Ansys非线性接触分析和设置
ANSYS接触非线性算法详解
ANSYS接触非线性算法详解本文将向读者详细介绍ANSYS接触非线性中的主要算法的计算原理，如图1所示给出了ANSYS Workbench结构模块中的接触算法选择面板。
1.完全罚函数法（Pure Penalty Method）完全罚函数法计算时需要提供法向和切向刚度矩阵。
完全罚函数的主要缺点是两个接触面之间的穿透量取决于这个刚度矩阵。
过高的刚度值会减小穿透总量，但会产生病态的总体刚度矩阵从而导致计算收敛困难。
2.增强的拉格朗日方法（Augmented Lagrangian Method）增强的拉格朗日方法是为了找到精确的拉格朗日乘子（即接触力），而对罚函数进行一系列修正迭代。
在方程的平衡迭代过程中增大接触附着力（压力和摩擦应力）以便最终的透穿值小于允许的容差值(FTOLN)。
与纯罚函数的方法相比，拉格朗日方法容易得到良态条件，对接触刚度的敏感性较小。
然而，在有些分析中，增进的拉格朗日方法可能需要更多的迭代，特别是在变形后网格变得太扭曲时。
图2 罚函数法的计算原理图3.MPC多点约束法MPC:多点约束是一个极为有效的接触模拟算法。
适用于绑定和不分离接触。
可以连接不同网格模型。
连接不同的单元类型：4.法向拉格朗日乘子法ANSYS提供了一种混合算法，即在接触法向使用拉格朗日乘子法，接触切向使用罚函数法。
对于粘结接触状态，这种方法强制施加零透穿值并且允许小滑动。
它也要求颤振控制参数FTOLN 和TNOP，还有允许的弹性滑动参数SLTO的最大值。
5.梁连接算法梁算法仅适用于绑定连接，该算法使用无质量的梁单元实现接触面和目标面的绑定连接。
ANSYS workbench 接触简介
Contact Status Open p
Contact Status Open p
Penetration
Gap
Penetration
Gap
Closed 法向拉格朗日法
3-8
Closed 罚函数法
Penetration
Workbench Mechanical - Introduction to Contact
积分点探测
节点探测
3-9
Workbench Mechanical - Introduction to Contact
... 接触公式
Training Manual
• 对于特定的“绑定”和“不分离”两个面间的接触类型,可用多点约束 (MPC) 算法.
– MPC 内部添加约束方程来“联结”接触面间的位移 – 这种方法不基于罚函数法或Lagrange乘子法 .它是直接有效的关联绑定接触面 方式。 – MPC算法基础的绑定接触也支持大变形效应
– “N “Normal lL Lagrange” ” 法是因为拉格朗日乘子公式用于法线方向而罚函 数 方法用于切线方向而得名的.
3-12
Workbench Mechanical - Introduction to Contact
… 公式对比
Training Manual
• 下表列出不同接触算法的比较，用“+”表优势，“-”表劣势:
F
当接触协调性不被强制时会发生渗透.
Contact
Target
F
3-4
Workbench Mechanical - Introduction to Contact
B. 接触公式
• 对非线性接触实体表面, 可使用罚函数或增强拉格朗日公式:
ANSYS结构非线性分析指南
ANSYS结构非线性分析指南ANSYS是一个强大的工程仿真软件，能够对各种复杂的结构进行分析。
其中，结构非线性分析是其中一种重要的分析方法，它能够模拟结构在非线性载荷和变形条件下的行为。
本文将为您提供一个ANSYS结构非线性分析的指南，帮助您更好地理解和应用这个方法。
首先，我们需要明确结构非线性分析的目标。
一般来说，结构非线性分析主要用于研究结构在大变形、材料非线性、接触或摩擦等复杂条件下的响应。
例如，当结构受到极大的外力作用时，其产生的变形可能会导致材料的非线性行为，这时我们就需要进行非线性分析。
在进行非线性分析之前，我们需要进行准备工作。
首先，我们需要准备一个几何模型，可以通过CAD软件导入或者直接在ANSYS中绘制。
然后，我们需要选择合适的材料模型，这将直接影响分析结果的准确性。
ANSYS提供了多种材料模型，例如线弹性模型、塑性模型和粘弹性模型等。
接下来，我们需要定义边界条件和载荷。
边界条件指明了结构的固定边界和自由边界，这决定了结构的位移约束。
载荷是作用在结构上的外力或者外界约束，例如压力、点载荷或者摩擦力等。
在非线性分析中，载荷的大小和施加方式可能会导致结构的非线性响应，因此需要仔细选择。
接下来，我们需要选择适当的非线性分析方法。
ANSYS提供了多种非线性分析方法，例如几何非线性分析、材料非线性分析和接触非线性分析等。
几何非线性分析适用于大变形情况下的分析，材料非线性分析适用于材料的弹塑性行为分析，而接触非线性分析适用于多个结构之间的接触行为分析。
在进行非线性分析之前，我们需要对模型进行预处理，包括网格划分和解算控制参数的设置。
网格划分的精度会直接影响分析结果的准确性，因此需要进行适当的剖分。
解算控制参数的设置涉及到收敛性和稳定性的问题，需要进行合理的调整。
然后，我们可以进行非线性分析了。
ANSYS提供了多种求解器，例如Newton-Raphson方法和弧长法等。
这些求解器可以通过迭代算法来求解非线性方程组，得到结构的响应结果。
ANSYS高级接触分析
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。
• 接触单元就是掩盖在分析模型接触面上 的一层单元。
• 在 ANSYS 中可以承受三种不同的单元 来模拟接触：
•
面一面接触单元；
•
点一面接触单元；
§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外形的两个外表接 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
•
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：
•
与低阶单元和高阶单元都兼容
•
供给更好的接触结果〔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
•
刚性外表由“把握节点 – pilot node”把握
•
热接触特性
•
众多的高级选项来处理简洁问题。
2、摩擦消耗能量，并且是路径相关行为。 为获得较高的精度，时间步长必需很小〔图2-1〕
图2－1
3、ANSYS 中，摩擦承受库仑模型，并有附加选项可 处理简洁的粘着和剪切行为。 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 的一局部： 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。
ANSYS接触类型分析.
Workbench中提供了5种接触类型，单从字面上很难理解这几种接触的区别，下面将帮助中关于这几个接触类型的描述翻译出来，供参考:1.Bonded（绑定）:这是AWE中关于接触的默认设置。
如果接触区域被设置为绑定，不允许面或线间有相对滑动或分离。
可以将此区域看做被连接在一起。
因为接触长度/面积是保持不变的，所以这种接触可以用作线性求解。
如果接触是从数学模型中设定的，程序将填充所有的间隙，忽略所有的初始渗透。
2.No Separation（不分离）:这种接触方式和绑定类似。
它只适用于面。
不允许接触区域的面分离，但是沿着接触面可以有小的无摩擦滑动。
3.Frictionless（无摩擦）:这种接触类型代表单边接触，即，如果出现分离则法向压力为零。
只适用于面接触。
因此，根据不同的载荷，模型间可以出现间隙。
它是非线性求解，因为在载荷施加过程中接触面积可能会发生改变。
假设摩擦系数为零，因此允许自由滑动。
使用这种接触方式时，需注意模型约束的定义，防止出现欠约束。
程序会给装配体加上弱弹簧，帮助固定模型，以得到合理的解。
4.Rough（粗糙的）:这种接触方式和无摩擦类似。
但表现为完全的摩擦接触，即没有相对滑动。
只适用于面接触。
默认情况下，不自动消除间隙。
这种情况相当于接触体间的摩擦系数为无穷大。
5.Frictional（有摩擦）:这种情况下，在发生相对滑动前，两接触面可以通过接触区域传递一定数量的剪应力。
有点像胶水。
模型在滑动发生前定义一个等效的剪应力，作为接触压力的一部分。
一旦剪应力超过此值，两面将发生相对滑动。
只适用于面接触。
摩擦系数可以是任意非负值。
其他总结：Bonded：无相对位移，如同共用节点。
No Separation：法向不分离，切向可以有小位移。
后面三种为非线性接触。
Frictionless：法向可分离，但不渗透，切向自由滑动。
Rough：法向可分离，不渗透，切向不滑动。
Frictional：法向可分离，不渗透，切向滑动，有摩擦力。
ANSYS接触分析实例
ANSYS接触分析实例接触分析是指在模拟两个物体在接触过程中的力学行为。
在工程设计中，接触分析能够解决各种复杂的机械接触问题，例如轴承、齿轮传动、接头连接等。
ANSYS通过它的接触分析功能，能够模拟物体间的精确接触行为，包括接触压力、接触区域、接触力和摩擦力等，并提供准确的力学分析结果。
举一个实际的例子，假设我们需要分析一个摩擦力的问题。
一辆汽车正在上坡行驶，车轮与路面之间的接触处产生了摩擦力。
我们希望通过ANSYS来模拟并计算摩擦力的大小。
首先，我们需要建立一个三维模型，包括车轮和路面。
可以使用ANSYS提供的建模工具进行绘制，也可以导入其他CAD软件中的模型。
在建模过程中，我们需要设置适当的边界条件和材料属性，例如路面的摩擦系数和车轮的材料参数。
接下来，我们需要定义接触边界条件。
在这个例子中，车轮与路面之间发生接触的区域称为接触区域。
可以在ANSYS中使用接触探测器来自动识别接触区域，或者手动定义接触区域。
在定义接触区域后，需要设置接触界面的行为，包括摩擦系数、接触刚度和接触阻尼等。
这些参数将影响接触力和摩擦力的计算结果。
完成模型和边界条件的设置后，我们可以进行接触力的计算。
首先，需要进行非线性静力分析，通过施加一个外力或位移来激活接触区域。
ANSYS将自动求解力学平衡方程并计算出接触力。
我们可以通过结果后处理功能来可视化和分析接触力的分布情况。
得到接触力的结果后，我们可以根据需要进一步分析摩擦力。
ANSYS提供了丰富的后处理工具，例如力矩计算和摩擦力分析工具，可以帮助我们准确地计算和分析摩擦力的大小和方向。
通过以上的步骤，我们可以使用ANSYS进行接触分析，并得到准确的接触力和摩擦力结果。
这个例子只是接触分析的一个简单示例，实际应用中的接触分析可能涉及更复杂的几何形状、材料特性和接触行为等，并需要更深入的分析和验证。
但是通过ANSYS强大的功能和易用性，工程师们可以更高效地解决接触分析问题，提高产品设计的质量和性能。
材料非线性接触设置实例_ANSYS Workbench有限元分析实例详解（静力学）_[共11页]
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第5章 非线性静力学分析– 424 –同理，右键点击Connections 插入Connection Group4，隐含core 、solid 、shell 三个零件，在Geometry 处选择剩下的13个零件，调整Tolerance Slider 为0，然后自动生成接触，如图5-3-83所示。
图5-3-83 接触设置4由于产生的接触对较多，不可避免会有接触对重复现象，所以生成完所有接触对之后，右键点击Connections →Search Connections for Duplicate Pairs ，软件将自动检查重复接触对，然后手动删除，多次检查，直到出现：no connections with duplicate pairs have been found 提示。
接触对全部定义完以后，可以再统一修改接触类型为No Separation 或Frictionless ；或者在定义接触之前，就修改Tool →Option →Mechanical →Connections →Type 为No Separation 或Frictionless ，这样定义的接触对默认为不分离或无摩擦。
4．小结对于复杂零件的接触设置，通过定义多个Connection Group ，定义不同的接触公差，可以有效地提高软件自定义接触的准确性。
如果是更加复杂的整件，通过External Model 模块可以装配有限元模型（支持主流有限元软件的网格文件，且不受版本限制）。
该模块可以保留网格文件中的命名选择、网格控制，如果是装配部件，还会保留接触对设置，可以对Solid 单元、Shell 单元的高阶、低阶单元模型进行装配，而且ANSYS 后续版本都在强化该模块装配后的智能操作。
5.3.8 材料非线性接触设置实例接触分析过程中，往往伴随着材料非线性特征，这两种非线性结合在一起，极易不收敛。
初学者在学习过程中，由于参照例子一步一步操作，知其然不知其所以然，造成面临实际不收敛问题时，往往不知所措。
ansys非线性接触分析中的接触行为
ansys非线性接触分析中接触行为接触是状态改变非线性，经典ANSYS版本中共提供了7种接触行为，每一种都有其特点及相应的应用范围，在选用的时候应该谨慎。
（1）标准接触行为（standard）该接触行为包括了法向接触闭合和分开行为，在该接触模式中既考虑粘着摩擦同时也考虑了滑动摩擦。
如图上，AB与BC本来是分开的，中间通过B点连接，当在A点施加力F，AB慢慢贴近BC，最终靠在一起。
但F撤销后，AB在恢复力的作用下慢慢回复到初始分开状态。
标准接触行为包括了分开状态→闭合状态→分开状态。
当AB与BC靠在一起时，既存在正压力，同时还有沿BC圆弧切线方向的摩擦力。
（2）粗糙接触行为（rough）该接触行为包括了法向接触闭合和分开行为，但滑动行为在此是不会发生的。
原因是所有参与接触的表面都被假定为非常粗糙，以致于可以认为摩擦力无穷大而不能够产生相对滑动。
在这种接触行为中，接触的两个物体或部件之间，除了存在正压力外，还有切向摩擦力，但是接触部分之间不可以产生相对滑动。
（3）绑定接触行为（bonded）是指一旦接触关系建立，那么目标面及接触面就被假定为粘结在一起（不可以分开）。
（4）绑定接触行为（始终）（bonded（always））任何初始时在许可接触容差范围内探测到的接触点或者是那些即将进入接触的点在后续的分析中将被绑定在一起。
这种接触行为的典型应用，如在组装分析中将两种不同网络的组件“加”在一起。
线性静态分析也可以用该种接触行为来解决，虽然由于有接触单元的存在，分析中将会提示为非线性分析，但往往只要一步迭代就完成了。
（5）绑定接触行为（初始接触）（bonded（initial））绑定仅发生在初始状态下就接触的面上，初始状态下没有接触的部分将继续保持分开。
典型的例子是通过焊接连接在一起的两个物体，焊接部分始终保持连接，没有焊接的部分保持分离状态。
（6）不分开型（no separation）一旦接触关系建立，目标面及接触面便被约束在一起了，但还是允许接触面之间有滑动。
非线性_接触分析ANSYS
接触分析接触问题是一种高度非线性行为，需要较大的计算资源，为了进行实为有效的计算，理解问题的特性和成立合理的模型是很重要的。
接触问题存在两个较大的难点：其一，在你求解问题之前，你不知道接触区域，表面之间是接触或分开是未知的，突然转变的，这随载荷、材料、边界条件和其它因素而定；其二，大多的接触问题需要计算摩擦，有几种摩擦和模型供你挑选，它们都是非线性的，摩擦使问题的收敛性变得困难。
一般的接触分类接触问题分为两种大体类型：刚体－柔体的接触，和柔体－柔体的接触，在刚体－柔体的接触问题中，接触面的一个或多个被看成刚体，（与它接触的变形体相较，有大得多的刚度），一般情况下，一种软材料和一种硬材料接触时，问题可以被假定为刚体－柔体的接触，许多金属成形问题归为此类接触，另一类，柔体－柔体的接触，是一种更普遍的类型，在这种情况下，两个接触体都是变形体（有近似的刚度）。
ANSYS接触能力ANSYS支持三种接触方式：点－点，点－面，和面－面，每种接触方式利用的接触单元适用于某类问题。
为了给接触问题建模，首先必需熟悉到模型中的哪些部份可能会彼此接触，若是彼此作用的其中之一是一点，模型的对应组元是一个结点。
若是彼此作用的其中之一是一个面，模型的对应组元是单元，例如梁单元，壳单元或实体单元，有限元模型通过指定的接触单元来识别可能的接触匹对，接触单元是覆盖在分析模型接触面之上的一层单元，至于ANSYS 利用的接触单元和利用它们的进程，下面分类详述。
点－点接触单元点－点接触单元主要用于模拟点－点的接触行为，为了利用点－点的接触单元，你需要预先知道接触位置，这种接触问题只能适用于接触面之间有较小相对滑动的情况（即便在几何非线性情况下）若是两个面上的结点一一对应，相对滑动又以忽略不计，两个面挠度（转动）维持小量，那么可以用点－点的接触单元来求解面－面的接触问题，过盈装配问题是一个用点－点的接触单元来模拟面－面的接触问题的典型例子。
ANSYS非线性接触问题分析汇总
ANSYS 分线性接触问题分析汇总接触非线性是一门复杂的学科，ANSYS 关于计算非线性接触的设置选项多只又多，很多人摸不到头脑，本文就基于ANSYS 模拟过的几个接触实例，研究了相关设置选项对接触结果的影响。
实例1：橡胶密封圈配合接触研究—非线性求解设置对结果的影响密封圈配合模型简图见图1，左右两端为刚体，中间圆部分为橡胶密封圈，将刚体2沿刚体1方面移动，从而实现橡胶圈密封作用，采用plane182单元，设置轴对称行为，建立橡胶密封圈与刚体接触模型，见图2。
图1 密封圈配合模型简图 图2 密封圈配合有限元模型图接触对采用默认设置，摩擦系数取0.10，研究非线性求解器设置对收敛方面的影响，大变形静态（Large Displacement Static ）效应打开，自动时间步长（Automatic time stepping ）打开，子步数（Number of substeps ）设置为50，线性搜索（Line search ）打开。
1 收敛准则对结果的影响此实例收敛准则默认采用力收敛结合力矩收敛准则（基于L2范数），收敛容差（Tolerance ）默认为0.001，工程上认为0.05的收敛容差足够满足要求。
表 1 收敛容差对计算结果的影响收敛容差 最大应力/ MPa报错与否？ 0.001 4.12364报错 0.05 4.12785 报错 0.14.12996报错查看报错信息，见图3，表示单元过于扭曲，建议提高子步数或降低时间步长，需要提高网格质量，也要考虑材料属性，接触对及约束方程的合理性，若在第一步迭代就如此，需要预先执行单元形状检查。
图3 报错信息刚体1刚体2密封圈橡胶密封圈配合Von Mises应力云图见图4。
图4 橡胶密封圈配合Von Mises应力2 子步数对结果的影响此实例子步数设置为50、100、200、500，收敛容差（Tolerance）默认为0.001，研究子步数对收敛的影响。
5.3.9 接触设置综合实例[共10页]
![5.3.9 接触设置综合实例[共10页]](https://img.taocdn.com/s3/m/cabc9f6769dc5022abea0018.png)
5.3 状态非线性分析——接触5.3.9 接触设置综合实例通过前面例子的学习，已经了解了WB中接触设置。
下面以一个2D压片弯曲挤压胶片，胶片再承受密封流体压力的例子综合描述接触分析。
本例包含刚柔接触、自接触、密封流体压力。
1．建立2D模型如图5-3-99所示，建立一个含压模板、压片、胶片的2D模型。
由于压片上端为曲线，且压片与胶片均处于相对自由状态，所以很难精确定义压模板和胶片与压片相切的位置，因此压模板距压片有微小间隙，胶片与压片呈过盈状态。
压模板在整个过程中几乎不变形，而且也不是本分析所关注的目标，所以将其定义为刚体；压片在整个过程中存在大的弯曲变形，其结果将表现为首尾相接触，将其材料定义为非线性铝合金；胶片为橡胶件，整个过程中存在大应变，且胶片内部存在自接触可能，将其本构定义为Ogden 3rd Order类型。
压模板，命名tie，刚体压片，命名Surface Body，材料本构为非线性铝合金胶片，命名rub，材料本构为Ogden 3rd Order图5-3-99 2D模型2．2D模型及材料设置调用WB默认材料库内的非线性铝合金（General Non-linear Materials→Aluminum Alloy NL），新增一个材料，命名为rub，本构选择Hyperelastic→Ogden 3rd Order，9个参数分别为：MU1=0.043438MPa，A1=1.3，MU2=8.274E−5MPa，A2=5，MU3=−0.0006895MPa，A3=−2，D1=0.029MPa^−1，D2=0MPa^−1，D3=0MPa^−1。
在Geometry→2D Behavior处定义为Plane Stress（平面应力），如图5-3-100所示。
– 435 –第5章 非线性静力学分析– 436 – 3．Virtual Topology （虚拟拓扑）设置虚拟拓扑一般用于合并几个不同平面，使其保证为一个有限元拓扑模型，除此之外，还可用于分割模型。
Ansys非线性接触分析和设置
Ansys非线性接触分析和设置设置实常数和单元关键选项程序使用20个实常数和数个单元关键选项，来控制面─面接触单元的接触。
参见《ANSYS Elements Reference》中对接触单元的描述。
实常数在20个实常数中，两个(R1和R2)用来定义目标面单元的几何形状。
剩下的用来控制接触面单元。
R1和R2 定义目标单元几何形状。
FKN 定义法向接触刚度因子。
FTOLN 是基于单元厚度的一个系数，用于计算允许的穿透。
ICONT 定义初始闭合因子。
PINB 定义“Pinball"区域。
PMIN和PMAX 定义初始穿透的容许范围。
TAUMAR 指定最大的接触摩擦。
CNOF 指定施加于接触面的正或负的偏移值。
FKOP 指定在接触分开时施加的刚度系数。
FKT 指定切向接触刚度。
COHE 制定滑动抗力粘聚力。
TCC 指定热接触传导系数。
FHTG 指定摩擦耗散能量的热转换率。
SBCT 指定Stefan-Boltzman 常数。
RDVF 指定辐射观察系数。
FWGT 指定在接触面和目标面之间热分布的权重系数。
FACT 静摩擦系数和动摩擦系数的比率。
DC 静、动摩擦衰减系数。
命令：RGUI：main menu> preprocessor>real constant对实常数FKN, FTOLN, ICONT, PINB, PMAX, PMIN, FKOP 和FKT，用户既可以定义一个正值，也可以定义一个负值。
程序将正值作为比例因子，将负值作为绝对值。
程序将下伏单元的厚度作为ICON，FTOLN，PINB，PMAX 和PMIN 的参考值。
例如ICON = 表明初始闭合因子是“*下层单元的厚度”。
然而，ICON = 则表示真实调整带是单位。
如果下伏单元是超单元，则将接触单元的最小长度作为厚度。
参见图5-8。
图5-8 下层单元的厚度在模型中，如果单元尺寸变化很大，而且在实常数如ICONT, FTOLN, PINB, PMAX, PMIN 中应用比例系数，则可能会出现问题。
浅谈ANSYS Workbench接触设置
浅谈ANSYS Workbench接触设置0、引言ANSYS中的接触可涉及位移、电压、温度、磁场等自由度，在这些接触中，涉及位移自由度的接触是比较复杂的。
本文大概介绍了ANSYS中接触求解的原理，并使用ANSYS Workbench计算了两圆柱接触和轮齿接触的接触应力并与赫兹公式进行了对比，最后给使用ANSYS Workbench求解接触时提供了一些建议。
鉴于作者水平有限，难免会存在一些错误，希望广大读者批评指正。
1、ANSYS接触公式理论接触处理往往是复杂的。
可能的话推荐使用程序默认的设置。
因为现实接触体之间不会相互穿透，程序必须在两个表面之间建立一种关系，在分析中阻止彼此穿透。
程序阻止相互穿透的行为被称之为强制“接触兼容性”。
图1 接触穿透示意图为了在接触界面上强制执行兼容性，Workbench Mechanical通常提供了几个接触公式。
这些公式定义了使用的求解方法。
图2 接触算法设置界面•纯罚函数法•增广拉格朗日法•常规拉格朗日法•多点约束（MPC）法•梁(beam)如果穿透在一个接触容差（FTOLN*下层单元的深度）范围内，接触兼容性则是满足的。
接触深度是一个接触对中每个接触单元深度的平均值。
如果程序检测到任意穿透大于这个容差，全局求解仍然认为是不收敛的，即使残余力和位移增量达到了收敛准则。
图3 下层单元深度示意图2、纯罚函数法和增广拉格朗日法接触公式对于非线性实体接触面，可使用纯罚函数公式或者增广拉格朗日法公式。
这两个都是基于罚函数接触公式：F Normal=K Normal*X Penetration有限接触力F Normal，是接触刚度K Normal的函数。
接触刚度越高，接触穿透X Penetration越小，如下图说明：图4 接触刚度与接触穿透的示意图理想的，对于一个无限大的接触刚度K Normal，可以获得一个0穿透。
在基于罚函数方法下这在数值上是不可能的，但是，如果只要X Penetration足够小或者可以忽略，则认为求解结果是精确的。
ANSYS结构非线性分析相应步骤及命令流
ANSYS结构非线性分析相应步骤及命令流屈服准则概念：1.理想弹性材料物体发生弹性变形时，应力与应变完全成线性关系，并可假定它从弹性变形过渡到塑性变形是突然的。
2.理想塑性材料（又称全塑性材料）材料发生塑性变形时不产生硬化的材料，这种材料在进入塑性状态之后，应力不再增加，也即在中性载荷时即可连续产生塑性变形。
3.弹塑性材料在研究材料塑性变形时，需要考虑塑性变形之前的弹性变形的材料这里可分两种情况：Ⅰ.理想弹塑性材料在塑性变形时，需要考虑塑性变形之前的弹性变形，而不考虑硬化的材料，也即材料进入塑性状态后，应力不再增加可连续产生塑性变形。
Ⅱ.弹塑性硬化材料在塑性变形时，既要考虑塑性变形之前的弹性变形，又要考虑加工硬化的材料，这种材料在进入塑性状态后，如应力保持不变，则不能进一步变形。
只有在应力不断增加，也即在加载条件下才能连续产生塑性变形。
4.刚塑性材料在研究塑性变形时不考虑塑性变形之前的弹性变形。
这又可分两种情况：Ⅰ.理想刚塑性材料在研究塑性变形时，既不考虑弹性变形，又不考虑变形过程中的加工硬化的材料。
Ⅱ.刚塑性硬化材料在研究塑性变形时，不考虑塑性变形之前的弹性变形，但需要考虑变形过程中的加工硬化材料。
屈服准则的条件：1.受力物体内质点处于单向应力状态时，只要单向应力大到材料的屈服点时，则该质点开始由弹性状态进入塑性状态，即处于屈服。
2.受力物体内质点处于多向应力状态时，必须同时考虑所有的应力分量。
在一定的变形条件（变形温度、变形速度等）下，只有当各应力分量之间符合一定关系时，质点才开始进入塑性状态，这种关系称为屈服准则，也称塑性条件。
它是描述受力物体中不同应力状态下的质点进入塑性状态并使塑性变形继续进行所必须遵守的力学条件，这种力学条件一般可表示为）＝Cf（σij又称为屈服函数，式中C是与材料性质有关而与应力状态无关的常数，可通过试验求得。
屈服准则是求解塑性成形问题必要的补充方程。
1.1 什么是结构非线性在日常生活中，经常会遇到结构非线性。
ANSYS接触非线性应用技巧
Workbench 默认算法，计算速度快
Augmented Lagrange
ANSYS 经典界面默认算法，计算精度较高，收敛性好
Pure Lagrange
点对点的接触（较少使用）
Pure Lagrange on Normal; Penalty on Tangent
常用于模拟接触面之间零穿透并且存在摩擦的情况，例 如 模拟橡胶－金属之间的接触
Single contact pair
Contact pair-1
2.接触刚度不合适
缺省的接触刚度不再适用
ANSYS求解接触问题时，接触刚度对收敛性影响显著。大多数情况下缺省设置 有效，但不适于弯曲为主的接触问题。 不好收敛的信号是，收敛曲线平行于收敛准则，如下图。选择小的罚刚度值（ FKN），可以使接触容易收敛。
Error in element formulation
案例：非线性培训教材例子
项目背景
– 使用简化的2D 平面应力模型同样收敛失败
案例：非线性培训教材例子
解决方案
– 回到 DM 界面,增加倒圆角，右下角可看到小半径
案例：非线性培训教材例子
结果后处理.
案例：某机车结构件
工程背景
– 计算橡胶材料在 挤压作用下变形 和应力应变
Multipoint Constraint (MPC)
经常和Bonded联合使用，用于大模型的装配定义，可大大 降低计算时间，还或用于不同类型单元之间的连接
ANSYS接触不收敛原因及对策
遗漏接触对 接触刚度大 载荷步少 奇异 网格大变形 刚体位移 振荡 其他...
1.遗漏接触对
• 如果有些区域接触了（如自接触），但是没有定义接触对，单元会扭曲。
Ansys非线性接触分析和设置
Ansys⾮线性接触分析和设置Ansys⾮线性接触分析和设置5.4.9 设置实常数和单元关键选项程序使⽤20个实常数和数个单元关键选项，来控制⾯─⾯接触单元的接触。
参见《ANSYS Elements Reference》中对接触单元的描述。
5.4.9.1 实常数在20个实常数中，两个(R1和R2)⽤来定义⽬标⾯单元的⼏何形状。
剩下的⽤来控制接触⾯单元。
R1和R2定义⽬标单元⼏何形状。
FKN 定义法向接触刚度因⼦。
FTOLN 是基于单元厚度的⼀个系数，⽤于计算允许的穿透。
ICONT 定义初始闭合因⼦。
PINB 定义“Pinball"区域。
PMIN和PMAX 定义初始穿透的容许范围。
TAUMAR 指定最⼤的接触摩擦。
CNOF 指定施加于接触⾯的正或负的偏移值。
FKOP 指定在接触分开时施加的刚度系数。
FKT 指定切向接触刚度。
COHE 制定滑动抗⼒粘聚⼒。
TCC 指定热接触传导系数。
FHTG 指定摩擦耗散能量的热转换率。
SBCT 指定Stefan-Boltzman 常数。
RDVF 指定辐射观察系数。
FWGT 指定在接触⾯和⽬标⾯之间热分布的权重系数。
FACT静摩擦系数和动摩擦系数的⽐率。
DC静、动摩擦衰减系数。
命令：RGUI：main menu> preprocessor>real constant对实常数FKN, FTOLN, ICONT, PINB, PMAX, PMIN, FKOP 和FKT，⽤户既可以定义⼀个正值，也可以定义⼀个负值。
程序将正值作为⽐例因⼦，将负值作为绝对值。
程序将下伏单元的厚度作为ICON，FTOLN，PINB，PMAX 和PMIN 的参考值。
例如ICON = 0.1 表明初始闭合因⼦是“0.1*下层单元的厚度”。
然⽽，ICON = -0.1 则表⽰真实调整带是0.1 单位。
如果下伏单元是超单元，则将接触单元的最⼩长度作为厚度。
参见图5-8。
图5-8 下层单元的厚度在模型中，如果单元尺⼨变化很⼤，⽽且在实常数如ICONT, FTOLN, PINB, PMAX, PMIN 中应⽤⽐例系数，则可能会出现问题。
ansys 非线性分析原理
ansys 非线性分析原理ANSYS中的非线性分析是指通过考虑材料的非线性行为、几何非线性和边界条件的非线性等因素，对结构进行分析和计算。
非线性分析的原理主要包括以下几个方面。
1. 材料的非线性行为：考虑到材料在受载作用下的非线性行为，一般采用弹塑性分析方法。
弹塑性材料在受力时会出现应力-应变曲线的非线性特征，这需要使用合适的本构模型来描述。
ANSYS中常用的本构模型有弹塑性模型、弹性模型等，根据问题的实际情况选择适当的本构模型进行分析。
2. 几何的非线性效应：当结构在受载作用下出现较大的变形时，就需要考虑几何非线性效应。
一般情况下，当结构的变形较小时可以忽略几何非线性，反之则需要进行几何非线性分析。
几何非线性的分析可通过使用大变形理论来描述结构的非线性变形，并进行相应的计算。
3. 边界条件的非线性效应：非线性分析还需要考虑边界条件的非线性效应。
在实际工程中，边界条件往往是随着结构的变形而变化的，如约束条件的变化、边界载荷的变化等。
这些非线性边界条件会对结构的响应产生影响，因此需要将其考虑在内进行非线性分析。
在ANSYS中进行非线性分析时，通常需要进行以下步骤：1. 定义材料的本构模型：选择合适的弹塑性模型或弹性模型，并设置相应的参数。
2. 构建几何模型：根据实际工程要求，构建结构的几何模型，并对其进行离散化，即将结构分割成有限元网格。
3. 施加边界条件和载荷：根据实际工况，为结构施加边界条件和载荷。
4. 求解非线性方程组：通过非线性方程的迭代求解方法，求解得到结构的非线性响应。
5. 分析结果的后处理：对求解得到的结果进行分析和后处理，获取所需的工程参数和信息。
总之，非线性分析在ANSYS中是通过考虑材料的非线性行为、几何的非线性效应和边界条件的非线性效应等因素，对结构进行全面分析和计算的方法。
ansys接触规则
ansys接触规则在ANSYS中进行接触分析时，接触面和目标面的定义规则以及接触算法对于模型的收敛效率具有重要意义。
以下是一些接触规则和设置建议：1. 接触面和目标面的定义：-接触面：在接触分析中，接触面是指可能会与其他物体接触的表面。
接触面不能穿透到目标面，而目标面可以穿透到接触面之中。
-目标面：目标面是与接触面相互作用的表面。
在接触分析中，需要确定哪个表面是刚体，哪个是柔性体。
2. 接触对定义：-刚-柔接触分析：将刚体定义为目标面，柔性体定义为接触面。
-柔-柔接触分析：-凸面对凹面（或平面）：凸面定义为接触面。
-精细网格对粗糙网格：精细网格定义为接触面。
-软硬不同的材料接触：软的定义为接触面。
-高阶单元对低阶单元：高阶单元面定义为接触面。
-一个面大于另外一个面：小面定义为接触面。
3. 接触算法：-罚函数法：通过接触刚度在接触力与接触面间的穿透值（接触位移）间建立力与位移的线性关系。
接触刚度越大，穿透就越小。
但接触刚度不可能为无穷大，因此会产生虚假穿透。
-拉格朗日乘子法：在法向方向上实现接触力的传递和两接触面间无穿透。
这种算法需要计算法向和切向刚度矩阵。
4. 接触设置：-在ANSYS中，可以通过“Preprocessor/LS-DYNA Options/Contact/Define Contact”菜单来定义接触对。
-接触算法选择：罚函数法和拉格朗日乘子法。
根据具体问题选择合适的算法。
-接触检测点的位置：设置接触检测点以检测接触和分离状态。
5. 接触非线性算法：-完全罚函数法：计算时需要提供法向和切向刚度矩阵。
完全罚函数的主要缺点是两个接触面之间的穿透量取决于这个刚度矩阵。
过高的刚度值会减小穿透总量，但会使刚度矩阵成为病态。
遵循这些接触规则和设置，有助于在ANSYS中进行接触分析时提高模型收敛效率。
《2024年基于ANSYS软件的接触问题分析及在工程中的应用》范文
《基于ANSYS软件的接触问题分析及在工程中的应用》篇一一、引言随着现代工程技术的快速发展，接触问题在各种工程领域中变得越来越重要。
ANSYS软件作为一款强大的工程仿真软件，其在接触问题上的分析和处理能力得到了广泛应用。
本文将介绍基于ANSYS软件的接触问题分析及在工程中的应用。
二、ANSYS软件接触问题分析1. 接触问题基本理论接触问题是一种典型的非线性问题，涉及到两个或多个物体在力、热、电等作用下的相互作用。
在ANSYS中，接触问题主要通过定义接触对、设置接触面参数、定义接触刚度等方式进行模拟。
2. ANSYS软件接触问题处理流程（1）建立模型：在ANSYS中建立涉及接触问题的物理模型。
（2）定义材料属性：设置模型中各部分的材料属性，包括弹性模量、密度、泊松比等。
（3）划分网格：对模型进行网格划分，以便更好地进行后续的数值分析和计算。
（4）定义接触对：根据实际需求，定义接触对，并设置相应的接触面参数。
（5）求解设置：设置求解器、求解参数等。
（6）结果分析：对求解结果进行分析，包括应力分布、位移变化等。
三、ANSYS软件在工程中的应用1. 机械工程领域在机械工程领域，ANSYS软件被广泛应用于分析各种机械零件的接触问题。
例如，齿轮传动中齿轮与齿轮之间的接触问题、轴承中滚动体与内外圈的接触问题等。
通过ANSYS软件的分析，可以有效地预测机械零件的应力分布、疲劳寿命等，为机械产品的设计和优化提供有力支持。
2. 土木工程领域在土木工程领域，ANSYS软件被广泛应用于分析土与结构之间的接触问题。
例如，桥梁、大坝等结构物与地基之间的相互作用、地震作用下建筑结构的动力响应等。
通过ANSYS软件的分析，可以有效地评估结构的稳定性和安全性，为土木工程的设计和施工提供有力支持。
3. 汽车工程领域在汽车工程领域，ANSYS软件被广泛应用于分析汽车零部件的接触问题。
例如，汽车发动机的缸体与缸盖之间的密封问题、汽车轮胎与地面的摩擦问题等。
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Ansys非线性接触分析和设置5.4.9 设置实常数和单元关键选项程序使用20个实常数和数个单元关键选项，来控制面─面接触单元的接触。
参见《ANSYS Elements Reference》中对接触单元的描述。
5.4.9.1 实常数在20个实常数中，两个(R1和R2)用来定义目标面单元的几何形状。
剩下的用来控制接触面单元。
R1和R2定义目标单元几何形状。
FKN 定义法向接触刚度因子。
FTOLN 是基于单元厚度的一个系数，用于计算允许的穿透。
ICONT 定义初始闭合因子。
PINB 定义“Pinball"区域。
PMIN和PMAX 定义初始穿透的容许范围。
TAUMAR 指定最大的接触摩擦。
CNOF 指定施加于接触面的正或负的偏移值。
FKOP 指定在接触分开时施加的刚度系数。
FKT 指定切向接触刚度。
COHE 制定滑动抗力粘聚力。
TCC 指定热接触传导系数。
FHTG 指定摩擦耗散能量的热转换率。
SBCT 指定Stefan-Boltzman 常数。
RDVF 指定辐射观察系数。
FWGT 指定在接触面和目标面之间热分布的权重系数。
FACT静摩擦系数和动摩擦系数的比率。
DC静、动摩擦衰减系数。
命令：RGUI：main menu> preprocessor>real constant对实常数FKN, FTOLN, ICONT, PINB, PMAX, PMIN, FKOP 和FKT，用户既可以定义一个正值，也可以定义一个负值。
程序将正值作为比例因子，将负值作为绝对值。
程序将下伏单元的厚度作为ICON，FTOLN，PINB，PMAX 和PMIN 的参考值。
例如ICON = 0.1 表明初始闭合因子是“0.1*下层单元的厚度”。
然而，ICON = -0.1 则表示真实调整带是0.1 单位。
如果下伏单元是超单元，则将接触单元的最小长度作为厚度。
参见图5-8。
图5-8 下层单元的厚度在模型中，如果单元尺寸变化很大，而且在实常数如ICONT, FTOLN, PINB, PMAX, PMIN 中应用比例系数，则可能会出现问题。
因为从比例系数得到的实际结果，取决于下层单元的厚度，这就可能引起大、小单元之间的重大变化。
如果出现这一问题，请用绝对值代替比例系数。
TCC, FHTG, SBCT, RDVF 和FWGT 仅用于热接触分析[KEYOPT(1)=1]。
5.4.9.2 单元关键选项每种接触单元都包括数个关键选项。
对大多的接触问题，缺省的关键选项是合适的。
而在某些情况下，可能需要改变缺省值。
下面是可以控制接触行为的一些关键选项：自由度KEYOPT(1) 接触算法(罚函数+拉格朗日乘子或罚函数)KEYOPT(2)存在超单元时的应力状态(仅2D)KEYOPT(3)接触检测点的位置(仅低阶接触单元) KEYOPT(4)CNOF自动调整KEYOPT(5) 时间步控制KEYOPT(7)伪接触预防KEYOPT(8) 初始穿透或间隙的影响KEYOPT(9)法向和切向接触刚度修正方法控制KEYOPT(10)壳的厚度影响KEYOPT(11)接触面行为(粗糙、绑定等) KEYOPT(12)命令：KEYOPTETGUI：main menu>preprocessor>Elemant Type>Add/Edit/Delete5.4.9.3 选择接触算法对面─面接触单元，程序可以使用增进的拉格朗日方法或罚函数方法。
通过单元关键字KEYOPT(2)来指定。
增进的拉格朗日方法是为了找到精确的拉格朗日乘子（即接触力），而对罚函数进行一系列修正迭代。
与罚函数的方法相比，拉格朗日方法容易得到良态条件，对接触刚度的敏感性较小。
然而，在有些分析中，增进的拉格朗日方法可能需要更多的迭代，特别是在变形后网格变得太扭曲时。
使用拉格朗日方法的同时应使用实常数FTOLN。
FTOLN 为拉格朗日方法指定容许的最大穿透。
如果程序发现穿透大于此值时，即使不平衡力和位移增量已经满足了收敛准则，总的求解仍被当作不收敛处理。
FTLON 的缺省值为0.1。
用户可以改变这个值，但要注意，如果此值太小，可能会造成太多的迭代次数或者不收敛。
5.4.9.4 确定接触刚度所有的接触问题都需要定义接触刚度，两个表面之间穿透量的大小取决于接触刚度。
过大的接触刚度可能会引起总刚矩阵的病态，从而造成收敛困难。
一般来说，应该选取足够大的接触刚度以保证接触穿透小到可以接受，但同时又应该让接触刚度足够小以不致引起总刚矩阵的病态而保证收敛性。
ANSYS 程序根据下伏柔体单元的材料特性，来估计一个缺省的接触刚度值。
用户可用实常数FKN 来为接触刚度指定一个比例因子或指定一个绝对值。
比例因子一般在0.01和10之间；对于大变形问题，选1是比较好的；而对于弯曲为主的问题，通常为0.01～0.1。
用户应当总是检验以使穿透到达极小值，而又避免过多的迭代次数。
注意--FTOLN 和FKN 从一个荷载步到另一个荷载步中，都可以修改。
也可以在重启动中修改。
这时，必须定义KEYOPT(10)=1,2。
为了确定一个较好的接触刚度值，可能需要一些经验。
用户可以按下面的步骤来进行尝试：1、开始时取一个较低的值。
低估值要比高估值好，因为由一个较低的接触刚度导致的穿透问题，比过高的接触刚度导致的收敛性困难，要容易解决。
2、对前几个子步进行计算分析，直到最终荷载的一个比例(刚好完全建立接触)。
3、检查每一子步中的穿透量和平衡迭代次数。
如果总体收敛困难是由过大的穿透引起的(而不是由不平衡力和位移增量引起的)，那么可能低估了FKN 的值，或者是将FTOLN 的值取得大小。
如果总体的收敛困难是由于不平衡力和位移增量达到收敛值时需要过多的迭代次数，而不是由于过大的穿透量引起的，那么FKN 的值可能被高估。
4、按需要调整FKN 或FTOLN 的值，重新进行完整的分析。
注意--如果穿透控制变成总体平衡迭代中的主因(如果为使问题收敛到穿透容差内，比收敛到不平衡力的容差内，需要更多的迭代)，用户应该增大FTOLN 值，以允许更多的穿透，或增大FKN。
5.4.9.5 选择摩擦类型在基本的库仑摩擦模型中，两个接触面在开始相互滑动之前，在它们的界面上会有达到某一大小的剪应力产生。
这种状态称为粘合状态(stick)。
库仑摩擦模型定义了一个等效剪应力τ，在某一法向压应力p作用下剪应力达到此值时表面开始滑动(τ=μp+COHE，其中μ是摩擦系数--MU--作为材料特性定义，而COHE 是粘聚力)。
一旦剪应力超过此值后，两个表面之间将开始相互滑动。
这种状态，叫作滑动状态(Sliding)。
粘合/滑动计算决定什么时候一个点从粘合状态到滑动状态，或从滑动状态变到粘合状态。
摩擦系数可以是任一非负值，程序缺省值为表面之间无摩擦。
对于粗糙或绑定接触( KEYOPT(12)=1、3、5、6)，程序将不管给定的MU 值而认为摩擦阻力无限大。
程序提供了一个人为指定最大等效剪应力的选项，不管接触压力值的大小，如果等效剪应力达到此值时，即发生滑动，见图5-9。
为了指定接触界面上最大容许剪应力，设置常数TAUMAX (缺省为1.0E20)。
这个剪应力极限，通常用于在接触压力非常大的时候(如在某些加工过程中)的一些情况，以至于用库仑理论计算出的界面剪应力超过了材料的屈服极限。
TAUMAX 的一个合理上限估值为是表面附近材料的von Mises屈服应力)。
经验数据有助于决定TAUMAX 的值。
图5-9 摩擦模式5.4.9.5.1静、动摩擦系数摩擦系数依赖于接触面的相对滑动速度，通常静摩擦系数高于动摩擦系数。
ANSYS提供了如下表示的指数衰减摩擦模型：μ=MU×(1+(FACT-1)exp(-DC×Vrel )其中：μ为摩擦系数。
MU动摩擦系数，用MP命令输入。
FACT是静摩擦系数与动摩擦系数之比，缺省为最小值1.0。
DC为衰减系数，缺省为0.0，单位为time/length。
因此，时间在静态分析中有一些意义。
Vrel是ANSYS计算的滑动速度。
如果知道静、动摩擦系数和至少一个数据点（μ 1，V rel），则可以确定摩擦衰减系数为：如果不指定衰减系数，且FACT大于1.0，当接触进入滑动状态时，摩擦系数会从静摩擦系数突变到动摩擦系数，这种行为类似于CONTAC46和CONTAC49单元所用的动摩擦模型，因为这会导致收敛困难，所以不建议采用。
5.4.9.5.2对称、不对称求解器对无摩擦、粗糙和绑定接触，接触单元刚度矩阵是对称的。
而涉及到摩擦的接触问题产生一个不对称的刚度。
在每次迭代使用不对称的求解器，比对称的求解器需要更多的计算时间。
因此ANSYS程序采用对称化算法。
通过采用这种算法大多数摩擦接触问题，能够使用对称系统的求解器来求解。
如果摩擦应力在整个位移场内有相当大的影响，并且摩擦应力的大小高度依赖于求解过程，则对刚度阵的任何对称近似都可能导致收敛性降低。
在这种情况下，选择不对称求解选项( NROPT ,UNSYM)来改善收敛性。
5.4.9.6 选择接触检查的位置接触检查点位于接触单元的积分点上。
在积分点上，接触单元不穿透进入目标面。
然而，目标面能穿透进入接触面。
见图5-10。
图5-10 接触检查点位于高斯积分点上图5-11 接触检查点位于节点上ANSYS面─面接触单元使用高斯积分点作为缺省值，高斯积分点通常会比Newton-Cotes/Lobatto 节点积分方案产生更精确的结果，Newton-cotes/Lobatto 用节点本身作为积分点。
通过KEYOPT(4)来选择用户想使用的方法。
这一选项仅适用于低阶接触( CONTAC171 和CONTAC173)。
然而，使用节点本身作为积分点仅应该用于角接触问题(看图5-11 )。
注意，使用节点作为接触检查点可能会导致其它收敛性问题，例如“滑脱”(节点滑出目标面的边界)，见图5-12。
对大多数的点─面的接触问题，我们推荐使用其它的点─面的接触单元，例如CONTAC26、CONTAC48 和CONTAC49。
见本书§5.5。
图5-12 节点滑脱5.4.9.7 调整初始接触条件在动态分析中，刚体运动一般不会引起问题。
然而在静力分析中，当物体没有足够的约束时会产生刚体运动，有可能引起错误而终止计算。
在仅仅通过接触的出现来约束刚体运动时，必须保证在初始几何体中，接触对是接触的。
换句话说，用户要建立模型以便接触对是“刚好接触”的。
然而这样做，可能会遇到以下问题：刚体外形常常是复杂的，很难决定第一个接触点发生在哪儿。
既使实体模型在初始时处于接触状态，在网格划分后由于数值舍入误差，两个面的单元网格之间也可能会产生小缝隙。
接触单元的积分点和目标单元之间可能有小缝隙。