ANSYS 高级接触问题 接触问题概述 在工程中会遇到大量的接触问题，如齿轮的啮合、法兰 联接、机电轴承接触、卡头与卡座、密封、板成形、冲 击等等。接触是典型的状态非线性问题，它是一种高度 非线性行为。接触例子如下图： 分析中常常需要确定两个或多个相互接触物体的 位移、接触区域的大小和接触面上的应力分布。 接触分析存在两大难点： 在求解之前，你不知道接触区域的范围；表面之在求解之前，你不知道接触区域的范围；表面之 间是接触还是分开是未知的；表面之间突然接触间是接触还是分开是未知的；表面之间突然接触 或突然不接触会导致系统刚度的突然变化。或突然不接触会导致系统刚度的突然变化。 大多数接触问题需要计算摩擦。摩擦是与路径有 关的现象，摩擦响应还可能是杂乱的，使问题求 解难以收敛。ANSYS 高级接触问题 1 接触分类 刚柔 一个表面是完全刚性的除刚体运动外无应变、应 力和变形，另一表面为软材料构成是可变形的。 只在一个表面特别刚硬并且不关心刚硬物体的应力 时有效。 柔柔 两个接触体都可以变形。2 接触单元 ANSYS 采用接触单元来模拟接触问题： 跟踪接触位置； 保证接触协调性（防止接触表面相互穿透）； 在接触表面之间传递接触应力（正压力和摩擦 ）。 接触单元就是覆盖在分析模型接触面上的一层 单元。 在 ANSYS 中可以采用三种不同的单元来模拟 接触： 面一面接触单元； 点一面接触单元； 点一点接触单元。 不同的单元类型具有完全不同的单元特性和分 析过程。 1. 面一面接触单元用于任意形状的两个表面接 触 不必事先知道接触的准确位置； 两个面可以具有不同的网格； 支持大的相对滑动； 支持大应变和大转动。 例如: 面一面接触可以模拟金属成型，如轧制 过程。2 接触单元2 接触单元 2. 点一面接触单元用于某一点和任意形状的面的 接触 可使用多个点面接触单元模拟棱边和面的接 触； 不必事先知道接触的准确位置； 两个面可以具有不同的网格； 支持大的相对滑动； 支持大应变和大转动。 例：点面接触可以模拟棱边和面之间的接触2 接触单元2 接触单元 3. 点点接触单元用于模拟单点和另一个确定点 之间的接触。 建立模型时必须事先知道确切的接触位置； 多个点点接触单元可以模拟两个具有多个单元 表面间的接触；每个表面的网格必须是相同的；相对滑动必须很小；只对小的转动响应有效。 例如: 点一点接触可以模拟一些面的接触。如地基 和土壤的接触2 接触单元2 接触单元3 关于耦合和约束方程的 应用 如果接触模型没有摩擦，接触区域始终粘在一起，并且分 析是小挠度、小转动问题，那么可以用耦合或约束方程代 替接触。 使用耦合或约束方程的优点是分析还是线性的 接触问题的一般特性 1 接触刚度 1、所有的 ANSYS 接触单元都采用罚刚度（接触刚度） 来保证接触界面的协调性在数学上为保持平衡，需要有穿透值 然而，物理接触实体是没有穿透的 分析者将面对困难的选择： 小的穿透计算精度高，因此接触刚度应该大； 然而，太大的接触刚度会产生收敛困难：模型可能会振荡，接 触表面互相跳开。 接触刚度是同时影响计算精度和收敛的最重要的参数。你必须 选定一个合适的接触刚度。 除了在表面间传递法向压力外，接触单元还传递切向运动（摩 擦）。采用切向罚刚度保证切向的协调性。（图12） 作为初值，可采用：Ktangent=0.01 Knormal 切向罚刚度与法向罚刚度以同样的方式对收敛性和计算精度产 生影响。 2、接触刚度的选取 选定一个合适的接触刚度值需要一些经验。 对于面一面接触单元，接触刚度通常指定为基体单 元刚度的一个比例因子。 开始估计时，选用 FKN = 1.0 大面积实体接触 FKN = 0.01-0.1 较柔软（弯曲占主导的部分） 另外，也可以指定一个绝对刚度值，单位：（力/ 长度）/ 面积。 对于点一点（除 CONTA178）和点面接触单元需 要为罚刚度 KN 输入绝对值： 初始估计时： 对于大变形: 0.1*E Preprocessor Modeling Create Elements Surf/Contact Surf to Surf(ESURF) 对于直接生成刚性目标面，在建立目标单元之前需要要指定附加的单 元属性 TSHAP 刚性目标面的自动划分不需要 TSHAP。ANSYS 能根据 实体模型确定合适的目标单元形状。 划分线 (LMESH) 2D 刚性目标面 划分面 (AMESH) 3D 刚性目标面 创建关键点(KMESH)控制节点（Pilot） 刚性目标面能与控制点联系起来。Pilot 实际上是只有一 个节点的单元，通过这个节点的运动可以控制整个目标面 的运动。ANSYS 只在 Pilot 节点上检查边界条件而忽略 其它节点的约束。 对可变形体目标面建立目标单元的步骤是： 1.先选择可变形体表面上的节点 2.然后在可变形体上建立目标单元 Main Menu Preprocessor Modeling Create Elements Surf/Contact Surf to Surf ANSYS 将根据基体的网格确定目标单元形状和外法线 方向。 检查外法线方向（这在自动划分刚性目标面时非常重要 ）图 3-3 打开单元坐标系标志并重绘单元/PSYMS,ESYS,1 目标单元外法线方向应该指向接触面。如果单元法 向不指向接触面，用命令使之反转：ESURF,REVE 例：Seal.dat (图3-3) Step 5. 建立接触面单元 设置接触单元属性、选择可变形体表面节点，并在 可变形体上建立接触单元（过程与在可变形体上建立目 标单元相同） Main Menu Preprocessor Modeling Create Elements Surf/Contact Surf to Surf (ESURF) 这些接触单元与基体有同样的阶数（低阶或高阶） 。 注意，在壳或梁单元上建立目标单元或接触单元时 ，可以选择要在梁或壳单元的顶层还是底层建立单元。图3-3 在选择柔体表面上的节点时，如果你确定某一部分 节点永远不会接触到目标面，可以忽略它，以减少计算 时间。 接触面的外法向应指向目标面。如果发现外法线方 向不正确，用下列命令修改之ESURF,REVE Step 6. 在有限元模型上施加边界条件 如果目标面是刚性面，目标面将会自动固定。 定义了 Pilot 点 ANSYS 只检查该点的边界条件， 忽略目标面上其它节点约束。控制点能控制目标面的运 动。 对 Seal.dat 施加的边界条见图 33。 Step 7. 定义求解选项和载荷步，以下是默认设置 推荐使用N.L求解自动控制 使用不带自适应下降的 full Newton-Raphson 法 求解 时间步必须足够小。使用自动时间步。 子步数的最大值（NSBMX）应较大，最小值（ NSBMIN）应较小 Step 8. 求解 Step 9. 后处理 结果包括位移、应力、应变和接触等信息。 接触压力、摩擦应力、总应力、接触侵入、接触间隙 距离、滑动距离和接触状态都可以从 /POST1 或 /POST26 中得到。 面一面接触分析实例（建立接触对不通过接触向 导） 实例1：弹性环装配 轴对称 施加位移载荷：在 L45 线上施加 0.4的 Y 向位移 打开几何 N.L 开关 (NLGEOM,on) 设 Time = 0.4 并为自动时间步给出子步数 (20,500,10) 给出输出控制（要求输出每一子步结果） 求解并查看输出和监视文件 重启动分析亦将 Y 向偏移量增加到 0.55使咬接装 配的第 2 个齿咬合。 问题以弯曲为主，设 FKN = 0.1 GUI 方式： Step 1. 恢复数据库文件 Snap.db（Snap.db 数据库包 含此有限元模型的完整几何模型、材料、边界条件。但未 定义目标单元与接触单元）。 Utility Menu File Resume from 选 Snap.db 【OK】 基体单元: Plane42,1 轴对称 材料: MAT,1 EX = 0.175e6; NUXY = 0.35 ; MU = 0.0 MAT,2 EX = 90000; NUXY = 0.35 约束节点 163 UY = 0 182 UY = 0Step 2. 创建目标面单元类型 Main Menu Preprocessor Element Typer Add/Edit/Delete 【Add】 contact 2D targe169 Element typer reference number = 2 【OK】 或命令: /PREP 7 ET,2,Targe169 Step 3. 建立接触面单元类型 Main Menu Preprocessor Element Typer Add/Edit/Delete 【Add】 contact 2nd Surf 171 Element typer reference number = 3 【OK】 【close】 或命令: ET,3,conta171Step 4.指定接触法向刚度Main Menu Preprocessor Real Constants Add/Edit/Delete 【Add】 Type 3 CONTA171 【OK】 Real Constant Set No. = 1 Normal Penalty Stiffness FKN = 0.1(对弯曲问题采用初值 0.1) Penetration tolerance FTOLN = 0.1 (不用此,不收敛) 或命令：R,1,0.1,0.1 确定罚刚度 FKN 值通常在 0.01-10 之间，对于体积变形问题用 1.0（默 认），对弯曲问题用 0.1 确定侵入容差：侵入容差 (FTOLN) 是与接触单元下面的实体单元深度（ h） 相乘的比例因子。 若此值太小会引起收敛困难，绝对不 要用太小的容差!增大罚刚度（FKN） 将减少侵入。 将 FKN 增大 100 倍会相应地减 少侵入，但是接触压力只改变 5。 如不收敛可调整 FKN 或 FTOLN 值重 新运行。检查侵入和每个子步的平衡 迭代数，如果收敛受侵入容差的驱使 可能是FKN 值估计不足或 FTOLN 值 太小。如果需要多次迭代才能使残值 收敛而不是侵入。FKN 值可能估计得 太高。 Step 5. 创建目标单元 (1) 为目标面选择线