ANSYS接触单元说明.docx

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ANSYS接触单元说明

参考ANSYS的中文帮助文件

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。

TAUMAX：

接触面的最大等效剪应力。

给出这个参数在于，不管接触压力值多大，只要等效剪应力达到最大值TAUMAX，就会发生滑动。

该剪应力极限值通常用于接触压力会变得非常大的情况。

CNOF：

指定接触面偏移。

+CNOF增加过盈、-CNOF减少过盈或产生间隙、CNOF能与几何穿透组合应用。

FKOP：

接触张开弹簧刚度。

针对不分离或绑定接触模型，需要设置实常数FKOP，该常数为张开接触提供了一个刚度值。

FKOP阻止接触面的分离；FKOP默认为1.0，用于建立粘结模型，用一个较小值（1e-5）去建立软弹簧模型。

FKT：

切向接触刚度。

作为初值，可以采用－FKT＝0.01*FKN，这是大多数ANSYS接触单元的缺省值。

COHE：

粘滞力。

即没有法向压力时开始滑动的摩擦应力值。

FACT，DC：

定义摩擦系数变化规律

　　MU＝MUK*（1+（FACT-1）EXP（－DC*vtfs/deltaT））

式中：

　　　MUK＝动摩擦系数（用户自己定义）

　　　　　　FACT＝MUS/MUK（用户自己定义）

　　　　　　MUS＝静摩擦系数

　　　　　　DC＝衰减系数（用户自己定义）

　　　　　　Vtfs/deltaT＝表面间的相对速度

注意：

动摩擦系数由被指定为材料属性（MU），由MP命令或GUI定义。

缺省值：

FACT＝1，MUS＝MUK＝0，DC＝0

Keyopt的介绍，以Target170,Conta173为例：

首先介绍170的Keyopt

　　KEYOPT（3）：

定义接触行为

　　KEYOPT

（1）：

单元阶数（是否含有中节点）

　　　　KEYOPT

（1）＝0：

低阶单元（不含中节点）

　　　　KEYOPT

（1）＝1：

高阶单元（含中节点）

　　KEYOPT

（2）：

刚体目标面约束条件

　　　　＝0时，自动约束选项，每一个载荷步的末尾，程序内部将是性面重新设置约束。

　　满足以下条件，刚性面则缺省为自动约束

　　　　没有明确定义边界条件；

　　　　目标面与其它单元没有联系；

　　　　没有定义耦合或约束方程。

　　＝1时，用户定义选项。

　Conta173的Keyopt：

　　KEYOPT

（1）：

自由度选项。

＝0时，结构：

UX，UY，和UZ；＝1时，结构和热；＝2时，TEMP（用于纯热接触问题）

　　KEYOPT

（2）：

选择接触算法。

＝0时，增广的拉格朗日法（缺省选项），推荐于一般应用，它对罚刚度不太敏感，但是也要求给出一个穿透容差。

＝1时，罚函数法。

它推荐应用于单元非常扭曲、大摩擦系数和用增广的拉格朗日法收敛行为不好的问题。

　　KEYOPT（4）：

选择接触检查点。

＝0时，高斯点（缺省选项，推荐）；＝1时，节点；ANSYS面对面单元默认用高斯积分点作为接触检查点。

　　KEYOPT（5）：

自动CNOF调整。

允许ANSYS基于初始状态自动给定CNOF值――导致“刚好接触”配置。

＝0时，不进行自动调整；＝1时，闭合间隙；＝2时，减小穿透；＝3时，闭合间隙/减小穿透。

　　KEYOPT（7）：

时间步控制选项。

（只有在SolutionControl中打开基于接触状态变化的时间步预测，此选项才起作用。

Solution>UnabridgedMenu>LoadStepOpts>SolutionCtrl

   ＝0时，不控制，不影响自动时间步长。

对静力问题自动时间步打开时此选项一般是足够的。

　　＝1时，自动二分，如果接触状态变化明显，时间步长将二分，对于动力问题自动二分通常是足够的；

　　＝2时，合理值。

比自动细分更耗时的算法；

　　＝3时，最小值。

此选项为下一子步预测最小时间增量（很耗机时，不推荐）。

KEYOPT（8）：

防止伪接触选项。

＝0时，不防止；＝1时，检测并忽略伪接触。

KEYOPT（9）：

初始穿透间隙控制。

＝0时，包括几何穿透/间隙和CNOF；＝1时，忽略几何穿透/间隙和CNOF；＝2时，包括几何穿透/间隙和CNOF，且在第一个载荷步中渐变；＝3时，忽略几何穿透/间隙，包括CNOF；＝4时，忽略几何穿透/间隙，包括CNOF，且在第一个载荷步中渐变。

KEYOPT（10）：

接触刚度更新控制。

＝0，闭合状态的接触刚度不进行任何更新；＝1，每一载荷步更新闭合状态的接触刚度（FKN或FKT，由用户指定）；＝2，与＝1同，此外，在每一子步，程序自动更新接触刚度（根据变形后下伏单元的刚度）。

KEYOPT（11）：

壳、梁单元厚度影响。

如果已经创建了一个梁或壳单元模型，接触表面能够偏置，用于考虑梁或壳的厚度。

＝0，在中面接触（默认）；＝1，在指定表面的顶部或底部。

注意：

当用SHELL181单元时，由于大应变变形引起的厚度改变也被考虑。

KEYOPT（12）：

创立不同的接触表面相互作用模型。

　　＝0，标准的接触行为，张开时法向压力为0；

　　＝1，粗糙接触行为，不发生滑动（类似无限摩擦系数）；

　　＝2，不分离，允许滑动；

　　＝3，绑定接触，目标面和接触面一旦接触就粘在一起；

　　＝4，不分离接触（总是），初始位于pinball区域内或已经接触的接触检查点在法向不分离；

　　＝5，绑定接触（总是），初始位于pinball区域内或已经接触的接触检查点总是与目标面绑定在一起；

　　＝6，绑定接触（初始接触），只在初始接触的地方采用绑定，初始张开的地方保持张开。

5.1概述

接触问题是一种高度非线性行为，需要较多的计算机资源。

为了进行切实有效的计算，理解问题的物理特性和建立合理的模型是很重要的。

接触问题存在两个较大的难点：

其一，在用户求解问题之前，用户通常不知道接触区域。

随载荷、材料、边界条件和其它因素的不同，表面之间可以接触或者分开，这往往在很大程度上是难以预料的，并且还可能是突然变化的。

其二，大多数的接触问题需要考虑摩擦作用，有几种摩擦定律和模型可供挑选，它们都是非线性的。

摩擦效应可能是无序的，所以摩擦使问题的收敛性成为一个难点。

注意--如果在模型中，不考虑摩擦，且物体之间的总是保持接触，则可以应用约束方程或自由度藕合来代替接触。

约束方程仅在小应变分析（NLGEOM，off）中可用。

见《ANSYSModelingandMeshingGuide》中的§12，CouplingandConstraintEquations。

除了上面两个难点外，许多接触问题还必须涉及到多物理场影响，如接触区域的热传导、电流等。

5.1.1显式动态接触分析能力

除了本章讨论的隐式接触分析外，ANSYS还在ANSYS/LS-DYNA中提供了显式接触分析功能。

显式接触分析对于短时间接触-碰撞问题比较理想。

关于ANSYS/LS-DYNA的更多的信息参见《ANSYS/LS-DYNAUser"sGuide》。

5.2一般接触分类

接触问题分为两种基本类型：

刚体─柔体的接触，柔体─柔体的接触。

在刚体─柔体的接触问题中，接触面的一个或多个被当作刚体，（与它接触的变形体相比，有大得多的刚度）。

一般情况下，一种软材料和一种硬材料接触时，可以假定为刚体─柔体的接触，许多金属成形问题归为此类接触。

柔体─柔体的接触是一种更普遍的类型，在这种情况下，两个接触体都是变形体（有相似的刚度）。

柔体─柔体接触的一个例子是栓接法兰。

5.3ANSYS接触分析功能

ANSYS支持三种接触方式：

点─点，点─面，面─面接触。

每种接触方式使用不同的接触单元集，并适用于某一特定类型的问题。

为了给接触问题建模，首先必须认识到模型中的哪些部分可能会相互接触。

如果相互作用的其中之一是一点，模型的对应组元是一个节点。

如果相互作用的其中之一是一个面，模型的对应组元是单元，如梁单元、壳单元或实体单元。

有限元模型通过指定的接触单元来识别可能的接触对，接触单元是覆盖在分析模型接触面之上的一层单元，至于ANSYS使用的接触单元和使用它们的过程，后面会分类详述，然后论述ANSYS接触单元和他们的功能。

参见《ANSYSElementsReference》和《ANSYSTheoryReference》。

表5-1ANSYS接触分析功能

点-点

点-面

面

-面

CONTAC12

CONTAC

52

CONTA

178

CONTAC

26

CONTAC

48

CONTAC

49

CONTAC171,172TARGET169

CONTAC173,174TARGET170

点-点

Y

Y

Y

点-面

Y

Y

Y

面-面

Y

Y

Y

Y

2-D

Y

Y

Y

Y

Y

Y

3-D

Y

Y

Y

Y

滑动

小

小

小

大

大

大

大

大

曲面

Y

Y

圆柱间隙

Y

Y

纯Lagrange乘子

Y

增加Lagrange乘子

Y

Y

Y

Y

Y

接触刚度

用户定义

半自动

用户定义

用户定义

用户定义

半自动

半自动

自动网格工具

EINTF

EINTF

None

GCGEN

GCGEN

ESURF

ESURF

低阶

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

高阶

Y

Y

Y

刚体-柔体

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

柔体-柔体

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

热接触

Y

Y

Y

Y

5.3.1面─面的接触单元

ANSYS支持刚体─柔体和柔体─柔体的面─面的接触单元。

这些单元应用“目标”面和“接触”面来形成接触对。

  分别用TARGE169或TARGE170来模拟2D和3D目标面。

  用CONTA171、CONTA172、CONTA173、CONTA174来模拟接触面。

为了建立一个“接触对”，给目标单元和接触单元指定相同的实常数号。

参见§5.4。

这些面-面接触单元非常适合于过盈装配安装接触或嵌入接触，锻造，深拉问题。

与点─面接触单元相比，面─面接触单元有许多优点:

  支持面上的低阶和高阶单元（即角节点或有中节点的单元）；

  支持有大滑动和摩擦的大变形。

计算一致刚度阵，可用不对称刚度阵选项；

  提供为工程目的需要的更好的接触结果，如法向压力和摩擦应力；

  没有刚体表面形状的限制，刚体表面的光滑性不是必须的，允许有自然的或网格离散引起的表面不连续；

  与点─面接触单元比，需要较少的接触单元，因而只需较小的磁盘空间和CPU时间，并具有高效的可视化；

  允许多种建模控制，例如：

  绑定接触，不分离接触，粗糙接触；

  渐变初始穿透；

  目标面自动移动到初始接触；

  平移接触面（考虑梁和单元的厚度），用户定义的接触偏移；

  死活能力；

  支持热-力耦合分析。

使用这些单元来做为刚性目标面，能模拟2D和3D中的直线（面）和曲线（面），通常用简单的几何形状例如圆、抛物线、球、圆锥、圆柱来模拟曲面。

更复杂的刚体形状或普通可变形体，可以应用特殊的前处理技巧来建模，参见§5.4。

面-面接触单元不能很好地应用于点-点或点-面接触问题，如管道或铆头装配。

在这种情况下，应当应用点-点或点-面接触单元。

用户也可以在大多数接触区域应用面-面接触单元，而在少数接触角点应用点-点接触单元。

   面－面接触单元只支持一般的静态或瞬态分析，屈曲、模态、谱分析或子结构分析。

不支持谐响应分析、缩减或模态叠加瞬态分析，或缩减或模态叠加谐响应分析。

本章后面将分别讨论ANSYS不同接触分析类型的能力。

5.3.2点─面接触单元

点─面接触单元主要用于给点─面接触行为建模，例如两根梁的相互接触（梁端或尖角节点），铆头装配部件的角点。

如果通过一组节点来定义接触面，生成多个单元，那么可以通过点─面接触单元来模拟面─面的接触问题。

面既可以是刚性体也可以是柔性体。

这类接触问题的一个典型例子是插头插到插座里。

使用这类接触单元，不需要预先知道确切的接触位置，接触面之间也不需要保持一致的网格。

并且允许有大的变形和大的相对滑动，虽然这一功能也可以模拟小的滑动。

CONTACT48和CONTACT49单元是点─面的接触单元。

这2种单元支持大滑动、大变形、以及接触部件间不同的网格。

用户也可以用这2种单元来进行热-机械耦合分析，其中热在接触实体之间的传导非常重要。

应用CONTACT26单元用来模拟柔性点─刚性面的接触。

对有不光滑刚性面的问题，不推荐采用CONTACT26单元，因为在这种环境下，可能导致接触的丢失。

在这种情况下，CONTACT48通过使用伪单元算法，能提供较好的建模能力（参见《ANSYSTheoryReference》），但如果目标面严重不连续，依然可能失败。

5.3.3点─点接触单元

点─点接触单元主要用于模拟点─点的接触行为。

为了使用点─点接触单元，用户需要预先知道接触位置，这类接触问题只能适用于接触面之间有较小相对滑动的情况（即使在几何非线性情况下）。

其中一个例子是传统的管道装配模型，其中接触点总是在管端和约束之间。

点─点接触单元也可以用于模拟面─面的接触问题，如果两个面上的节点一一对应，相对滑动又可以忽略不计，两个面位移（转动）保持小量，那么可以用点─点的接触单元来求解面─面的接触问题，过盈装配问题是一个用点─点的接触单元来模拟面─面接触问题的典型例子。

另一个点─点接触单元的应用是表面应力的精确分析，如透平机叶片的分析。

ANSYS的CONTA178单元是大多数点-点接触问题的最好选择。

它比其他单元提供了范围更广的选项和求解类型。

CONTAC12和CONTAC52单元保留的理由，在很大程度上是为了与已有模型的向下兼容。

5.4面─面的接触分析

用户可以应用面-面接触单元来模拟刚体-柔体或柔体之间的接触。

从菜单（Preprocessor>Create>ContactPair>ContactWizard）进入接触向导，为大多数接触问题建立接触对提供了简单的方法。

接触向导将指导用户建立接触对的整个过程。

每个对话框中的HELP按钮对其应用及选项作了详细说明。

在用户未对模型的任何区域分网之前，接触向导不能应用。

如果用户希望建立刚体-柔体模型，则在进入接触向导前，仅对用作柔体接触面的部分分网（不对刚体目标面分网）。

如用户希望建立柔体-柔体接触模型，则应在进入接触向导前，对所有用作接触面的部件进行分网（包括目标面）。

下面诸节将论述不用接触向导来建立接触面和目标面的方法。

5.4.1应用面-面接触单元

在涉及到两个边界的接触问题中，很自然把一个边界作为“目标”面，而把另一个作为“接触”面。

对刚体─柔体的接触，目标面总是刚性面，接触面总是柔性面。

对柔体─柔体的接触，目标面和接触面都与变形体关联。

这两个面合起来叫作“接触对”。

使用TARGE169与CONTA171（或CONTA172）单元来定义2-D接触对。

使用TARGE170与CONTA173（或CONTA174）单元来定义3-D接触对。

程序通过相同的实常数号来识别每一个接触对。

5.4.2接触分析的步骤

典型面─面接触分析的基本步骤如下，后面将对每一步骤进行详细解释。

1、建立几何模型并划分网格；

2、识别接触对；

3、指定接触面和目标面；

4、定义目标面；

5、定义接触面；

6、设置单元关键选项和实常数；

7、定义／控制刚性目标面的运动（仅适用于刚体-柔体接触）；

8、施加必须的边界条件；

9、定义求解选项和载荷步；

10、求解接触问题；

11、查看结果。

5.4.3建立几何模型并划分网格

在这一步，用户需要建立代表接触体的几何实体模型。

与其它分析一样，需要设置单元类型、实常数、材料特性。

用恰当的单元类型给接触体划分网格。

参见《ANSYSModelingandMeshingGuide》。

命令：

AMESH

VMESH

GUI：

MainMenu>Preprocessor>Mesh

5.4.4识别接触对

用户必须判断模型在变形期间哪些地方可能发生接触。

一旦已经判断出潜在的接触面，就应该通过目标单元和接触单元来定义它们，目标和接触单元将跟踪变形阶段的运动。

构成一个接触对的目标单元和接触单元通过共享的实常数号联系起来。

接触区域可以任意定义，然而为了更有效地进行计算（主要指CPU时间），用户可能想定义更小的局部化的接触区域，但要保证它足以描述所需要的所有接触行为。

不同的接触对必须通过不同的实常数号来定义，即使实常数没有变化。

但不限制允许的面的数目。

图5-1局部接触区域

由于几何模型和潜在变形的多样性，有时候一个接触面的同一区域可能与多个目标面产生接触关系。

在这种情况下，应该定义多个接触对（使用多组覆盖接触单元）。

每个接触对有不同的实常数号。

见图5-1。

5.4.5指定接触面和目标面

接触单元被限制不得穿透目标面。

但是，目标单元可以穿透接触面。

对于刚体-柔体接触，目标面总是刚体表面，而接触面总是柔体表面。

对于柔体-柔体接触，选择那一个面作为接触面或目标面可能会引起穿透量的不同，从而影响求解结果。

这可参照下面的论述：

  如凸面预期与一个平面或凹面接触，则平面/凹面应当指定为目标面；

  如一个面有较密的网格，而相比较之下，另一个面网格较粗，则较密网格的面应当是接触面，而较粗网格的面则为目标面；

  如一个面比另一个面刚，则较柔的面应当指定为接触面，而较刚的面则为目标面；

  如果高阶单元位于一个外表面，而低阶单元位于另一个面，则前者应指定为接触面，后者则为目标面；

  如果一个面明显地比另一个面大（如一个面包围其他面），则较大的面应指定为目标面。

上面的论述对于不对称接触是正确的。

但不对称接触可能不能满足模型需要。

下面一小节祥细论述不对称接触和对称接触的差异，并简要说明需要对称接触的一些场合。

5.4.6不对称接触与对称接触

不对称接触定义为所有的接触单元在一个面上，而所有的目标单元在另一个面上的情况。

有时候也称为“单向接触”。

这在模拟面-面接触时最为有效。

但是，在某些环境下，不对称接触不能满足要求。

在这些情况下，可以把任一个面指定为目标面和接触面。

然后在接触的面之间生成二组接触对（或仅是一个接触对，如自接触情况）。

这就称为对称接触，有时也称为“双向接触”。

显然，对称接触不如非对称接触效率高。

但是，许多分析要求应用对称接触（典型地，是为了减少穿透）。

要求对称接触的情况如下：

  接触面和目标面区分不十分清楚；

  二个面都有十分粗糙的网格。

对称接触算法比非对称接触算法在更多的面上施加了接触约束条件。

如果二个面上的网格相同并且足够密，则对称接触算法可能不会显著改变运行，而事实上可能更费CPU时间。

在这种情况下，拾取一个面为目标面，而另一个面为接触面。

在任何接触模型中，可以混合不同的接触对：

刚体-柔体或柔体-柔体接触对；对称接触或非线称接触。

但在一个接触对中只能有一种类型。

5.4.7定义目标面

目标面可以是2D或3D的刚体或柔体的面。

对于柔体目标面，一般应用ESURF命令来沿现有网格的边界生成目标单元。

也可以按相同的方法来生成柔体接触面（见§5.4.8）。

用户不应当应用下列刚性目标面作为柔体接触面：

ARC,CARC,CIRC,CYL1,CONE,SPHE或PILO。

对于刚体目标面的情况论述如下。

在2D情况下，刚性目标面的形状可以通过一系列直线、圆弧和抛物线来描述，所有这些都可以用TARGE169单元来表示。

另外，可以使用它们的任意组合来描述复杂的目标面。

在3D情况下，目标面的形状可以通过三角面、圆柱面、圆锥面和球面来描述，所有这些都可以用TAPGE170单元来表示。

对于一个复杂的、任意形状的目标面，可以使用低阶/高阶三角形和四边形来给它建模。

5.4.7.1控制节点

刚性目标面可能会与“控制（pilot）节点”联系起来，它实际上是一个只有一个节点的单元，其运动控制整个目标面的运动，因此可以把控制节点作为刚性目标的控制器。

整个目标面的力/力矩和转动/位移可以只通过控制节点来表示。

控制节点可能是目标单元中的一个节点，也可能是一个任意位置的节点。

只有当需要转动或力矩载荷时，控制节点的位置才是重要的。

如果用户定义了控制节点，ANSYS程序只在控制节点上检查边界条件，而忽略其它节点上的任何约束。

注意--当前的接触向导不支持生成控制节点。

用户可以在接触向导外定义控制节点。

5.4.7.2基本图元

用户可以使用基本几何图元，如圆、圆柱、圆锥、球，来模拟目标面（它需要实常数来定义半径）。

也可以组合图元与一般的直线、抛物线、三角形和四边形来定义目标面。

5.4.7.3单元类型和实常数

在生成目标单元之前，首先必须定义单元类型（2维的TARGE169单元，或3维的TARGE170单元）。

命令：

ET

GUI：

mainmenu>preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete

随后