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＝0Keyopt的介绍，以Target170,Conta173为例：首先介绍170的KeyoptKEYOPT（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-DYNAUsersGuide》。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CONTAC12CONTAC52CONTA178CONTAC26CONTAC48CONTAC49CONTAC171,172TARGET169CONTAC173,174TARGET170点-点YYY点-面YYY面-面YYYY2-DYYYYYY3-DYYYY滑动小小小大大大大大曲面YY圆柱间隙YY纯Lagrange乘子Y增加Lagrange乘子YYYYY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EINTFEINTFNoneGCGENGCGENESURFESURF低阶YYYYYYYY高阶YYY刚体-柔体YYYYYYYY柔体-柔体YYYYYYY热接触YYYY5.3.1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。