ANSYS高级接触问题.doc
ANSYS高级接触问题第一章 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。接触例子如图1： 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、表面之间是接触或分开是未知的，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。 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。1.1 接触分类1.1.1 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。1.1.2 柔柔 两个接触体都可以变形。1.2 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：面面接触单元；点面接触单元；点点接触单元。 不同的单元类型具有完全不同的单元特性和分析过程。1.2.1 面面接触单元 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。1.2.2 点面接触单元 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。1.2.3 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：点点接触可以模拟一些面的接触。如地基和土壤的接触。1.3 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。1.3.1 接触问题的一般特性，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=0.01Knormal，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。点点（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<KN<1.0*E，对于弯曲：0.01*E<KN<0.1*E，E为弹性模量。 3选取接触刚度的指导： Step1开始采用较小的刚度值； Step2对前几个子步进行计算； Step3检查穿透量和每一个子步中的平衡迭代次数。 在粗略的检查中，如以实际比例显示整个模型时就能观察到穿透，则穿透可能太大了，需要提高刚度重新分析。如果收敛的迭代次数过多（或未收敛），降低刚度重新分析。注意：罚刚度可以在载荷步间改变，并且可以在重启动中调整。牢记：接触刚度是同时影响计算精度和收敛性的最重要的参数。如果收敛有问题，减小刚度值，重新分析，在敏感的分析中，还应该改变罚刚度来验证计算结果的有效性。在分析中减小刚度范围，直到结果（接触压力、最大SEQV等）不再明显改变。第二章 摩擦、自动时间步、控制2.1 摩擦 1、两个接触体的剪切或滑动行为可以是无摩擦的或有摩擦的，无摩擦时允许物体没有阻力地相互滑动；有摩擦时，物体之间会产生剪切力。 2、摩擦消耗能量，并且是路径相关行为。为获得较高的精度，时间步长必须小。 3、ANSYS中，摩擦采用库仑模型，并有附加选项可处理复杂的粘着和剪切行为。库仑法则是宏观模型，表述物体间的等效剪力FT不能超过正压力FN的一部分：FT<=×FN式中：摩擦系数，一旦所受剪力超过FT，两物体将发生相对滑动。 4、弹性库仑摩擦模型：允许粘着和滑动。2.2 自动时间步、控制 接触单元的Keyopt（7）选项控制时间步的预报。 0无控制：不影响时间步尺寸。当自动时间步开关打开时，对于静态问题通常选此项。 1 自动缩减：如果接触状态改变较大，时间步二分。对于动态问题，自动缩减通常是充分的。 2 合理的：比自动缩减费用更昂贵的算法。为保持一个合理的时间载荷增量，需要在接触预测中选择此项。适用于静态分析和连续接触时瞬态分析。 3 最小值：该选项为下一子步、预报时间增量的最小值（计算费用十分昂贵，建议不用）。这个选项在碰撞和断续接触分析中是有用的。 接触分析中自动时间步的其它注意事项：与所有其它非线性分析一样，对接触问题，时间步长是非常有力的提高收敛性的工具。采用足够小的时间步长以获得收敛。对于瞬态分析，冲击时必须使用足够数量的计算步以描述表面间的动量转移。对于路径相关现象（如接触摩擦），相对较小的最大时间步长对计算精度是必须的。第三章 面面接触单元3.1 概述 面面接触单元，是模拟任意两个表面间接触的方法。表面可以具有任意形状。是ANSYS中最通用的接触单元。精度高、特性丰富还可使用接触向导建模方便。（其它接触单元目前尚不能用向导）。面面接触单元在面的高斯点处传递压力，这种先进技术使面面接触单元具有很多优点：与低阶单元和高阶单元都兼容，提供更好的接触结果（于后处理接触压力和摩擦应力），可考虑壳和梁的厚度，以及壳的厚度变化，半自动接触刚度计算，刚性表面由“控制节点”控制，热接触特性，众多的高级选项来处理复杂问题。 具有众多的高级选项（20个可用的实常数、2个材料属性和30个可用的单元选项）提供了丰富的特征库，能够用于模拟特殊的效果和处理困难的收敛情况。然而众多的选项的智能缺省选项可以有效求解许多接触问题而不需要用户介入太多。通常的做法是：开始使用高级选项之前，先试着采用缺省设置：只指定罚刚度，穿透容差和子步数，然后进行分析。只在采用缺省设置遇到困难时才采用高级选项。所有的高级选项也可以通过接触向导来控制。3.2 面面接触单元 使用面面接触单元计算刚柔、柔柔接触分析。把一个面指定为目标面（Targe），另一个面指定为接触面（conta），合起来叫接触对。接触单元被约束不能侵入目标面，然而目标单元能侵入接触面。2D目标单元，TARGE169： 2D面面接触单元：CONTA171 2D、2节点低阶单元，可用于二维实体、壳、梁单元的表面；CONTA172 2D、3节点高阶单元，可用于带中间节点的二维实体单元表面。3D目标单元，TARGE170：3.3 面面接触分析步骤、实例 Step1建立基体有限元模型，设置基体单元类型、实常数、材料特性，给基体分网： 命令：AMESH VMESH； Step2指定接触面和目标面，对于刚柔接触，目标面总是刚性面，对于柔柔接触，目标面和接触面的不同选择会产生不同的穿透（图3-1），并且影响求解精度。 接触面和目标面确定准则：如凸面和平面或凹面接触，应指定平面或凹面为目标面；如一个面上的网格较粗而另一个面上的网格较细，应指定粗网格面为目标面；如一个面比另一个面的刚度大，应指定刚度大的面为目标面；如一个面为高阶单元而另一面为低阶单元，应指定低阶单元面为目标面；如一个面比另一个面大，应指定大的面为目标面。 Step3设置单元选项和实常数，接触对由实常数号来定义，接触单元和目标单元必须具有相同的实常数。 Step4建立目标单元（网格），此步中所采用的方法依赖于目标面是刚性的还是柔性的。刚性目标面采用：直接生成(E命令)，自动划分(LMESH, AMEAH)；可变形目标面采用Main Menu>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单元MainMenu >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。 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·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。 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时，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。 Step6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。 Step7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。 Step8求解。 Step9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。第四章 点面接触单元4.1 概述 点面接触单元是90年代普遍使用的接触单元。由于点面接触单元理论上的限制，使它们被更新更好的面一面接触单元取代。点一面接触单元可以用来模拟一个表面和一个节点的接触；也可以把表面指定为一组节点，用点面接触单元来模拟面一面的接触。面一面接触单元处理角点接触有困难，因为它们采用高斯点作为接触检查点，在角点处会呈现过渡穿透。在此情况下，可以混合使用面一面接触单元和点面接触单元见图1。图1 点面接触单元不必知道接触面的位置。允许大变形，大的相对滑动，库仑摩擦滑动；接触面间可用不同的网格划分。点面接触是通过跟踪一个表面（接触面）上的点相对于另一表面（目标面）上的线或面的位置来表示的，程序使用接触单元来跟踪两个面的相对位置。接触单元形状为三角形、四面体或椎体，其底面由目标面上的节点组成，而顶点为接触面上的节点见图2。图2 点面接触单元在节点传递力（面面接触单元在高斯点传递力）此特性使其只能用于低阶单元（角节点）这是由于中间节点的单元节点上的反力不均匀(图3)：·单元不提供偏移功能用这些单元尚无法模拟梁和壳的厚度效应。图34.2 接触刚度 点面接触单元（conta48、49）要求给出罚刚度。可以通过实验来确定一个合适的接触刚度，使求解收敛而且侵入量可以接受。选择接触刚度：对于块状实体，通常赫芝接触刚度适用于罚刚度，可以这样来估算：K=fE式中：f=0.110系数； E=较软的接触体材料的弹性模量。 设f=1通常是一个较好的起始值。对于柔性体（梁和壳模型），系统的刚度可以比赫芝接触刚度低很多。此时可以将单位载荷施加到要接触的面上，先运行一个静态分析来确定模型的局部刚度，接触刚度可以这样来估算：上式适用于柔体接触，f=1100系数，设f=1是一个比较好的起始值。 4.3 点面接触分析步骤 建模与分网识别接触对生成接触单元（生成方法与面一面接触单元完全不同！）设置单元关键字（Keyopt）和实常数给定边界条件定义求解选项求解查看结果 Step 1建模并划分网格，建立接触基体的几何形状的模型，设置单元模型（只能用低阶单元）、实常数和材料特性、分网：Amesh或Vmesh Step 2识别接触对，通过定义接触单元来定义接触面。一般仅定义局部接触区域（能模拟所有必须的接触）以缩短计算时间。由于几何体和变形的多样化，可能有多个目标面和同一个接触面相互作用，在这种情况下必须定义多个接触对。对每个表面，需要建立一个包含表面节点上的组元，然后通过这些表面节点在接触面之间形成所有可能的接触形状。应该包括比实际需要更多的节点。 普通的点面接触功能通过多个交迭的接触单元来实现。在缺省的情况下，一个单元的每个接触点与每个可能的目标面连接，大表面上生成的单元总数会很快变得非常巨大(图4)。图4 Step 3生成接触单元，生成接触单元大致分为3步 (1)定义单元类型：Et,1,Contac48(2D)；Et,1,Contac49(3D) (2)定义接触单元的实常数，不同的接触面须有一个不同的实常数号（即便实常数值相同），便于程序区分不同的接触面。即每个接触对都需要指定一个新的实常数。 (3)在对应的接触对之间生成接触单元。生成接触单元使用GCGEN命令或对应菜单：Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Elements > Surf to Contact > Node to Surf。 综合Step 2和Step 3,可将生成接触单元的标准命令流总结如下： NSEL,S,NODE, ! 在接触面上选择一组节点 CM,CONTACT,NODE ! 将所有节点定义成组元“CONTACT” NSEL,S,NODE, ! 在目标单元上选择一组节点 CM,TARGET,NODE, ! 将所选节点定义成组元“TARGET” NSEL,ALL ! 选中所有节点 E, ! 设置单元类型 R, ! 选择实常数 ! * 生成接触单元 * GCGEN,CONTACT,TARGET ! 对称接触是一种好方法，因为它不需区分哪个面是接触面，哪个面是目标面 GCGEN,TARGET,CONTACT 关于GCGEN中的选项设置：用NUMC或RADC特性减少生成的单元数量，RADC通过定义以目标面质心为中心的园，并只在其间生成接触单元来限制生成的单元数量(图5)。图5 NUMC设置一个数值极限值，每个目标面上生成的接触单元数量不能大于此值。 Step 4设置单元关键字和实常数，使用点面接触单元时，程序使用单元关键字和实常数来控制接触行为。对常用的CONTAC48和49单元，单元关键字含义如下： KEYOPT(1)：选择自由度 KEYOPT(2)：选择罚函数的方法，0Penalty function罚函数法；1Penalty function + Lagrange multiplier（罚函数拉格朗日法） 缺省情况下单元采用罚函数法保证接触协调性。也可以选择混合罚函数和拉格朗日法,此方法还要指定一个穿透容差，单位为长度。 KEYOPT(3)：选择摩擦类型，0无摩擦；1弹性库仑摩擦；2刚性库仑摩擦 KEYOPT(7)：选择接触时间步长预测控制 CONTAC48、49单元对控制接触时间预测提供三种选择：（1）没有预测：当自动时间步长被打开并允许小的时间步长时，大多数静力分析选用此项。然而对加载过程中有不连续接触区域的问题，时间步长预测是必须的。KEYOPT(7) = 0（2）合理的时间步长：为保持一个合理的时间/载荷增量，需要在接触预测中选择此项。适用于静态分析和连续接触的瞬态分析。KEYOPT(7) = 1（建议采用）（3）最小的时间载荷增量预测：这个选项在碰撞和断续接触分析中有用。KEYOPT(7) = 2 CONTAC48和49单元实常数：各实常数含义如下：KN：定义法向刚度；KT：定义粘合接触刚度；TOLN：定义最大穿透容差；FACT：定义静摩擦与动摩擦的比值；CONT：定义接触传导率。 Step 5施加载荷、设定边界条件，建模时使接触体处于恰好的接触位置，使用给定的位移将它移到某个位置，接触分析中加载、设定边界条件方法与步骤和其它非线性分析相同。 Step 6定义求解选项，点面接触分析中常用求解设置及注意事项：时间步长必须足够小，如果时间步长太大，接触力的光滑传递将被破坏。为确保结果的准确性，可以打开自动步长（Autots,on）GUI: Main Menu > Solution > Load Step Opts > Time/Frequency > Time > Time Step。 设置一个合适的平衡迭代次数：NEQIT, 2575，GUI: Main Menu > Solution > Analysis Type > Soln Controls或Solution > Load Step Opts > Nonlinear > Equilibrium Iter打开时间步长预测（大转动分析除外）PRED, on：设置full Newton-Raphson选项，同时打开自适应下降；NROPT, full：许多接触分析不收敛是因为设置的接触刚度太大（实常数KN取值太大）造成的，这时需要减小接触刚度重新进行分析。 Step 7求解solve Step 8后处理，接触分析的结果主要包括位移、应力、应变和接触信息。 接触信息包括：接触压力、单元的现在和过去状态：分开（没有接触）；接触粘合状态；接触滑动状态；粘合=1；滑动=2或-2；分开=3或4；两个表面间的距离，如果是正值，两表面是分开的（STAT=3或4），如果是负值代表穿透量（STAT=1或2）；法向力Fn；滑动力Fs；通过动画显示接触结果随时间的变化规律是接触分析有效的、常用的处理方法。点接触单元接触结果后处理需要使用ETABLE。第五章 点点接触单元5.1 概述 点点接触单元是ANSYS早期开发的单元，但改进工作一直在进行。点点接触单元是最简单也是最高效的接触单元。当模型可以使用此类单元时，它们可以高效地模拟广泛的接触问题。 1、常用的点点接触单元 如果将Contac52和Contac178所有UZ自由度约束住，也可用于2D分析。三种点点接触单元中CONTA178单元提供最强的功能：更多的接触算法，精确的接触约束协调性（“0”穿透），更多的接触行为选项，定义接触法向更灵活 2、点点接触单元可以模拟面面接触问题，如果：相对滑动变形量可以忽略，两个面的偏移（转动）保持很小 3、点点接触单元在节点处传递力，此特性限制它们只能用低能单元（角节点），因为带中间节点的单元节点上约束反力不均匀。5.2 点点接触单元的生成方法 有三种方法生成点点接触单元： 1、直接生成； 2、在重合节点（或接近重合）上生成单元Step 1.在表面上选择节点，Step 2.为点点接触单元设置单元属性，Step 3生成单元Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Elements > Auto Numbered > At Coincid Nd； 3、在偏移节点上生成单元：对非重合节点很方便Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Elements > Auto Numbered > offset Nodes。 注意：此特性要求面间的分离必须小于重合容差，且必须小于每个面上节点间的距离。5.3 点点接触单元选项 1 接触协调性，CONTA178提供不同的接触算法：K2：纯拉格朗日乘子法，几乎0穿透和滑移，不需要接触刚度，更多的自由度出现震颤问题，用PCG求解器时不要使用，修正的拉格朗日方法，需要FKN和TOLN，纯罚函数方法，法向拉格朗日乘子法和切向罚函数法，CONTAC12和ConTAC52只限于罚函数法，指定接触刚度，单位：力/长度。 2 摩擦和接触行为，三种单元都支持摩擦，可为MU指定非0值，Conta178支持与面面接触单元同样类型的接触行为： 标准粗糙不分离（滑动）绑定不分离（永远）绑定接触（永远）绑定接触（初始接触），Contac12和Contac52只限于标准摩擦行为。 3 初始穿透，Conta178允许渐近化初始穿透，Contac12和Contac52支持初始间隙或初始穿透，但不能是渐进化的。 4 后处理，这些单元接触结果后处理需要采用ETABLE操作。5.4 以下接触分析用GUI与命令流做 Step 1.恢复数据库文件Utility Menu > File > Resume from，Node-to-node.db Step 2.添加3D点点接触单元/prep7 et,3,conta178 Step 3.为接触单元定义实常数，Main Menu > preprocessor > Add/ Edit/Delete Step 4. 设置单元属性Type,3 ! Conta178 Mat,1 Real,1 Step 5. 在重合节点建立点-点接触单元Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Elements > Auto Numbered > At Coincid Nd Tolerance of Coincidence = 0.0001 Nodal number Ordering = “Low to high”【OK】【pick all】或命令: EINTF, 0.0001 Step 6. 求解接触分析/Solu solve 注意：如果Conta178节点重合，则必须通过实常数NX,NY,NZ（间隙方向矢量的全局笛卡尔坐标X,Y,Z的分量）指定间隙方向。对本模型、接触方向平行于Y轴，因此矢量坐标为<NX,NY,NZ>= <0,1,0 >。 Step 7指定接触法向方向矢量GUI: Main Menu > Preprocessor > Real Constants > Add/Edit/Delete选 set 1【Edit】Type 3 CONTA 178【OK】Defined gap normal_X comp. NX = 0Defined gap normal_Y comp. NY = 1Defined gap normal_Z comp. NZ = 0或命令: RMODIF, 1, 6, 0, 1, 0。 Step 8求解小位移接触分析（注意：conta178单元不支持大变形）无论小变形还是大变形分析中单元保持其初始方向。/Solu solve。 Step 9.后处理Esel,s,Ename,solid185/POST1PLNSOL,S,EQV或 Main Menu > General Postproc > Plot Results > Contour Plot > Nodal SoluStress Von Mises SEQV【OK】。 Step 10.选择接触单元进行后处理，Utility Menu > Select > EntitiesElementsBy Elem NameElement NAME = Conta178或命令: ESEL, S, Ename, Conta178。Step 11为接触法向力（FN）和间隙尺寸（USEP）定义单元表（ETABLE）Conta178单元输出定义表命令：ETABLE,FN,SMISC,1；ETABLE,GAP,NMISC,3。 Step 12选择附于单元上的全部节点Utility Menu > Select > EntitiesNodesAttached to Elements选 From Full【Apply】 plot (画节点) 或命令：NSLENPLOT。 Step 13打开数值等值线标识Utility Menu> PlotCtrls > NumberingSVAL numeric Contour Values=on【OK】或命令：/pnum, sval, 1 Step 14.画接触法向力Main Menu > General Postproc > Element Table > Plot Elem TableItem to plotted = FNAverage at common nodes = yes-average【OK】或命令：PLETAB,FN,AVG。 Step 15.列表显示接触法向力和间隙尺寸Main Menu > General Postproc > Element Table > List Elem Table选：FNGAP【OK】 注意：检查GAP的极限值，负值表示干涉和闭合的间隙，此处最大穿透值为0。
