Ansys接触分析帮助文档翻译.docx

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Ansys接触分析帮助文档翻译

Ansys帮助文档■接触分析

侯峰整理

1.接触分析overview

接触问题是高度非线性的，需要大量的计算机资源来解决这类问题。

解决这类问题时，需要你对物理问题有足够的了解，花足够的时间建立模型，再用尽量好的计算资源进行求解。

接触问题有两个很明显的难点。

第一，在对问题求解之前，我们是不知道接触区域的位置的。

在不同的载荷、材料、边界条件以及其他一些因素的情况下，表面之间可能以不可预知的奇怪的方式在较大尺度上彼此侵入与分离接触面。

第二，大多数接触问题需要考虑到摩

擦。

有几种摩擦准则与模型可供选择，他们都是非线性的。

由摩擦产生的反应可能很复杂，导致求解的收敛困难。

除上述两种困难之外，在许多接触问题中，我们不得不强调多域情况下的影响，例如材料的导热率，电流强度以及在接触区域内的磁通量等。

如果在你的模型中不需要考虑摩擦的影响，且体之间的交互影响是确定的，那么，你就可以采用内部的多点约束来对模型进行约束。

另外一个选择是使用约束等式或者成对的自由

度约束来进行约束。

这些外部约束方程或者耦合方程仅仅适用于小应变的情况。

除在这个guide中讨论的间接的接触问题外，ansys也能够提供采用ansysls-dyna动态分析的系列产品进行分析。

直接分析套件对于分析暂态问题非常有用。

1.1一般的接触分类方法

接触问题分为两类：

刚体-刚体与柔体-柔体问题。

在刚体-柔体接触问题中，一个或多个的接触面被认为是刚性的。

一般来说，任何时候，只要是分析一个硬质材料与一个较软材料

的接触问题，都被假设为刚体-柔体问题。

另外一类的问题，即柔体-柔体分析，是更加常见

的一类问题。

在这类问题中，两个接触面都被认为是可变形的。

1.2接触分析的能力

1.3面-面接触分析单元

Ansys提供刚体-柔体接触、柔体-柔体接触的面-面分析单元。

这类分析单元采用一个“目标面”与一个“接触面”来组成一个接触对。

目标面用TARGE169（2-D）与TARGE170（3-D）两类单元

接触面用CONTA171、CONTA172、CONTA173、CONTA174四类单元。

为了创建一个接触对，需要为目标面与接触面的单元定义相同的材料序号。

这些面-面单元适合与分析过盈配合的接触或者entrycontact、锻造以及deep-drawing

问题。

相对于节点-节点接触对采用的单元CONTA175，面-面接触有如下的优点：

支持更高阶或者更低阶的接触与目标表面

对于典型的工程问题如普通的压力与摩擦轮廓变形问题，能够提供更好的结果对于接触表面的形状没有要求。

接触表面可以是物理上或者网格划分上不连续的。

允许流体压力模型渗透在一个刚性表面使用这些单元时，你可以直接建立模型并在二维或者三维模型上选取表面，通常采用简单的几何形状例如圆、抛物线、样条曲线、圆锥以及圆柱等。

其他的特殊表面可有通过特殊方法构造。

面对面接触单元仅仅支持普通的静态与暂态、膨胀、谐波、模态或谱分析，以及子

结构分析。

1.2.2节点-面的接触单元

1233-D线-线接触

1.2.4线-面接触

125节点-节点接触单元

2.GUIAidsforContactAnalyses

Ansys提供了一些GUIAids以帮助我们创建与管理接触对。

接触管理器使得我们能够定

义、观察以及编辑接触对。

它给我们提供了一个便利的方法去管理整个模型中的接触对。

通过接触管理器（contactmanager）能够到达的contactwizard能够指导我们完成接触对的创建。

2.1contactmanager

在ansys的工具栏内，你可以单击

EileSelectList巴otPlot£trl*WgrkPlarieters|acrolenuCtrlsHelp

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ANSYSToolbarI

按钮到达contactmanager，也可以通过gui模式下的

Preprocessor>Modeling>Create>ContactPair实现。

Contactmanager在Begin阶段与以下阶段都是可用的：

preprocessor（PREP7）、solution（SOLU）以及generalpostprocessor（POST1）

ContactManager提供了一个直观的界面来构造与管理接触对，manager支持面-面接触对

分析，节点-面接触对分析以及内部的多点约束接触。

圍£0凶Contact&Target工JConteKt创|9J|[Chjoci吕巴呂：

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ContaKrtPairs◎

IDBuhwiwiTarsgestIfeint占亡tiFilatNoidjPilDtNameII*1

EtandarciFluxibl亡Surf且亡亡-t口"Surf方亡匕Ndpilot

如上图所示，从左到右的工具条分别为：

Contactwizard:

accesstoContactWizard.允许用于手动定义目标面与接触面，支持2—

-D与3-D几何模型，支持刚体-刚体与柔体-柔体接触。

这个wizard同样还支持基于面约束的接触对。

Contactproperties:

允许用户通过realconstants设定接触对的属性，通过KEYOPTS设定

需要使用的接触单元。

Deletecontactpairs:

删除在接触对列表中的接触对。

ContactselectionOptions:

设定接触单元、目标单元以及两者的显示。

Plotelements/results:

显示选中接触对的单元，或者在结果可以获取的情况下显示接触的结果。

如果ModelContext指定为"result-”，则显示结果，否则，显示单元。

显示内容可以限定为仅显示接触或者目标面，抑或是在ContactSelectionOptions中指定的。

Shownormals:

指定是否在显示接触对时显示单元上的常量/法线。

Flipnormals:

翻转选定的接触区域的法线。

Switchcontactandtarget:

翻转接触对中的接触面与目标面，仅仅适用于柔性-柔性面的接

触问题的面-面接触。

Listelements/results:

列出选中接触对中的单元，或者列出接触结果（在结果可以获取的情况下），指出选中接触对区域的接触结果。

Modelcontext:

用半透明的方式在环境中显示这个模型的接触对。

或者仅仅显示接触对。

Checkcontactstatus:

显示选中接触对的接触状态，有以下几个选项可选：

在每个接触对中显示详细的接触状态。

运行初始接触状态的部分求解

为了达到关闭一个缺口或者减少渗透，物理上移动接触的节点到目标面上。

重设单元与接触单元的关键选项以及常实数。

Contactresults:

通过PlotElements/Results与ListElements/Results图标显示接触结果。

2.2TheContactWizard

TheContactWizard将会领着用户走完创建接触对的过程，这个向导支持刚体-柔体

与柔体-柔体接触，支持面-面接触以及节点-面接触结构。

接触向导支持基于面约束的接触对。

单击ContactManager里的ContactWizard图标就可以使用ContactWizard，向导会带领用户一步一步进行接触分析的设定。

如下所示是一个利用ContactManager进行接触定

义的一个实例。

如果你还没有对模型进行网格划分，那么ContactWizard将是不可用的（dimmed）

，如果想创建刚性-柔性接触对，那么，只需要对模型中将被用作柔性接触表面的部分进行网格划分即可。

如果想要创建柔性-柔性接触对，则需要在启动向导之前对所有会用到的接触面进行网格划分。

你可以通过线、面、体、以及选择一系列的节点来确定目标与接触表面。

注意：

接触向导允许选择布置一个区域作为目标与接触表面。

如果你定义了一个刚性的目标面，你将可以定义一个pilot节点forthe接触对。

在确定目标面与接触面之后，你可以在创建接触对之前进行接触对性质的设定。

在完成所有要求设定的数据之后，单击Create按钮即可完成对接触对接触与目标单元的创建。

2.3ManagingContactPairs

要注意在一开始就选取正确的接触单元对于适当的接触分析非常重要，因此接触管理器

（contactmanager）提供了以下工具来帮助你：

Verify（证明，证实）接触与目标表面的法向量在正确的方向

翻转初始朝向有误的单元

你可以选择一个或多个接触对来进行上面提及的操作。

然后你还可以选择性地在编

辑或者翻转法向量的时候进行接触对中接触表面与目标表面的显示。

另外，这些单元既可以单独显示也可以在整体模型的环境下显示。

在整体模型中显示时，接触对中的单元将以高亮的显示模式呈现在半透明的模型中。

另外一个重要的功能是在需要的时候对接触对的属性进行编辑。

接触对的属性包括

实常数的值与将在后边进行讨论的关键选项的值。

在contactmanager中的Contact

Property按钮提供了一个简便的交互界面用于显示与编辑接触对。

需要提醒的是，当你有多个接触对时，可能会在实常数以及KEYOPT设置时出现

混乱。

当出现这类混乱时，显示上述两类数据的属性对话框将会呈现空白。

最后，你可以显示或者列出选定的接触对的结果。

这个选项仅仅在POST1中当结

果设定是可用的时候可实现。

接触的结果既可以单独显示也可以在整个模型中进行

显示。

3.面-面接触

使用面接触向导，你既可以创建刚性-柔性接触对，又可以创建柔性-柔性接触对。

接触管理器提供了一个易用的交互界面帮助用户构建与管理接触定义。

打开接触向

导的方法在前面以及提及。

在这一章里面，我们将会解释如何分别通过GUI与命令行实现面-面接触的定义。

3.1使用面-面接触单元

在拥有两个边界的接触问题中，一个接触面常常被看做“目标”面，而另一个表面常常被看做“接触”面。

在刚性-柔性面接触问题中，其中一个面被看做是刚性的，

不能发生形变，而另外一个面被看做是柔性的，能够发生形变。

对于柔性-柔性面接

触问题，则将两个接触表面都看作是柔性的，在这类问题中，两个接触面的硬度接近，因此在实际过程中都可能发生变形，我们将这两个面都看做是可以发生形变的。

在接触问题中，相接处的两个表面一起组成一个“接触对”。

用TARGE169与

CONTA71/CONTA172/CONTA175定义一个2-D的接触对；用TARGE170与CONTA173/CONTA174/CONTA175/CONTA176或者CONTA177定义3D接触对。

通过相同的实常数序号来表明接触对。

3.2接触分析的步骤

如下所示是一个典型的面-面接触分析的基本过程。

创建几何模型、划分网格

确定接触对

指定接触与目标表面

定义目标表面

定义接触表面

设定单元KEYOPTS与实常数

定义、控制目标表面动作（仅仅对刚性-柔性面接触问题）

应用必要的边界条件

施加流体的温度-渗透载荷

定义求解选项与载荷步

求解接触问题

检查、分析求解结果

3.3创建几何模型并进行网格划分

首先，需要创建能够展现接触体的几何模型。

设定单元类型，实常数，材料性质等。

并进行网格划分。

网格划分的命令：

AMESH/VMESH

GUI:

MainMenu/Preprocessor/Meshing/Mesh

3.4确定接触对

你必须确定在你的几何模型发生变形时将在何处发生接触。

一旦确定了可能的接触对之后，就可以通过目标与接触面的单元对他们进行定义，接触单元将对变形过程中接触面的运动进行追踪。

目标面与接触面是通过一个实常数组成一个接触对的。

接触区域可以是任意的。

然而，为了得到更加有效的求解，我们总是倾向于将接触区域定义的尽量小，但是一定要注意保证接触区域定义的准确性。

即使在实体中的单元是一样的，也可以通过不同的实常数实现不同接触对的定义，即接触对只和实常数编号有关，而与接触对所在处的单元没有关系。

表面的编号没有限制。

Defomedbody

如上图所示为定义两个接触对的示意图，注意两个接触对在实体中是可以有相互交叉的部分的。

基于几何模型的接触对产生工具可能产生在求解过程中永远不可能接触的不必要的目标和接触单元。

对于模型的小尺度相对滑动或者是装配接触，你可以通过CNCHECK，TRIM来移除一些多余的单元。

3.5指定接触面与目标面

接触面上的单元被约束不能够渗透进目标面。

然而，目标面上的单元却可以渗透进

-柔

接触面。

对于刚性-柔性接触，接触面与柔性面的指定是显而易见的；对于柔性性接触，接触面与目标面的指定将会影响渗透的量，从而影响求解的准确性。

在指定表面时需要考虑以下几点：

如果凸面与平面或者凹面接触，那么平面或者凹面应该被设定为目标面如果两个面其中一个网格较密，另外一个网格划分较为稀疏，则选择网格划分较密的面作为接触面，网格划分粗糙的面作为目标面

如果两个面硬度有差异，则选择硬的面作为目标面，较软的面作为接触面如果两个表面的单元一个阶数较高，另一个阶数较低，则选择较高阶数的面作为接触面，较低阶数的面作为目标面。

然而，在3D的节点到面的接触分析中，

接触面与目标面的定义则恰好与前述相反。

如果一个表面在尺寸上明显大于另外一个面，则应该选择大表面作为目标面

3.5.1不对称接触与对称接触

3.5.1.1背景介绍

不对称接触定义为：

所有的接触单元都在一个表面上，而所有的目标单元都在另外一个

表面上。

这种接触有时被叫做"one-passcontact”。

这种接触常常是定义面-面接触的最好的方法。

然而，在某些环境下不对称接触并不合适。

在这种情况下，你可以让接触的表面既作

为接触面又作为目标面，这样将会生成两个接触对，这就是所谓的对称接触（two-pass

contact）。

需要设定对称接触的环境包括：

目标面与接触面之前的区分度不明显

相接触的两个面的网格划分都很粗糙。

在几何上，对称接触会比不对称约束给接触

面的约束更多。

如果两个表面的网格划分都是一样的且足够好的，对称接触可能不能够显著提升求解结

果，然而，还可能耗费更多的求解资源。

因此，在这种情况下，选择其中一个面作为接触面，另一个作为目标面即可。

3.5.1.2使用KEYOPT（8）

当在模型中存在多个接触对时，从图像上对接触对进行选取显得很困

难，在这种情况下，可以先定义对称接触，再通过设置KEYOPT（8）

=2的方式，使ansys自动地生成接触对。

注意：

在任何接触模型中，你都可以定义多个不同类型的接触，但是，

在一个接触对中，只可能存在一个类型的接触。

3.6定义目标面

目标面既可以是2D的又可以是3D的，既可以是刚性的也可以是柔性的。

对于柔性

的目标面，一般来说可以使用ESURF命令来在已经完成网格划分的边界内部产生目标单元，使用同样的方法可以产生可变形的接触单元（详见柔性接触面的定义）。

如

果构建3D模型下的线-线接触，使用ESURF,,,LINE即可。

在创建柔性接触面时，不能使用以下的关键字：

ARC,CARC,CIRC,CYL1，

CONE,SPHE,POINT,PILO，对于刚性的目标面，下文中给出了一般的指南。

在2D模型中，目标面的形状是通过可以用TARGE169单元进行划分的一系列的直

线、圆弧、抛物线等描述的。

你可以使用上述单元的任何组合去描述一个复杂目标表面的几何模型。

在3D环境下，目标面的形状是由一系列的三角形、四边形、直线、抛物线、圆锥、曲线等构成，这些形状可以用TARGE170单元来划分。

3.6.1PilotNodes

刚性接触面还可以和一个"pilotnode”关联，“pilotnode”是一个拥有一个节点的实际的单元，其运动关系着整个目标面的运动。

可以认为pilotnode

是刚性目标面的控制柄（handie）。

一般来说，整个目标面的受力、运动、旋转、约束都会在pilotnode上得到体现。

Pilotnode既可以是目标单元上的节点，也可以位于任何位置。

Pilotnode的位置只有在旋转与瞬态负载时显得

较为重要。

362Primitives

你可以用圆、圆柱、圆锥以及区县这些几何原型去构建目标面的几何模型。

可以通过前面提及的普通元素如直线、抛物线、三角形、四边形等构建目标面。

Primitives不能直接在接触向导中被定义。

3.6.3单元类型与实常数

在产生目标单元之前，首先需要定义单元类型（2D环境用TARGE169，3D

环境用TARGE170）

命令流为：

ET

GUI路径为：

MainMenu/Preprocessor/ElementType/Add/Edit/Delete

3.6.3.1定义目标单元的几何模型（DefiningTargetElementGeometry）

你可以通过如下的实常数R1、R2定义目标单元几何模型的特征：

对于CONTA171/CONTA172

如果目标单元（TARGE169）的外形是一个圆，R1是其半径

如果CONTA171/CONTA172单元是带有厚度的平面超组元（KEYOPT（3）），R2则是其厚度，R2的默认值为1

对于CONTA173/CONTA174（同样适用于节点-面单元CONTA175与线-面单元CONTA177）

如果目标单元（TARGE170）是圆柱、圆锥或曲线，R1是目标

形状的半径。

R2是圆锥第二个节点处的半径。

对于CONTA176，适用于3D模型的梁-梁接触

设定实常数

命令流：

REAL

GUI:

MainMenu/Preprocessor/RealConstants

3.6.4使用直接产生的方法构建刚性接触单元（UsingDirectGenerationtoCreate

RigidTargetElements）

直接产生刚性单元的方法如下：

命令流：

TSHAP

GUI:

MainMenu/Preprocessor/Modeling/Create/Elements/ElemAttributes

Youthenspecifytheelementshape.Possibleshapesare:

■Straightline（NDand3-D）

•Parabola（2-Dand3-D）

■Cockwisearc（2-D）

«Counterclockwisearc（2-D〕

•Cirde（2-D）

•Ihree'inodetriangle（3-D）

•Sx-rodetriangle（3-D）

•Foir-Tiodequadrilateral（3-D）

«Bght-nodequadriaterK（3-D）

•Cyinder（3-D）

•Cone（3-D〕

«Sphere（3-D）

«Point（2-Dor3-D）

•Pilotnode（2-Dand3-D）

一旦指定了一个目标单元的形状，所有后续的单元都会使用该形状直到用户

指定另外一个形状为止。

用户可以通过高级的ansys直接生成法产生节点和单元。

命令流：

N,

E

GUI:

MainMenu/Preprocessor/Modeling/Create/Nodes

MainMenu/Preprocessor/Modeling/Create/Elements

通过列出单元的方式，用户可以审阅单元形状

命令流：

ELIST

GUI:

UtilityMenu/List/Elements/Nodes+Attributes

365使用ansys网格划分工具创建刚性目标单元

用户可以用高级的ansys网格划分功能让ansys自动生成单元，ansys会忽略TSHAP的设定，基于实体模型识别出恰当的目标单元。

生成pilotnode的方法为：

命令流：

KMESH

GUI:

MainMenu/Preprocessor/Meshing/Mesh/Keypoints

注意：

KMESH命令总是会产生pilotnodes

如果要产生POINTsegments，使用直接的产生方法或者在选中的节点处使用

命令ESURF,,，POINT。

如果thesurfacesegments是来自于一个完整的曲线、圆柱、圆锥等几何模型，

则ansys会在AMESH命令下自动地生成一个基于单一3D目标单元的网格

划分。

通过生成数量更少的单元，使得分析过程的计算效率得以提高。

对于不规则表面，宜使用AMESH命令来产生目标单元。

在这种情况下，目标面的形状显得不太重要，重要的是目标单元能够很好地体现刚性目标面的几何形状。

我们建议尽量使用mapped的网格划分方式。

如果在表面的边界上没有倒角，则在边界上定义网格划分时的分段数。

采用TARGE169单元的刚性表面通

常忽略LESIZE设定，采用明确每个边界线分段数量的方式进行网格划分。

默认的目标单元的形状是四边形。

如果想要用三角形单元进行网格划分，使

用MSHAPE,1命令即可。

下面的操作是产生一个用mapped方式进行网格划

分的方式：

命令流：

MSHKEY，2

GUI:

MainMenu/Preprocessor/Meshing/Mesh/Areas/TargetSurf

如果目标表面是平的（或接近平整的），你可以选择低级别的目标单元（3

节点的三角形单元或者四节点的四边形单元），如果目标面是弯曲的，你可

以选取高级别的目标单元（六节点三角形或八节点四边形），通过在目标单

元设定中设置KEYOPT

（1）=1即可。

365.1—些建模与网格划分的提示

一个目标表面可由多个在物理上不接触的区域组成。

对刚性表面的形状也没有要求。

然而，你必须保证弯曲表面网格的离散化以及网格划分的准确性。

太过粗糙的网格划分会导致收敛困难。

在大滑动问题中，如果目标表面有尖角会导致得不到收敛的结果。

为了避免上述问题，可以再尖角处进行倒角，使用更加细致的网格等方法。

365.2VerifyingNodalNumberOrdering（ContactDirection）ofTargetSurface

目标表面单元的节点顺序很重要，因为其定义了接触的方向。

对于一个

2D接触，可变现的接触表面单元必须位于沿着接触面上节点移动路线的右侧，如图3.6所示。

（node2）（node1）

图3.6正确的节点顺序

For3-Dcontact,thetargetelementnumberingshouldbesuchthattherigidsurface'soutwardnormal