ANSYS Mechanical 接触分析
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材料: 两板都为默认的线弹性结构钢。
接触刚度例子
根据下面的提示建立一个接触对:
接触刚度例子
展开 Model 分支，使其相似于 model set-up.
高亮显示“Geometry” 并参考细节窗口来确认模型为2D 反对称的. 检查预先确定的两板间无摩擦接触区域. 检查分析设置. Autotime stepping = ON Initial substeps = 10 Max substeps = 100
• Utility Menu >Units >Metric(Tonne, mm,…)
接触刚度例子
双击 Model 打开 FE模型(Mechanical Session) (或 RMB=>Edit…)
接触刚度例子
几何是2D 反对称的，下面的板为刚性约束的，上板底面为圆弧的柔性体， 上板承受一向下5MPa 压力载荷。
– 因为接触刚度高导致很小或可忽略的穿透，可得到精确的结果
对 无 摩 擦 或 摩 擦 接 触 , 考 虑 使 用 Augmented Lagrange 或 Normal Lagrange 方法.
– 由于其良好的特性和灵活性，推荐使用Augmented Lagrange 方法 – 如果用户不想考虑法向刚度同时要求零穿透，可以使用 Normal Lagrange 方法。但必须使用直接求解器(Direct Solver) ，这也许会限制求解模型大小。
ANSYS 接触分析
姓名：金玉龙，Dr，CAE高级顾问 邮箱：jyl19820525@163.com 手机：138-1718-2459
1
ANSYS contact 基本概念
目录 CONTENTS
2
ANSYS contact 接触控制
3
ANSYS contact 接触结果设置
4
ANSYS contact 接触案例分析
接触面
目标面
F
基本概念
接触协调 -- 罚函数法
强制接触协调的罚函数法，用一个接触“弹簧”在两个面间建立关系。
弹簧刚度称为惩罚参数, 或者更通俗一点, 就是接触刚度。
当面分开时(开状态)，弹簧不起作用；当面开始穿透时(闭合), 弹簧起作用。
F 弹簧偏移量满足平衡方程: F=k 式中 k 是接触刚度.
接触刚度例子
目标:
– 研究接触刚度对结果收敛性的影响
接触刚度例子
项目示图区应如右图所示
– 从示图区, 可看到已定义了Engineering (材料) Data 和Geometry (绿 色对号标记). – 接下是在Mechanical中建立和运行有限元模型 – 打开Engineering Data Cell (高亮并双击或点击鼠标右键并选择Edit) 来校正材料属性. – 从Utility Menu > View >…激活重要的对话框 • Properties • Outline – 检验单位是公制(Tonne, mm,…) 系统. 如果不是, 点击…
然而, 值太大会引起收敛困难.
基本概念
如果接触刚度太大, 一个微小的穿透将会产生一个过大的 接触力, 在下一次迭代中可能会将接触面推开。
F
F
F接触
F
迭代 n
迭代 n+1
迭代 n+2
用太大的接触刚度通常会导致收敛振荡, 并且常会发散。
基本概念
接触协调 – Lagrange乘子法
另外一种方法, Lagrange乘子 法, 增加一个附加自由度 (接触压力)，来 满足不可穿透条件。
基本概念
刚性体 -柔性体接触
刚性表面
变形体
基本概念
柔性体 -柔性体接触
花键轴过盈配合, 两个 零件都是柔体
基本概念
接触协调
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。 当程序防止相互穿透时, 称之为强制接触协调。
F
当没有强制接触协调时，发生穿透。
Large deflection = ON
接触刚度例子
高亮显示接触区域并设置Normal Stiffness 为“Manual” ，定义 Normal Stiffness Factor 为1e-002.
接触刚度例子
总变形的后处理:
接触刚度例子
接触结果的后处理:
– 接触压力 – 接触渗透
对于面-面接触, 用一个系数 (FKN)给出接触刚度. 也就是说, 程序通过对下层单元 的刚度乘以该系数来确定接触刚度
k接触t = FKN x k下层
接触刚度的一个较好值经常通过使接触刚度等于下层单元的刚度获得
作为起始估计, 尝试: 对于接触中的大块实体, FKN = 1.0. 对于柔性较大(弯曲为主)的部件, FKN = 0.1.
用户也可在每次平衡迭代或子步间更新接触刚度.
接触刚度
如下例子显示接触刚度的影响:
从上表容易看出，接触刚度因子越小，穿透量越大。然而， 它也使求解更快速/容易收敛（更少的迭代）。
接触刚度
对绑定接触， Workbench-Mechanical 默认使用 Pure Penalty 公式和大接触刚度.
SEQV
寻找 FKN 值, 超过此值, 结果 不发生显著的改变
7. 重复步骤 5和6, 直到达到所预期的收敛
FKN
接触刚度
作为一个例子, 对于一个轴上套环的过盈配合分析, FKN 是变 化的，等效von Mises应力的最大值被监控。
FKN 0.001 0.01 0.1 1 10 100 Max. SEQV 4,000 20,000 65,000 91,000 92,900 93,000
不互相穿透. 能够传递法向压力和切向摩擦力. 通常不传递法向拉力. 因此，它们相互间可以自由地分开并远离.
基本概念
接触是状态改变 非线性。也就是说, 系统的刚度依赖于接触状态:
状态 = 开
状态 = 闭合和粘结
状态= 闭合和滑动
基本概念
接触是强非线性，因为随着接触状态的改变，接触表面的法向和切 向刚度都有显著的变化。 刚度方面大的突变通常会导致严重的收敛困难。
F
穿透容差
接触刚度
接触刚度 是影响精度和收敛行为的最重要的参数
较大的刚度精度高, 但收敛困难 如果接触刚度太大，模型会振动，接触面会相互弹开。
必须仔细地确定一个适当的接触刚度值
“最好的”值经常是与问题相关的 程序提供的缺省值可能不适合 可能要求做一些试验去确定一个适当的值, 使产生的收敛解具有可以接受的精度.
--这是一个相对因子，一般变形问题建议使用1.0. 对弯曲支配情况， 如果收敛源自文库难的话，小于 0.1的值可能是有用的。 --接触刚度在求解中可自动调整。如果收敛困难，刚度自动减小。
接触刚度
接触刚度WB-Mechanical系统默认自动设定。
– 用户可以输入“接触刚度因子Normal Stiffness Factor” (FKN) 它是计算刚 度代码的乘子。因子越小，接触刚度就越小。
接触刚度例子
对Normal Stiffness factors 为0.10, 1.0, 和10.0重复以上分析.
将接触算法 改为 Normal Lagrange进行进一步对比.
接触刚度例子
结论
刚度增加, 渗透减少，而最大压力增加，并且通常会有更多的迭代和 更长运行时间。 指定正确的法向刚度不是一个独立问题，它总是需在结果质量 (精度) 和耗费(运行时间)间寻找平衡。基于这个研究, 法向接触刚度因子为 1.0 是满意的。
接触面
在高斯点之间,目标面可以穿 透接触面 目标面
接触面和目标面
通过仔细地指定目标和接触面, 可以减少不能识别的穿透。 然而, 对于刚性体-柔性体接触, 目标面和接触面的选择是不能改变的。 刚性面必须总是 目标面。
Target
Contact
接触对通常所指的就是“ Contact 接触面”与“ Target 目标面”；
在 ANSYS Mechanical 中，通常采用蓝色和红色来区分 接触面和目标面。
接触面和目标面
程序通过一组离散的接触点(单元高斯点)定义接触面 程序将目标面定义为连续面
两个面可以在高斯点之间相互穿透而不识别接触, 这会引起误差
开接触
闭接触
F
u
基本概念
使接触分析复杂化的因素包括:
典型地，在分析开始时，接触区域未知。
大多数接触问题包括摩擦。
摩擦是路径相关的(能量耗散)现象, 需要用较小的时间步和精确的载荷历史。 摩擦响应可能是混沌的, 使求解收敛困难。
除了和其他部件接触, 部件可能是无约束 的。
在建立接触之前, 这样的部件初始为无约束自由体, 整体刚度为零。 静态分析中, 无约束自由体在数学上是不稳定的, 求解“溢出”。
1
ANSYS contact 基本概念
目录 CONTENTS
2
ANSYS contact 接触控制
3
ANSYS contact 接触结果设置
4
ANSYS contact 接触案例分析
基本概念
什么是接触?
当两个分离的表面互相碰触并互切时, 就称它们处于接触状态。 在一般的物理意义中, 处于接触状态的表面有下列特点:
F
基本概念
接触协调 – 增广 Lagrange法
多数 ANSYS 接触单元可以将罚函数法和 Lagrange乘子法结合起来强 制接触协调，称之为增广 lagrange法。 在迭代的开始, 接触协调基于惩罚刚度确定。一旦达到平衡, 检查穿 透容差。此时, 如果有必要, 接触压力增加, 迭代继续。
基本概念
接触分类
接触问题通常分为两类:
刚性体 -柔性体 和柔性体 -柔性体
刚性体 - 柔性体
一个或更多的接触表面看作刚性体(一个表面与其它表面相比, 刚度显 然要大得多)，许多金属成形问题可归为此类。 不计算刚性体内的应力
柔性体 - 柔性体
两个或所有的接触体都可变形(所有表面的刚度相近)，螺栓结合凸缘连 接就是柔性体 - 柔性体接触的例子。
在这种特殊情况下, FKN＝1.0 经证明可以给出足够的精度.
接触刚度
尽管Workbench-Mechanical 默认为“Pure Penalty”, 但在
大变形问题的无摩擦或摩擦接触中建议使用“Augmented Lagrange”.
--增强拉格朗日公式增加了额外的控制自动减少渗透
“法向刚度”就是之前解释的接触刚度 , 只用于“ Pure Penalty” 或 “Augmented Lagrange”
接触面和目标面
在 ANSYS 有限元模型中，如果不同构件之间没有相互 结合为一体，有时候还需要考虑摩擦力的问题，就有必要 在模型之间定义接触。接触实质就是零件之间的一种干涉 行为，需要通过设置参数来控制这种行为。 与经典版本定义接触的方式不同，Workbench中定义接 触较为方便快捷，不需要定义接触单元及相关的实常数设 置，只需要选取相应的接触面即可实现。
基本概念
… 接触协调 –罚函数法 数学上要求有限的穿透量 在交界面处产生接触力. 平衡需要此接触力
为了平衡, 必须大于零
然而, 实际的接触体相互不穿透. 为了最高的精度, 目的是使发生在接触界面处的穿透量最 小. 最小的穿透给出最大的精度. 这意味着, 理想的接触刚度应该是个非常大的值.
接触刚度
有时, 一个模型的不同区域可能需要有不同的接触刚度。
大块实体接触; 试用 FKN = 1.0
柔性接触; 试用 FKN = 0.1
接触刚度
选择一个好的刚度值可能需要一些试验,下面的步骤可以用于静
态相关分析的指南
1. 改变接触单元选项, 允许接触刚度在重启动期间可以修改 2. 开始时采用一个“软的” FKN 可以帮助克服收敛困难 3. 运行此分析, 直到最终载荷 4. 检查对分析比较重要的一些结果(等效应力,接触压力等) 5. 增大 FKN 并重启动求解 6. 再检查结果
• 默认FKN =10 (对于绑定和不分离的接触)
• 默认 FKN=1.0 (其他形式接触)
接触问题法向接触刚度选择一般准则:
– 体积为主的问题: 用“Program Controlled” 或手动输入“Normal Stiffness Factor” 为“1.0”
– 弯曲为主的问题: 手动输入“Normal Stiffness Factor” 为“0.01” 到“0.1”之间的数值。
接触刚度例子
根据下面的提示建立一个接触对:
接触刚度例子
展开 Model 分支，使其相似于 model set-up.
高亮显示“Geometry” 并参考细节窗口来确认模型为2D 反对称的. 检查预先确定的两板间无摩擦接触区域. 检查分析设置. Autotime stepping = ON Initial substeps = 10 Max substeps = 100
• Utility Menu >Units >Metric(Tonne, mm,…)
接触刚度例子
双击 Model 打开 FE模型(Mechanical Session) (或 RMB=>Edit…)
接触刚度例子
几何是2D 反对称的，下面的板为刚性约束的，上板底面为圆弧的柔性体， 上板承受一向下5MPa 压力载荷。
– 因为接触刚度高导致很小或可忽略的穿透，可得到精确的结果
对 无 摩 擦 或 摩 擦 接 触 , 考 虑 使 用 Augmented Lagrange 或 Normal Lagrange 方法.
– 由于其良好的特性和灵活性，推荐使用Augmented Lagrange 方法 – 如果用户不想考虑法向刚度同时要求零穿透，可以使用 Normal Lagrange 方法。但必须使用直接求解器(Direct Solver) ，这也许会限制求解模型大小。
ANSYS 接触分析
姓名：金玉龙，Dr，CAE高级顾问 邮箱：jyl19820525@163.com 手机：138-1718-2459
1
ANSYS contact 基本概念
目录 CONTENTS
2
ANSYS contact 接触控制
3
ANSYS contact 接触结果设置
4
ANSYS contact 接触案例分析
接触面
目标面
F
基本概念
接触协调 -- 罚函数法
强制接触协调的罚函数法，用一个接触“弹簧”在两个面间建立关系。
弹簧刚度称为惩罚参数, 或者更通俗一点, 就是接触刚度。
当面分开时(开状态)，弹簧不起作用；当面开始穿透时(闭合), 弹簧起作用。
F 弹簧偏移量满足平衡方程: F=k 式中 k 是接触刚度.
接触刚度例子
目标:
– 研究接触刚度对结果收敛性的影响
接触刚度例子
项目示图区应如右图所示
– 从示图区, 可看到已定义了Engineering (材料) Data 和Geometry (绿 色对号标记). – 接下是在Mechanical中建立和运行有限元模型 – 打开Engineering Data Cell (高亮并双击或点击鼠标右键并选择Edit) 来校正材料属性. – 从Utility Menu > View >…激活重要的对话框 • Properties • Outline – 检验单位是公制(Tonne, mm,…) 系统. 如果不是, 点击…
然而, 值太大会引起收敛困难.
基本概念
如果接触刚度太大, 一个微小的穿透将会产生一个过大的 接触力, 在下一次迭代中可能会将接触面推开。
F
F
F接触
F
迭代 n
迭代 n+1
迭代 n+2
用太大的接触刚度通常会导致收敛振荡, 并且常会发散。
基本概念
接触协调 – Lagrange乘子法
另外一种方法, Lagrange乘子 法, 增加一个附加自由度 (接触压力)，来 满足不可穿透条件。
基本概念
刚性体 -柔性体接触
刚性表面
变形体
基本概念
柔性体 -柔性体接触
花键轴过盈配合, 两个 零件都是柔体
基本概念
接触协调
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。 当程序防止相互穿透时, 称之为强制接触协调。
F
当没有强制接触协调时，发生穿透。
Large deflection = ON
接触刚度例子
高亮显示接触区域并设置Normal Stiffness 为“Manual” ，定义 Normal Stiffness Factor 为1e-002.
接触刚度例子
总变形的后处理:
接触刚度例子
接触结果的后处理:
– 接触压力 – 接触渗透
对于面-面接触, 用一个系数 (FKN)给出接触刚度. 也就是说, 程序通过对下层单元 的刚度乘以该系数来确定接触刚度
k接触t = FKN x k下层
接触刚度的一个较好值经常通过使接触刚度等于下层单元的刚度获得
作为起始估计, 尝试: 对于接触中的大块实体, FKN = 1.0. 对于柔性较大(弯曲为主)的部件, FKN = 0.1.
用户也可在每次平衡迭代或子步间更新接触刚度.
接触刚度
如下例子显示接触刚度的影响:
从上表容易看出，接触刚度因子越小，穿透量越大。然而， 它也使求解更快速/容易收敛（更少的迭代）。
接触刚度
对绑定接触， Workbench-Mechanical 默认使用 Pure Penalty 公式和大接触刚度.
SEQV
寻找 FKN 值, 超过此值, 结果 不发生显著的改变
7. 重复步骤 5和6, 直到达到所预期的收敛
FKN
接触刚度
作为一个例子, 对于一个轴上套环的过盈配合分析, FKN 是变 化的，等效von Mises应力的最大值被监控。
FKN 0.001 0.01 0.1 1 10 100 Max. SEQV 4,000 20,000 65,000 91,000 92,900 93,000
不互相穿透. 能够传递法向压力和切向摩擦力. 通常不传递法向拉力. 因此，它们相互间可以自由地分开并远离.
基本概念
接触是状态改变 非线性。也就是说, 系统的刚度依赖于接触状态:
状态 = 开
状态 = 闭合和粘结
状态= 闭合和滑动
基本概念
接触是强非线性，因为随着接触状态的改变，接触表面的法向和切 向刚度都有显著的变化。 刚度方面大的突变通常会导致严重的收敛困难。
F
穿透容差
接触刚度
接触刚度 是影响精度和收敛行为的最重要的参数
较大的刚度精度高, 但收敛困难 如果接触刚度太大，模型会振动，接触面会相互弹开。
必须仔细地确定一个适当的接触刚度值
“最好的”值经常是与问题相关的 程序提供的缺省值可能不适合 可能要求做一些试验去确定一个适当的值, 使产生的收敛解具有可以接受的精度.
--这是一个相对因子，一般变形问题建议使用1.0. 对弯曲支配情况， 如果收敛源自文库难的话，小于 0.1的值可能是有用的。 --接触刚度在求解中可自动调整。如果收敛困难，刚度自动减小。
接触刚度
接触刚度WB-Mechanical系统默认自动设定。
– 用户可以输入“接触刚度因子Normal Stiffness Factor” (FKN) 它是计算刚 度代码的乘子。因子越小，接触刚度就越小。
接触刚度例子
对Normal Stiffness factors 为0.10, 1.0, 和10.0重复以上分析.
将接触算法 改为 Normal Lagrange进行进一步对比.
接触刚度例子
结论
刚度增加, 渗透减少，而最大压力增加，并且通常会有更多的迭代和 更长运行时间。 指定正确的法向刚度不是一个独立问题，它总是需在结果质量 (精度) 和耗费(运行时间)间寻找平衡。基于这个研究, 法向接触刚度因子为 1.0 是满意的。
接触面
在高斯点之间,目标面可以穿 透接触面 目标面
接触面和目标面
通过仔细地指定目标和接触面, 可以减少不能识别的穿透。 然而, 对于刚性体-柔性体接触, 目标面和接触面的选择是不能改变的。 刚性面必须总是 目标面。
Target
Contact
接触对通常所指的就是“ Contact 接触面”与“ Target 目标面”；
在 ANSYS Mechanical 中，通常采用蓝色和红色来区分 接触面和目标面。
接触面和目标面
程序通过一组离散的接触点(单元高斯点)定义接触面 程序将目标面定义为连续面
两个面可以在高斯点之间相互穿透而不识别接触, 这会引起误差
开接触
闭接触
F
u
基本概念
使接触分析复杂化的因素包括:
典型地，在分析开始时，接触区域未知。
大多数接触问题包括摩擦。
摩擦是路径相关的(能量耗散)现象, 需要用较小的时间步和精确的载荷历史。 摩擦响应可能是混沌的, 使求解收敛困难。
除了和其他部件接触, 部件可能是无约束 的。
在建立接触之前, 这样的部件初始为无约束自由体, 整体刚度为零。 静态分析中, 无约束自由体在数学上是不稳定的, 求解“溢出”。
1
ANSYS contact 基本概念
目录 CONTENTS
2
ANSYS contact 接触控制
3
ANSYS contact 接触结果设置
4
ANSYS contact 接触案例分析
基本概念
什么是接触?
当两个分离的表面互相碰触并互切时, 就称它们处于接触状态。 在一般的物理意义中, 处于接触状态的表面有下列特点:
F
基本概念
接触协调 – 增广 Lagrange法
多数 ANSYS 接触单元可以将罚函数法和 Lagrange乘子法结合起来强 制接触协调，称之为增广 lagrange法。 在迭代的开始, 接触协调基于惩罚刚度确定。一旦达到平衡, 检查穿 透容差。此时, 如果有必要, 接触压力增加, 迭代继续。
基本概念
接触分类
接触问题通常分为两类:
刚性体 -柔性体 和柔性体 -柔性体
刚性体 - 柔性体
一个或更多的接触表面看作刚性体(一个表面与其它表面相比, 刚度显 然要大得多)，许多金属成形问题可归为此类。 不计算刚性体内的应力
柔性体 - 柔性体
两个或所有的接触体都可变形(所有表面的刚度相近)，螺栓结合凸缘连 接就是柔性体 - 柔性体接触的例子。
在这种特殊情况下, FKN＝1.0 经证明可以给出足够的精度.
接触刚度
尽管Workbench-Mechanical 默认为“Pure Penalty”, 但在
大变形问题的无摩擦或摩擦接触中建议使用“Augmented Lagrange”.
--增强拉格朗日公式增加了额外的控制自动减少渗透
“法向刚度”就是之前解释的接触刚度 , 只用于“ Pure Penalty” 或 “Augmented Lagrange”
接触面和目标面
在 ANSYS 有限元模型中，如果不同构件之间没有相互 结合为一体，有时候还需要考虑摩擦力的问题，就有必要 在模型之间定义接触。接触实质就是零件之间的一种干涉 行为，需要通过设置参数来控制这种行为。 与经典版本定义接触的方式不同，Workbench中定义接 触较为方便快捷，不需要定义接触单元及相关的实常数设 置，只需要选取相应的接触面即可实现。
基本概念
… 接触协调 –罚函数法 数学上要求有限的穿透量 在交界面处产生接触力. 平衡需要此接触力
为了平衡, 必须大于零
然而, 实际的接触体相互不穿透. 为了最高的精度, 目的是使发生在接触界面处的穿透量最 小. 最小的穿透给出最大的精度. 这意味着, 理想的接触刚度应该是个非常大的值.
接触刚度
有时, 一个模型的不同区域可能需要有不同的接触刚度。
大块实体接触; 试用 FKN = 1.0
柔性接触; 试用 FKN = 0.1
接触刚度
选择一个好的刚度值可能需要一些试验,下面的步骤可以用于静
态相关分析的指南
1. 改变接触单元选项, 允许接触刚度在重启动期间可以修改 2. 开始时采用一个“软的” FKN 可以帮助克服收敛困难 3. 运行此分析, 直到最终载荷 4. 检查对分析比较重要的一些结果(等效应力,接触压力等) 5. 增大 FKN 并重启动求解 6. 再检查结果
• 默认FKN =10 (对于绑定和不分离的接触)
• 默认 FKN=1.0 (其他形式接触)
接触问题法向接触刚度选择一般准则:
– 体积为主的问题: 用“Program Controlled” 或手动输入“Normal Stiffness Factor” 为“1.0”
– 弯曲为主的问题: 手动输入“Normal Stiffness Factor” 为“0.01” 到“0.1”之间的数值。