ANSYS接触分析
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STEP1：建立模型，并划分网格 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、材料特 性等。注意要利用恰当的单元类型给接触体划分 网格。 STEP2：识别接触对 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。 STEP3：指定接触面和目标面 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，目标面和接触面的指 定应考虑以下准则：
12
3、生成接触单元 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 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：
Main Menu>Preprocessor>Create>Element>on Free Surface
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，则它们 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)应指 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： Main
Main Menu>Preprocessor>Meshing -Mesh>Areas。
10
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，它定义了接 触方向。 对2-D：当沿着目标线从第一个节点移向第二 个节点时，变形体的接触单元必须位于目标面 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)。
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。然后利用下述命令生成单元 和节点：
Main Menu >Preprocessor > Modeling-Create>Nodes Main Menu >Preprocessor > Modeling-Create>Element
9
b. 使用ANSYS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 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Pilot节点：
Guidelines
3
面-面接触的优点： •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 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， 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 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； •允许多种建模控制，支持死活单元。
7
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，Pilot节 点的位置才是重要的，否则可以为任意位置。对 圆、圆柱、圆锥、球等基本图元， ANSYS 总是 使用第一个节点作为Pilot节点。 2、基本图元 可以使用圆、圆柱、圆锥、球等基本图元来模 拟目标面。 3、单元类型和实常数 Targe169 和 Targe170 只需设置实常数 R1 和 R2 ， 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，R2。
Main Menu>Preprocessor>Meshing -Mesh>Keypoints
•生成2-D目标单元：
Main Menu>Preprocessor>Meshing -Mesh>Lines
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，在每条圆弧和倒角上生成圆弧部 分，如果所有圆弧形成一个封闭的圆，生成一个 单一的圆。 •生成3-D目标单元：
STEP7：控制刚性目标面的运动 刚性目标面的运动是由Pilot节点的给定位移来 定义的。 STEP8：给变形体加必要的边界条件：与其它分 析相同。 STEP9：定义求解和载荷步选项：Auto Time Step：“ON”；FULL N-R方法；“自适应下降 因子”关闭；迭代次数：25～50；Line Search： “ON”；除在大转动和动态分析中外，均需打开 “Predictor”。 STEP10：求解。 STEP11：观察结果 接触分析的主要结果包括位移、应力、应变、 支反力和接触消息。 21
Menu> Preprocessor> Create> Elements On free Surf。
13
STEP6：设置实常数和单元关键字 程序使用九个实常数和几个单元关键字来控制面面接触单元的接触行为。 1、实常数：Main Menu>Preprocessor>Real Constant 9个实常数中，两个(R1和R2)用于定义目标面单 元的几何形状，余下的7个用来控制接触行为: FKN：定义法向接触刚度因子； FTOLN：定义最大的穿透范围； ICONT：定义初始靠近因子； PINB：定义“Pinball”区域； PMIN和PMAX：定义初始穿透的容许范围； TAUMAX：指定最大的接触摩擦； CNOF：给接触面指定一个正或负的偏移值； FKOP：指定接触发生时所给的刚度因子。 14
8
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)
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5、选择摩擦类型 库仑摩擦：缺省的摩擦系数为 0( 无摩擦 ) ；对 Rough 或 Bonded 接触 (KEYOPT(2)=1 或 3) ，摩擦 阻力无限大。 6、选择接触检查点的位置 接触检查点位于接触单元的积分点上。在积 分点上，接触单元不能穿透进入目标面；然而， 目标面能穿透进入接触面。 7、调整初始接触条件 1) 使用实常数ICONT； 2) 使用实常数PMIN和PMAX； 3) 使用实常数CONF来指定接触面的偏移； 4) 设置KEYOPT(9)来调整初始穿透。
Edit/Delete
接触算法(罚函数+拉格朗日法或罚函数法) (KEYOPT(2)) 出现超单元时的应力状态(KEYOPT(3)) 接触检查点的位置(KEYOPT(4)) 刚度矩阵的选择(KEYOPT(6)) 时间步长控制(KEYOPT(7)) 初始穿透影响(KEYOPT(9)) 接触模型(KEYOPT(12))
FKN 、 FTOLN 、 ICONT 、 PINB 、 PMAX 、 PMIN 和 FKOP 为正值表示为比例因子；为负值 作为真实值。而且基本单元的厚度为 ICONT 、 FTOLN、PINB、PMAX、PMIN的参考值。
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2、单元关键字 对大多数接触问题，缺省的关键是合适的；然而， 在某些情况下，可能需要改变缺省值来控制接触行 为 。 Main Menu>Preprocessor>Element Type> Add/
11
STEP5：定义柔性体的接触面 使 用 Conta171 、 172(2-D) ； Conta173 、 174(3-D)来定义。 1、单元类型： Conta171 ： 2-D 节点低阶线单元； Conta172 ： 2-D，3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。 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，而每个接触对必须有它自己不同 的实常数号。
Guidelines
4
进行接触分析
不同的接触分析类型有不同的过程。 一、面-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，需将要接触的所有部分划 分网格；对刚-柔接触，只需对柔体接触面的部 分划分网格。面-面接触分析的步骤如下：
接触分析
1. ..... 2. ..... 3. ..... Procedure
Lesson Objectives
1
ANSYS 支持三种接触方式：点 - 点、点 - 面和面 Leabharlann Baidu 面 接触。有限元模型通过指定的接触单元来识别可能的 Guidelines 接触对，接触单元是覆盖在分析模型接触面之上的一 层单元。 一、点-点接触单元 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 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，则 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 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， 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。
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10、使用超单元建立模型 面-面接触单元能够模拟刚体和另一个有运动的 线弹性体的接触，而线弹性体又可以用超单元来 建模，从而大大降低进行接触迭代的自由度数。 11、考虑厚度的影响 由KEYOPT(11)来考虑壳(2-D、3-D)和梁(2-D) 的厚度：缺省时不考虑厚度，以中面表示；=1， 考虑厚度。 12、使用时间步长控制 由KEYOPT(7)来决定： =0 没有时间步长控制; =1 进行时间步长二分； =2 对下一子步预测一个 合理的时间增量; =3 对下一子步预测一个最小的 时间增量 13、使用死活单元选项。 20
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•当凸面和平面或凹面接触时，应指定平面或凹 面作为目标面； •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； •基础单元为高阶单元的面为接触面，为低阶单 元的面为目标面； •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： 对2-D，目标面的形状可以通过一系列直线、圆 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。 1、控制节点(Pilot节点)
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3、选接触算法 由单元关键字KEYOPT(2)来指定。使用拉格朗 日算法的同时应使用实常数FTOLN，缺省为0.1。 4、决定接触刚度 接触刚度过大，会导致总刚的病态，从而造成 收敛困难；接触刚度过小，又会造成过大的穿透 量。因此接触刚度应有一个最优点，兼顾两方面。 程序会根据变形体单元的材料特性估计一个缺省 的接触刚度值，可以用实常数 FKN来对它进行缩 放或指定一真正值。比例因子在 0.01 ～ 10 之间。 可以先选一个较低值进行估算，然后检查逐渐增 大到合适的值。(注意判断不收敛是什么因素引起 的 )。
2
Contact48 和 49 是点 - 面的接触单元。同样， 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。 三、面-面接触单元 ANSYS 支持刚 -柔、柔 -柔的面 -面接触单元， 刚性面被当作 “ 目标 ” 面分别用 Targe169 和 Targe170 来模拟 2-D 和 3-D 的 “ 目标 ” ；柔性 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 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。
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8、决定接触状态和Pinball区域 接触单元相对于目标面的运动和位置决定了接 触单元的状态，程序将检测每一个单元并给出所 处的一种状态。 检查接触的计算时间依赖于 Pinball 区域的大小： 远区接触单元的计算简单、迅速；近区的计算复 杂、缓慢；已经接触时计算最为复杂。 9、选择表面作用模式 通过设置KEYOPT(12)来选择下列的某种作用模 式： =0 法向单边接触； =1 粗糙接触； =2 不分开接触 (不允许法向脱开，允许相对滑动 )； =3 Bonded 接触 ( 不允许法向脱开，不允许相对滑 动 )。
STEP1：建立模型，并划分网格 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、材料特 性等。注意要利用恰当的单元类型给接触体划分 网格。 STEP2：识别接触对 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。 STEP3：指定接触面和目标面 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，目标面和接触面的指 定应考虑以下准则：
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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： 1) 选择节点：选择已划分为网格的柔性体表面的节 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：
Main Menu>Preprocessor>Create>Element>on Free Surface
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，则它们 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)应指 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： Main
Main Menu>Preprocessor>Meshing -Mesh>Areas。
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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，它定义了接 触方向。 对2-D：当沿着目标线从第一个节点移向第二 个节点时，变形体的接触单元必须位于目标面 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)。
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。然后利用下述命令生成单元 和节点：
Main Menu >Preprocessor > Modeling-Create>Nodes Main Menu >Preprocessor > Modeling-Create>Element
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b. 使用ANSYS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 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Pilot节点：
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面-面接触的优点： •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 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， 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 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； •允许多种建模控制，支持死活单元。
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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，Pilot节 点的位置才是重要的，否则可以为任意位置。对 圆、圆柱、圆锥、球等基本图元， ANSYS 总是 使用第一个节点作为Pilot节点。 2、基本图元 可以使用圆、圆柱、圆锥、球等基本图元来模 拟目标面。 3、单元类型和实常数 Targe169 和 Targe170 只需设置实常数 R1 和 R2 ， 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，R2。
Main Menu>Preprocessor>Meshing -Mesh>Keypoints
•生成2-D目标单元：
Main Menu>Preprocessor>Meshing -Mesh>Lines
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，在每条圆弧和倒角上生成圆弧部 分，如果所有圆弧形成一个封闭的圆，生成一个 单一的圆。 •生成3-D目标单元：
STEP7：控制刚性目标面的运动 刚性目标面的运动是由Pilot节点的给定位移来 定义的。 STEP8：给变形体加必要的边界条件：与其它分 析相同。 STEP9：定义求解和载荷步选项：Auto Time Step：“ON”；FULL N-R方法；“自适应下降 因子”关闭；迭代次数：25～50；Line Search： “ON”；除在大转动和动态分析中外，均需打开 “Predictor”。 STEP10：求解。 STEP11：观察结果 接触分析的主要结果包括位移、应力、应变、 支反力和接触消息。 21
Menu> Preprocessor> Create> Elements On free Surf。
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STEP6：设置实常数和单元关键字 程序使用九个实常数和几个单元关键字来控制面面接触单元的接触行为。 1、实常数：Main Menu>Preprocessor>Real Constant 9个实常数中，两个(R1和R2)用于定义目标面单 元的几何形状，余下的7个用来控制接触行为: FKN：定义法向接触刚度因子； FTOLN：定义最大的穿透范围； ICONT：定义初始靠近因子； PINB：定义“Pinball”区域； PMIN和PMAX：定义初始穿透的容许范围； TAUMAX：指定最大的接触摩擦； CNOF：给接触面指定一个正或负的偏移值； FKOP：指定接触发生时所给的刚度因子。 14
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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)
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5、选择摩擦类型 库仑摩擦：缺省的摩擦系数为 0( 无摩擦 ) ；对 Rough 或 Bonded 接触 (KEYOPT(2)=1 或 3) ，摩擦 阻力无限大。 6、选择接触检查点的位置 接触检查点位于接触单元的积分点上。在积 分点上，接触单元不能穿透进入目标面；然而， 目标面能穿透进入接触面。 7、调整初始接触条件 1) 使用实常数ICONT； 2) 使用实常数PMIN和PMAX； 3) 使用实常数CONF来指定接触面的偏移； 4) 设置KEYOPT(9)来调整初始穿透。
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接触算法(罚函数+拉格朗日法或罚函数法) (KEYOPT(2)) 出现超单元时的应力状态(KEYOPT(3)) 接触检查点的位置(KEYOPT(4)) 刚度矩阵的选择(KEYOPT(6)) 时间步长控制(KEYOPT(7)) 初始穿透影响(KEYOPT(9)) 接触模型(KEYOPT(12))
FKN 、 FTOLN 、 ICONT 、 PINB 、 PMAX 、 PMIN 和 FKOP 为正值表示为比例因子；为负值 作为真实值。而且基本单元的厚度为 ICONT 、 FTOLN、PINB、PMAX、PMIN的参考值。
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2、单元关键字 对大多数接触问题，缺省的关键是合适的；然而， 在某些情况下，可能需要改变缺省值来控制接触行 为 。 Main Menu>Preprocessor>Element Type> Add/
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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。 1、单元类型： Conta171 ： 2-D 节点低阶线单元； Conta172 ： 2-D，3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。 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，而每个接触对必须有它自己不同 的实常数号。
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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。 一、面-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，需将要接触的所有部分划 分网格；对刚-柔接触，只需对柔体接触面的部 分划分网格。面-面接触分析的步骤如下：
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 Leabharlann Baidu 面 接触。有限元模型通过指定的接触单元来识别可能的 Guidelines 接触对，接触单元是覆盖在分析模型接触面之上的一 层单元。 一、点-点接触单元 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 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，则 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 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， 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。
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10、使用超单元建立模型 面-面接触单元能够模拟刚体和另一个有运动的 线弹性体的接触，而线弹性体又可以用超单元来 建模，从而大大降低进行接触迭代的自由度数。 11、考虑厚度的影响 由KEYOPT(11)来考虑壳(2-D、3-D)和梁(2-D) 的厚度：缺省时不考虑厚度，以中面表示；=1， 考虑厚度。 12、使用时间步长控制 由KEYOPT(7)来决定： =0 没有时间步长控制; =1 进行时间步长二分； =2 对下一子步预测一个 合理的时间增量; =3 对下一子步预测一个最小的 时间增量 13、使用死活单元选项。 20
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•当凸面和平面或凹面接触时，应指定平面或凹 面作为目标面； •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； •基础单元为高阶单元的面为接触面，为低阶单 元的面为目标面； •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： 对2-D，目标面的形状可以通过一系列直线、圆 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。 1、控制节点(Pilot节点)
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3、选接触算法 由单元关键字KEYOPT(2)来指定。使用拉格朗 日算法的同时应使用实常数FTOLN，缺省为0.1。 4、决定接触刚度 接触刚度过大，会导致总刚的病态，从而造成 收敛困难；接触刚度过小，又会造成过大的穿透 量。因此接触刚度应有一个最优点，兼顾两方面。 程序会根据变形体单元的材料特性估计一个缺省 的接触刚度值，可以用实常数 FKN来对它进行缩 放或指定一真正值。比例因子在 0.01 ～ 10 之间。 可以先选一个较低值进行估算，然后检查逐渐增 大到合适的值。(注意判断不收敛是什么因素引起 的 )。
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Contact48 和 49 是点 - 面的接触单元。同样， 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。 三、面-面接触单元 ANSYS 支持刚 -柔、柔 -柔的面 -面接触单元， 刚性面被当作 “ 目标 ” 面分别用 Targe169 和 Targe170 来模拟 2-D 和 3-D 的 “ 目标 ” ；柔性 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 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。
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8、决定接触状态和Pinball区域 接触单元相对于目标面的运动和位置决定了接 触单元的状态，程序将检测每一个单元并给出所 处的一种状态。 检查接触的计算时间依赖于 Pinball 区域的大小： 远区接触单元的计算简单、迅速；近区的计算复 杂、缓慢；已经接触时计算最为复杂。 9、选择表面作用模式 通过设置KEYOPT(12)来选择下列的某种作用模 式： =0 法向单边接触； =1 粗糙接触； =2 不分开接触 (不允许法向脱开，允许相对滑动 )； =3 Bonded 接触 ( 不允许法向脱开，不允许相对滑 动 )。