06 ANSYS13.0 Workbench 结构非线性培训 高级接触解析
ANSYS中的接触分析教程
一般的接触分类 (2)ANSYS接触能力 (2)点─点接触单元 (3)点─面接触单元 (3)面─面的接触单元 (4)执行接触分析 (4)面─面的接触分析 (5)接触分析的步骤： (5)步骤1：建立模型，并划分网格 (5)步骤二：识别接触对 (5)步骤三：定义刚性目标面 (6)步骤4：定义柔性体的接触面 (9)步骤5：设置实常数和单元关键字 (10)步骤六： (20)步骤7：给变形体单元加必要的边界条件 (21)步骤8：定义求解和载步选项 (21)第十步：检查结果 (22)点─面接触分析 (24)点─面接触分析的步骤 (25)点－点的接触 (33)接触分析实例（GUI方法） (36)接触分析实例（命令流方式） (38)接触分析接触问题是一种高度非线性行为，需要较大的计算资源，为了进行实为有效的计算，理解问题的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，在你求解问题之前，你不知道接触区域，表面之间是接触或分开是未知的，突然变化的，这随载荷、材料、边界条件和其它因素而定；其二，大多的接触问题需要计算摩擦，有几种摩擦和模型供你挑选，它们都是非线性的，摩擦使问题的收敛性变得困难。
一般的接触分类接触问题分为两种基本类型：刚体─柔体的接触，半柔体─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，问题可以被假定为刚体─柔体的接触，许多金属成形问题归为此类接触，另一类，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（有近似的刚度）。
ANSYS接触能力ANSYS支持三种接触方式：点─点，点─面，平面─面，每种接触方式使用的接触单元适用于某类问题。
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，模型的对立应组元是一个结点。
ANSYS高级接触分析
§1 接触分类
• 刚－柔 • 一个表面是完全刚性的—除刚体运动外无应变、应
力和变形，另一表面为软材料构成是可变形的。 • 只在一个表面特别刚硬并且不关心刚硬物体的应力
时有效。 • 柔－柔 • 两个接触体都可以变形。
§2 接触单元
• ANSYS 采用接触单元来模拟接触问题：
• 跟踪接触位置；
• 保证接触协调性（防止接触表面相互穿透）；
•
所有的高级选项也可以通过接触向导来控制。
§2 面－面接触单元
• 使用面－面接触单元计算刚－柔、柔－柔接触分析。 • 把一个面指定为目标面（Target），另一个面指定为接触
面（contant），合起来叫接触对。 • 接触单元被约束不能侵入目标面，然而目标单元能侵入接§3 自动时间步、控制
接触单元的 Keyopt（7）选项控制时间步的预报。 • 0－无控制：不影响时间步尺寸。当自动时间步开关
打开时，对于静态问题通常选此项。 • 1－自动缩减：如果接触状态改变较大，将时间步二
分。对于动态问题，自动缩减通常是充分的。 • 2－合理的：比自动缩减花费时间更长的算法。为保
• 在粗略的检查中，如以实际比例显示整个模型时就能观 察到穿透，则穿透可能太大了，需要提高刚度重新分析。
• 如果收敛的迭代次数过多（或未收敛），降低刚度重新 分析。
• 注意：罚刚度可以在载荷步间改变，并且可以在重启动 中调整。
• 牢记：接触刚度是同时影响计算精度和收敛性的最重要 的参数。如果收敛有问题，减小刚度值，重新分析
§2 面－面接触单元
• 2D 面－面接触单元 • CONTA171 2D、2 节点低阶单元，可用于二维实体、壳、
梁单元的表面 • CONTA172 2D、3 节点高阶单元，可用于带中间节点的二
ANSYSWorkbench接触分析案例详解
ANSYSWorkbench接触分析案例详解本⽂由Workbench⼩学⽣授权转载这篇⽂章囊括了接触分析中常见的问题，并通过思考和验证，给出了解决⽅案和经验总结，相信朋友们按照这篇教程完整的⾛⼀遍分析过程，会对接触分析的理解更近⼀步。
1.建模。
条件：⼀个圆盘与⼀个矩形板，⽣成壳体。
注意：两者分析之前未接触。
2.选取材料。
进⼊材料库，选取⾮线性材料中的铝合⾦（Aluminum Alloy NL）注意：NL表⽰Nonlinear ，译为⾮线性。
3.进⼊分析模块，调出Properties选项4.修改分析类型，将Analysis type由3D改为2D5.双击Model进⼊分析界⾯，修改矩形板的材料为Aluminum Alloy NL，圆盘默认为结构钢（Structural Steel）6.参数设置（1）根据左侧outline依次向下添加（由于此分析不⽤添加局部坐标系，因此修改完材料属性后，直接添加接触）（2）⼯况：矩形板与圆盘为摩擦接触（也可使⽤⽆摩擦接触，读者可以亲⾃尝试）（3）接触⾯为圆盘外圆周，⽬标⾯为矩形板顶边，设置摩擦系数为0.15（4）由于模型为刚-柔接触，因此修改behavior为⾮对称（Asymmetric）（5）在advanced中将接触算法设置为增⼴拉格朗⽇（Augmented Lagrange）（6）探测⽅法设置为⾼斯点探测（on Gauss point ）注意：①由于两者的材料都是⾦属，因此摩擦系数 ≤0.2②⾮线性分析中默认的接触算法为增⼴拉格朗⽇（Augmented Lagrange），线性默认为纯罚函数（Pure penalty）③纯罚函数的收敛性很好，接触刚度对其影响⼤，但是它的穿透性不可控制，⽽增⼴拉格朗⽇收敛性表现为穿透较⼤，迭代次数较多，但其可以在⼀定程度上控制穿透性④⾼斯点与节点探测的区别：⾼斯点：适合⼤多情况，⽹格密度⼩、更精确节点：仅适⽤于⾓接触⑤局部坐标系的添加：如果全局坐标系不是所需要的，就必须添加局部坐标系作为附属坐标系7.划分⽹格（Mesh），选中图中模型，根据模型⾃动划分⽹格8.分析设置（Analysis Setting）（1）打开⾃动时间步（Anto Time Stepping）与⼤变形（Large Deflection）（2）修改载荷⼦步依次为50,50,100后，其他均默认9.添加边界条件（Load or Supports）（1）选中矩形板的下边线，将其设置为Displacement（2）X⽅向数值设置为-15mm，Y⽅向数值设置为0（3）选中圆盘的外圆周，将其设置为Fixed support思考：为什么打开⼤变形开关？答：因为在静⼒学中，极限转动⾓度为10°，⼤位移或者⼤转动即视为⾮线性分析，当受⼒物体的变形与其⼏何尺⼨相⽐较⼤，且线性叠加原理不再适⽤时，可视作⼤变形。
ANSYS高级接触分析资料
§2 接触单元
§2 接触单元
• 3. 点－点接触单元用于模拟单点和另一个确定点 之间的接触。
• 建立模型时必须事先知道确切的接触位置； • 多个点－点接触单元可以模拟两个具有多个单元
表面间的接触； ◦ 每个表面的网格必须是相同的； ◦ 相对滑动必须很小； ◦ 只对小的转动响应有效。 • 例如: 点一点接触可以模拟一些面的接触。如地基
和土壤的接触
§2 接触单元
§3 关于耦合和约束方程的应用
• 如果接触模型没有摩擦，接触区域始终粘在一起，并且分 析是小挠度、小转动问题，那么可以用耦合或约束方程代 替接触。
• 使用耦合或约束方程的优点是分析还是线性的
接触问题的一般特性
• §1 接触刚度
• 1、所有的 ANSYS 接触单元都采用罚刚度（接触刚度）来 保证接触界面的协调性
• 接触面和目标面确定准则
• 如凸面和平面或凹面接触，应指定平面或凹面为目标 面；
• 如一个面上的网格较粗而另一个面上的网格较细，应 指定粗网格面为目标面；
• 如一个面比另一个面的刚度大，应指定刚度大的面为 目标面；
• 如一个面为高阶单元而另一面为低阶单元，应指定低 阶单元面为目标面；
• 如一个面比另一个面大，应指定大的面为目标面。
•
可变形目标面采用
•
Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create >
Elements > Surf/Contact > Surf to Surf(ESURF)
• 对于直接生成刚性目标面，在建立目标单元之前需要要指定附加的单元属 性 TSHAP
• 刚性目标面的自动划分不需要 TSHAP。ANSYS 能根据 实体模型确定合适的目标单元形状。
03 ANSYS13.0 Workbench 结构非线性培训 概述
… 非线性类型
• 当然, 所有这三种非线性通常是同时遇到.
– Workbench Mechanical 可容易地处理综合非线性效应.
Training Manual
Rubber Boot Seal
非线性几何 (大应变和大 变形), 材料非线性 (橡 胶), 和状态非线性 (接触
)的例子.
1-7
Workbench Mechanical – Structural Nonlinearities Overview
Newton-Raphson 方法:
• • 不保证所有状况收敛! 只有开始构造在收敛半径范围内的会收敛.
Training Manual
力 发散!
力
收敛
F
F
ustart
u
位移
ustartu
位移
在收敛半径外开始
1-11
在收敛半径内开始
Workbench Mechanical – Structural Nonlinearities Overview
B. 线性求解器的非线性求解
• Workbench Mechanical 如何对刚度的变化进行求解?
– 非线性分析中, 响应不能直接由一系列线性方程预测. – 然而, 非线性结构分析使用一系列的修正的线性近似迭代.
Training Manual
– ANSYS 使用 Newton-Raphson Method迭代过程. 每次迭代是一个平衡迭代.
– 材料非线性:非线性的 stress-strain 关系, 如右图所示 的金属塑性是另一个非线性来源.
– 接触: “状态改变”的非线性, 是当物体相互接近或分 离的时会出现刚度的突变而导致的非线性.
1-6
ansys_高级接触问题
• /PSYMS,ESYS,1
• －目标单元外法线方向应该指向接触面。如果单元法向不 指向接触面，用命令使之反转：
• ESURF,,REVE
图3-3
• 例：Seal.dat(图3-3) • Step 5.建立接触面单元 • ·设置接触单元属性、选择可变形体表面节点， • 并在可变形体上建立接触单元（过程与在可变形 • 体上建立目标单元相同）
• ·除了在表面间传递法向压力外，接触单元还传递切向运动（摩擦）。采用切向 罚刚度保证切向的协调性。（图1－2）
• 作为初值，可采用：Ktangent=0.01Knormal • 切向罚刚度与法向罚刚度以同样的方式对收敛性和计算精度产生影响。
• 2、接触刚度的选取 • ·选定一个合适的接触刚度值需要一些经验。 • ·对于面一面接触单元，接触刚度通常指定为基体单元刚度
果收敛有问题，减小刚度值，重新分析 • 在敏感的分析中，还应该改变罚刚度来验证计算结果的有效性。 • －在分析中减小刚度范围，直到结果（接触压力、最大SEQV等）
不再明显改变。
§2 摩擦
• 1、两个接触体的剪切或滑动行为可以是无 摩擦的或有摩擦的
• ·无摩擦时允许物体没有阻力地相互滑动； • ·有摩擦时，物体之间会产生剪切力。 • 2、摩擦消耗能量，并且是路径相关行为。 • 为获得较高的精度，时间步长必须小（图
Surf/Contact > Surf to Surf(ESURF) • ·对于直接生成刚性目标面，在建立目标单元之前需要要指定附加的单元属性
TSHAP
• ·刚性目标面的自动划分不需要TSHAP。ANSYS能根据实 体模型确定合适的目标单元形状。
• －划分线(LMESH) 2－D刚性目标面
ansys非线性接触分析
第五章接触分析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《ANSYS Modeling and Meshing Guide》中的§12，Coupling and Constraint Equations。
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-DYNA User"s Guide》。
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。
5.3 ANSYS接触分析功能ANSYS支持三种接触方式：点─点，点─面，面─面接触。
ANSYS高级接触分析
• 如凸面和平面或凹面接触，应指定平面或凹面为目标 面；
• 如一个面上的网格较粗而另一个面上的网格较细，应 指定粗网格面为目标面；
• 如一个面比另一个面的刚度大，应指定刚度大的面为 目标面；
• 如一个面为高阶单元而另一面为低阶单元，应指定低 阶单元面为目标面；
• 如一个面比另一个面大，应指定大的面为目标面。
• 接触单元就是覆盖在分析模型接触面上的一层 单元。
• 在 ANSYS 中可以采用三种不同的单元来模拟 接触：
◦
面一面接触单元；
◦
点一面接触单元；
◦
点一点接触单元。
§2 接触单元
• 不同的单元类型具有完全不同的单元特性和分 析过程。
• 1. 面一面接触单元用于任意形状的两个表面接 触
• 不必事先知道接触的准确位置； • 两个面可以具有不同的网格； • 支持大的相对滑动； • 支持大应变和大转动。 • 例如: 面一面接触可以模拟金属成型，如轧制
• 在数学上为保持平衡，需要有穿透值 • 然而，物理接触实体是没有穿透的 • 分析者将面对困难的选择： • 小的穿透计算精度高，因此接触刚度应该大； • 然而，太大的接触刚度会产生收敛困难：模型可能会振荡，接触
表面互相跳开。 • 接触刚度是同时影响计算精度和收敛的最重要的参数。你必须选
定一个合适的接触刚度。 • 除了在表面间传递法向压力外，接触单元还传递切向运动（摩
◦
开始估计时，选用
◦
FKN = 1.0 大面积实体接触
◦
FKN = 0.01-0.1 较柔软（弯曲占主导的部分）
• 另外，也可以指定一个绝对刚度值，单位：（力/ 长度）/ 面积。
• 对于点一点（除 CONTA178）和点－面接触单元需 要为罚刚度 KN 输入绝对值：
ANSYS有限元分析_高级接触问题
例如: 超弹密封
• • • • • • • • • •
Step 3.设置单元选项和实常数 接触对由实常数号来定义，接触单元和目标单元必须具有相同的实常数。 Step 4.建立目标单元（网格） · 此步中所采用的方法依赖于目标面是刚性的还是柔性的。 －刚性目标面采用： 直接生成(E命令) 自动划分(LMESH, AMEAH) －可变形目标面采用 Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Elements > Surf/Contact > Surf to Surf(ESURF) · 对于直接生成刚性目标面，在建立目标单元之前需要要指定附加的单元属性 TSHAP
· 接触分析中自动时间步的其它注意事项：
• －与所有其它非线性分析一样，对接触问 题，时间步长是非常有力的提高收敛性的 工具。 • 采用足够小的时间步长以获得收敛。 • －对于瞬态分析，冲击时必须使用足够数 量的计算步以描述表面间的动量转移。 • －对于路径相关现象（如接触摩擦），相 对较小的最大时间步长对计算精度是必须 的。
面一面接触单元
• §1 概述 • 面－面接触单元，是模拟任意两个表面间接触的方法。表面可以具有任意形 状。是ANSYS中最通用的接触单元。精度高、特性丰富还可使用接触向导建 模方便。（其它接触单元目前尚不能用向导）。 • · 面－面接触单元在面的高斯点处传递压力，这种先进技术使面－面接触单元 具有很多优点： • －与低阶单元和高阶单元都兼容 • －提供更好的接触结果（于后处理接触压力和摩擦应力） • －可考虑壳和梁的厚度，以及壳的厚度变化 • －半自动接触刚度计算 • －刚性表面由“控制节点”控制 • －热接触特性 • －众多的高级选项来处理复杂问题。 • · 具有众多的高级选项（20个可用的实常数、2个材料属性和30个可用的单元 选项）提供了丰富的特征库，能够用于模拟特殊的效果和处理困难的收敛情 况。 • 然而众多的选项的智能缺省选项可以有效求解许多接触问题而不需要用户介 入太多。 • 通常的做法是：开始使用高级选项之前，先试着采用缺省设置：只指定罚刚 度，穿透容差和子步数，然后进行分析。只在采用缺省设置遇到困难时才采 用高级选项。 • · 所有的高级选项也可以通过接触向导来控制。
ANSYS非线性接触问题分析汇总
ANSYS 分线性接触问题分析汇总接触非线性是一门复杂的学科，ANSYS 关于计算非线性接触的设置选项多只又多，很多人摸不到头脑，本文就基于ANSYS 模拟过的几个接触实例，研究了相关设置选项对接触结果的影响。
实例1：橡胶密封圈配合接触研究—非线性求解设置对结果的影响密封圈配合模型简图见图1，左右两端为刚体，中间圆部分为橡胶密封圈，将刚体2沿刚体1方面移动，从而实现橡胶圈密封作用，采用plane182单元，设置轴对称行为，建立橡胶密封圈与刚体接触模型，见图2。
图1 密封圈配合模型简图 图2 密封圈配合有限元模型图接触对采用默认设置，摩擦系数取0.10，研究非线性求解器设置对收敛方面的影响，大变形静态（Large Displacement Static ）效应打开，自动时间步长（Automatic time stepping ）打开，子步数（Number of substeps ）设置为50，线性搜索（Line search ）打开。
1 收敛准则对结果的影响此实例收敛准则默认采用力收敛结合力矩收敛准则（基于L2范数），收敛容差（Tolerance ）默认为0.001，工程上认为0.05的收敛容差足够满足要求。
表 1 收敛容差对计算结果的影响收敛容差 最大应力/ MPa报错与否？ 0.001 4.12364报错 0.05 4.12785 报错 0.14.12996报错查看报错信息，见图3，表示单元过于扭曲，建议提高子步数或降低时间步长，需要提高网格质量，也要考虑材料属性，接触对及约束方程的合理性，若在第一步迭代就如此，需要预先执行单元形状检查。
图3 报错信息刚体1刚体2密封圈橡胶密封圈配合Von Mises应力云图见图4。
图4 橡胶密封圈配合Von Mises应力2 子步数对结果的影响此实例子步数设置为50、100、200、500，收敛容差（Tolerance）默认为0.001，研究子步数对收敛的影响。
ANSYS非线性接触问题分析汇总
ANSYS 分线性接触问题分析汇总接触非线性是一门复杂的学科，ANSYS 关于计算非线性接触的设置选项多只又多，很多人摸不到头脑，本文就基于ANSYS 模拟过的几个接触实例，研究了相关设置选项对接触结果的影响。
实例1：橡胶密封圈配合接触研究—非线性求解设置对结果的影响密封圈配合模型简图见图1，左右两端为刚体，中间圆部分为橡胶密封圈，将刚体2沿刚体1方面移动，从而实现橡胶圈密封作用，采用plane182单元，设置轴对称行为，建立橡胶密封圈与刚体接触模型，见图2。
图1 密封圈配合模型简图 图2 密封圈配合有限元模型图接触对采用默认设置，摩擦系数取0.10，研究非线性求解器设置对收敛方面的影响，大变形静态（Large Displacement Static ）效应打开，自动时间步长（Automatic time stepping ）打开，子步数（Number of substeps ）设置为50，线性搜索（Line search ）打开。
1 收敛准则对结果的影响此实例收敛准则默认采用力收敛结合力矩收敛准则（基于L2范数），收敛容差（Tolerance ）默认为0.001，工程上认为0.05的收敛容差足够满足要求。
表 1 收敛容差对计算结果的影响收敛容差 最大应力/ MPa报错与否？ 0.001 4.12364报错 0.05 4.12785 报错 0.14.12996报错查看报错信息，见图3，表示单元过于扭曲，建议提高子步数或降低时间步长，需要提高网格质量，也要考虑材料属性，接触对及约束方程的合理性，若在第一步迭代就如此，需要预先执行单元形状检查。
图3 报错信息刚体1刚体2密封圈橡胶密封圈配合Von Mises应力云图见图4。
图4 橡胶密封圈配合Von Mises应力2 子步数对结果的影响此实例子步数设置为50、100、200、500，收敛容差（Tolerance）默认为0.001，研究子步数对收敛的影响。
ANSYS接触非线性的原理培训及技巧分析
•
对于有限元法，类似的得到：
⎡K ⎢K ⎣ ab
– –
K ab ⎤ ⎧a ⎫ ⎧ p ⎫ ⎥ ⎨b ⎬ = ⎨Q ⎬ 0 ⎦⎩ ⎭ ⎩ ⎭
因此，总刚度阵存在0对角元素，无法用快速求解算法——（PCG） 增加了自由度数和方程阶数——一个接触单元（或一个高斯点）多一个λ自由度？
© 2005 ANSYS, Inc.
接触非线性的原理培训及技巧分析
孟志华 2005年7月12日
© 2005 ANSYS, Inc.
1
ANSYS, Inc. Proprietary
© 2005 ANSYS, Inc.
2
ANSYS, Inc. Proprietary
接触非线性算法原理——约束变分原理
• • • • 一般的自然变分原理，位移函数事先已经且必须满足边界条件（ 附加条件），并将边界条件代入刚度阵消除矩阵奇异性。 接触非线性，边界条件事先未知，无法直接使用自然变分原理 约束变分原理更为广泛，不仅用于接触问题，且用于板壳问题等 约束变分原理基本方法——将位移函数应事先满足的附加条件， 引入泛函，变为无附加条件的变分原理。 – 两种方法引入附加条件，来构造修正泛函：
•具体迭代步骤：
F Fnr1
1 2
3 4
{F}
© 2005 ANSYS, Inc.
{Fnr}
7
Δu 1
u
ANSYS, Inc. Proprietary
接触非线性基本计算过程
© 2005 ANSYS, Inc.
8
ANSYS, Inc. Proprietary
接触非线性计算过程
开始增量迭代
打开
确定接触状态
© 2005 ANSYS, Inc.
ANSYS Workbench 结构非线性培训 作业 接触界面处理
WS4A-13
Workbench Mechanical – Structural Nonlinearities
…作业 4A: 接触界面处理
• 高亮显示Solution Branch
– 右击 > Insert > Contact Tool…
• 高亮显示最新插入的 Contact Tool
• 高亮显示最新插入的Contact Tool 中的初始 信息
– 右击> Generate Initial Contact Results
• 应产生如下表定义的接触区域的初始件:
Workshop Supplement
WS4A-11
Workbench Mechanical – Structural Nonlinearities
• 校正三个预定义接触区域的初始条件
– 高亮显示 Connections – 右击> Insert >Contact Tool
Workshop Supplement
WS4A-10
Workbench Mechanical – Structural Nonlinearities
…作业 4A: 接触界面处理
纹细节没有建模) 的绑定接触
Workshop Supplement
WS4A-3
Workbench Mechanical – Structural Nonlinearities
…作业 4A: 接触界面处理
模型描述 (绪) • 热边界:
A. 热歧管 @ 220C B. 冷歧管板 @50C C. 喷嘴尖端带状加热器 @ 80 Watts
…作业 4A: 接触界面处理
Workshop Supplement
Ansys非线性接触分析和设置
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：RGUI：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。
ANSYS workbench的五种接触类型分析
Workbench中提供了5种接触类型，单从字面上很难理解这几种接触的区别，下面将帮助中关于这几个接触类型的描述翻译出来，供参考:1.Bonded（绑定）:这是AWE中关于接触的默认设置。
如果接触区域被设置为绑定，不允许面或线间有相对滑动或分离。
可以将此区域看做被连接在一起。
因为接触长度/面积是保持不变的，所以这种接触可以用作线性求解。
如果接触是从数学模型中设定的，程序将填充所有的间隙，忽略所有的初始渗透。
2.No Separation（不分离）:这种接触方式和绑定类似。
它只适用于面。
不允许接触区域的面分离，但是沿着接触面可以有小的无摩擦滑动。
3.Frictionless（无摩擦）:这种接触类型代表单边接触，即，如果出现分离则法向压力为零。
只适用于面接触。
因此，根据不同的载荷，模型间可以出现间隙。
它是非线性求解，因为在载荷施加过程中接触面积可能会发生改变。
假设摩擦系数为零，因此允许自由滑动。
使用这种接触方式时，需注意模型约束的定义，防止出现欠约束。
程序会给装配体加上弱弹簧，帮助固定模型，以得到合理的解。
4.Rough（粗糙的）:这种接触方式和无摩擦类似。
但表现为完全的摩擦接触，即没有相对滑动。
只适用于面接触。
默认情况下，不自动消除间隙。
这种情况相当于接触体间的摩擦系数为无穷大。
5.Frictional（有摩擦）:这种情况下，在发生相对滑动前，两接触面可以通过接触区域传递一定数量的剪应力。
有点像胶水。
模型在滑动发生前定义一个等效的剪应力，作为接触压力的一部分。
一旦剪应力超过此值，两面将发生相对滑动。
只适用于面接触。
摩擦系数可以是任意非负值。
其他总结：Bonded：无相对位移，如同共用节点。
No Separation：法向不分离，切向可以有小位移。
后面三种为非线性接触。
Frictionless：法向可分离，但不渗透，切向自由滑动。
Rough：法向可分离，不渗透，切向不滑动。
Frictional：法向可分离，不渗透，切向滑动，有摩擦力。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
• Tolerance Type, Tolerance Value, and Tolerance
Slider: CAD 系统创建的装配体可能没有精确装配, 导致两 体间的接触区域有小的重合或间隙. 可指定接触探测容差 来解决任何的不精确 (只适用于自动接触探测).
4-7
Workbench Mechanical - Advanced Contact
– 如图所示，当前指针位置出现一圆.
图示说明用户定义的接 触探测容差值 CAD 部件间存在的 间隙
4-8
Workbench Mechanical - Advanced Contact
...自动接触探测选项
• 实体和面体间可得到的接触探测类型:
– 面/面: 不同体面间的接触 – 面/边: 不同体的面和边间的接触 – 边/边: 不同体边间的接触
4-6
Workbench Mechanical - Advanced Contact
...自动接触探测选项
Training Manual
• 接触默认设置和自动探测能力对大多接触问题有效. 然而, 可以执行这些额外 控制来放宽分析的接触范围 :
• Generate Contact on Update:若该选型设为Yes ，输入 模型(最新的)时自动创建面/面接触区域. 设置为 „No‟ 仍然 允许手动激活自动生成接触, 或手动构建接触区域.
...自动接触探测选项
Training Manual
• 优先权: 对非常大的模型，接触对的数量有时候是过剩的，特别是当允许多 种接触类型时.
• 209个部件 • 450 个对称接触对 • 115万个自由度
4-10
Workbench Mechanical - Advanced Contact
...自动接触探测选项
Workbench Mechanical - Advanced Contact
...接触的体类型
下表识别各种接触几何支持的接触类型, 公式和对称行为
Training Manual
4-5
Байду номын сангаас
Workbench Mechanical - Advanced Contact
B. 自动接触探测选项
Training Manual
... 自动接触探测选项
Training Manual
• 为收紧接触探测, 移动 Tolerance Slider 接近 +100. 放松接触探测, 则移动 Tolerance Slider 接近 -100.
– 收紧容差意味在更小区域内(间隙或重合)的体被考虑为接触; 松的容差刚好是相 反的作用.
• 接触探测容差也可以通过改变Tolerance Type为Value并在Tolerance Value后输入值来调整.
...自动接触探测选项
• Group By:
Training Manual
设置“Group By” 为 “Bodies” (默认) 或Parts 意味位 于同一体或相同部件的接触面和边将组成为单个区域.
•
这章包括以下内容:
A. B. C. D. E. F. G. H. 接触中体类型 自动接触探测选项 界面处理 初始接触条件 作业 4A 时间步控制 摩擦 作业4B
本章描述的性能通常适用于ANSYS Structural 或以上的license.
4-2
Workbench Mechanical - Advanced Contact
• 缺省时, 当一个装配体由CAD 系统输入, 默认是自动探测接触对，并指定接触 为面/面接触条件. 这些默认条件可由两种方式改变:
– Mechanical 下的工具选项对话框 Connections 设置可改变多个选项的全局默认 行为. 或 – Details of “Connections” 窗口改变或激活选项的行为.
...接触的体类型
• 在面体间建立接触时, 牢记一面体有表面区域但没有体很重要.
– 面体厚度在Details窗口由用户赋值，是和面体相关的属性
Training Manual
– 面体产生无摩擦或摩擦接触时，有必要识别面体的哪一侧(顶部或底部) – 处于接触关系中.
• 操作失败会导致不能识别接触.
4-4
– “Edge Overrides” 使边/边接触优先于面/边和面/面接触. Edge Overrides 也使面/边接触优先于面/面接触.
• 一般来说,对面/边和面/面接触设置了Edge Overrides,会探测不到面/面接 触对.
4-11
Workbench Mechanical - Advanced Contact
A. 接触的体类型
Training Manual
• WB-Mechanical提供了接触技术选项的丰富列表，来分析实体及面体 (壳单 元划分的)的面和边间的许多不同行为.
实体面对实体面
面体的面对面体 (或实体 ) 的面
面体边对表面体 (或实体) 面
4-3
Workbench Mechanical - Advanced Contact
Training Manual
• 面/边和边/边接触只适用于实体和面体.
– 不支持线体的接触关系.
• 对面/边探测, 面总被指定为目标面，而边总指定为接触边.
– “Create Automatic Contact”中可选择探测任何接触组合. 对接触过滤选项也可 设置默认优选参数.
4-9
Workbench Mechanical - Advanced Contact
• 优先权(cont‟d)
Training Manual
– “Face Overrides” 选项使面/面接触优先于面/边和边/边接触. Face Overrides 也使面/边接触优先于边/边接触.
• 一般来说, 对面/边和边/边接触设置了Face Overrides, 会探测不到边/边接 触对.
第四章
高级接触
Workbench – Mechanical 结构非线性
4-1
Workbench Mechanical - Advanced Contact
章节概述
• 本章讨论高级接触选项细节:
– 这些高级选项适用于包括实体及壳体的面和边的接触.
Training Manual
– 假定在这章前用户已掌握 第 2和3章的Nonlinear Structural.