高级刚性目标面高级刚性目标面第三章第三章Advanced Contact & FastenersAdvanced Contact & FastenersTraining Manual刚性目标面刚性目标面当一个面相对其临近的面为刚性面时，柔体刚体接触对能够极大当一个面相对其临近的面为刚性面时，柔体刚体接触对能够极大的简化模型的简化模型.此接触分析技术较常用此接触分析技术较常用. 刚性目标单元刚性目标单元 (TARGE169/170) 仅针对面面单元仅针对面面单元(CONTA171-174) 和点面单元和点面单元 (CONTA175).该章节主要考虑模拟刚性目标面时需用到的高级工具选项该章节主要考虑模拟刚性目标面时需用到的高级工具选项.Advanced Contact & FastenersAdvanced Contact & FastenersTraining Manual刚性目标面刚性目标面本章我们考虑以下主题本章我们考虑以下主题:A.导向节点导向节点B.约束刚性目标面约束刚性目标面C.复杂目标面复杂目标面D.创建接触单元创建接触单元Advanced Contact & FastenersAdvanced Contact & FastenersTraining Manual刚性目标面刚性目标面A.导向节点导向节点刚性面和导向节点相联系，导向节点的移动控制目标面的移动刚性面和导向节点相联系，导向节点的移动控制目标面的移动.导向节点可控制整个刚性目标面导向节点可控制整个刚性目标面.整个面的力、位移以及转动可以通过导向节点指定整个面的力、位移以及转动可以通过导向节点指定. 如果定义了导向节点，那么如果定义了导向节点，那么ANSYS只检查导向节点的边界条件并只检查导向节点的边界条件并忽略目标面上其它节点的约束忽略目标面上其它节点的约束.导向节点可以直接生成也可以通过导向节点可以直接生成也可以通过mesh一个关键点生成一个关键点生成.Advanced Contact & FastenersAdvanced Contact & FastenersTraining Manual导向节点可以在任何位置指定，导向节点可以在任何位置指定，因此支持刚性面的转动因此支持刚性面的转动.只有导向节点可以和其它单元只有导向节点可以和其它单元连接，若刚性体有质量，那么连接，若刚性体有质量，那么可在导向点上再定义一个可在导向点上再定义一个Mass21单元单元.每个目标面只能有一个导向节每个目标面只能有一个导向节点点. 刚性面转动刚性面转动刚性目标面刚性目标面.导向节点导向节点Advanced Contact & FastenersAdvanced Contact & FastenersTraining Manual缺省情况下，若满足下列条件，刚性目标面自动被约束缺省情况下，若满足下列条件，刚性目标面自动被约束:没有明确的定义边界条件没有明确的定义边界条件.目标面没有和其它单元相连接目标面没有和其它单元相连接.没有定义耦合和约束方程没有定义耦合和约束方程.刚性目标面刚性目标面B. 约束刚性目标约束刚性目标Advanced Contact & FastenersAdvanced Contact & FastenersTraining Manual如果选择如果选择自动约束自动约束，那么，那么ANSYS对刚性面的约束设置在每个载荷对刚性面的约束设置在每个载荷步结束时会被重置。因此重启动分析时需谨慎。步结束时会被重置。因此重启动分析时需谨慎。如果选择如果选择用户指定用户指定，那么用户需要定义刚性目标面的所有正确的边，那么用户需要定义刚性目标面的所有正确的边界条件。界条件。如果用户没有定义适当的自由度约束的话，表面会在相应的方向作刚如果用户没有定义适当的自由度约束的话，表面会在相应的方向作刚体运动体运动刚性目标面刚性目标面.约束刚性目标约束刚性目标Advanced Contact & FastenersAdvanced Contact & FastenersTraining ManualANSYS静态分析中，如果力施加在一个零刚度的自由度上，那么静态分析中，如果力施加在一个零刚度的自由度上，那么程序将忽略该载荷程序将忽略该载荷.一个初始未施加约束的刚性目标面会产生零刚度一个初始未施加约束的刚性目标面会产生零刚度.施加在此类表面导向节点上的力和弯矩将会被忽略施加在此类表面导向节点上的力和弯矩将会被忽略.在这种情况下，可使用弱弹簧单元来增加一个小的刚度，以防止载荷在这种情况下，可使用弱弹簧单元来增加一个小的刚度，以防止载荷的丢失的丢失.刚性目标面刚性目标面约束刚性目标约束刚性目标Advanced Contact & FastenersAdvanced Contact & FastenersTraining Manual刚性目标可以是基本图元的叠加和综合（例如圆柱、圆台和球体等）刚性目标可以是基本图元的叠加和综合（例如圆柱、圆台和球体等）. 对于任意表面，网格形状不是很重要，但目标单元是否很好的代表对于任意表面，网格形状不是很重要，但目标单元是否很好的代表了几何结构却至关重要了几何结构却至关重要. 过粗略的对目标面离散化会导致收敛困难过粗略的对目标面离散化会导致收敛困难.刚性目标面刚性目标面C. 复杂目标面复杂目标面Advanced Contact & FastenersAdvanced Contact & FastenersTraining Manual对复杂目标面分网的一些建议对复杂目标面分网的一些建议: 如果刚性目标能够离散成基本图元，那么就使用基本图元如果刚性目标能够离散成基本图元，那么就使用基本图元. (更少的更少的单元且更有效单元且更有效.) 尽可能使用映射网格尽可能使用映射网格.如果面的某边无曲率，那么指定单元分割数如果面的某边无曲率，那么指定单元分割数.对较平坦的面使用低阶目标单元，若面的曲率较大则使用高阶单元对较平坦的面使用低阶目标单元，若面的曲率较大则使用高阶单元.刚性目标面刚性目标面.复杂目标面复杂目标面Advanced Contact & FastenersAdvanced Contact & FastenersTraining Manual以下为一个刚性面使用低阶单元和高阶单元的例子以下为一个刚性面使用低阶单元和高阶单元的例子. 低阶单元占机时较少，但需要较多数量的单元低阶单元占机时较少，但需要较多数量的单元. 高阶单元占机时较多，但需要较少数量的单元高阶单元占机时较多，但需要较少数量的单元.低阶单低阶单元元高阶单高阶单元元刚性目标面刚性目标面.复杂目标面复杂目标面Advanced Contact & FastenersAdvanced Contact & FastenersTraining Manual对与使用高阶单元分网或低阶单元分网的目标面，目标节点都可采对与使用高阶单元分网或低阶单元分网的目标面，目标节点都可采用局部坐标系用局部坐标系. 这使得目标面在分析中能够改变形状这使得目标面在分析中能够改变形状. 例如，要模拟一个膨胀的圆柱体可采用如下几步例如，要模拟一个膨胀的圆柱体可采用如下几步:1.使用高阶四边形单元分网使用高阶四边形单元分网2.旋转节点坐标系至柱坐标系旋转节点坐标系至柱坐标系3.给节点施加径向位移使圆柱体膨胀给节点施加径向位移使圆柱体膨胀刚性目标面刚性目标面.复杂目标面复杂目标面Advanced Contact & FastenersAdvanced Contact & FastenersTraining Manual在大滑动问题中，尖的突角会导致收敛困难在大滑动问题中，尖的突角会导致收敛困难. 对线或面进行倒角以防止尖角的出现对线或面进行倒角以防止尖角的出现.使用使用KEYOPT(4)改变接触探测的位置改变接触探测的位置.或者在尖角处增加点面接触或者在尖角处增加点面接触.外法向外法向 平滑半径平滑半径刚性目标面刚性目标面刚性目标面刚性目标面.复杂目标面复杂目标面Advanced Contact & FastenersAdvanced Contact & FastenersTraining Manual有时因为目标面不是足够的大，使得接触单元从刚性目标面上滑落有时因为目标面不是足够的大，使得接触单元从刚性目标面上滑落.为解决这个潜在问题，采用目标面延伸参数可使得目标面足够大以为解决这个潜在问题，采用目标面延伸参数可使得目标面足够大以保证接触状态不变保证接触状态不变.缺省值为目标单元长度的缺省值为目标单元长度的10% 接触探测的位置设为节点时该选项才可使用接触探测的位置设为节点时该选项才可使用刚性目标面刚性目标面.复杂目标面复杂目标面Advanced Contact & FastenersAdvanced Contact & FastenersTraining Manual刚性目标面刚性目标面D.创建接触单元创建接触单元接触向导是一个极为方便的接触对创建工具，它需要最少的用户干接触向导是一个极为方便的接触对创建工具，它需要最少的用户干预预.但少数时候接触向导并不能完全胜任对接触的模拟但少数时候接触向导并不能完全胜任对接触的模拟.尽管此种情况较少，但如果遇到的话，必须使用接触向导外的其它方尽管此种情况较少，但如果遇到的话，必须使用接触向导外的其它方法创建接触单元法创建接触单元.目标单元有一种特殊的单元属性目标单元形状目标单元有一种特殊的单元属性目标单元形状(TSHAP). 当直接生成目标面时要指定当直接生成目标面时要指定TSHAP. 当使用当使用KMESH, LMESH, AMESH产生刚体单元时，产生刚体单元时，程序自动使用正确程序自动使用正确的的 TSHAP 使用使用TSHAP时时,用户应该对可供选择的单元形状较熟悉用户应该对可供选择的单元形状较熟悉.Advanced Contact & FastenersAdvanced Contact & FastenersTraining Manual2D 目标单元目标单元TARGE169 有以下几种形式有以下几种形式: 线、抛物线、弧线、圆和导向节点线、抛物线、弧线、圆和导向节点. JIIJKIJKII弧弧线线导向节点导向节点圆圆线线抛物线抛物线刚性目标面刚性目标面.创建接触单元创建接触单元Advanced Contact & FastenersAdvanced Contact & FastenersTraining Manual3D 目标单元目标单元TARGE170有以下几种形有以下几种形式式: 3节点三角形节点三角形, 4节点四节点四边形边形, 6节点三角形节点三角形, 8节点节点四边形四边形, 圆柱圆柱, 圆台圆台, 球体以球体以及导向节点及导向节点. 刚性目标面刚性目标面.创建接触单元创建接触单元Advanced Contact & FastenersAdvanced Contact & FastenersTraining Manual2D 面面接触单元面面接触单元CONTA171是一个二维是一个二维2节点的低阶线单元，它可以附在二维体单节点的低阶线单元，它可以附在二维体单元、壳单元和梁单元的表面上元、壳单元和梁单元的表面上. CONTA172是一个二维是一个二维3节点（带中间节点）的高阶抛物线单元，节点（带中间节点）的高阶抛物线单元，它可以附在二维体单元的表面上它可以附在二维体单元的表面上.CONTA171CONTA172刚性目标面刚性目标面.创建接触单元创建接触单元Advanced Contact & FastenersAdvanced Contact & FastenersTraining Manual3-D 面面接触单元面面接触单元CONTA174是一个三维是一个三维8 8节点（带中间节点（带中间节点）的高阶四边形单元，它可附在节点）的高阶四边形单元，它可附在三维体单元的表面三维体单元的表面. .它也可退化为它也可退化为6 6节节点三角形点三角形.CONTA173是一个三维是一个三维4 4节点的低阶四节点的低阶四边形单元，它可附在三维体单元或壳单边形单元，它可附在三维体单元或壳单元的表面元的表面. .它也可退化为它也可退化为3 3节点三角形节点三角形. .刚性目标面刚性目标面.创建接触单元创建接触单元Advanced Contact & FastenersAdvanced Contact & FastenersTraining Manual创建面面接触单元的步骤创建面面接触单元的步骤Step 1.创建下面的实体模型并分创建下面的实体模型并分网网.Step 2.指定接触面和目标面指定接触面和目标面.在右在右边这个例子中，存在刚性面，边这个例子中，存在刚性面，因此目标面和接触面的指定可因此目标面和接触面的指定可以确定以确定.接触面接触面 超弹性密封件的嵌入模拟超弹性密封件的嵌入模拟刚性目标刚性目标面面 刚性目标面刚性目标面.创建接触单元创建接触单元Advanced Contact & FastenersAdvanced Contact & FastenersTraining ManualStep 3.设定单元选项和实常数设定单元选项和实常数. 注意：注意：接触对由实常数进行识别接触对由实常数进行识别.接触单元和目标单元必须共用接触单元和目标单元必须共用一个实常数一个实常数. 刚性目标面刚性目标面.创建接触单元创建接触单元Advanced Contact & FastenersAdvanced Contact & FastenersTraining ManualStep 4. 创建目标面单元创建目标面单元. 此步视目标单元是刚体或柔体而定此步视目标单元是刚体或柔体而定. 对于对于 刚体刚体 :使用直接生成法使用直接生成法 (E) 或者或者自动分网生成自动分网生成 (LMESH, AMESH)对于对于 柔体柔体:使用使用Create Elements Surface-to-Surface (ESURF)刚性目标面刚性目标面.创建接触单元创建接触单元Advanced Contact & FastenersAdvanced Contact & FastenersTraining ManualStep 4 创建目标面单元创建目标面单元. 直接生成刚性目标面时直接生成刚性目标面时,目标单元形状（目标单元形状（TSHAP）要在创建目标单）要在创建目标单元之前设定元之前设定.TSHAPTSHAP定义目标单定义目标单元的形状元的形状.刚性目标面刚性目标面.创建接触单元创建接触单元Advanced Contact & FastenersAdvanced Contact & FastenersTraining ManualStep 4 创建目标面单元创建目标面单元. 在对刚性目标面自动划分网格时并不需要在对刚性目标面自动划分网格时并不需要TSHAP. ANSYS会自动确定目标单元的形状. Mesh 关键点关键点 (KMESH) 导向节点导向节点Mesh 线线 (LMESH) 二维刚性目标面二维刚性目标面Mesh 面面 (AMESH) 三维刚性目标面三维刚性目标面刚性目标面刚性目标面.创建接触单元创建接触单元Advanced Contact & FastenersAdvanced Contact & FastenersTraining ManualStep 4 创建目标面单元创建目标面单元. 检查外法线方向（如果对刚性检查外法线方向（如果对刚性目标使用自动分网时）目标使用自动分网时）:显示单元（打开单元坐标标志）显示单元（打开单元坐标标志）.然后使用然后使用 ESURF 创建单元创建单元.线线 反时针圆弧线反时针圆弧线 导向节点导向节点刚性目标面刚性目标面.创建接触单元创建接触单元Advanced Contact & FastenersAdvanced Contact & FastenersTraining ManualStep 5. 创建接触面单元创建接触面单元.设置好接触单元的属性，选择柔体表面节点并创建接设置好接触单元的属性，选择柔体表面节点并创建接触单元（和在柔体上创建目标单元的步骤类似）触单元（和在柔体上创建目标单元的步骤类似）Preprocessor Modeling Create Elements Surf/Contact Surf to Surf这些接触单元的阶数（低阶或高阶）和它下面单元的阶数相同这些接触单元的阶数（低阶或高阶）和它下面单元的阶数相同.(ESURF)刚性目标面刚性目标面.创建接触单元创建接触单元Advanced Contact & FastenersAdvanced Contact & FastenersTraining ManualStep 5 创建接触面单元创建接触面单元. 对于在壳单元或者梁单元上创建接触单元或目标单元，程序可让用对于在壳单元或者梁单元上创建接触单元或目标单元，程序可让用户选择是在壳户选择是在壳/梁的底面还是顶面创建该单元梁的底面还是顶面创建该单元. 单元位置控制单元位置控制刚性目标面刚性目标面.创建接触单元创建接触单元Advanced Contact & FastenersAdvanced Contact & FastenersTraining Manual当使用接触向导创建接触对时，接触单元自由度自动和底下的单元协当使用接触向导创建接触对时，接触单元自由度自动和底下的单元协调调.当接触对是在接触向导外被创建时当接触对是在接触向导外被创建时, 必须使用必须使用APDL定义其自由度定义其自由度KEYOPT(1) ，或使用以下，或使用以下GUI方式方式: Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/DeleteOptions刚性目标面刚性目标面.创建接触单元创建接触单元Advanced Contact & FastenersAdvanced Contact & FastenersTraining Manual此后，施加载荷、边界条件、求解、后处理的步骤和是此后，施加载荷、边界条件、求解、后处理的步骤和是否使用接触向导无关否使用接触向导无关. 创建一个典型的面面、刚体柔体接触对的创建一个典型的面面、刚体柔体接触对的APDL:et,2,169!定义目标单元定义目标单元et,3,171!定义接触单元定义接触单元r,3,0.1!接触对通过实常数接触对通过实常数3 3识别，识别，FKNFKN值为值为0.10.1mp,mu,3,0.2 !定义摩擦系数定义摩擦系数lsel,s,!选择目标面选择目标面type,2!指定目标面的单元类型指定目标面的单元类型real,3!指定实常数指定实常数lmesh,all!分网分网lsel,s,!选择接触面选择接触面nsll,s,1 !选择附在接触面上的节点选择附在接触面上的节点type,3!指定接触单元的单元类型指定接触单元的单元类型esurf,all!创建单元创建单元 allsel刚性目标面刚性目标面.创建接触单元创建接触单元