ANSYS主要的接触问题

• · 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3-1)。
图3-1
• 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。
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· KEYOPT(1):选择自由度 · KEYOPT(2):选择罚函数的方法 0－Penalty function罚函数法 1－Penalty 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
图1-1
• · 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(图1-2)。
图1-2
• · 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1-3)： • · 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1-3
§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 = 0.1～10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 = 1～100系数，设f = 1是一个 比较好的起始值。
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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
• (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，哪个是目标面 • GCGEN,TARGET,CONTACT
• 其中node-to-surface.db 包括 有限元模型几何，材料，边界条 件、加载、分网。
操作步骤：
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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
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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, 25～75 GUI: Main Menu > Solution > Analysis Type > Solˊn 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。
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LATT,1,1,1,,3 LMESH,ALL FINISH /SOLUTION DK,1,ALL,0 $DK,5,ALL,0 $DK,2,UY,-30 /PBC,U,,1 /PBC,ROT,,1 FINISH EPLOT SAVE,node-tosurface,db
第四章 点－面接触单元
• §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(图1-1)
• 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 3-2)。
图3-2
－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(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： • －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 • －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） • －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：
CONTAC48的序列号见CONTAC48单元库。
§4 点一面接触问题分析实例
• 例1.梁端部接触 • 目标：验证采用点一面接触单元模拟梁端部接触。 • 建立2D点一面接触单元，求解大变形接触分析并进行后 处理。图4-1 • 模型描述：悬臂梁施加端部位移(图4-1)。
图4-1
• 文件: node_to_surface.inp • /PREP7 • ET,1,BEAM3 • B=0.5 • H=0.5 • R,1,B*H,B*(H**3)/12, H • MP,EX,1,30e6 • K,1,0,0,0 $K,2,100,0,0 • K,3,0,1,0 $K,4,75,-10 $K,5,175,-10 • L,1,2 $L,4,5 • LESIZE,ALL,,,20
• Step 4.选择接触点
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Utility Menu > Select > Entities… Nodes By Num/Pick 选择“From Full” 【OK】 拾取节点2 【OK】 或命令：Nsel,,,,2 Step 5.建立接触节点组元 Utility Menu > Select > Comp/Assembly > Create Component Component name = CONTACT Component is made of = nodes 【OK】 命令：CM,CONTACT,node
§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。