Ansys非线性接触分析和设置

Ansys非线性接触分析和设置

5.4.9 设置实常数和单元关键选项

程序使用20个实常数和数个单元关键选项，来控制面─面接触单元的接触。参见《ANSYS Elements Reference》中对接触单元的描述。

5.4.9.1 实常数

在20个实常数中，两个(R1和R2)用来定义目标面单元的几何形状。剩下的用来控制接触面单元。

R1和R2 定义目标单元几何形状。

FKN 定义法向接触刚度因子。

FTOLN 是基于单元厚度的一个系数，用于计算允许的穿透。

ICONT 定义初始闭合因子。

PINB 定义“Pinball"区域。

PMIN和PMAX 定义初始穿透的容许范围。

TAUMAR 指定最大的接触摩擦。

CNOF 指定施加于接触面的正或负的偏移值。

FKOP 指定在接触分开时施加的刚度系数。

FKT 指定切向接触刚度。

COHE 制定滑动抗力粘聚力。

TCC 指定热接触传导系数。

FHTG 指定摩擦耗散能量的热转换率。

SBCT 指定 Stefan-Boltzman 常数。

RDVF 指定辐射观察系数。

FWGT 指定在接触面和目标面之间热分布的权重系数。

FACT 静摩擦系数和动摩擦系数的比率。

DC 静、动摩擦衰减系数。

命令： R

GUI：main menu> preprocessor>real constant

对实常数 FKN, FTOLN, ICONT, PINB, PMAX, PMIN, FKOP 和 FKT，用户既可以定义一个正值，也可以定义一个负值。程序将正值作为比例因子，将负值作为绝对值。程序将下伏单元的厚度作为ICON，FTOLN，PINB，PMAX 和 PMIN 的参考值。例如 ICON = 0.1 表明初始闭合因子是“0.1*下层单元的厚度”。然而，ICON = -0.1 则表示真实调整带是 0.1 单位。如果下伏单元是超单元，则将接触单元的最小长度作为厚度。参见图5-8。

图5-8 下层单元的厚度

在模型中，如果单元尺寸变化很大，而且在实常数如 ICONT, FTOLN, PINB, PMAX, PMIN 中应用比例系数，则可能会出现问题。因为从比例系数得到的实际结果，取决于下层单元的厚度，这就可能引起大、小单元之间的重大变化。如果出现这一问题，请用绝对值代替比例系数。

TCC, FHTG, SBCT, RDVF 和 FWGT 仅用于热接触分析[KEYOPT(1)=1]。

5.4.9.2 单元关键选项

每种接触单元都包括数个关键选项。对大多的接触问题，缺省的关键选项是合适的。而在某些情况下，可能需要改变缺省值。下面是可以控制接触行为的一些关键选项：

自由

度 KEYOPT(1)

接触算法(罚函数+拉格朗日乘子或罚函数) KEYOPT(2)

存在超单元时的应力状态(仅2D) KEYOPT(3)

接触检测点的位置(仅低阶接触单元) KEYOPT(4)

CNOF自动调

整 KEYOPT(5)

时间步控制 KEYOPT(7)

伪接触预防 KEYOPT(8)

初始穿透或间隙的影响 KEYOPT(9)

法向和切向接触刚度修正方法控制 KEYOPT(10)

壳的厚度影响 KEYOPT(11)

接触面行为(粗糙、绑定等) KEYOPT(12)

命令： KEYOPT

ET

GUI：main menu>preprocessor>Elemant Type>Add/Edit/Delete

5.4.9.3 选择接触算法

对面─面接触单元，程序可以使用增进的拉格朗日方法或罚函数方法。通过单元关键字 KEYOPT(2)来指定。

增进的拉格朗日方法是为了找到精确的拉格朗日乘子（即接触力），而对罚函数进行一系列修正迭代。与罚函数的方法相比，拉格朗日方法容易得到良态条件，对接触刚度的敏感性较小。然而，在有些分析中，增进的拉格朗日方法可能需要更多的迭代，特别是在变形后网格变得太扭曲时。

使用拉格朗日方法的同时应使用实常数 FTOLN。FTOLN 为拉格朗日方法指定容许的最大穿透。如果程序发现穿透大于此值时，即使不平衡力和位移增量已经满足了收敛准则，总的求解仍被当作不收敛处理。FTLON 的缺省值为0.1。用户可以改变这个值，但要注意，如果此值太小，可能会造成太多的迭代次数或者不收敛。

5.4.9.4 确定接触刚度

所有的接触问题都需要定义接触刚度，两个表面之间穿透量的大小取决于接触刚度。过大的接触刚度可能会引起总刚矩阵的病态，从而造成收敛困难。一般来说，应该选取足够大的接触刚度以保证接触穿透小到可以接受，但同时又应该让接触刚度足够小以不致引起总刚矩阵的病态而保证收敛性。

ANSYS 程序根据下伏柔体单元的材料特性，来估计一个缺省的接触刚度值。用户可用实常数 FKN 来为接触刚度指定一个比例因子或指定一个绝对值。比例因子一般在0.01和10之间；对于大变形问题，选1是比较好的；而对于弯曲为主的问题，通常为0.01～0.1。用户应当总是检验以使穿透到达极小值，而又避免过多的迭代次数。

注意 --FTOLN 和 FKN 从一个荷载步到另一个荷载步中，都可以修改。也可以在重启动中修改。这时，必须定义KEYOPT(10)=1,2。

为了确定一个较好的接触刚度值，可能需要一些经验。用户可以按下面的步骤来进行尝试：

1、开始时取一个较低的值。低估值要比高估值好，因为由一个较低的接触

刚度导致的穿透问题，比过高的接触刚度导致的收敛性困难，要容易解

决。

2、对前几个子步进行计算分析，直到最终荷载的一个比例(刚好完全建立

接触)。

3、检查每一子步中的穿透量和平衡迭代次数。如果总体收敛困难是由过大

的穿透引起的(而不是由不平衡力和位移增量引起的)，那么可能低估了

FKN 的值，或者是将 FTOLN 的值取得大小。如果总体的收敛困难是由

于不平衡力和位移增量达到收敛值时需要过多的迭代次数，而不是由于

过大的穿透量引起的，那么 FKN 的值可能被高估。

4、按需要调整 FKN 或 FTOLN 的值，重新进行完整的分析。

注意--如果穿透控制变成总体平衡迭代中的主因(如果为使问题收敛到穿透容差内，比收敛到不平衡力的容差内，需要更多的迭代)，用户应该增大 FTOLN 值，以允许更多的穿透，或增大 FKN。

5.4.9.5 选择摩擦类型

在基本的库仑摩擦模型中，两个接触面在开始相互滑动之前，在它们的界面上会有达到某一大小的剪应力产生。这种状态称为粘合状态(stick)。库仑摩擦模型定义了一个等效剪应力τ，在某一法向压应力p作用下剪应力达到此值时表面开始滑动(τ=μp+COHE，其中μ是摩擦系数--MU--作为材料特性定义，而COHE 是粘聚力)。一旦剪应力超过此值后，两个表面之间将开始相互滑动。这种状态，叫作滑动状态(Sliding)。粘合/滑动计算决定什么时候一个点从粘合状态到滑动状态，或从滑动状态变到粘合状态。摩擦系数可以是任一非负值，程序缺省值为表面之间无摩擦。对于粗糙或绑定接触( KEYOPT(12)=1、3、5、6)，程序将不管给定的 MU 值而认为摩擦阻力无限大。

程序提供了一个人为指定最大等效剪应力的选项，不管接触压力值的大小，如果等效剪应力达到此值时，即发生滑动，见图5-9。为了指定接触界面上最