ANSYS高级接触问题73852
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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=0.01 · Knormal • 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 元刚度的一个比例因子。
§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2-1）
图2－1
• 3、ANSYS 中，摩擦采用库仑模型，并有附加 选项可处理复杂的粘着和剪切行为。
◦
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。
• 点一点（除 CONTA178）和点－面接触单元需要为 罚刚度 KN 输入绝对值：
◦
初始估计时：
◦
对于大变形: 0.1*E < KN < 1.0*E
◦
对于弯曲: 0.01*E < KN < 0.1*E
◦
E 为弹性模量
• 3、选取接触刚度的指导：
• Step 1. 开始采用较小的刚度值 • Step 2. 对前几个子步进行计算 • Step 3. 检查穿透量和每一个子步中的平衡迭代次数
• 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
• 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。
• 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
•
库仑法则是宏观模型，表述物体间的等
效剪力 FT 不能超过正压力 FN 的一部分：
FT <= μ× FN
• 式中： μ－ 摩擦系数
•
一旦所受剪力超过 FT，两物体将发生相对
滑动。
• 4、弹性库仑摩擦模型：允许粘着和滑动。
§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
的单元选项）ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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。
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，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：比自动缩减费用更昂贵的算法。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时瞬态分析。 • 3－最小值：该选项为下一子步、预报时间增量的最 小值（计算费用十分昂贵，建议不用）。这个选项在 碰撞和断续接触分析中是有用的。
§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
§2 接触单元
§2 接触单元
• 2. 点一面接触单元用于某一点和任意形状的面的 接触
• 可使用多个点－面接触单元模拟棱边和面的接 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：点面接触可以模拟棱边和面之间的接触
·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。 • 对于冲击瞬态分析，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。
◦
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 – pilot node”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
§2 面－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：
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
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 元刚度的一个比例因子。
§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2-1）
图2－1
• 3、ANSYS 中，摩擦采用库仑模型，并有附加 选项可处理复杂的粘着和剪切行为。
◦
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。
• 点一点（除 CONTA178）和点－面接触单元需要为 罚刚度 KN 输入绝对值：
◦
初始估计时：
◦
对于大变形: 0.1*E < KN < 1.0*E
◦
对于弯曲: 0.01*E < KN < 0.1*E
◦
E 为弹性模量
• 3、选取接触刚度的指导：
• Step 1. 开始采用较小的刚度值 • Step 2. 对前几个子步进行计算 • Step 3. 检查穿透量和每一个子步中的平衡迭代次数
• 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
• 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。
• 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
•
库仑法则是宏观模型，表述物体间的等
效剪力 FT 不能超过正压力 FN 的一部分：
FT <= μ× FN
• 式中： μ－ 摩擦系数
•
一旦所受剪力超过 FT，两物体将发生相对
滑动。
• 4、弹性库仑摩擦模型：允许粘着和滑动。
§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
的单元选项）ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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。
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，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：比自动缩减费用更昂贵的算法。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时瞬态分析。 • 3－最小值：该选项为下一子步、预报时间增量的最 小值（计算费用十分昂贵，建议不用）。这个选项在 碰撞和断续接触分析中是有用的。
§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
§2 接触单元
§2 接触单元
• 2. 点一面接触单元用于某一点和任意形状的面的 接触
• 可使用多个点－面接触单元模拟棱边和面的接 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：点面接触可以模拟棱边和面之间的接触
·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。 • 对于冲击瞬态分析，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。
◦
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 – pilot node”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
§2 面－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：
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