ansys有限元接触分析体会

在ansys中，有专门的接触单元用于解决各种不同的接触问题。

对于点对点接触问题有二维点对点接触单元CONTAC12、三维点对点接触单元CONTAC52和CONTAC178。为了能够使用这些点对点接触单元，需要预先知道明确的接触位置，即使在几何非线性的情况下，接触面之间也只能允许有较小的相对滑动。

对于面对点接触问题，常用的有用来模拟柔性点对刚性面接触单元CONTAC26、二维点对面接触单元CONTAC48、三维点对面接触单元CONTAC49、CONTAC175.这类接触单元，不需要预先知道确切的接触位置，二期接触面之间也不需要保持一致的网格，同时允许有大的变形和相对滑动。

对于面对面接触问题，有二维2节点的低阶线接触单元CONTAC171、3节点的高阶抛物线接触单元CONTAC172、三维4节点的缔结四边形接触单元CONTAC173、8节点的高阶四边形接触单元CONTAC174.由于面跟面之间的相互接触，有一个目标面和接触面的问题，因此使用这些接触单元必须同时使用配对单元（用来模拟目标面和目标单元）。同CONTAC171和CONTAC172配对的是二维目标单元TARGET169，同CONTAC173和CONTAC174配对的是三维目标单元TARGET170.面对面单元比点对面单元具有更好的性能、对接触的位置、范围要求更宽，但是接触的求解结果却更好。

三大类接触单元的使用并不是限制的很死，只要对问题的本质理解清楚，就能灵活运用。比如两个面上的节点一一对应，相对滑动又可忽略不计，两个面的挠度、转动保持小量，那么就可以用点对点接触单元来模拟面对面的接触问题。又如能通过一组节点来定义接触面，生成多个单元，那么就可以用点对面的对接触单元来模拟面对面的接触问题。

接触单元就像皮肤一样覆盖在下面的有限元模型上，会自动跟踪整个变形过程。

对于点对点的接触情况，只要对节点赋予点对点接触单元即可。对于点对面或面对面接触情况，还涉及到选取目标面的问题。

下面介绍指导性原则。

对于点对面有：

1）如果一个面的接触部分四平的或凹的，另一个面的接触部分是尖的或凸的，则平凹面是目标面。

2）如果两个面都是平的，则任意选择

3）如果两个面都是凸的，则较平的的面作为目标面。

4）如果一个接触部分有尖边，另一个没有，则有尖边的面作为目标面。

对于面对面有：

1）如果一个凸面与一个平面或凹面接触，平面或凹面是目标面；

2）如果一个面比另一个面硬，则较硬的面应该为目标面；

3）如果一个面比另一个面大，则较大的面应该为目标面；

4）如果一个面上的网格比较粗，另一个面的网格较细，则较粗的面应该是目标面；5）如果一个面是高阶，另一个面是低阶，低阶面应该是目标面。

在分析的时候，一般需要定义一个微小的位移或者载荷保证收敛性。

接触问题的关键在于接触体间的相互关系（废话，），此关系又可分为在接触前后的法向关系与切向关系。

法向关系：

在法向，必须实现两点：1）接触力的传递。2）两接触面间没有穿透。

ANSYS通过两种算法来实现此法向接触关系：罚函数法和拉格朗日乘子法。

1．罚函数法

是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*接触位移=法向接触力

对面面接触单元17*，接触刚度由实常数FKN来定义。穿透值在程序中通过分离的接触体上节点间的距离来计算。接触刚度越大，则穿透就越小，理论上在接触刚度为无穷大时，可以实现完全的接触状态，使穿透值等于零。但是显而易见，在程序计算中，接触刚度不可能为无穷大（否则病态），穿透也就不可能真实达到零，而只能是个接近于零的有限值。

以上力与位移的接触关系可以很容易地合并入整个结构的平衡方程组K*X=F中去。并不改变总刚K的大小。这种罚函数法有以下几个问题必须解决：

1）接触刚度FKN应该取多大？

2）接触刚度FKN取大些可以减少虚假穿透，但是会使刚度矩阵成为病态。

3）既然与实际情况不符合的虚假穿透既然是不可避免的，那么可以允许有多大为合适？

因此，在ANSYS程序里，通常输入FKN实常数不是直接定义接触刚度的数值，而是接触体下单元刚度的一个因子，这使得用户可以方便地定义接触刚度了，一般FKN取0.1到1中间的值。当然，在需要时，也可以把接触刚度直接定义，FKN输入为负数，则程序将其值理解为直接输入的接触刚度值。

对于接近病态的刚度阵，不要使用迭代求解器，例如PCG等。它们会需要更多的迭代次数，并有可能不收敛。可以使用直接法求解器，例如稀疏求解器等。这些求解器可以有效求解病态问题。

穿透的大小影响结果的精度。用户可以用PLESOL,CONT,PENE来在后处理中查看穿透的数值大小。如果使用的是罚函数法求解接触问题，用户一般需要试用多个FKN值进行计算，可以先用一个较小的FKN值开始计算，例如0.1。因为较小的FKN有助于收敛，然后再逐步增加FKN值进行一系列计算，最后得到一个满意的穿透值。

FKN的收敛性要求和穿透太大产生的计算误差总会是一对矛盾。解决此矛盾的办法是在接触算法中采用扩展拉格朗日乘子法。此方法在接触问题的求解控制中可以有更多更灵活的控制。可以更快的实现一个需要的穿透极限。

2．拉格朗日乘子法与扩展拉格朗日乘子法

拉格朗日乘子法与罚函数法不同，不是采用力与位移的关系来求接触力，而是把接触力作为一个独立自由度。因此这里不需要进行迭代，而是在方程里直接求出接触力（接触压力）来。Kx=F+Fcontact

从而，拉格朗日乘子法不需要定义人为的接触刚度去满足接触面间不可穿透的条件，可以直接实现穿透为零的真实接触条件，这是罚函数法所不可能实现的。使用拉格朗日乘子法有下列注意事项：

1）刚度矩阵中将有零对角元，使有些求解器不克使用。只能使用直接法求解器，例如波前法或系数求解器。而PCG之类迭代求解器是不能用于有零主元问题的。

2）由于增加了额外的自由度，刚度阵变大了。

3）一个可能发生的严重问题，就是在接触状态发生变化时，例如从接触到分离，从分离到接触，此时接触力有个突变，产生chattering（接触状态的振动式交替改变）。如何控制这种chattering，是纯粹拉格朗日法所难以解决的。

因此，为控制chattering，ANSYS采用的是罚函数法与拉格朗日法混合的扩展拉格朗日乘子法。在扩展拉格朗日法中，可以采用实常数TOLN来控制最大允许穿透值。还有最大允许拉力FTOL。这两个参数只对扩展拉格朗日乘子法有效。

在扩展拉格朗日乘子法里，程序按照罚函数法开始，与纯粹拉格朗日法类似，用TOLN来控制最大允许穿透值。如果迭代中发现穿透大于允许的TOLN值，（对178单元是TOLN，

而对面面接触单元171-174则是FTOLN）则将各个接触单元的接触刚度加上接触力乘以拉格朗日乘子的数值。因此，这种扩展拉格朗日法是不停更新接触刚度的罚函数法，这种更新不断重复，直到计算的穿透值小于允许值为止。

尽管与拉格朗日法相比，扩展拉格朗日法的穿透并不是零，与罚函数法相比，可能迭带次数会更多。扩展拉格朗日法有下列优点：

1）较少病态，个接触单元的接触刚度取值可能更合理。

2）与罚函数法相比较少病态，与单纯的拉格朗日法相比，没有刚度阵零对角元。因此在选择求解器上没有限制，PCG等迭代求解器都可以应用。

3）用户可以自由控制允许的穿透值TOLN。（如果输入了TOLN，而使用罚函数法，则程序忽略它）

切向关系：

摩擦的处理与法向接触力类似。由于摩擦是非对称的，使问题变的更为复杂。ANSYS缺省是做对称求解，即使用对称求解器作近似求解。但是可以改变几个选项强迫做非对称求解。非对称求解更精确，但是计算量大许多。

Ansys中的接触单元，可分为点与点；点与面；面与面接触单元。其中的

点与面接触单元可以同时用来模拟面面接触问题。

主要类型如下：

(1) 点点接触单元，这是最简单的一种接触单元，实际上就是双向

弹簧单元，单元名称为cotac12;

(2) 点面接触单元，按照维数又分为2D和3D，contac48为2D点面接

触单元，contac49为3D点面接触单元。

(3) 面面接触单元，contac171到contac174均为面面接触单元，分别

2结点，3结点，四结点和八结点接触单元。

(4) 点面接触单元的剪应力考虑了法向应力和相对位移的影响；而面

面接触单元只考虑了法向应力的影响。

(4) 但这两类接触单元在桩土的模拟都被采用过，而且计算结果都还

好，原因不是特别清楚

(5) 面面接触单元可以通过keyopt(12)设置接触面在受力过程中的接

触状态，如可以设置目标面和接触面始终粘在一起。而在点面接触单

元没有这个功能，一旦脱开就不能承受任何剪应力了

第三章面—面接触单元

3.1 概述

面－面接触单元，是模拟任意两个表面间接触的方法。表面可以具有任意形状。是ANSYS 中最通用的接触单元。精度高、特性丰富还可使用接触向导建模方便。（其它接触单元目前尚不能用向导）。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，提供更好的接触结果（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，刚性表面由“控制节点”控制，热接触特性，众多的高级选项来处理复杂问题。

具有众多的高级选项（20个可用的实常数、2个材料属性和30个可用的单元选项）提供了丰富的特征库，能够用于模拟特殊的效果和处理困难的收敛情况。然而众多的选项的智能

缺省选项可以有效求解许多接触问题而不需要用户介入太多。通常的做法是：开始使用高级选项之前，先试着采用缺省设置：只指定罚刚度，穿透容差和子步数，然后进行分析。只在采用缺省设置遇到困难时才采用高级选项。所有的高级选项也可以通过接触向导来控制。

3.2 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（Targe），另一个面指定为接触面（conta），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：

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：

3.3 面—面接触分析步骤、实例

Step1建立基体有限元模型，设置基体单元类型、实常数、材料特性，给基体分网：

命令：AMESH

VMESH；

Step2指定接触面和目标面，对于刚—柔接触，目标面总是刚性面，对于柔－柔接触，目标面和接触面的不同选择会产生不同的穿透（图3-1），并且影响求解精度。

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。

Step3设置单元选项和实常数，接触对由实常数号来定义，接触单元和目标单元必须具有相同的实常数。

Step4建立目标单元（网格），此步中所采用的方法依赖于目标面是刚性的还是柔性的。刚性目标面采用：直接生成(E命令)，自动划分(LMESH, AMEAH)；可变形目标面采用Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Elements>Surf/Contact>Surf to Surf(ESURF)对于直接生成刚性目标面，在建立目标单元之前需要要指定附加的单元属性TSHAP。

刚性目标面的自动划分不需要TSHAP。ANSYS能根据实体模型确定合适的目标单元形状。划分线(LMESH)：2－D刚性目标面；划分面(AMESH)：3－D刚性目标面；创建关键点

(KMESH)－控制节点（Pilot）。

刚性目标面能与控制点联系起来，Pilot实际上是只有一个节点的单元，通过这个节点的运动可以控制整个目标面的运动。ANSYS只在Pilot节点上检查边界条件而忽略其它节点的约束。

对可变形体目标面建立目标单元的步骤是：1先选择可变形体表面上的节点；2然后在可变形体上建立单元MainMenu >Preprocessor>Modeling>Create>Elements>Surf/Contact>Surf to Surf。

ANSYS将根据基体的网格确定目标单元形状和外法线方向。检查外法线方向（这在自动划分刚性目标面时非常重要）图3-3，打开单元坐标系标志并重绘单元/PSYMS,ESYS,1，目标单元外法线方向应该指向接触面。如果单元法向不指向接触面，用命令使之反转：ESURF,,REVE。

Step 5.建立接触面单元，设置接触单元属性、选择可变形体表面节点，并在可变形体上建立接触单元（过程与在可变形体上建立目标单元相同）Main Menu> Preprocessor > Modeling > Create >Elements > Surf/Contact > Surf to Surf·这些接触单元与基体有同样的阶数（低阶或高阶）。注意，在壳或梁单元上建立目标单元或接触单元时，可以选择要在梁或壳单元的顶层还是底层建立单元。

在选择柔体表面上的节点时，如果你确定某一部分节点永远不会接触到目标面时，可以忽略它，以减少计算时间。·接触面的外法向应指向目标面。如果发现外法线方向不正确，用下列命令修改之ESURF,,REVE。

Step6在有限元模型上施加边界条件，如果目标面是刚性面，目标面将会自动固定。定义了Pilot点ANSYS只检查该点的边界条件，忽略目标面上其它节点约束。控制点能控制目标面的运动。对Seal.dat施加的边界条。

Step7定义求解选项和载荷步，以下是默认设置，推荐使用N.L求解自动控制，使用不带

自适应下降的full Newton-Raphson法求解，时间步必须足够小。使用自动时间步。子步数

的最大值（NSBMX）应较大，最小值（NSBMIN）应较小。

Step8求解。

Step9后处理，结果包括位移、应力、应变和接触等信息。接触压力、摩擦应力、总应力、

接触侵入、接触间隙距离、滑动距离和接触状态都可以从/POST1或/POST26中得到。

ansys接触单元-1

2008-04-13 16:30

1.两个单元建成公共节点，就成了刚性连接，不是接触问题了。做为接触问题，两个互相接触的单元的节点必须是不同的

2.接触单元主要分为有厚度和无厚度的，有厚度主要以desai 为代表，无厚度的则以goodman 为代表。尽管古得曼也提出了相应的本构关系，但是如今goodman 单元成了无厚度接触单元的代名词，相应的本构关系现在也作了较大的改进。

Ansys中接触单元并不是goodman 单元，类似于goodman单元ansys里面的接触单元是是通用的，而goodman是一种业的单元。goodman单元假定两片长为L的接触面以无数微小的切向和法向弹簧所连接，接触面单元与相邻接触面两边的单元在结点处有力的联系。单元厚度为零，受力前两接触面完全吻合.

3.怎样检查接触单元的normal direction?是不是打开plotctrls/symbols/esys on?

是要/PSYM，ESYS，ON的，然后你再SELECT CONTACT ELEMENT AND TARGE ELEMENT，REPLOT，看看他们的NORMA DIRECTION是否正确的

4.生成接触单元的几种方法

在通用摸快中，有两种发法

1）通过定易接触单元

定易组元component然后通过gcgen生成

2）用接触向导contact wizard自动生成，不需定易接触单元

在动力学摸块中

3)如果用接触向导定义了接触(包括接触面和目标面)，那么接触单元就已经生成了，可以直接进行分析。

接触单元的定义要考虑到所有可能发生接触的区域。现在不接触，变形后可能会接触。

定义接触一般有两种方法，第一种方法是用命令手动定义；第二种方法是利用接触向导定义。接触单元依附于实体单元的表面，由实体单元表面的节点组构成。所以只需要在实体单元生成后，将其表面可能接触的节点用cm,...,node 命令定义成节点组，在定接触单元时用上就可以了。或者在实体单元生成后，定义接触时选择其表面进行接触定义也可以。对于刚体，不需要进行网格划分只需要在定义接触时选择几何面、线就可以进行接触定义了。

接触问题的关键在于接触体间的相互关系，此关系又可分为在接触前后的法向关系与切向关

系。

法向关系：

在法向，必须实现两点：1）接触力的传递。2）两接触面间没有穿透。

ANSYS通过两种算法来实现此法向接触关系：罚函数法和拉格朗日乘子法。

1．罚函数法

是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*接触位移=法向接触力

对面面接触单元17*，接触刚度由实常数FKN来定义。穿透值在程序中通过分离的接触体上节点间的距离来计算。接触刚度越大，则穿透就越小，理论上在接触刚度为无穷大时，可以实现完全的接触状态，使穿透值等于零。但是显而易见，在程序计算中，接触刚度不可能为无穷大（否则病态），穿透也就不可能真实达到零，而只能是个接近于零的有限值。

以上力与位移的接触关系可以很容易地合并入整个结构的平衡方程组K*X=F中去。并不改变总刚K的大小。这种罚函数法有以下几个问题必须解决：

1）接触刚度FKN应该取多大？

2）接触刚度FKN取大些可以减少虚假穿透，但是会使刚度矩阵成为病态。

3）既然与实际情况不符合的虚假穿透既然是不可避免的，那么可以允许有多大为合适？

因此，在ANSYS程序里，通常输入FKN实常数不是直接定义接触刚度的数值，而是接触体下单元刚度的一个因子，这使得用户可以方便地定义接触刚度了，一般FKN取0.1到1中间的值。当然，在需要时，也可以把接触刚度直接定义，FKN输入为负数，则程序将其值理解为直接输入的接触刚度值。

对于接近病态的刚度阵，不要使用迭代求解器，例如PCG等。它们会需要更多的迭代次数，并有可能不收敛。可以使用直接法求解器，例如稀疏求解器等。这些求解器可以有效求解病态问题。

穿透的大小影响结果的精度。用户可以用PLESOL,CONT,PENE来在后处理中查看穿透的数值大小。如果使用的是罚函数法求解接触问题，用户一般需要试用多个FKN值进行计算，可以先用一个较小的FKN值开始计算，例如0.1。因为较小的FKN有助于收敛，然后再逐步增加FKN值进行一系列计算，最后得到一个满意的穿透值。

FKN的收敛性要求和穿透太大产生的计算误差总会是一对矛盾。解决此矛盾的办法是在接触算法中采用扩展拉格朗日乘子法。此方法在接触问题的求解控制中可以有更多更灵活的控制。可以更快的实现一个需要的穿透极限。

2．拉格朗日乘子法与扩展拉格朗日乘子法

拉格朗日乘子法与罚函数法不同，不是采用力与位移的关系来求接触力，而是把接触力作为一个独立自由度。因此这里不需要进行迭代，而是在方程里直接求出接触力（接触压力）来。Kx=F+Fcontact

从而，拉格朗日乘子法不需要定义人为的接触刚度去满足接触面间不可穿透的条件，可以直接实现穿透为零的真实接触条件，这是罚函数法所不可能实现的。使用拉格朗日乘子法有下列注意事项：

1）刚度矩阵中将有零对角元，使有些求解器不克使用。只能使用直接法求解器，例如波前法或系数求解器。而PCG之类迭代求解器是不能用于有零主元问题的。

2）由于增加了额外的自由度，刚度阵变大了。

3）一个可能发生的严重问题，就是在接触状态发生变化时，例如从接触到分离，从分离到接触，此时接触力有个突变，产生chattering（接触状态的振动式交替改变）。如何控制这种chattering，是纯粹拉格朗日法所难以解决的。

因此，为控制chattering，ANSYS采用的是罚函数法与拉格朗日法混合的扩展拉格朗日乘子法。在扩展拉格朗日法中，可以采用实常数TOLN来控制最大允许穿透值。还有最大允许拉力FTOL。这两个参数只对扩展拉格朗日乘子法有效。

在扩展拉格朗日乘子法里，程序按照罚函数法开始，与纯粹拉格朗日法类似，用TOLN来控制最大允许穿透值。如果迭代中发现穿透大于允许的TOLN值，（对178单元是TOLN，而对面面接触单元171-174则是FTOLN）则将各个接触单元的接触刚度加上接触力乘以拉格朗日乘子的数值。因此，这种扩展拉格朗日法是不停更新接触刚度的罚函数法，这种更新不断重复，直到计算的穿透值小于允许值为止。

尽管与拉格朗日法相比，扩展拉格朗日法的穿透并不是零，与罚函数法相比，可能迭带次数会更多。扩展拉格朗日法有下列优点：

1）较少病态，个接触单元的接触刚度取值可能更合理。

2）与罚函数法相比较少病态，与单纯的拉格朗日法相比，没有刚度阵零对角元。因此在选择求解器上没有限制，PCG等迭代求解器都可以应用。

3）用户可以自由控制允许的穿透值TOLN。（如果输入了TOLN，而使用罚函数法，则程序忽略它）

切向关系：

摩擦的处理与法向接触力类似。由于摩擦是非对称的，使问题变的更为复杂。ANSYS缺省是做对称求解，即使用对称求解器作近似求解。但是可以改变几个选项强迫做非对称求解。非对称求解更精确，但是计算量大许多。

参数设置

实常数FKN，FTOLN，ICONT，PINB，PMAX，和PMIN，你既可以定义一个正值也可以定义一个负值。既然程序将正值作为比例因子，将负值作为真实值，程序将下面覆盖原单元的厚度作为ICON，FTOLN，PINB，PMAX和PMIN的参考值。

那么：单位改变后，你只要保证你的FKN，FTOL的物理值大小不变就可以了。

作为非线性的接触问题，FKN与FTOLN取值没有公式可套，只能慢慢试出个合适的值来。由于FKN越小越容易收敛，你可以先用一个比较小的FKN开始计算，收敛后再改大些，由于接触刚度FKN越大则穿透越小，结果越合理，因此在适当时应该把FKN改大些重新计算直到一个满意的结果。（可以用PLESOL,CONT,PENE来在后处理中查看穿透的数值大小）注意：FKN与穿透值大小总是一对矛盾，在矛盾中达到合理的平衡是做接触分析的关键。理论上接触问题的穿透应该是零，所以穿透越小则越精确，也即FKN越大则越精确，但是实际上不可能使穿透变为零，FKN太大了计算就会不收敛。

如果只改FKN得到的穿透值总是太大，不能满意，再加大FKN就不收敛了。那么可以把求解方法改为扩展拉格朗日乘子法。（用KEYOPT改），再使用FTOLN参数来控制允许最大穿透值。（FTOLN只对扩展拉格朗日法有效）。这样的计算量会大很多，但是可以实现在不大的FKN下控制穿透不至于太大，保证结果的合理性。

（注意：对面面接触单元171-174实常数中的允许穿透值是FTOLN，而对178单元则是实常数TOLN）