)化問題求解。 根據(jù)無約束優(yōu)化方法的不同，可分為罰函數(shù)方法和 Lagrange 乘子法。 1）罰函數(shù)方法 將接觸非線性問題轉(zhuǎn)化為材料非線性問題。分為障 礙函數(shù)法和懲罰函數(shù)法 6.1 接觸邊界的有限元算法 （2）接觸約束算法 1）罰函數(shù)方法 障礙函數(shù)法假設(shè)接觸面之間充滿某虛擬物質(zhì)，在未接觸 時(shí)其剛度趨于零，不影響物體的自由運(yùn)動(dòng)，在接觸時(shí)其剛度 變得足夠大，能阻止接觸物體之間的相互嵌入。 常用的間隙元等方法均屬于此類，該方法處理簡單，編 程方便，只是在傳統(tǒng)有限元分析中增加一種單元模式而已； 懲罰函數(shù)法對接觸

5、約束條件的處理是通過在勢能泛函中 增加一個(gè)懲罰勢能。 T1 2 pP UPEP 懲罰因子 嵌入深度，是節(jié)點(diǎn)位移的函數(shù) 接觸問題就等價(jià)于無約束優(yōu)化問題: min p UUU pp KKUFF 6.1 接觸邊界的有限元算法 （2）接觸約束算法 1）罰函數(shù)方法 pp KKUFF T T 0 p p p p PP KE UU P KEP U 其中由于人為假設(shè)了很大 的罰因子，可能引起 方程的病態(tài)。 2） Lagrange 乘子法與增廣Lagrange 乘子法 T1 2 c gUU TT1 min 2 . .0s tg UUKUUF U 約束最小化問題轉(zhuǎn)化 為無約束最小化問題 6.1 接觸邊界的有限元算

6、法 （2）接觸約束算法 2） Lagrange 乘子法與增廣Lagrange 乘子法 TTT1 min, 2 g U UKUUFU 00 g ggg U UUUUGU U 代入 T 0 0 g FU KG U G Lagrange 乘子法中 接觸約束條件可以精 確滿足 增廣Lagrange 乘子法：最直接的一種方法是構(gòu)造修正 的勢能泛函： pc UUUU 6.1 接觸邊界的有限元算法 （2）接觸約束算法 2） Lagrange 乘子法與增廣Lagrange 乘子法 pc UUUU 相應(yīng)的控制方程為： T 0 0 p p g FFU KKG U G 考慮Lagrange 乘子的物理意義，可將其用

7、接觸對的接 觸應(yīng)力代替，通過迭代計(jì)算得到問題的正確解。 在迭代過程中，接觸應(yīng)力作為已知量出現(xiàn)，這樣既吸 收了罰函數(shù)方法和Lagrange 乘子法的優(yōu)點(diǎn)，又不增加系統(tǒng) 的求解規(guī)模，而且收斂速度也比較快。 另一種增廣Lagrange 乘子法主要是為了彌補(bǔ) Lagrange 乘子法中控制矩陣存在零主元的弱點(diǎn)： 1 T1 2 p UE 6.1 接觸邊界的有限元算法 （2）接觸約束算法 2） Lagrange 乘子法與增廣Lagrange 乘子法 1 T1 2 p UE TTTT11 min, 22 p g U UKUUFUE TTT1 min, 2 g U UKUUFU 解收斂于 解 系統(tǒng)的控制方程寫

8、為： TT 0 pp gKGEGUFGEU 1 T1 2 p UE 6.1 接觸邊界的有限元算法 （2）接觸約束算法 3） 數(shù)學(xué)規(guī)劃法 基于勢能或余能原理，并利用變分不等式等現(xiàn)代數(shù)學(xué)方 法而導(dǎo)出，最初該方法是針對無摩擦接觸問題提出，它利用 了無摩擦接觸問題的非穿透條件和互補(bǔ)條件： 0 0 0 nn n n up p u 經(jīng)有限元離散后，無摩擦接觸問題被歸結(jié)為二次規(guī)劃 ( 線性互補(bǔ)) 問題求解。把摩擦條件可以寫成如下帶導(dǎo)數(shù)的 互補(bǔ)形式： 0 0 0 T T p w 6.1 接觸邊界的有限元算法 （2）接觸約束算法 3） 數(shù)學(xué)規(guī)劃法 對摩擦條件的另一種處理方法是引進(jìn)懲罰因子，然后仿 照塑性力學(xué)將摩

9、擦接觸條件表示成有懲罰因子的互補(bǔ)形式: 0 0 0 0 v v v p g TuEp T TT 有了上述摩擦接觸條件的互補(bǔ)關(guān)系，就可以利用參 變量變分原理或虛功原理建立摩擦接觸問題的有限元二 次規(guī)劃(線性互補(bǔ))模型。 對這類線性互補(bǔ)問題常采用Lemke 算法求解。 6.1 接觸邊界的有限元算法 （2）接觸約束算法 3） 數(shù)學(xué)規(guī)劃法 對三維摩擦接觸問題，為了能利用線性互補(bǔ)方法求解，通 常以多面體棱錐近似代替Coulomb 圓錐，從而實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)函數(shù)的 線性化，但該方法大大增加了問題的求解規(guī)模。 為了盡量減少線性化所增加的求解規(guī)模，有的學(xué)者又提出 了參數(shù)二次規(guī)劃迭代算法、序列線性互補(bǔ)方法等。 三維摩擦

10、接觸問題本質(zhì)上屬于非線性互補(bǔ)問題，由此出發(fā) 可以建立非線性互補(bǔ)接觸力法模型和非線性互補(bǔ)接觸位移法模 型。 數(shù)學(xué)規(guī)劃方法在彈塑性接觸問題的應(yīng)用上通常用迭代法反 映材料非線性特征，在每次迭代中用數(shù)學(xué)規(guī)劃方法求解接觸問 題。 鐘萬勰等利用參變量變分原理將接觸問題和彈塑性問題表 示成具有相同形式的有限元參數(shù)二次規(guī)劃問題, 很方便地實(shí)現(xiàn) 了彈塑性接觸問題的數(shù)學(xué)規(guī)劃解法。 6.2 ANSYS軟件中接觸算法軟件中接觸算法 （1）顯式接觸邊界算法 ANSYS/LS-DYNA程序中處理不同結(jié)構(gòu)界面的接觸碰撞 和相對滑動(dòng)是程序中非常重要和獨(dú)特的功能，有二十多種不 同的接觸類型可供選擇。 主要是變形體與變形體的接觸

11、、離散點(diǎn)與變形體的接觸、 變形體本身不同部分的單面接觸、變形體與剛性體的接觸、 變形結(jié)構(gòu)固連以及根據(jù)失效準(zhǔn)則接觸固連，模擬鋼筋在混凝 土中固連和失效滑動(dòng)的一維滑動(dòng)線等。 ANSYS/LS-DYNA程序處理接觸碰撞面主要采用3種不 同的算法，即節(jié)點(diǎn)約束法（僅用于固連界面）、對稱罰函 數(shù)法（最常用的算法）和分配參數(shù)法（僅用于滑動(dòng)界面）。 不同結(jié)構(gòu)可能相互接觸的兩個(gè)面分別稱為主表面(其中 的單元表面稱為主片、節(jié)點(diǎn)稱為主節(jié)點(diǎn))和從表面(其中的單 元表面稱為從片、節(jié)點(diǎn)稱為從節(jié)點(diǎn))。 6.2 ANSYS軟件中接觸算法軟件中接觸算法 （1）顯式接觸邊界算法 節(jié)點(diǎn)約束法是最早選用的接觸算法。 原理：在每一時(shí)間

12、步長修正構(gòu)型之前，檢查每一個(gè)沒有與 主表面接觸的從節(jié)點(diǎn)，是否在當(dāng)前時(shí)間步長內(nèi)貫穿主表面。 如果從節(jié)點(diǎn)貫穿主表面，則將時(shí)間步長縮小，使那些貫穿 從節(jié)點(diǎn)都不貫穿主表面，而其中有的剛到達(dá)主表面。 在下一個(gè)時(shí)間步長開始時(shí)，對剛到達(dá)主表面的從節(jié)點(diǎn)施加 碰撞條件。 對所有已經(jīng)與主表面接觸的從節(jié)點(diǎn)都施加約束條件，以保 持從節(jié)點(diǎn)與主表面接觸。 此外，檢查與主表面接觸的從節(jié)點(diǎn)所屬單元是否存在受拉 交界面力。 如有受拉面力，則用釋放條件使從節(jié)點(diǎn)脫離主表面。由于 此算法比較復(fù)雜，后來只用于固連界面。 6.2 ANSYS軟件中接觸算法軟件中接觸算法 （1）顯式接觸邊界算法 分配參數(shù)法在LS-DYNA程序中僅用于滑動(dòng)處

13、理 原理是：將每一個(gè)正在接觸的從單元一半質(zhì)量分配到被 接觸的主表面面積上，同時(shí)由每一個(gè)從單元的內(nèi)應(yīng)力確定所 用在接受質(zhì)量的主表面面積上的分布壓力。 在完成質(zhì)量和壓力分配后，程序修正主表面的加速度。 然后對從節(jié)點(diǎn)的加速度和速度施加約束，以保證從節(jié)點(diǎn)沿主 表面運(yùn)動(dòng)。程序不允許從節(jié)點(diǎn)穿透主表面，從而避免反彈。 對稱罰函數(shù)法是一種新的算法，1982年8月開始用于 DYNA2D程序。 原理：每一時(shí)步先檢查各從節(jié)點(diǎn)是否穿透主表面，沒 有穿透則對該從節(jié)點(diǎn)不做任何處理。 如果穿透，則在該從節(jié)點(diǎn)與被穿透主表面之間引入一 個(gè)較大的界面接觸力，其大小與穿透深度、主片剛度成正 比，稱為罰函數(shù)值。 6.2 ANSYS軟

14、件中接觸算法軟件中接觸算法 （1）顯式接觸邊界算法 物理意義：相當(dāng)于在從節(jié)點(diǎn)和被穿透主表面之間放置一 個(gè)彈簧，以限制從節(jié)點(diǎn)對主表面的穿透。 對稱罰函數(shù)法是同時(shí)再對各主節(jié)點(diǎn)處理一遍，其算法與 從節(jié)點(diǎn)一樣。 對稱罰函數(shù)法編程簡單，很少激起網(wǎng)格沙漏效應(yīng)，沒有 噪音，這是由于算法具有對稱性，動(dòng)力守恒準(zhǔn)確，不需要碰 撞和釋放條件。 罰函數(shù)值大小受到穩(wěn)定性限制，若計(jì)算中發(fā)生明顯穿透， 可以放大罰函數(shù)值或縮小時(shí)間步長來調(diào)節(jié)。 對稱罰函數(shù)法：它在每一時(shí)步分別對從節(jié)點(diǎn)和主節(jié)點(diǎn)循 環(huán)處理一遍，算法相同。 6.2 ANSYS軟件中接觸算法軟件中接觸算法 （1）顯式接觸邊界算法 0 1 iii CCSC 0 1 ii

15、 CSSC mmggS)( 1 1 ii ii CC CC m 6.2 ANSYS軟件中接觸算法軟件中接觸算法 （1）顯式接觸邊界算法 , 2 , 1 i C Cg i i 332211 ),(),(),(ifififr 4 1 ),(),( j j iji xf iij 11 4 1 ),( 6.2 ANSYS軟件中接觸算法軟件中接觸算法 （1）顯式接觸邊界算法 0, 0, cccc cccc rt r rt r 0, cci rtnl cccc cccc i n , , 0l 不用作任何處理 6.2 ANSYS軟件中接觸算法軟件中接觸算法 （1）顯式接觸邊界算法 iis nlkf 主片的剛

16、度因子: i ii i V Afk k 2 6.2 ANSYS軟件中接觸算法軟件中接觸算法 （1）顯式接觸邊界算法 4 , 3 , 2 , 1,jnlkff iiccjsccjjm 1, 4 1 j ccj 6)摩擦力的計(jì)算 sy ff ekff n 界面剛度 6.2 ANSYS軟件中接觸算法軟件中接觸算法 （1）顯式接觸邊界算法 n c n c nn c n c n rre, 1111 y y y n ff ff fff f f 1 VC dsd e teV 時(shí)間步長 衰減系數(shù) 6.2 ANSYS軟件中接觸算法軟件中接觸算法 （1）顯式接觸邊界算法 由庫侖摩擦造成界面的剪應(yīng)力，在某些情況下，

17、超過 材料承受的能力，程序采用某種限制措施，令： i n c n kAff,min 11 7) 節(jié)點(diǎn)力總體坐標(biāo)軸方向分量的獲得。 將接觸力矢量和摩擦力矢量投影到總體坐標(biāo)軸方向并組 集到總體載荷矢量P。 對稱罰函數(shù)法是將上述算法對從節(jié)點(diǎn)和主節(jié)點(diǎn)分別循環(huán) 處理，如果僅對從節(jié)點(diǎn)循環(huán)處理，則稱為“分離和摩擦滑動(dòng) 一次算法”。 用于金屬模具壓力成形問題，此時(shí)，將模具視為剛體， 變形體表面定義為從表面，而剛體表面定義為主表面，它比 對稱算法節(jié)省機(jī)時(shí)。 6.2 ANSYS軟件中接觸算法軟件中接觸算法 （1）顯式接觸邊界算法 ANSYS/LS-DYNA程序?qū)Ρ砻媾c表面間的接觸算法又做了不 少改進(jìn): 主要是為了

18、使薄板模壓成形問題計(jì)算更加精確。例如接觸搜 索，采用剛體近似沖壓模具時(shí)有的單元長寬比很不好，搜索與從 節(jié)點(diǎn)最靠近的主節(jié)點(diǎn)有時(shí)很困難，采用搜索最接近的主片位置來 代替搜索最接近的主節(jié)點(diǎn)。 由于計(jì)算接觸表面位置考慮到殼單元的厚度，因而在薄板模壓 成形時(shí)，殼單元的厚度變化對接觸表面摩擦力影響很大。 在接觸計(jì)算中增加粘性接觸阻尼項(xiàng)，以阻止薄板模壓成形計(jì)算 過程中垂直于接觸表面的振蕩。 （2）隱式接觸邊界算法 兩個(gè)較大的難點(diǎn)： 1）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，在很大程度上是難以預(yù)料的，并且還可能是 突然變化的。 6.2

19、 ANSYS軟件中接觸算法軟件中接觸算法 （2）隱式接觸邊界算法 2）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 型可以挑選，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)。 ANSYS隱式算法中接觸問題： 剛體柔體的接觸，一個(gè)或多個(gè)接觸面能被當(dāng)作剛體（與 它接觸的變形體相比，有較大的剛度）。 一般情況下，當(dāng)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）。 柔體柔體的接觸是一種更常用的類型，在這種情況下， 兩個(gè)接觸體都是變形體(有相似的剛度)，比如螺栓法蘭連接。 ANSYS接觸方式：點(diǎn)點(diǎn)、點(diǎn)面、點(diǎn)點(diǎn)、面面、 線線和線面接觸

20、，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。 6.2 ANSYS軟件中接觸算法軟件中接觸算法 （2）隱式接觸邊界算法 1）面面的接觸單元 ANSYS支持剛?cè)狍w的面面接觸，剛性面(“目標(biāo)”面)， 分別用TARGE169和TARGE170單元來模擬2D和3D的“目標(biāo)” 面，柔性體的表面（ “接觸”面），用CONTA171、 CONTA172、CONTA173、CONTA174等單元來模擬。 一個(gè)目標(biāo)單元和一個(gè)接觸單元可稱作一個(gè)“接觸對”， 并通過一個(gè)共享的實(shí)常數(shù)號來識別“接觸對”。 為了建立一個(gè)“接觸對”，必須要給目標(biāo)單元和接觸單 元指定相同的實(shí)常數(shù)號。 面面接觸非常適合于過

21、盈裝配、插入、鍛造和深拉 伸等問題的接觸分析。 6.2 ANSYS軟件中接觸算法軟件中接觸算法 （2）隱式接觸邊界算法 1）面面的接觸單元 支持低階和高階單元。 為工程需要提供更好的接觸結(jié)果，如法向壓力和摩擦應(yīng)力。 對目標(biāo)面的形狀沒有限制，表面可以是自然不連續(xù)或由于網(wǎng) 格離散引起不連續(xù)。 允許流體壓力滲透載荷的模擬。 面面接觸單元，能模擬直線(面)和曲線(面)，通常用簡 單的幾何形狀模擬曲面，更復(fù)雜的剛體形狀能使用特殊的前 處理技巧來建模。 不適合于點(diǎn)點(diǎn)、點(diǎn)面、邊緣面或3維的線線接觸 。僅支持一般的靜態(tài)和瞬態(tài)分析、屈曲分析、諧分析、模態(tài) 或隨機(jī)分析、子結(jié)構(gòu)分析。 6.2 ANSYS軟件中接觸算

22、法軟件中接觸算法 （2）隱式接觸邊界算法 2）點(diǎn)面的接觸單元 點(diǎn)面接觸單元是CONTA175，它支持大滑動(dòng)、大變形以及接觸 面之間存在的不同網(wǎng)格。當(dāng)單元滲透到指定目標(biāo)面上的某個(gè)目標(biāo)單元 時(shí)接觸就發(fā)生了。（模擬如扣合件的角點(diǎn)沿配合面滑動(dòng)）。 如果接觸面是由一組節(jié)點(diǎn)組成時(shí)，也可以使用CONTA175單元來 模擬面面接觸，表面可也是剛體或變形體（電線插入插槽內(nèi)）。 用戶不需要知道接觸的精確位置，接觸組件之間也不需要匹配的 網(wǎng)格。 盡管可用于模擬小滑動(dòng)，但同時(shí)也允許模擬大變形和更大的相對 滑動(dòng)。 CONTA175單元不支持接觸表面具有3維高階單元。如果目標(biāo)面 出現(xiàn)嚴(yán)重不連續(xù)，這個(gè)也會(huì)出現(xiàn)失效。不能采用

23、等值線來顯示接觸結(jié) 果。 6.2 ANSYS軟件中接觸算法軟件中接觸算法 （2）隱式接觸邊界算法 3）三維線線接觸 線線接觸單元(CONTA176)可用來模擬3維梁梁的接觸 ，或管子在另一根管子內(nèi)滑動(dòng)，某些典型的應(yīng)用也包括機(jī)織物和 網(wǎng)球球拍弦。 CONTA176被附著在3維梁或管單元上，支持接觸表面的低 階或高階單元，目標(biāo)面可用3維線段(直線或拋物線單元)來模擬， 可適用于大滑動(dòng)、大位移等問題。 線面接觸單元(CONTA177)可用來模擬一個(gè)3維梁或殼邊 緣接觸實(shí)體或殼單元。 它支持接觸面的低階或高階單元，目標(biāo)面采用TRAGE170 單元來模擬，這個(gè)單元也適用于大滑動(dòng)、大位移等問題。 4）線面

24、接觸 6.2 ANSYS軟件中接觸算法軟件中接觸算法 （2）隱式接觸邊界算法 5 5）點(diǎn)點(diǎn)接觸單元 點(diǎn)點(diǎn)接觸單元(CONTA178)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，必須要預(yù)先知道接觸 位置，只能適用于接觸面之間有較小相對滑動(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)一一對應(yīng)，相對滑動(dòng)變形又可以忽 略不計(jì)，兩個(gè)面的撓度(轉(zhuǎn)動(dòng))較小，則可用點(diǎn)點(diǎn)接觸單元 來求解面面的接觸問題。 6.3 接觸對生成與參數(shù)設(shè)置接觸對生成與參數(shù)設(shè)置 （1）接觸對的生成 接觸管理器能夠指定、瀏覽和編輯接觸對，它提供了一 種非常方便的方式來管理所有的接觸對；接觸向?qū)芤龑?dǎo)生 成接觸對，它也

25、可從接觸管理器中進(jìn)入。 1）接觸管理器(Contact Manager) 可在開始階段、前處理器、求解器和通用后處理器中使用。 6.3 接觸對生成與參數(shù)設(shè)置接觸對生成與參數(shù)設(shè)置 （1）接觸對的生成 1）接觸管理器(Contact Manager) 接觸向?qū)?Contact Wizard)：允許用戶采用手動(dòng)方式來指定目 標(biāo)和接觸面，可應(yīng)用于2維和3維幾何模型。 接觸特性(Contact Properites)：對于使用的接觸單元，可以通 過實(shí)常數(shù)和關(guān)鍵字(KEYOPT)來指定接觸對的性能。 刪除接觸對(Delete Contact Pairs)：刪除接觸對列表中被選的 接觸對。 接觸對選擇選項(xiàng)(

26、Contact Selection Options)：指定接觸單元、 目標(biāo)單元或兩者的顯示。 顯示單元/結(jié)果(Plot Element/Results)：顯示被選接觸對的單元 ，如果當(dāng)前處于后處理器，則可顯示接觸結(jié)果。 顯示接觸對的法向(Show Normals)：確定在顯示接觸對時(shí)是否 顯示單元的法向。 6.3 接觸對生成與參數(shù)設(shè)置接觸對生成與參數(shù)設(shè)置 （1）接觸對的生成 1）接觸管理器(Contact Manager) 轉(zhuǎn)換法向(Flip Normals)：轉(zhuǎn)換被選接觸對單元的法向，它僅適 用于在接觸對選擇選項(xiàng)中指定的單元。 目標(biāo)和接觸單元轉(zhuǎn)換(Switch Contact and Tar

27、get)：將接觸面和 目標(biāo)面之間相互轉(zhuǎn)換，僅適用于柔性柔性的面面接觸對。 列表單元/結(jié)果(List Elements/Results)：列表出被接觸對的單元 ，如果處于通用后處理器中，則可列表出接觸結(jié)果。 模型背景(Model Context)：采用半透明方式在整體模型上顯示 接觸對，或僅顯示接觸對。 接觸對狀態(tài)(Check Contact Status)：提供被選接觸對的相關(guān)信 息。 接觸對結(jié)果(Contact Results)：顯示接觸結(jié)果項(xiàng)。 6.3 接觸對生成與參數(shù)設(shè)置接觸對生成與參數(shù)設(shè)置 （1）接觸對的生成 2） 接觸向?qū)?Contact Wizard) 引導(dǎo)用戶采用手工方式創(chuàng)建接觸

28、對 ，可用于剛體柔性和柔性柔性接 觸，也可用于面面接觸和點(diǎn)面接 觸的配置，不支持剛性目標(biāo)初始化。 如果模型沒有劃分網(wǎng)格，則接觸向?qū)Р豢捎谩?如果希望創(chuàng)建一個(gè)剛體柔性模型，在啟動(dòng)向?qū)е?，僅 需要對作為柔性表面的模型劃分網(wǎng)格； 如果想創(chuàng)建一個(gè)柔性柔性模型，則在啟動(dòng)向?qū)е?，則 必須要對作為接觸表面的模型全部劃分網(wǎng)格。 可使用線、面積、體、被選的一組節(jié)點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)組件來生成 目標(biāo)和接觸面，它也允許同時(shí)選擇多個(gè)面來指定為目標(biāo)和接 觸面。 在指定好目標(biāo)和接觸面后，在創(chuàng)建接觸對之前也可以指 定接觸對的屬性，然后單擊Create則創(chuàng)建了一個(gè)接觸對。 6.3 接觸對生成與參數(shù)設(shè)置接觸對生成與參數(shù)設(shè)置 （2）接觸

29、分析的參數(shù)設(shè)置 1）面面接觸分析接觸算法的選擇 面面接觸單元，其接觸算法有： 罰函數(shù)方法(KEYOPT(2)=1) 增進(jìn)的Lagrange法(KEYOPT(2)=0) 在接觸法向?yàn)長agrange法，接觸切向?yàn)榱P函數(shù)法(KEYOPT(2)=3) 在接觸法向和切向均為Lagrange法(KEYOPT(2)=4) 內(nèi)部多點(diǎn)約束法(MPC)( KEYOPT(2)=2) 罰函數(shù):使用一個(gè)接觸“彈簧”來建立兩個(gè)接觸面之間的 聯(lián)系，彈簧剛度就稱為接觸剛度 使用的實(shí)常數(shù)有：FKN和FKT，如果KEYOPT(10)=2的 話，則還需要有FTOLN和SLTO。 增進(jìn)的Lagrange法:對罰函數(shù)進(jìn)行一系列修正迭

30、代，在平 衡迭代中接觸力被放大，從而使最后的滲透要比許可公差 (FTOLN)要小得多。 6.3 接觸對生成與參數(shù)設(shè)置接觸對生成與參數(shù)設(shè)置 （2）接觸分析的參數(shù)設(shè)置 1）面面接觸分析接觸算法的選擇 與罰函數(shù)法相比，Lagrange法容易得到良態(tài)條件，對接觸剛 度的敏感性較小。 在有些分析中，增進(jìn)的Lagrange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Lagrange法的同時(shí)應(yīng) 使用實(shí)常數(shù)FTOLN（Lagrange法指定容許的最大穿透量）。 當(dāng)接觸關(guān)閉時(shí)，Lagrange法將施加零的滲透，當(dāng)出現(xiàn)粘 性接觸時(shí)，它施加一個(gè)“零的滑移”。 不需要接觸剛度FKN和FKT，相反它需要

31、顫動(dòng)控制參數(shù) ：FTOLN和TNOP。 將接觸力作為一個(gè)附加的自由度添加到模型上，從而需 要附加迭代來建立平衡條件，與增進(jìn)的Lagrange法相比，它的 計(jì)算時(shí)間要長一些。同時(shí)要關(guān)閉稀疏解器。 6.3 接觸對生成與參數(shù)設(shè)置接觸對生成與參數(shù)設(shè)置 （2）接觸分析的參數(shù)設(shè)置 1）面面接觸分析接觸算法的選擇 在接觸法向使用Lagrange法而在其摩擦面采用罰函數(shù)， 該法對于粘性接觸條件將施加一個(gè)零的滲透，并允許小量的滑 動(dòng)，除了最大許可彈性滑動(dòng)參數(shù)SLTO外，還需要顫動(dòng)控制參 數(shù)：FTOLN和TNOP。 內(nèi)部多點(diǎn)約束算法與綁定接觸(KEYOPT(12)=5或6)和不 分離接觸(KEYOPT(12)=4

32、)一起使用，可用來模擬接觸裝配和 運(yùn)動(dòng)學(xué)約束等。 1）面面接觸分析決定接觸剛度 對于增進(jìn)的Lagrange法和罰函數(shù)法需要定義法向和切向 接觸剛度。 在接觸與目標(biāo)面之間的滲透大小取決于法向剛度，而粘 性接觸中的滑動(dòng)量的大小取決于切向剛度。 6.3 接觸對生成與參數(shù)設(shè)置接觸對生成與參數(shù)設(shè)置 （2）接觸分析的參數(shù)設(shè)置 1）面面接觸分析決定接觸剛度 大的剛度值會(huì)減少滲透/滑動(dòng)量，但會(huì)導(dǎo)致一個(gè)病態(tài)條件的整 體剛度矩陣并引起收斂困難； 小的剛度值會(huì)導(dǎo)致大的滲透/滑動(dòng)量并產(chǎn)生一個(gè)不精確的解。 理想狀態(tài)是定義一個(gè)足夠大的剛度以使?jié)B透/滑動(dòng)量達(dá)到可接 受的小量，而一個(gè)足夠小量的剛度會(huì)使問題在收斂方面具有良好

33、的狀態(tài)。 ANSYS軟件為接觸剛度(FKN，F(xiàn)KT)、許可滲透(FTOLN)和 許可滑移(SLTO)提供了一個(gè)缺省值，在大多數(shù)情況下，不需要定 義接觸剛度，同時(shí)建議使用“KEYOPT(10)=2”允許系統(tǒng)自動(dòng)更 新接觸剛度。 對于某些接觸問題，可選擇使用實(shí)常數(shù)FKN(缺省值為1.0) 來定義法向接觸剛度系數(shù)，該系數(shù)介于0.011.0之間，其缺省 值對于許多變形來說是合適的，如果指定了彎曲變形，則建議 使用一個(gè)較小的值。 6.3 接觸對生成與參數(shù)設(shè)置接觸對生成與參數(shù)設(shè)置 （2）接觸分析的參數(shù)設(shè)置 1）面面接觸分析決定接觸剛度 缺省的法向接觸剛度會(huì)受到模型中的材料屬性、單元大 小和總自由度數(shù)的影響

34、，在求解過程許多因素也許會(huì)施加到 實(shí)際的法向接觸剛度。 實(shí)常數(shù)FTOLN(缺省值為0.1)與增進(jìn)的Lagrange法一起使 用，它是一個(gè)公差因子將被施加在表面的法向，它的范圍要 小于1.0(通常小于0.2)，取決于其下實(shí)體單元、殼單元或梁單 元的厚度。該因子用來確定滲透兼容性是否滿足，如果滲透 是在一個(gè)許可的公差范圍(FTOLN乘以其下單元的厚度)內(nèi)， 則接觸的協(xié)調(diào)性是滿足的。 如果ANSYS系統(tǒng)檢測到任意滲透量大于這個(gè)許可范圍， 即使殘余力和位移增量已達(dá)到收斂，則整體求解還是考慮為 不收斂。通過對FTOLN指定一個(gè)負(fù)值來定義一個(gè)絕對許可滲 透量。同時(shí)FTOLN也可與Lagrange法一起使用

35、，但此時(shí)它將 是一個(gè)顫動(dòng)控制參數(shù)。 6.3 接觸對生成與參數(shù)設(shè)置接觸對生成與參數(shù)設(shè)置 （2）接觸分析的參數(shù)設(shè)置 1）面面接觸分析決定接觸剛度 系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)缺省的切向接觸剛度，它與MU(摩擦 系數(shù))和法向剛度FKN成比例。 缺省的切向剛度是：FKT=1.0，正值為FKT提供一個(gè)比例 因子，負(fù)值則指定絕對切向剛度值。 對于KEYOPT(10)=2或KEYOPT(2)=3的狀態(tài)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù) 當(dāng)前法向接觸壓力、最大許可彈性滑移(SLTO)自動(dòng)更新切向接 觸剛度(KT=FKT*MU*PRES /SLTO)。 當(dāng)FKT在每次迭代自由更新時(shí)，SLTO則控制最大滑移距 離。一個(gè)大的值會(huì)提高收斂但會(huì)影響精

36、度。 試運(yùn)行的步驟： 開始時(shí)取一個(gè)較低的接觸剛度值，一般來說，低估其值 比高估該值要好一些，因?yàn)檩^低的接觸剛度所導(dǎo)致的滲透問題 要比過高的接觸剛度導(dǎo)致的收斂性困難要容易解決； 6.3 接觸對生成與參數(shù)設(shè)置接觸對生成與參數(shù)設(shè)置 （2）接觸分析的參數(shù)設(shè)置 1）面面接觸分析決定接觸剛度 用最終載荷的一部分來運(yùn)行分析(剛好使接觸完全建立)。 檢查每個(gè)子步中的滲透和平衡迭代的次數(shù)。 如果整體不收斂是由于滲透量過大引起，而不是由殘余力 和位移增量引起，這時(shí)FKN的值太大或者FTOL的值過??； 如果整體收斂需要許多平衡迭代步才能滿足殘余力和位移的 收斂，則表明FKN和FTOL的值高估了。 根據(jù)需要調(diào)整FKN

37、、FKT、FTOLN或SLOT的值，開始 一個(gè)完整的分析過程，如果在整體平衡迭代中，用戶能夠支配滲 透量，這時(shí)可以增大FTOLN的值來獲得更大的許可滲透量，或 者增大FKN的值。 1）面面接觸分析選擇摩擦模型 粘和狀態(tài)(stick）：在基本的庫侖摩擦模型中，兩個(gè)接觸面 在開始相互滑動(dòng)之前，在界面上會(huì)有某一大小的剪應(yīng)力產(chǎn)生。 6.3 接觸對生成與參數(shù)設(shè)置接觸對生成與參數(shù)設(shè)置 （2）接觸分析的參數(shù)設(shè)置 1）面面接觸分析選擇摩擦模型 COHEp 粘聚力 滑動(dòng)狀態(tài)(sliding): 一旦剪應(yīng)力超過此值后，兩個(gè)表面將 開始相互滑動(dòng)。 粘和/滑動(dòng)計(jì)算決定什么時(shí)候一個(gè)點(diǎn)從粘和狀態(tài)到滑動(dòng)狀 態(tài)，或從滑動(dòng)狀態(tài)

38、到粘和狀態(tài)。 對于另一種系統(tǒng)支持的摩擦模型，可以使用USERFRIC子 程序來定義用戶需要的摩擦模型。 對于無摩擦、粗糙和綁定接觸，接觸單元的剛度矩陣是對 稱的。 大多數(shù)摩擦接觸問題采用對稱求解器來求解，但如果摩擦應(yīng) 力對整體位移有很大的影響時(shí)會(huì)導(dǎo)致低的收斂率，可通過 “NROPT，UNSYM”來設(shè)置非對稱求解器以改善收斂精度。 6.3 接觸對生成與參數(shù)設(shè)置接觸對生成與參數(shù)設(shè)置 （2）接觸分析的參數(shù)設(shè)置 1）面面接觸分析選擇摩擦模型 實(shí)常數(shù)TAUMAX是具有應(yīng)力單位的最大接觸摩擦。當(dāng)摩 擦應(yīng)力達(dá)到這個(gè)值時(shí)，不管法向接觸壓力值的大小，滑動(dòng)都將 會(huì)發(fā)生。 另一個(gè)使用實(shí)常數(shù)是凝聚力： COHE(缺省

39、值為0)，具有應(yīng)力單位， 即使具有法向壓力為零，它也提供 一個(gè)滑動(dòng)阻力 摩擦系數(shù)依賴于接觸面的相對滑動(dòng)速度，通常靜摩擦系數(shù) 要高于動(dòng)摩擦系數(shù)。ANSYS中提供了如下的指數(shù)衰減摩擦模 型： 6.3 接觸對生成與參數(shù)設(shè)置接觸對生成與參數(shù)設(shè)置 （2）接觸分析的參數(shù)設(shè)置 1）面面接觸分析選擇摩擦模型 )exp() 1(1 ( rel VDCFACTMU MUFACT MU V DC rel ) 1( ln 1 1 如果不指定衰減系數(shù)，且FACT1.0，當(dāng)接觸進(jìn)入滑動(dòng) 摩擦狀態(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)， 模型會(huì)導(dǎo)致收斂困難。 6.3 接觸對生成與參數(shù)設(shè)置接觸對生成與參數(shù)設(shè)置 （2）接觸

40、分析的參數(shù)設(shè)置 1）面面接觸分析接觸檢查位置的選擇 接觸檢查點(diǎn)位于接觸單元的積分點(diǎn)上。 在積分點(diǎn)上，接觸單元不能穿透進(jìn)入目標(biāo) 面，目標(biāo)面能穿透進(jìn)入接觸面。 ANSYS面面接觸單元計(jì)算使用高斯積分點(diǎn)(缺省值)，比節(jié)點(diǎn) 檢測方法一般來說會(huì)提供更精確的結(jié)果，節(jié)點(diǎn)檢測法是采用節(jié)點(diǎn)本 身作為積分點(diǎn)。 接觸單元CONTA175、CONTA176和CONTA177總是采用節(jié)點(diǎn)檢 測法。 節(jié)點(diǎn)檢測法需要一個(gè)光滑的接觸表面 (KEYOPT(4)=1)或一個(gè)光滑的目標(biāo)面 (KEYOPT(4) =2)，這是相當(dāng)耗費(fèi)時(shí)間的，僅用 于處理角點(diǎn)、點(diǎn)面或邊緣表面的接觸問題。 6.3 接觸對生成與參數(shù)設(shè)置接觸對生成與參數(shù)設(shè)置

41、 （2）接觸分析的參數(shù)設(shè)置 1）面面接觸分析接觸檢查位置的選擇 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，如“節(jié)點(diǎn)滑脫”(節(jié)點(diǎn)滑 出目標(biāo)面的邊界)。 為了防止滑脫，當(dāng)實(shí)常數(shù)TOLS的缺省值不能避免這個(gè)問 題時(shí)，應(yīng)設(shè)置TOLS來延長目標(biāo)面，對于大多數(shù)的點(diǎn)面接觸 問題，建議使用CONTA175。 當(dāng)接觸節(jié)點(diǎn)有可能位于目標(biāo)的邊緣時(shí)，則TOLS是非常有 用的。TOLS的單位是百分?jǐn)?shù)，即：1.0表示增加接觸邊緣長度 的1.0%。 一個(gè)非常小的值也許就可以防止滑脫的發(fā)生，對于小變形 問題其缺省值為10，對于大變形問題(“NLGEOM, on”)2.0。 6.3 接觸對生成與參數(shù)設(shè)置接觸對生成與參數(shù)

42、設(shè)置 （2）接觸分析的參數(shù)設(shè)置 1）面面接觸分析調(diào)整初始接觸條件 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)。在靜態(tài)分 析中，出現(xiàn)“Zero or negative”的警告信息或不實(shí)際的、非常大 的位移將表明為沒有約束的運(yùn)動(dòng)。 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)體模型是在初始接觸狀態(tài)，在網(wǎng)格劃分后基于數(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)生小的縫隙。 接觸單元的積分點(diǎn)和目標(biāo)單元之間可能有小的縫隙。 接觸和目標(biāo)面之間會(huì)出現(xiàn)過多的初始滲透。在此情況下，接 觸單元也許高估了接觸力，從而導(dǎo)致不收斂或偏離了接觸。

43、目的：消除由于生成網(wǎng)格造成的數(shù)值舍入誤差而引起的小 縫隙或滲透 6.3 接觸對生成與參數(shù)設(shè)置接觸對生成與參數(shù)設(shè)置 （2）接觸分析的參數(shù)設(shè)置 1）面面接觸分析調(diào)整初始接觸條件 實(shí)常數(shù)CNOF：指定接觸表面偏移量。指定正值將使整體 接觸面接近目標(biāo)面，負(fù)值將使接觸面偏離目標(biāo)面。 如果同時(shí)輸入CNOF和PINB時(shí)，要確定PINB的值要大于 CNOF的值，否則CNOF將會(huì)被忽略； 如果輸入了CNOF，而PINB采用缺省值，則PINB將會(huì)被調(diào) 節(jié)到大于CONF的值。 通過設(shè)置KEYOPT(5)的值，ANSYS系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)整CNOF 的值。 KEYOPT(5)=1：關(guān)閉間隙。 KEYOPT(5)=2：減少初

44、始滲透。 KEYOPT(5)=3：既關(guān)閉間隙又減少初始滲透。 6.3 接觸對生成與參數(shù)設(shè)置接觸對生成與參數(shù)設(shè)置 （2）接觸分析的參數(shù)設(shè)置 1）面面接觸分析調(diào)整初始接觸條件 實(shí)常數(shù)ICONT：指定初始接觸環(huán)。初始接觸環(huán)是指沿著目 標(biāo)面的“調(diào)整環(huán)”深度。 輸入正值表示相對于變形體單元厚度的比例因子，負(fù)值表示 為接觸環(huán)的真正值。 當(dāng)KEYOPT(5)=0、1、2或3時(shí)，其缺省值為0；若 KEYOPT(5)=4，系統(tǒng)將根據(jù)幾何尺寸提供較小且有意義的值，并 給出一個(gè)該值已指定的警告信息。 任何落在“調(diào)整環(huán)”領(lǐng)域內(nèi)的接觸檢查點(diǎn)會(huì)被自動(dòng)移到目標(biāo) 面上。 6.3 接觸對生成與參數(shù)設(shè)置接觸對生成與參數(shù)設(shè)置 （2

45、）接觸分析的參數(shù)設(shè)置 1）面面接觸分析調(diào)整初始接觸條件 使用CNOF和ICONT的區(qū)別是：前者用CNOF的距離改 變整個(gè)接觸表面；后者移動(dòng)落在ICONT調(diào)節(jié)環(huán)內(nèi)所有初始開 著的接觸點(diǎn)到目標(biāo)面。 實(shí)常數(shù)PMIN和PMAX：指定初始容許的滲透范圍。當(dāng)指 定PMAX或PMIN后，在開始分析時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將目標(biāo)面移到一 個(gè)初始接觸的狀態(tài)。 如果初始滲透大于PMAX，系統(tǒng)會(huì)調(diào)整目標(biāo)面以減少滲透 ，如果初始滲透小于PMIN，則系統(tǒng)調(diào)節(jié)目標(biāo)面以保證初始接 觸，接觸狀態(tài)的初始調(diào)節(jié)僅僅通過平移來實(shí)現(xiàn)。 對給定載荷或給定位移的剛性目標(biāo)面將會(huì)執(zhí)行初始接觸狀 態(tài)的初始調(diào)節(jié)。 當(dāng)目標(biāo)面上的節(jié)點(diǎn)有給定的零位移時(shí)，使用PMAX

46、和 PMIN的初始調(diào)節(jié)將不會(huì)被執(zhí)行。 6.3 接觸對生成與參數(shù)設(shè)置接觸對生成與參數(shù)設(shè)置 （2）接觸分析的參數(shù)設(shè)置 1）面面接觸分析調(diào)整初始接觸條件 ANSYS程序獨(dú)立地處理目標(biāo)面上節(jié)點(diǎn)的自由度，如：若 指定自由度UX值為“0”，那沿著X方向就不會(huì)有初始調(diào)查， 然而，在Y和Z方向仍然會(huì)激活PMAX和PMIN選項(xiàng)。 初始狀態(tài)調(diào)整是一個(gè)迭代過程，程序最多進(jìn)行20次迭代， 如果目標(biāo)面不能進(jìn)入可接受的滲透范圍，系統(tǒng)則會(huì)使用未調(diào)節(jié) 的幾何模型，并會(huì)給出一個(gè)警告信息，這時(shí)可能需要調(diào)整初始 幾何模型。 剛性目標(biāo)面在X方向的任 何運(yùn)動(dòng)都不會(huì)引起初始接觸。 6.3 接觸對生成與參數(shù)設(shè)置接觸對生成與參數(shù)設(shè)置 （2）

47、接觸分析的參數(shù)設(shè)置 1）面面接觸分析調(diào)整初始接觸條件 設(shè)置KEYOPT(9)=1來消除 初始滲透 過盈裝配問題，期望有過度的滲透， 為了緩解收斂性困難，在第一個(gè)載荷步中 設(shè)置KEYOPT(9)=2來使過度滲透漸進(jìn)到0 在第一個(gè)載步中不要給定其它任何 載荷，也就是說要保證載荷是漸進(jìn)的 (KBC，0)。 在開始分析時(shí)，程序會(huì)給出每個(gè)目標(biāo) 面的初始接觸狀態(tài)的輸出信息，(在輸出 窗口或輸出文件中)，這個(gè)信息有助于決 定每個(gè)目標(biāo)面的最大滲透或最小間隙。 6.3 接觸對生成與參數(shù)設(shè)置接觸對生成與參數(shù)設(shè)置 （2）接觸分析的參數(shù)設(shè)置 1）面面接觸分析決定接觸狀態(tài)和Pinball區(qū)域 接觸單元相對于目標(biāo)面的運(yùn)動(dòng)

48、和位置決定了接觸單元的狀態(tài)； 系統(tǒng)檢測每個(gè)接觸單元并給出一種狀態(tài) STAT=0 未合的且未靠近接觸 STAT=1 未合的近區(qū)接觸 STAT=2 滑動(dòng)接觸 STAT=3 粘合接觸 當(dāng)它的積分點(diǎn)位于與相關(guān)目標(biāo)面系統(tǒng)計(jì)算(用戶指定)的距離 時(shí)，接觸單元就被考慮為近區(qū)域接觸，這個(gè)距離就被認(rèn)定為 pinball區(qū)域，且為關(guān)于Gauss點(diǎn)的圓(二維)或球(三維)。 使用實(shí)常數(shù)PINB來為pinball指定一個(gè)比例因子(正值)或真 實(shí)值(負(fù)值)，可以為PINB指定任何值。 在缺省狀態(tài)，并假定大變形效應(yīng)打開時(shí)，系統(tǒng)將pinball區(qū) 域定義為一個(gè)以r為半徑的圓(對2-D問題)或球(對3-D問題) 6.3 接觸

49、對生成與參數(shù)設(shè)置接觸對生成與參數(shù)設(shè)置 （2）接觸分析的參數(shù)設(shè)置 1）面面接觸分析決定接觸狀態(tài)和Pinball區(qū)域 如果大變形效應(yīng)未打開，pinball區(qū)域是大變形效應(yīng)的一半 。如果輸入了實(shí)常數(shù)CNOF，且缺省的PINB值要小于CNOF的 絕對值，那么缺省的PINB值將被設(shè)置為1.1*CNOF的絕對值。 尋找接觸的計(jì)算時(shí)間依賴于pinball區(qū)域的大小，遠(yuǎn)區(qū)接觸單 元的計(jì)算是簡單的且計(jì)算時(shí)間較少；近區(qū)接觸計(jì)算是較慢的且較 復(fù)雜；當(dāng)單元實(shí)際接觸時(shí)，計(jì)算最為復(fù)雜。 如果目標(biāo)面有好幾個(gè)凸形區(qū)域，為了克服偽接觸狀態(tài)，設(shè) 置一個(gè)合適的pinball區(qū)域是有用的，然而對大多數(shù)問題，缺省值 是合適的。 一旦接

50、觸狀態(tài)發(fā)生突變?nèi)鐝慕鼌^(qū)接觸轉(zhuǎn)到封閉，系統(tǒng)將會(huì)給 出警告信息，這也許指出子步增加大太或也許pinball值太小。 6.3 接觸對生成與參數(shù)設(shè)置接觸對生成與參數(shù)設(shè)置 （2）接觸分析的參數(shù)設(shè)置 1）面面接觸分析選擇表面作用模式 KEYOPT(12)的設(shè)置 面面接觸單元支持法向單邊接觸模型以及其它機(jī)械表面相 互作用模型，可通過設(shè)置KEYOPT (12)來選擇其接觸的作用模式 。 KEYOPT(12)=0：Standard，模擬單面接觸，即如果發(fā)生分離 ，則法向應(yīng)力為零。 KEYOPT(12)=1：Rough。模擬不存在滑動(dòng)且完全粗糙的摩擦接 觸，這種情況類似于有一個(gè)無限大的摩擦系數(shù)，而忽略材料性能 M

51、U。 KEYOPT(12)=2：No separation(sliding permitted)，模擬沒有分 離的接觸。一旦接觸建立，目標(biāo)面和接觸面就在其隨后的分析中 連接在一起(盡管也可以滑動(dòng))。 6.3 接觸對生成與參數(shù)設(shè)置接觸對生成與參數(shù)設(shè)置 （2）接觸分析的參數(shù)設(shè)置 1）面面接觸分析選擇表面作用模式 KEYOPT(12)=3：Bonded，模擬綁定接觸。一旦接觸建立，在 其隨后的分析中目標(biāo)面和接觸面在所有的方向上被綁在一起。 KEYOPT(12)=4：No separation(always)，模擬沒有分離的接 觸。接觸檢測點(diǎn)無論是開始位于Pinball區(qū)域內(nèi)或者一旦進(jìn)入接 觸，則它就

52、會(huì)沿著指向接觸面法向附在目標(biāo)面上(允許滑動(dòng)存 在)。 KEYOPT(12)=5：Bonded(always)，模擬綁定接觸。接觸檢測 點(diǎn)無論是開始位于Pinball區(qū)域內(nèi)或者一旦進(jìn)入接觸，則它就會(huì) 沿著指向接觸面的法向和切向附在目標(biāo)面上(全綁定)。 KEYOPT(12)=6：Bonded(initial contact)，模擬綁定接觸。開 始期位于接觸狀態(tài)內(nèi)的接觸檢測點(diǎn)保持依附于目標(biāo)面，開始處 于未接觸狀態(tài)的接觸檢測點(diǎn)將在整個(gè)分析中保持不接觸。 6.3 接觸對生成與參數(shù)設(shè)置接觸對生成與參數(shù)設(shè)置 （2）接觸分析的參數(shù)設(shè)置 1）面面接觸分析選擇表面作用模式 對于KEYOPT(12)=2、3、4、5

53、或6，接觸的分離可采用解除 綁定方式來模擬。 對KEYOPT(12)=4或5，一個(gè)較小的PINB的值可用來防止任 何假接觸。對KEYOPT(12)的設(shè)置，在小變形分析 (“NLGEOM,off”)中，PINB的缺省值是0.25(接觸深度的25%)， 在大變形分析(“NLGEOM,on”)中，PINB的缺省值是0.5(接觸 深度的50%)。 對于KEYOPT(12)=6，可以設(shè)置一個(gè)相對大的ICONT的值 來捕捉接觸。對KEYOPT(12)的設(shè)置，在KEYOPT(5)=0或4時(shí)， ICONT的缺省值是0.05(接觸深度的5%)。 實(shí)常數(shù)FKOP：FKOP的使用有兩種方式，當(dāng) KEYOPT(12)

54、=2、3、4、5或6時(shí)，F(xiàn)KOP在接觸未合時(shí)是施加 的剛度系數(shù)；KEYOPT(12)=0、1時(shí)，F(xiàn)KOP表示接觸阻尼系 數(shù)。 6.3 接觸對生成與參數(shù)設(shè)置接觸對生成與參數(shù)設(shè)置 （2）接觸分析的參數(shù)設(shè)置 1）面面接觸分析選擇表面作用模式 當(dāng)模擬無論是未分離或綁定接觸時(shí)，需要設(shè)置FKOP值來 施加接觸未閉合的剛度系數(shù)。 如果FKOP是一個(gè)縮放系數(shù)(正值)，真實(shí)的接觸未閉合剛 度等于FKOP乘以接觸閉合時(shí)所要施加的接觸剛度。 如果FKOP是一個(gè)真實(shí)值(負(fù)值)，該值將作為一個(gè)真實(shí)接 觸未閉合剛度施加。FKOP的缺省值是1。 2)點(diǎn)面的接觸分析 接觸單元是CONTA175 在接觸表面節(jié)點(diǎn)上的“有效剛度”

55、是非常不均勻的，如對 一個(gè)20節(jié)點(diǎn)的塊單元(SOLID186)，在角節(jié)點(diǎn)具有一個(gè)負(fù)剛度， 然而點(diǎn)面接觸算法假定在接觸建立時(shí)整個(gè)表面的節(jié)點(diǎn)剛度是 均勻分布，在接觸使用中節(jié)點(diǎn)單元會(huì)導(dǎo)致收斂困難。 6.3 接觸對生成與參數(shù)設(shè)置接觸對生成與參數(shù)設(shè)置 （2）接觸分析的參數(shù)設(shè)置 2)點(diǎn)面的接觸分析 中節(jié)點(diǎn)單元僅能夠在綁定或非分離接觸才使用，也能夠在 二維接觸表面或在二維/三維目標(biāo)面上使用中節(jié)點(diǎn)。 由于CONTA175是一個(gè)點(diǎn)單元，不能顯示其接觸結(jié)果， 但能夠使用命令“PRESOL，CONT”或“PRETAB”列表 出其結(jié)果。 1.KEYOPT(3) 允許用戶在一個(gè)基于集中力的接觸模型(KEYOPT(3)=

56、0)和 基于面力的接觸模型(KEYOPT(3)=1)之間進(jìn)行選擇。 對于一個(gè)基于面力模型，ANSYS能夠確定與接觸節(jié)點(diǎn)相關(guān) 的面； 對于單點(diǎn)接觸情況，將使用一個(gè)單位面積，它類似于基于 集中力的模型。 6.3 接觸對生成與參數(shù)設(shè)置接觸對生成與參數(shù)設(shè)置 （2）接觸分析的參數(shù)設(shè)置 2)點(diǎn)面的接觸分析 當(dāng)使用基于面力的接觸模型時(shí)，實(shí)常數(shù)FKN、FKT、TCC、 ECC和MCC與面面接觸單元具有相同的單位。 當(dāng)使用基于集中力的接觸模型時(shí)，上述實(shí)常數(shù)的單位與在基 于面力中的使用多了一個(gè)面積的因子。 在基于集中力模型中，F(xiàn)KN的單位是FORCE/LENGTH，而 在基于面力的接觸模型中，則為FORCE/LE

57、NGTH3。 在基于集中力模型中，PRES是一個(gè)接觸法向集中力，而在 基于面力的接觸模型中，則是接觸應(yīng)力。 2.KEYOPT(4) 用來選擇接觸的法向。接觸法向既可以垂直于目標(biāo)面 (KEYOPT(4)=0,3，缺省值為0)，也可以垂直于接觸面 (KEYOPT(4)=1,2)。 當(dāng)接觸出現(xiàn)在梁或殼的底面時(shí)，且包含殼厚度效應(yīng) (KEYOPT(11)=1)，或者定義了CNOF，為了捕捉到接觸應(yīng)該使 用KEYOPT(4)=2或3。 6.3 接觸對生成與參數(shù)設(shè)置接觸對生成與參數(shù)設(shè)置 （2）接觸分析的參數(shù)設(shè)置 2)點(diǎn)面的接觸分析 使用實(shí)常數(shù)TOLS為擴(kuò)展目標(biāo)面的邊緣添加一個(gè)小的容差， 當(dāng)接觸節(jié)點(diǎn)有可能位于

58、目標(biāo)面的邊緣時(shí)，可以使用TOLS，否 則接觸節(jié)點(diǎn)會(huì)反復(fù)地滑出目標(biāo)面，甚至于脫離接觸，從而引起 收斂困難。 3.CONTA175的實(shí)常數(shù) 除了在基于集中力接觸模型中，TCC、ECC和MCC的單 位不同之外，CONTA175的實(shí)常數(shù)與面面接觸單元 CONTA171至CONTA174具有相同的實(shí)常數(shù)。 同時(shí)使用點(diǎn)面接觸單元CONTA175來模擬熱接觸、電接 觸和磁接觸問題，對于多學(xué)科的接觸問題，建議使用基于面力 的接觸模型。 如果需要使用基于集中力的接觸模型，則需要調(diào)整TCC、 ECC和MCC的值。 6.3 接觸對生成與參數(shù)設(shè)置接觸對生成與參數(shù)設(shè)置 （2）接觸分析的參數(shù)設(shè)置 3）三維梁梁接觸分析 二

59、維面面接觸單元(CONTA171、CONTA172)來模擬 二維梁梁接觸、使用三維線線單元(CONTA176)來模擬 三維梁梁接觸。 內(nèi)部接觸:其中一根梁插入另一根空心梁中。 外部接觸:其中兩根梁大致平行且相互沿其外表面接觸。 外部接觸:其中兩根梁外表部之間的接觸是交叉的。 可使用三維線段(直線或拋物線)來指定目標(biāo)面 (TARGE190)，也可以將接觸單元和目標(biāo)單元附著在三維梁 或管上，其中單元可以是一階或二階。 在兩根梁之間可也可以考慮為柔性柔性和剛性柔性 接觸。 當(dāng)模擬內(nèi)部接觸時(shí)，插入梁或管應(yīng)作為接觸面，而外梁 或管可作為目標(biāo)面。如果內(nèi)部梁的剛度要遠(yuǎn)大于外部梁時(shí)， 可考慮將內(nèi)部梁作為目標(biāo)面

60、。 6.3 接觸對生成與參數(shù)設(shè)置接觸對生成與參數(shù)設(shè)置 （2）接觸分析的參數(shù)設(shè)置 3）三維梁梁接觸分析 當(dāng)模擬外部接觸時(shí)，具有較大剛度梁或粗網(wǎng)格的梁可考慮 作為目標(biāo)面。 必須將CONTA176與三維目標(biāo)線段TARGE170配對來模擬 三維梁梁接觸，其分析的步驟與面面接觸分析相類似，可 使用命令“ESURF”在相關(guān)接觸對之間生成CONTA176單元。 但KEYOPT(3)、KEYOPT(4)與其它單元具有不同的地方， 且不使用KEYOPT(11)。 1.實(shí)常數(shù)R1和R2 對于梁梁接觸，一個(gè)重要的假設(shè)是采用了 ，在接觸對中對所有的CONTA176單元其接觸半徑假 定是相同的。 在接觸對中對所有的TA