ANSYS高级接触问题

ANSYS高级接触问题

第一章接触问题概述

在工程中会遇到大量的接触问题，如齿轮的啮合、法兰联接、机电轴承接触、卡头与卡座、密封、板成形、冲击等等。接触是典型的状态非线性问题，它是一种高度非线性行为。接触例子如图1：

分析中常常需要确定两个或多个相互接触物体的位移、接触区域的大小和接触面上的应力分布。

接触分析存在两大难点：

在求解之前，你不知道接触区域、表面之间是接触或分开是未知的，表面之间突然接触或突然不接触会导致系统刚度的突然变化。

大多数接触问题需要计算摩擦。摩擦是与路径有关的现象，摩擦响应还可能是杂乱的，使问题求解难以收敛。

1.1 接触分类

1.1.1 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。

1.1.2 柔－柔

两个接触体都可以变形。

1.2 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）；在接触表面之间传递接触应力（正压力和摩擦）。

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—面接触单元；点—面接触单元；点—点接触单元。

不同的单元类型具有完全不同的单元特性和分析过程。

1.2.1 面—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，如轧制过程。

1.2.2 点—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。

1.2.3 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—点接触可以模拟一些面的接触。如地基和土壤的接触。

1.3 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。

1.3.1 接触问题的一般特性，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。

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的一个比例因子。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—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

3选取接触刚度的指导：

Step1开始采用较小的刚度值；

Step2对前几个子步进行计算；

Step3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。

第二章摩擦、自动时间步、控制

2.1 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。

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。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。

2.2 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，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。

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。

第三章面—面接触单元

3.1 概述