ANSYS接触分析

或在单元选项中控制： Contact time/load prediction K7: No prediction
4、Pinball 区域影响接触状态的确定和其它 许多接触特性
• Pinball 区域是环绕接触单元的园（2D）或球（3D）， 描述接触单元周围 “远” 和 “近” 区域的边界 (图63)。 • 在缺省情况下，Pinball 区域半径是 4×基体单元厚度 （刚－柔）或 2×基体单元厚度（柔一柔） • 可以为 Pinball 半径指定一个不同的值。
摩擦系数影响基本摩擦行为：
• Contact cohesion 表示当没有法向压力时开始滑动的摩 擦应力值。 • 摩擦导致非对称刚度阵。因为非对称矩阵很难计算（因 此导致求解变慢），程序自动控制执行对称求解，利用此 算法可以解决多数含摩擦接触问题。 • 有时，采用非对称矩阵能获用更好的收敛性。 • 如果遇到收敛缓慢问题可以用不对称求解选项。 • 记住：这种情况必须使用稀疏或波前求解器。
• 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。
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。
ANSYS 接触问题
• 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，你不知道接触区域的范围；表面之 间是接触还是分开是未知的；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。
• 2、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
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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。 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。
§2 摩擦
1、两个接触体的剪切或相互滑动行为可以是无摩擦的， 也可以是有摩擦的 • 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 (摩擦力)。 2、摩擦消耗能量，并且是路径相关行为。 • 为获得较高的精度，时间步长必须很小（图2-1）
图2－1
· 接触分析中自动时间步的其它注意事项：
§2 接触单元
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
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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） • 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。
7、初始穿透
• 如果模型包含初始几何穿透，接触力将立即“阶跃”到一个大值。 • －载荷突变经常导致收敛困难，期望有一种机制能够将初始穿透效应 渐变到零。 • Include with ramped effects 和 Include off set only w/ramp 选项通过在第一载荷步，将初始穿透渐变为零克服收敛困难。为求得 好的结果，在第一载荷步不应施加其它载荷 。
1、最重要的选项是法向罚刚度或接触刚度
• • • 对于大面积接触采用起始值（因子）1.0，对于柔性接 触采用 0.1。 大值对应较高精度；小值对应较好的收敛性。 有时最好先以较小的接触刚度进行分析，然后在一系列 载荷步中逐渐增大刚度－“渐变”的接触刚度，提高收敛 性 在最后的载荷步逐渐提高到一个刚硬的值将提高计算 精度。可通过向导的基本表或单元特性菜单设置以允许程 序更新接触刚度 接触向导 Basic Normal Penalty Stiffness 1.0 ⊙factor ○constant 向导 Basic contact stiffness update: Each load step (PAIR ID based) none Each load step (允许 用户指定刚度变化) Each substep (允许自动和用户指 定变化)
§1 接触分类
• 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。 • 柔－柔 • 两个接触体都可以变形。
§2 接触单元
• ANSYS 采用接触单元来模拟接触问题：
•
• • • • ◦ ◦ ◦
§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 和土壤的接触
• 2D 面－面接触单元 • CONTA171 2D、2 节点低阶单元，可用于二维实体、壳、 梁单元的表面 • CONTA172 2D、3 节点高阶单元，可用于带中间节点的二 维实体单元表面 • 3D 目标单元 • TARGE170
图3-1
• 接触面和目标面确定准则 • 如凸面和平面或凹面接触，应指定平面或凹面为目标 面； • 如一个面上的网格较粗而另一个面上的网格较细，应 指定粗网格面为目标面； • 如一个面比另一个面的刚度大，应指定刚度大的面为 目标面； • 如一个面为高阶单元而另一面为低阶单元，应指定低 阶单元面为目标面； • 如一个面比另一个面大，应指定大的面为目标面。
• • • • • • • • •
三个高级接触特性允许调整初始接触条件以防止刚体模式： (1).自动 CONF 调整 程序计算 CNOF 以清除间隙。 (2).初始接触环（ICONT） 将调整带内接触表面上的节点移到目标面上 (3).初始允许穿透范围 (PMIN & PMAX）：将刚体表面移动到接触面上 调整初始接触条件（ICONT）： 实常数 ICONT 可用于指定目标面上的 “调整环”。位于调整环内的任 何接触点都要移动到目标面上。推荐只进行很小的修正，如果 ICONT 值太 大会产生不连续。如果未指定常数 ICONT，ANSYS 根据模型尺寸为 ICONT 提供一个小的缺省值。 • 关闭 ICONT，必须将其设置成非常小的值(如1e-20) • 0 值代表非 0 的缺省值
• •
2、第 2 个重要选项－穿透容差。
• 缺省情况下，穿透容差是一个因子乘以基体单元厚度。 • 对于变化很大的网格密度，采用因子会在接触表面的某 些部分产生太小的容差，这时采用绝对值可能更好。 • 不要使用太小的容差，因为它总是对收敛性有害。
3、对于临界接触状态变化的自动时间步控制
1 不控制：不影响自动时间步，对静力问题自动时间步打开时此选项一 般是足够的。 2 自动二分：如果接触状态变化明显，时间步长将二分。对于动力问题 自动二分通常是足够的。 3 合理值：比自动细分更耗时的算法。 4 最小值：此选项为下一步预测最小时间增量（很耗计算时间，不推荐）
图6-3
• 也可用实常数PINB调整球形区（对于初始值侵入大的问 题是必要的）。
5、几种不同的接触模式 这些选项使你能够模拟特殊的物理现象。
• 或单元选项: Behavior contact surface K12: standard • 这些选项包括： • 标准：正常的接触闭合和打开行为，具有正常的粘着/滑动摩擦行为。 • 粗糙：正常接触闭合和打开行为，但不发生滑动（类似于具有无限摩擦系 数） • 不分离（滑动）：目标面和接触面一旦建立接触就不再分离（允许滑动） • 绑定：目标面和接触面一旦接触就粘在一起 • 不分离（永远）：初始位于 Pinball 区域内或已经接触的接触检查点在法 向不分离（允许滑动） • 绑定接触（永远）：初始位于 Pinball 区域内或已经接触的接触检查点在 剩余的分析过程中绑定在一起 • 绑定接触（初始接触）：只在初始接触的地方采用绑定，初始分开的地方 保持分开。
7、初始穿透
• 有几种技术可以模拟初始穿透接触问题（如过盈装配）。 可以使用初始几何穿透，或指定偏移量，或二者皆有。 • 指定偏移量（CNOF）
• 或在实常数中指定偏移量（CNOF）contact surface offset CNOF: 0.025
7、初始穿透
正的 CNOF 加大初始穿透 负的 CNOF 减小初始穿透或导致间隙 CNOF 可与几何穿透组合 自动 CNOF 调整 允许 ANSYS 基于初始穿透自动给定 CNOF 值。 导致 “刚好接触” 配置 ICONT 缺省为 0
§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
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： 面一面接触单元； 点一面接触单元； 点一点接触单元。
§2 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. 面一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。
7、初始穿透
• 初始穿透选项包括： • Include everything：包括由几何模型和指定偏移量 （如果有的 话）引起的初始穿透 • Exclude everything：忽略所有初始穿透效应。 • Include with ramped effects：渐变初始穿透，以提高收敛性。 • Include offset only：只包括由偏移量指定的基本初始穿透。 • Include offset only w/ramp：只包括由偏移量指定的基本初始 穿透，且渐变初始穿透以提高收敛性
§2 面－面接触单元
• 使用面－面接触单元计算刚－柔、柔－柔接触分析。 • 把一个面指定为目标面（Target），另一个面指定为接触 面（contant），合起来叫接触对。 • 接触单元被约束不能侵入目标面，然而目标单元能侵入接 触面。 • 2D目标单元 • TARGE169 :
§2 面－面接触单元
8、刚体模式
• 初始不接触的两个（或多个）物体 的静力分析中，在接触建立前可能 产生பைடு நூலகம்体运动 。 • 此例中圆柱体没有施加位移约束， 面由力控制。 • 圆柱体的约束由圆柱体和平板之间 的接触建立。 • 求解过程中两个物体分离，刚度矩 阵奇异。 • ANSYS 将产生一个负主元警告。 有几个选项可以解决由于初始不相 连物体引起的刚体模式：