接触问题

接触问题（参考ANSYS的中文帮助文件）当两个分离的表面互相碰触并共切时，就称它们牌接触状态。在一般的物理意义中，牌接触状态的表面有下列特点：1、不互相渗透；

2、能够互相传递法向压力和切向摩擦力；

3、通常不传递法向拉力。接触分类：刚性体－柔性体、柔性体－柔性体实际接触体相互不穿透，因此，程序必须在这两个面间建立一种关系，防止它们在有限元分析中相互穿过。――罚函数法。接触刚度――lagrange乘子法，增加一个附加自由度（接触压力），来满足不穿透条件――将罚函数法和lagrange乘子法结合起来，称之为增广lagrange法。三种接触单元：节点对节点、节点对面、面对面。接触单元的实常数和单元选项设臵：FKN：法向接触刚度。这个值应该足够大，使接触穿透量小；同时也应该足够小，使问题没有病态矩阵。FKN值通常在0.1~10之间，对于体积变形问题，用值1.0（默认），对弯曲问题，用值0.1。FTOLN：最大穿透容差。穿透超过此值将尝试新的迭代。这是一个与接触单元下面的实体单元深度（h）相乘的比例系数，缺省为0.1。此值太小，会引起收敛困难。ICONT：初始接触调整带。它能用于围绕目标面给出一个“调整带”，调整带内任何接触点都被移到目标面上；如果不给出ICONT值，ANSYS根据模型的大小提供一个较小的默认值（＜0.03＝PINB：指定近区域接触范围（球形区）。当目标单元进入pinball区时，认为它处于近区域接触，pinball区是围绕接触单元接触检测点的圆（二维）或球（三维）。可以用实常数PINB调整球形区（此方法用于初始穿透大的问题是必要的）PMIN和PMAX：初始容许穿透容差。这两个参数指定初始穿透范围，ANSYS把整个目标面（连同变形体）移到到由PMIN和PMAX指定的穿透范围内，而使其成为闭合接触的初始状态。初始调整是一个迭代过程，ANSYS最多使用20个迭代步把目标面调整到PMIN和PMAX范围内，如果无法完成，给出警告，可能需要修改几何模型。TAUMAX：接触面的最大等效剪应力。给出这个参数在于，不管接触压力值多大，只要等效剪应力达到最大值TAUMAX，就会发生滑动。该剪应力极限值通常用于接触压力会变得非常大的情况。CNOF：指定接触面偏移。+CNOF增加过盈、-CNOF减少过盈或产生间隙、CNOF能与几何穿透组合应用。FKOP：接触张开弹簧刚度。针对不分离或绑定接触模型，需要设臵实常数FKOP，该常数为张开接触提供了一个刚度值。FKOP阻止接触面的分离；FKOP默认为1.0，用于建立粘结模型，用一个较小值（1e-5）去建立软弹簧模型。FKT：切向接触刚度。作为初值，可以采用－FKT＝0.01*FKN，这是大多数ANSYS接触单元的缺省值。COHE：粘滞力。即没有法向压力时开始滑动的摩擦应力值。FACT，DC：定义摩擦系数变化规律MU＝MUK*（1+（FACT-1）EXP（－DC*vtfs/deltaT））

式中：MUK＝动摩擦系数（用户自己定义）FACT＝MUS/MUK（用户自己定义）MUS＝静摩擦系数DC＝衰减系数（用户自己定义）Vtfs/deltaT＝表面间的相对速度注意：动摩擦系数由被指定为材料属性（MU），由MP命令或GUI定义。缺省值：FACT＝1，MUS＝MUK＝0，DC＝0 Keyopt的介绍，以Target170,Conta173为例：首先介绍170的Keyopt KEYOPT（3）：定义接触行为KEYOPT（1）：单元阶数（是否含有中节点）KEYOPT（1）＝0：低阶单元（不含中节点）KEYOPT（1）＝1：高阶单元（含中节点）KEYOPT（2）：刚体目标面约束条件＝0时，自动约束选项，每一个载荷步的末尾，程序内部将是性面重新设臵约束。满足以下条件，刚性面则缺省为自动约束没有明确定义边界条件；目标面与其它单元没有联系；没有定义耦合或约束方程。＝1时，用户定义选项。Conta173的Keyopt：KEYOPT （1）：自由度选项。＝0时，结构：UX，UY，和UZ；＝1时，结构和热；＝2时，TEMP（用于纯热接触问题）KEYOPT（2）：选择接触算法。＝0时，增广的拉格朗日法（缺省选项），推荐于一般应用，它对罚刚度不太敏感，但是也要求给出一个穿透容差。＝1时，罚函数法。它推荐应用于单元非常扭曲、大摩擦系数和用增广的拉格朗日法收敛行为不好的问题。KEYOPT（4）：选择接触检查点。＝0时，高斯点（缺省选项，推荐）；＝1时，节点；ANSYS

面对面单元默认用高斯积分点作为接触检查点。KEYOPT（5）：自动CNOF调整。允许ANSYS基于初始状态自动给定CNOF值――导致“刚好接触”配臵。＝0时，不进行自动调整；＝1时，闭合间隙；＝2时，减小穿透；＝3时，闭合间隙/减小穿透。KEYOPT（7）：时间步控制选项。（只有在Solution Control中打开基于接触状态变化的时间步预测，此选项才起作用。Solution>Unabridged Menu>Load Step Opts>Solution Ctrl ＝0时，不控制，不影响自动时间步长。对静力问题自动时间步打开时此选项一般是足够的。＝1时，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；＝2时，合理值。比自动细分更耗时的算法；＝3时，最小值。此选项为下一子步预测最小时间增量（很耗机时，不推荐）。KEYOPT（8）：防止伪接触选项。＝0时，不防止；＝1时，检测并忽略伪接触。

KEYOPT（9）：初始穿透间隙控制。＝0时，包括几何穿透/间隙和CNOF；＝1时，忽略几何穿透/间隙和CNOF；＝2时，包括几何穿透/间隙和CNOF，且在第一个载荷步中渐变；＝3时，忽略几何穿透/间隙，包括CNOF；＝4时，忽略几何穿透/间隙，包括CNOF，且在第一个载荷步中渐变。KEYOPT（10）：接触刚度更新控制。＝0，闭合状态的接触刚度不进行任何更新；＝1，每一载荷步更新闭合状态的接触刚度（FKN或FKT，由用户指定）；＝2，与＝1同，此外，在每一子步，程序自动更新接触刚度（根据变形后下伏单元的刚度）。KEYOPT（11）：壳、梁单元厚度影响。如果已经创建了一个梁或壳单元模型，接触表面能够偏臵，用于考虑梁或壳的厚度。＝0，在中面接触（默认）；＝1，在指定表面的顶部或底部。注意：当用SHELL181单元时，由于大应变变形引起的厚度改变也被考虑。KEYOPT （12）：创立不同的接触表面相互作用模型。＝0，标准的接触行为，张开时法向压力为0；＝1，粗糙接触行为，不发生滑动（类似无限摩擦系数）；＝2，不分离，允许滑动；＝3，绑定接触，目标面和接触面一旦接触就粘在一起；＝4，不分离接触（总是），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；＝5，绑定接触（总是），初始位于pinball区域内或已经接触的接触检查点总是与目标面绑定在一起；＝6，绑定接触（初始接触），只在初始接触的地方采用绑定，初始张开的地方保持张开。5.1 概述接触问题是一种高度非线性行为，需要较多的计算机资源。为了进行切实有效的计算，理解问题的物理特性和建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，在用户求解问题之前，用户通常不知道接触区域。随载荷、材料、边界条件和其它因素的不同，表面之间可以接触或者分开，这往往在很大程度上是难以预料的，并且还可能是突然变化的。其二，大多数的接触问题需要考虑摩擦作用，有几种摩擦定律和模型可供挑选，它们都是非线性的。摩擦效应可能是无序的，所以摩擦使问题的收敛性成为一个难点。注意--如果在模型中，不考虑摩擦，且物体之间的总是保持接触，则可以应用约束方程或自由度藕合来代替接触。约束方程仅在小应变分析( NLGEOM ，off)中可用。见《ANSYS Modeling and Meshing Guide》中的§12，Coupling and Constraint Equations。除了上面两个难点外，许多接触问题还必须涉及到多物理场影响，如接触区域的热传导、电流等。5.1.1 显式动态接触分析能力除了本章讨论的隐式接触分析外，ANSYS还在ANSYS/LS-DYNA中提供了显式接触分析功能。显式接触分析对于短时间接触-碰撞问题比较理想。关于ANSYS/LS-DYNA的更多的信息参见《ANSYS/LS-DYNA User"s Guide》。5.2 一般接触分类接触问题分为两种基本类型：刚体─柔体的接触，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当作刚体，(与它接触的变形体相比，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，可以假定为刚体─柔体的接触，许多金属成形问题归为此类接触。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(有相似的刚度)。柔体─柔体接触的一个例子是栓接法兰。