点─面接触分析

点─面接触分析

我们能使用点─面接触单元来模拟一个表面和一个结点的接触，另外，可以通过把表面指定为一组结点，从而用点─面接触来代表面─面的接触。

ANSYS程序的点─面接触单元允许下列非线性行为：

·有大变形的面─面接触分析

·接触和分开

·库仑摩擦滑动

·热传递

点─面的接触是一种在工程应用中普遍发生的现象，例如：夹子、金属成形等等，工程技术人员对由于结构之间的接触而产生的应力变形为和温度改变是感兴趣的。

使用点─面的接触单元

在ANSYS程序中点─面的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，接触单元的形状为三角形，四面体或锥形，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4─9绘出了二组的接触单元（COWTA（48））和三维的接触单元（COWTA （49））

图4─9 (a)2-D接触单元—COWTAC48

(b)3-D接触单元─COWTAC49

(c)2-D接触单元─COWTAC26

如果目标面是刚性的，而问题又是2-D的，则可以使用CONTA26来建模点─面接触分析的步骤

下面列出了典型的点─面接触分析的基本步骤

1.建模并划分网格

2.识别接触对

3.生成接触单元

4.设置单元关键字和实常数

5.给定必须的边界条件

6.定义求解选项

7.求解

8.查看结果

第1步：建模，划分网格

在这一步中，需要建立代表接触体几何形状的模型，设置单元类型，实常数和材料特性，用适当的单元类型划分网格

命令：AMESH

VMESH

GUI：Main menu>Pneprocossor>Mesh>Mapped>3 or 4 Sided

Main menu>Pneprocessor>Mesh>Mapped>4 to 6 sided

应该避免使用有中结点的单元，特别是在3维问题中，因为这些单元表面节点上“有效刚度”是很不均匀的，例如，对95号单元来说，角结点上有一个负刚度。然而，是接触关系建立，ANSYS程序的点─面接触算法假定刚度均匀分布在面上的所有结点上，因此，在接触分析中使用这些单元时，能导致收敛困难。

仅仅在使用COWTA48的2维分析中，才可以在接触面上使用中结点单元，但不能在目标面上使用中结点单元，当生成48号接触单元的时候，目标面上的中节点将被忽略，这样将会导致在目标面上不均匀的力传递。

第2步，识别接触对

你必须认识到在变形过程中，哪儿可能发生接触，一是你已知认识到潜在接触面，通过接触单元来定义它们，为了更有效地进行计算（主要指CPU时间），你可能想，定义比较小的，局部的接触区域，但要保证你所定义的接触区域能模拟所有必须的接触。

由于几何形状和潜在变形的多样化，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，你需要建立一个包含表面节点的组元。

命令：CM

GUI：Utility>Select>Comp/Assembly>Cneate Component

然后就可以使用这些表面结点，在接触面之间形成所有有可能的接触形状。如果

你能肯定某些面永远不会相互接触，那么应该适当的包括更多的结点

第三步：生成接触单元

在生成接触单元之前，首先必须定义单元类型，对点─面的接触使用CONTAC48(2维)和CONTAC49(3维)

命令：ET

GUI：Main menu>Pneprocessor>Eloment Type>Add/Edit/Relete

然后再定义接触单元的实常数，每个不同的接触面应该有一个不同的实常数号，即便实常的值相同，因为使用不同的实常数号，程序能够较好的区分出是壳的顶面还底面接触，或者是能够在不同的接触面进行较好的区分。例如：在角接触中，每条也应该有它自己的实常数号，如图4─10所示，另一种典型应用是梁的双边接触，如图4─11所示

命令：R

RMODIF

GUI：Main menu>Pneprocessor>Real Constants

接着就是在对应的接触对之间生成接触单元。

命令：GCGEN

GUI：Main menu>Pnprocossor>Cneate>Elements>At Confactsrf

对生成点─面的接触单元的几点提示。

·一般来说，生成的接触单元不需超过所需要的2─3，使用“限制半径”

（RADC）或“生成的单元数”（NUMC）选项来限制生成的接触单元数，如果生成的接触单元数超过所需的10或更多，则会极大增加计算时间，同时也需要大量的硬盘空间。

·进行接触分析时在接触面上建议使用无中结点的单元。

·对梁或壳单元需要通过“目标面”（TLAB）选项来指定单元数一边是目标面。

·对于卷曲的（非平面）目标面，使用CONTA49的“基本形状”(shape)选项来指定单元的基本形状是三角形，这个选项能使目标单元较好的模拟目标面的原形。

·每次在新的接触对之间生成接触单元时，都指定一个新的实常数号，既使

接触单元的实常数值没有改变，生成对称或反对称的接触单元。

你可以选择生成对称的或反对称的接触单元，用一个简单的GCGEN命令定义一对接触面生成一种反对称的接触方式。在这种情况下，一个面是接触面而另一个是目标面，另外你可以使用两个GCGEN命令，将两个面都定义成即是目标面又是接触面，这种情况叫作对称接触方式，例如：考虑两个面A和B，在第一个GCGEN命令中，将面A指定为接触面，面B指定为目标面，而在第二个GCGEN命令中，将面A指定为目标面，而将面B指定为接触面，下面是在前处理中生成接触单元的标准命令流输入。

NSEL，S，NODE…！在接触面上选择一组结点

CM，CONTACT，NODE ！将所造结点生成组元“COMTACT”

NSEL，S，NODE…！大目标面上选择一组新结点

CM，TARGET，NODE ！将所选结点生成组元“TARGET”

NSEL，ALL

GCGEN，CONTACT，TARGET

GCGEN，TARGET，CONTACT

一般来说，对称接触方式是一种更好的方法，因为它不需要特别考虑哪个面是接触面，哪个面是目标面，相反，反对称接触方式在区分目标面和接触面时需要遵守以下规则：

·如果一个面的接触部分是平的或凹的，而另一个面的接触部分是尖的或凸的，则应该将平凹面作为目标面，

·如果两个接触面都是平的，则可以任意选择

·如果两个接触面都凸的，应该将两个面中较平的作为目标面

·如果一个接触部分有尖边，而另一个没有，则有尖边的面应作为接触面。生成已经开始接触的模型，那就是建立开始变形时的模型，这样，单元实际上已经彼此重叠在一起，用这种方法，在对结构进行分析时只需使用一个载荷步，同时应该打开“线性搜索”选识，从许多过盈分析问题中发现，为了得到收敛的结果，必须打开此选项。

命令：LNSRCH，ON

GUI：main menu>Preprocessor>load>No linesr>Line Search