ANSYS接触分析+子模型
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STEP1：建立模型，并划分网格 ：建立模型， 在这一步中， 在这一步中，需要建立代表接触体几何形状的 实体模型，并设置好单元类型、实常数、 实体模型，并设置好单元类型、实常数、材料特 性等。注意要利用恰当的单元类型给接触体划分 性等。 网格。 网格。 STEP2：识别接触对 ： 判断潜在的接触面， 判断潜在的接触面，通过目标单元和接触单元 来指定它们，并定义好接触区域的大小。 来指定它们，并定义好接触区域的大小。 STEP3：指定接触面和目标面 ： 接触单元不能穿透目标面， 接触单元不能穿透目标面，但目标单元可以穿 透接触面， 对柔-柔接触 柔接触， 透接触面 ， 对柔 柔接触 ， 目标面和接触面的指 定应考虑以下准则： 定应考虑以下准则：
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b. 使用ANSYS网格划分工具生成刚性目标单元 使用 网格划分工具生成刚性目标单元 可以使用标准的ANSYS网格划分功能让程序自 可以使用标准的 网格划分功能让程序自 动地生成目标单元， 动地生成目标单元， 程序将会以实体模型为基础 生成合适的目标单元形状。有如下操作： 生成合适的目标单元形状。有如下操作： •生成 生成Pilot节点： 节点： 生成 节点
一旦指定了目标单元形状， 一旦指定了目标单元形状 ， 以后生成的所有单 元均保持这一形状。 元均保持这一形状。 然后利用下述命令生成单元 和节点： 和节点：
Main Menu >Preprocessor > Modeling-Create>Nodes Main Menu >Preprocessor > Modeling-Create>Element
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STEP5：定义柔性体的接触面 ： 使 用 Conta171 、 172(2-D) ； Conta173 、 174(3-D)来定义。 来定义。 来定义 1、单元类型： 、单元类型： Conta171： 2-D节点低阶线单元 ； Conta172： 节点低阶线单元； ： 节点低阶线单元 ： 2-D，3节点高阶抛物线单元 2-D，3节点高阶抛物线单元。 节点高阶抛物线单元。 Conta173 ： 3-D ， 4 节点低阶 四边形 单元 ； Conta174：3-D，8节点高阶四边形单元。 节点高阶四边形单元。 ： ， 节点高阶四边形单元 2、实常数和材料特性 、 每个接触对的接触面和目标面必须具有相同 的实常数号， 的实常数号 ， 而每个接触对必须有它自己不同 的实常数号。 的实常数号。
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a. 直接生成法生成目标单元
Main Menu>Preprocessor>Modeling-Create> Elements > Element Attributes 然 后指定单元形状 ， 可能的形状有 ： Straight Line(2D)、Parabola(2D)、Clockwise Arc(2D)、 Counter 、 、 、 clockwise Arc(2D)、 Circle(2D)、 Triangle(3D)、 Cylinder 、 、 、 (3D)、Cone(3D)、Sphere(3D)、Pilot Node(2D,3D) 、 、 、
接触分析
1. ..... 2. ..... 3. ..... Procedure
Lesson Objectives
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ANSYS支持三种接触方式 ： 点 -点 、 点 -面和面 面 支持三种接触方式： 点 面和面-面 支持三种接触方式 面和面 接触。有限元模型通过指定的接触单元来识别可能的 Guidelines 接触。 接触对， 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。 层单元。 一、点-点接触单元 点接触单元 该单元主要用于模拟点-点的接触行为 点的接触行为， 该单元主要用于模拟点 点的接触行为，但需预先知 道接触位置。这类接触只适用于接触面之间有较小相 道接触位置。 对滑动的情况。如果两个面上的节点一一对应， 对滑动的情况。如果两个面上的节点一一对应，相对 滑动又可以忽略不计，且两个面的挠度保持小量， 滑动又可以忽略不计，且两个面的挠度保持小量，则 可以由点-点接触单元来求解面 面的接触问题。 点接触单元来求解面-面的接触问题 可以由点 点接触单元来求解面 面的接触问题。 二、点-面接触单元 面接触单元 该单元主要用于给点-面的接触行为建模 面的接触行为建模， 该单元主要用于给点 面的接触行为建模，例如两根 梁的相互接触。使用这类单元不需预先知道接触位置， 梁的相互接触。使用这类单元不需预先知道接触位置， 接触面之间也不需要保持一致的网格， 接触面之间也不需要保持一致的网格，并允许有大变 形和大的相对滑动。 形和大的相对滑动。
Main Menu>Preprocessor>Meshing -Mesh>Areas。 。
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推荐使用三角形的映射网格划分。 推荐使用三角形的映射网格划分。 4、检验目标面的接触方向 、 目标面的节点号顺序是重要的， 目标面的节点号顺序是重要的，它定义了接 触方向。 触方向。 2-D： 对2-D：当沿着目标线从第一个节点移向第二 个节点时， 个节点时，变形体的接触单元必须位于目标面 的右边。 的右边。 对3-D：目标三角形单元节点号应该使刚性面 ： 的外法线方向指向接触面(右手法则 右手法则)。 的外法线方向指向接触面 右手法则 。
若下面的基本单元为梁或壳单元， 若下面的基本单元为梁或壳单元 ， 必须指明哪个 表面是接触面， 使用上表面生成接触单元， 表面是接触面 ， 使用上表面生成接触单元 ， 则它们 的外法向与梁或壳的外法向相同；反之相反。 的外法向与梁或壳的外法向相同；反之相反。 3) 检查接触单元的外法线方向 接触面的外法线(由节点号顺序按右手定则定 由节点号顺序按右手定则定)应指 接触面的外法线 由节点号顺序按右手定则定 应指 向目标面。 当发现单元的外法线方向不正确时， 向目标面 。 当发现单元的外法线方向不正确时 ， 必 须通过反转不正确单元的节点号来改变它们： 须通过反转不正确单元的节点号来改变它们 ： Main
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•当凸面和平面或凹面接触时，应指定平面或凹 当凸面和平面或凹面接触时， 当凸面和平面或凹面接触时 面作为目标面； 面作为目标面； •细网格所在面为接触面，粗网格面为目标面； 细网格所在面为接触面， 细网格所在面为接触面 粗网格面为目标面； •较硬者为目标面，较软者为接触面； 较硬者为目标面， 较硬者为目标面 较软者为接触面； •基础单元为高阶单元的面为接触面，为低阶单 基础单元为高阶单元的面为接触面， 基础单元为高阶单元的面为接触面 元的面为目标面； 元的面为目标面； •大面作为目标面，小面作为接触面。 大面作为目标面， 大面作为目标面 小面作为接触面。 STEP4：定义刚性目标面 ： 利用Targe169(2-D)和 Targe170(3-D)来表示 ： 来表示： 利用 和 来表示 对2-D，目标面的形状可以通过一系列直线、圆 ，目标面的形状可以通过一系列直线、 弧和抛物线来描述； 弧和抛物线来描述；对3-D，目标面形状可以通 ， 过三角面、圆柱面、圆锥面和球面来描述。 过三角面、圆柱面、圆锥面和球面来描述。 1、控制节点 节点) 、控制节点(Pilot节点 节点
Guidelines
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进行接触分析
不同的接触分析类型有不同的过程。 不同的接触分析类型有不同的过程。 一、面-面的接触分析 面的接触分析 接触向导为建立接触对提供了一种简单的方 法 。 进 入 接 触 向 导 ： Main Menu>Create> Contact Pair> Contact Wizard。进入接触向导 。 之前，对柔-柔接触 柔接触， 之前，对柔 柔接触，需将要接触的所有部分划 分网格；对刚-柔接触 柔接触， 分网格；对刚 柔接触，只需对柔体接触面的部 分划分网格。 面接触分析的步骤如下 面接触分析的步骤如下： 分划分网格。面-面接触分析的步骤如下：
7来自百度文库
利用这个节点的运动可以控制整个目标面的运 动，整个目标面的受力和转动情况可以通过它表 示出来。只有当需要转动或力矩载荷时， 示出来。只有当需要转动或力矩载荷时，Pilot节 节 点的位置才是重要的，否则可以为任意位置。 点的位置才是重要的，否则可以为任意位置。对 圆柱、 圆锥、 球等基本图元， 圆 、 圆柱 、 圆锥 、 球等基本图元 ， ANSYS总是 总是 使用第一个节点作为Pilot节点。 节点。 使用第一个节点作为 节点 2、基本图元 、 可以使用圆、圆柱、圆锥、 可以使用圆、圆柱、圆锥、球等基本图元来模 拟目标面。 拟目标面。 3、单元类型和实常数 、 Targe169和 Targe170只需设置实常数 和 R2， 只需设置实常数R1和 ， 和 只需设置实常数 而且只有在使用直接生成法建立目标单元时， 而且只有在使用直接生成法建立目标单元时，才 需要人为指定实常数R1， 。 需要人为指定实常数 ，R2。
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3、生成接触单元 、 推荐使用自动生成单元法，步骤为： 推荐使用自动生成单元法，步骤为： 1) 选择节点 ： 选择已划分为网格的柔性体表面的节 选择节点： 应保证所有可能与目标面接触的节点被选中。 点，应保证所有可能与目标面接触的节点被选中。 2) 生成接触单元： 生成接触单元：
Main Menu>Preprocessor>Create>Element>on Free Surface
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Contact48和 49是点 面的接触单元 。 同样 ， 和 是点 面的接触单元。 同样， 是点-面的接触单元 也可以由该单元来模拟面-面的接触行为 面的接触行为， 也可以由该单元来模拟面 面的接触行为，如 将插头插到插座里这样的问题。 将插头插到插座里这样的问题。 三、面-面接触单元 面接触单元 ANSYS支持刚 柔 、 柔 -柔的面 面接触单元 ， 支持刚-柔 柔的面-面接触单元 支持刚 柔的面 面接触单元， 刚性面被当作“ 目标” 面分别用Targe169和 刚性面被当作 “ 目标 ” 面分别用 和 Targe170来模拟 来模拟2-D和 3-D的 “ 目标 ” ； 柔性 来模拟 和 的 目标” 体的表面被当作“接触“ 体的表面被当作 “ 接触 “ 面 ， 用 Conta171(2D) 、 Conta172(2-D) 、 Conta173(3-D) 、 Conta174(3-D)来模拟。 程序通过一个共享的 来模拟。 来模拟 实常数号来识别“ 接触对” 实常数号来识别 “ 接触对 ” ， 因此目标单元 和接触单元应具有相同的实常数号。 和接触单元应具有相同的实常数号。
Main Menu>Preprocessor>Meshing -Mesh>Keypoints
•生成 生成2-D目标单元： 目标单元： 生成 目标单元
Main Menu>Preprocessor>Meshing -Mesh>Lines
在每条直线上生成单一的线， 在每条直线上生成单一的线 ， 在样条曲线上生 成抛物线部分， 成抛物线部分 ， 在每条圆弧和倒角上生成圆弧部 如果所有圆弧形成一个封闭的圆， 分 ， 如果所有圆弧形成一个封闭的圆， 生成一个 单一的圆。 单一的圆。 •生成 生成3-D目标单元： 目标单元： 生成 目标单元
Guidelines
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面接触的优点： 面-面接触的优点： 面接触的优点 •支持低阶和高阶单元； 支持低阶和高阶单元； 支持低阶和高阶单元 •支持有大滑动和有摩擦的大变形，协调刚度 支持有大滑动和有摩擦的大变形， 支持有大滑动和有摩擦的大变形 阵计算，单元提供不对称刚度阵的选项； 阵计算，单元提供不对称刚度阵的选项； •提供为工程目的所采用的更好的接触结果， 提供为工程目的所采用的更好的接触结果， 提供为工程目的所采用的更好的接触结果 如法向压力和摩擦应力； 如法向压力和摩擦应力； •没有刚体表面形状的限制，允许有自然的或 没有刚体表面形状的限制， 没有刚体表面形状的限制 网格离散引起的表面不连续； 网格离散引起的表面不连续； •需要较点 面接触所需较小的接触单元数； 需要较点-面接触所需较小的接触单元数 需要较点 面接触所需较小的接触单元数； •允许多种建模控制，支持死活单元。 允许多种建模控制， 允许多种建模控制 支持死活单元。
STEP1：建立模型，并划分网格 ：建立模型， 在这一步中， 在这一步中，需要建立代表接触体几何形状的 实体模型，并设置好单元类型、实常数、 实体模型，并设置好单元类型、实常数、材料特 性等。注意要利用恰当的单元类型给接触体划分 性等。 网格。 网格。 STEP2：识别接触对 ： 判断潜在的接触面， 判断潜在的接触面，通过目标单元和接触单元 来指定它们，并定义好接触区域的大小。 来指定它们，并定义好接触区域的大小。 STEP3：指定接触面和目标面 ： 接触单元不能穿透目标面， 接触单元不能穿透目标面，但目标单元可以穿 透接触面， 对柔-柔接触 柔接触， 透接触面 ， 对柔 柔接触 ， 目标面和接触面的指 定应考虑以下准则： 定应考虑以下准则：
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b. 使用ANSYS网格划分工具生成刚性目标单元 使用 网格划分工具生成刚性目标单元 可以使用标准的ANSYS网格划分功能让程序自 可以使用标准的 网格划分功能让程序自 动地生成目标单元， 动地生成目标单元， 程序将会以实体模型为基础 生成合适的目标单元形状。有如下操作： 生成合适的目标单元形状。有如下操作： •生成 生成Pilot节点： 节点： 生成 节点
一旦指定了目标单元形状， 一旦指定了目标单元形状 ， 以后生成的所有单 元均保持这一形状。 元均保持这一形状。 然后利用下述命令生成单元 和节点： 和节点：
Main Menu >Preprocessor > Modeling-Create>Nodes Main Menu >Preprocessor > Modeling-Create>Element
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STEP5：定义柔性体的接触面 ： 使 用 Conta171 、 172(2-D) ； Conta173 、 174(3-D)来定义。 来定义。 来定义 1、单元类型： 、单元类型： Conta171： 2-D节点低阶线单元 ； Conta172： 节点低阶线单元； ： 节点低阶线单元 ： 2-D，3节点高阶抛物线单元 2-D，3节点高阶抛物线单元。 节点高阶抛物线单元。 Conta173 ： 3-D ， 4 节点低阶 四边形 单元 ； Conta174：3-D，8节点高阶四边形单元。 节点高阶四边形单元。 ： ， 节点高阶四边形单元 2、实常数和材料特性 、 每个接触对的接触面和目标面必须具有相同 的实常数号， 的实常数号 ， 而每个接触对必须有它自己不同 的实常数号。 的实常数号。
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a. 直接生成法生成目标单元
Main Menu>Preprocessor>Modeling-Create> Elements > Element Attributes 然 后指定单元形状 ， 可能的形状有 ： Straight Line(2D)、Parabola(2D)、Clockwise Arc(2D)、 Counter 、 、 、 clockwise Arc(2D)、 Circle(2D)、 Triangle(3D)、 Cylinder 、 、 、 (3D)、Cone(3D)、Sphere(3D)、Pilot Node(2D,3D) 、 、 、
接触分析
1. ..... 2. ..... 3. ..... Procedure
Lesson Objectives
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ANSYS支持三种接触方式 ： 点 -点 、 点 -面和面 面 支持三种接触方式： 点 面和面-面 支持三种接触方式 面和面 接触。有限元模型通过指定的接触单元来识别可能的 Guidelines 接触。 接触对， 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。 层单元。 一、点-点接触单元 点接触单元 该单元主要用于模拟点-点的接触行为 点的接触行为， 该单元主要用于模拟点 点的接触行为，但需预先知 道接触位置。这类接触只适用于接触面之间有较小相 道接触位置。 对滑动的情况。如果两个面上的节点一一对应， 对滑动的情况。如果两个面上的节点一一对应，相对 滑动又可以忽略不计，且两个面的挠度保持小量， 滑动又可以忽略不计，且两个面的挠度保持小量，则 可以由点-点接触单元来求解面 面的接触问题。 点接触单元来求解面-面的接触问题 可以由点 点接触单元来求解面 面的接触问题。 二、点-面接触单元 面接触单元 该单元主要用于给点-面的接触行为建模 面的接触行为建模， 该单元主要用于给点 面的接触行为建模，例如两根 梁的相互接触。使用这类单元不需预先知道接触位置， 梁的相互接触。使用这类单元不需预先知道接触位置， 接触面之间也不需要保持一致的网格， 接触面之间也不需要保持一致的网格，并允许有大变 形和大的相对滑动。 形和大的相对滑动。
Main Menu>Preprocessor>Meshing -Mesh>Areas。 。
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推荐使用三角形的映射网格划分。 推荐使用三角形的映射网格划分。 4、检验目标面的接触方向 、 目标面的节点号顺序是重要的， 目标面的节点号顺序是重要的，它定义了接 触方向。 触方向。 2-D： 对2-D：当沿着目标线从第一个节点移向第二 个节点时， 个节点时，变形体的接触单元必须位于目标面 的右边。 的右边。 对3-D：目标三角形单元节点号应该使刚性面 ： 的外法线方向指向接触面(右手法则 右手法则)。 的外法线方向指向接触面 右手法则 。
若下面的基本单元为梁或壳单元， 若下面的基本单元为梁或壳单元 ， 必须指明哪个 表面是接触面， 使用上表面生成接触单元， 表面是接触面 ， 使用上表面生成接触单元 ， 则它们 的外法向与梁或壳的外法向相同；反之相反。 的外法向与梁或壳的外法向相同；反之相反。 3) 检查接触单元的外法线方向 接触面的外法线(由节点号顺序按右手定则定 由节点号顺序按右手定则定)应指 接触面的外法线 由节点号顺序按右手定则定 应指 向目标面。 当发现单元的外法线方向不正确时， 向目标面 。 当发现单元的外法线方向不正确时 ， 必 须通过反转不正确单元的节点号来改变它们： 须通过反转不正确单元的节点号来改变它们 ： Main
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•当凸面和平面或凹面接触时，应指定平面或凹 当凸面和平面或凹面接触时， 当凸面和平面或凹面接触时 面作为目标面； 面作为目标面； •细网格所在面为接触面，粗网格面为目标面； 细网格所在面为接触面， 细网格所在面为接触面 粗网格面为目标面； •较硬者为目标面，较软者为接触面； 较硬者为目标面， 较硬者为目标面 较软者为接触面； •基础单元为高阶单元的面为接触面，为低阶单 基础单元为高阶单元的面为接触面， 基础单元为高阶单元的面为接触面 元的面为目标面； 元的面为目标面； •大面作为目标面，小面作为接触面。 大面作为目标面， 大面作为目标面 小面作为接触面。 STEP4：定义刚性目标面 ： 利用Targe169(2-D)和 Targe170(3-D)来表示 ： 来表示： 利用 和 来表示 对2-D，目标面的形状可以通过一系列直线、圆 ，目标面的形状可以通过一系列直线、 弧和抛物线来描述； 弧和抛物线来描述；对3-D，目标面形状可以通 ， 过三角面、圆柱面、圆锥面和球面来描述。 过三角面、圆柱面、圆锥面和球面来描述。 1、控制节点 节点) 、控制节点(Pilot节点 节点
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进行接触分析
不同的接触分析类型有不同的过程。 不同的接触分析类型有不同的过程。 一、面-面的接触分析 面的接触分析 接触向导为建立接触对提供了一种简单的方 法 。 进 入 接 触 向 导 ： Main Menu>Create> Contact Pair> Contact Wizard。进入接触向导 。 之前，对柔-柔接触 柔接触， 之前，对柔 柔接触，需将要接触的所有部分划 分网格；对刚-柔接触 柔接触， 分网格；对刚 柔接触，只需对柔体接触面的部 分划分网格。 面接触分析的步骤如下 面接触分析的步骤如下： 分划分网格。面-面接触分析的步骤如下：
7来自百度文库
利用这个节点的运动可以控制整个目标面的运 动，整个目标面的受力和转动情况可以通过它表 示出来。只有当需要转动或力矩载荷时， 示出来。只有当需要转动或力矩载荷时，Pilot节 节 点的位置才是重要的，否则可以为任意位置。 点的位置才是重要的，否则可以为任意位置。对 圆柱、 圆锥、 球等基本图元， 圆 、 圆柱 、 圆锥 、 球等基本图元 ， ANSYS总是 总是 使用第一个节点作为Pilot节点。 节点。 使用第一个节点作为 节点 2、基本图元 、 可以使用圆、圆柱、圆锥、 可以使用圆、圆柱、圆锥、球等基本图元来模 拟目标面。 拟目标面。 3、单元类型和实常数 、 Targe169和 Targe170只需设置实常数 和 R2， 只需设置实常数R1和 ， 和 只需设置实常数 而且只有在使用直接生成法建立目标单元时， 而且只有在使用直接生成法建立目标单元时，才 需要人为指定实常数R1， 。 需要人为指定实常数 ，R2。
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3、生成接触单元 、 推荐使用自动生成单元法，步骤为： 推荐使用自动生成单元法，步骤为： 1) 选择节点 ： 选择已划分为网格的柔性体表面的节 选择节点： 应保证所有可能与目标面接触的节点被选中。 点，应保证所有可能与目标面接触的节点被选中。 2) 生成接触单元： 生成接触单元：
Main Menu>Preprocessor>Create>Element>on Free Surface
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Contact48和 49是点 面的接触单元 。 同样 ， 和 是点 面的接触单元。 同样， 是点-面的接触单元 也可以由该单元来模拟面-面的接触行为 面的接触行为， 也可以由该单元来模拟面 面的接触行为，如 将插头插到插座里这样的问题。 将插头插到插座里这样的问题。 三、面-面接触单元 面接触单元 ANSYS支持刚 柔 、 柔 -柔的面 面接触单元 ， 支持刚-柔 柔的面-面接触单元 支持刚 柔的面 面接触单元， 刚性面被当作“ 目标” 面分别用Targe169和 刚性面被当作 “ 目标 ” 面分别用 和 Targe170来模拟 来模拟2-D和 3-D的 “ 目标 ” ； 柔性 来模拟 和 的 目标” 体的表面被当作“接触“ 体的表面被当作 “ 接触 “ 面 ， 用 Conta171(2D) 、 Conta172(2-D) 、 Conta173(3-D) 、 Conta174(3-D)来模拟。 程序通过一个共享的 来模拟。 来模拟 实常数号来识别“ 接触对” 实常数号来识别 “ 接触对 ” ， 因此目标单元 和接触单元应具有相同的实常数号。 和接触单元应具有相同的实常数号。
Main Menu>Preprocessor>Meshing -Mesh>Keypoints
•生成 生成2-D目标单元： 目标单元： 生成 目标单元
Main Menu>Preprocessor>Meshing -Mesh>Lines
在每条直线上生成单一的线， 在每条直线上生成单一的线 ， 在样条曲线上生 成抛物线部分， 成抛物线部分 ， 在每条圆弧和倒角上生成圆弧部 如果所有圆弧形成一个封闭的圆， 分 ， 如果所有圆弧形成一个封闭的圆， 生成一个 单一的圆。 单一的圆。 •生成 生成3-D目标单元： 目标单元： 生成 目标单元
Guidelines
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面接触的优点： 面-面接触的优点： 面接触的优点 •支持低阶和高阶单元； 支持低阶和高阶单元； 支持低阶和高阶单元 •支持有大滑动和有摩擦的大变形，协调刚度 支持有大滑动和有摩擦的大变形， 支持有大滑动和有摩擦的大变形 阵计算，单元提供不对称刚度阵的选项； 阵计算，单元提供不对称刚度阵的选项； •提供为工程目的所采用的更好的接触结果， 提供为工程目的所采用的更好的接触结果， 提供为工程目的所采用的更好的接触结果 如法向压力和摩擦应力； 如法向压力和摩擦应力； •没有刚体表面形状的限制，允许有自然的或 没有刚体表面形状的限制， 没有刚体表面形状的限制 网格离散引起的表面不连续； 网格离散引起的表面不连续； •需要较点 面接触所需较小的接触单元数； 需要较点-面接触所需较小的接触单元数 需要较点 面接触所需较小的接触单元数； •允许多种建模控制，支持死活单元。 允许多种建模控制， 允许多种建模控制 支持死活单元。