ansys接触问题牛人的经验之谈.pdf

《ansys接触问题牛人的经验之谈.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《ansys接触问题牛人的经验之谈.pdf（4页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、ansys 接触问题牛人的经验之谈 Revised final draft November 26,2020接触问题的关键在于接触体间的相互关系（废话，），此关系又可分为在接触前后的法向关系与切法向向关关系系。：在 法 向，必 须 实 现 两 点：1）接 触 力 的 传 递。2）两 接 触 面 间 没 有 穿 透。A N S Y S 通 过 两 种 算 法 来 实 现 此 法 向 接 触 关 系：罚 函 数 法 和 拉 格 朗 日 乘 子 法。1罚函数法是通过接触刚度在接触力与接触面间的穿透值（接触位移）间建立力与位移的线性关系：&n b s p;&n b s p;&n b s p;&n b

2、s p;接 触 刚 度*接 触 位 移=法 向 接 触 力对面面接触单元 17*，接触刚度由实常数 FKN 来定义。穿透值在程序中通过分离的接触体上节点间的距离来计算。接触刚度越大，则穿透就越小，理论上在接触刚度为无穷大时，可以实现完全的接触状态，使穿透值等于零。但是显而易见，在程序计算中，接触刚度不可能为无穷大（否则病 态），穿 透 也 就 不 可 能 真 实 达 到 零，而 只 能 是 个 接 近 于 零 的 有 限 值。以上力与位移的接触关系可以很容易地合并入整个结构的平衡方程组 K*X=F 中去。并不改变总刚K1的大小。这种罚函数法有以下几个问题必须解决：）接触刚度FKN应该取多大2）

3、接 触 刚 度 F K N 取 大 些 可 以 减 少 虚 假 穿 透，但 是 会 使 刚 度 矩 阵 成 为 病 态。3）既然与实际情况不符合的虚假穿透既然是不可避免的，那么 可以允许有多大为合 适因此，在 ANSYS 程序里，通常输入 FKN 实常数不是直接定义接触刚度的数值，而是接触体下单元刚度的一个因子，这使得用户可以方便地定义接触刚度了，一般 FKN 取 0.1 到 1 中间的值。当然，在需要时，也可以把接触刚度直接定义，FKN 输入为负数，则程序将其值理解为直接输入的接触刚度值。对于接近病态的刚度阵，不要使用迭代求解器，例如 PCG 等。它们会需要更多的迭代次数，并有可能不收敛。可

4、以使用直接法求解器，例如稀疏求解器等。这些求解器可以有效求解病态问题。穿透的大小影响结果的精度。用户可以用PLESOL,CONT,PENE来在后处理中查看穿透的数值大小。如果使用的是罚函数法求解接触问题，用户一般需要试用多个 FKN 值进行计算，可以先用一个较小的 FKN 值开始计算，例如 0.1。因为较小的 FKN 有助于收敛，然后再逐步增加 FKN 值进行一系列计算，最后得到一个满意的穿透值。FKN 的收敛性要求和穿透太大产生的计算误差总会是一对矛盾。解决此矛盾的办法是在接触算法中采用扩展拉格朗日乘子法。此方法在接触问题的求解控制中可以有更多更灵活的控制。可以更快2的拉实格现朗日一乘个子需

5、法与要扩的展拉穿格透朗极日乘限子。法拉格朗日乘子法与罚函数法不同，不是采用力与位移的关系来求接触力，而是把接触力作为一个独立自由度。因此这里不需要进行迭代，而是在方程里直接求出接触力（接触压力）来。Kx=F+Fcontact从而，拉格朗日乘子法不需要定义人为的接触刚度去满足接触面间不可穿透的条件，可以直接实现穿透为零的真实接触条件，这是罚函数法所不可能实现的。使用拉格朗日乘子法有下列注意事项：1）刚度矩阵中将有零对角元，使有些求解器不克使用。只能使用直接法求解器，例如波前法或系 数 求 解 器。而P C G之 类 迭 代 求 解 器 是 不 能 用 于 有 零 主 元 问 题 的。2）由于增加

6、了额外的自由度，刚度阵变大了。3）一个可能发生的严重问题，就是在接触状态发生变化时，例如从接触到分离，从分离到接触，此时接触力有个突变，产生chattering（接触状态的振动式交替改变）。如何控制这种chattering，是纯粹拉格朗日法所难以解决的。因此，为控制 chattering，ANSYS 采用的是罚函数法与拉格朗日法混合的扩展拉格朗日乘子法。在扩展拉格朗日法中，可以采用实常数 TOLN 来控制最大允许穿透值。还有最大允许拉力 FTOL。这两个参数只对扩展拉格朗日乘子法有效。在扩展拉格朗日乘子法里，程序按照罚函数法开始，与纯粹拉格朗日法类似，用 TOLN 来控制最大允许穿透值。如果迭

7、代中发现穿透大于允许的 TOLN 值，（对 178 单元是 TOLN，而对面面接触单元 171-174 则是 FTOLN）则将各个接触单元的接触刚度加上接触力乘以拉格朗日乘子的数值。因此，这种扩展拉格朗日法是不停更新接触刚度的罚函数法，这种更新不断重复，直到计算的穿透值小于允许值为止。尽管与拉格朗日法相比，扩展拉格朗日法的穿透并不是零，与罚函数法相比，可能迭带次数会更多。扩展拉格朗日法有下列优点：1）较 少 病 态，个 接 触 单 元 的 接 触 刚 度 取 值 可 能 更 合 理。2）与罚函数法相比较少病态，与单纯的拉格朗日法相比，没有刚度阵零对角元。因此在选择求解器上没有限制，PCG 等迭代求解器都可以应用。3）用户可以自由控制允许的穿透值 TOLN。（如果输入了 TOLN，而使用罚函数法，则程序忽略它）切向关系：摩擦的处理与法向接触力类似。由于摩擦是非对称的，使问题变的更为复杂。ANSYS 缺省是做对称求解，即使用对称求解器作近似求解。但是可以改变几个选项强迫做非对称求解。非对称求解更精确，但是计算量大许多。