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1、ANSYS 高級接觸問題 接觸問題概述 在工程中會遇到大量的接觸問題，如齒輪的嚙合、法蘭 聯(lián)接、機電軸承接觸、卡頭與卡座、密封、板成形、沖 擊等等。接觸是典型的狀態(tài)非線性問題，它是一種高度 非線性行為。接觸例子如圖 1： 分析中常常需要確定兩個或多個相互接觸 物體的位移、接觸區(qū)域的大小和接觸面上 的應(yīng)力分布。 接觸分析存在兩大難點： 在求解之前，你不知道接觸區(qū)域、表面之 間是接觸或分開是未知的，表面之間突然 接觸或突然不接觸會導致系統(tǒng)剛度的突然 變化。 大多數(shù)接觸問題需要計算摩擦。摩擦是與 路徑有關(guān)的現(xiàn)象，摩擦響應(yīng)還可能是雜亂 的，使問題求解難以收斂。 1 接觸分類 剛?cè)?一個表面是完全剛性的

2、 除剛體運動外無 應(yīng)變、應(yīng)力和變形，另一表面為軟材料構(gòu) 成是可變形的。 只在一個表面特別剛硬并且不關(guān)心剛硬物 體的應(yīng)力時有效。 柔柔 兩個接觸體都可以變形。 2 接觸單元 ANSYS采用接觸單元來模擬接觸問題： 跟蹤接觸位置； 保證接觸協(xié)調(diào)性（防止接觸表面相互穿透）； 在接觸表面之間傳遞接觸應(yīng)力（正壓力和摩擦）。 接觸單元就是覆蓋在分析模型接觸面上的一層單 元。 在 ANSYS中可以采用三種不同的單元來模擬接觸： 面一面接觸單元； 點一面接觸單元； 點一點接觸單元。 不同的單元類型具有完全不同的單元特性 和分析過程。 1. 面一面接觸單元用于任意形狀的兩個表 面接觸 不必事先知道接觸的準確位置

3、； 兩個面可以具有不同的網(wǎng)格； 支持大的相對滑動； 支持大應(yīng)變和大轉(zhuǎn)動。 例如 : 面一面接觸可以模擬金屬成型，如軋 制過程。 2. 點一面接觸單元用于某一點和任意形狀 的面的接觸 可使用多個點面接觸單元模擬棱邊和 面的接觸； 不必事先知道接觸的準確位置； 兩個面可以具有不同的網(wǎng)格； 支持大的相對滑動； 支持大應(yīng)變和大轉(zhuǎn)動。 例：點面接觸可以模擬棱邊和面之間的接 觸 3. 點點接觸單元用于模擬單點和另一個確定點 之間的接觸。 建立模型時必須事先知道確切的接觸位置； 多個點點接觸單元可以模擬兩個具有多個單 元表面間的接觸； 每個表面的網(wǎng)格必須是相同的； 相對滑動必須很??； 只對小的轉(zhuǎn)動響應(yīng)有效。

4、 例如 : 點一點接觸可以模擬一些面的接觸。如地 基和土壤的接觸 3 關(guān)于耦合和約束方程的應(yīng)用 如果接觸模型沒有摩擦，接觸區(qū)域始終粘 在一起，并且分析是小撓度、小轉(zhuǎn)動問題， 那么可以用耦合或約束方程代替接觸。 使用耦合或約束方程的優(yōu)點是分析還是線 性的 接觸問題的一般特性 1 接觸剛度 1、所有的 ANSYS接觸單元都采用罰剛度（接觸 剛度）來保證接觸界面的協(xié)調(diào)性 在數(shù)學上為保持平衡，需要有穿透值 然而，物理接觸實體是沒有穿透的 分析者將面對困難的選擇： 小的穿透計算精度高，因此接觸剛度應(yīng)該大； 然而，太大的接觸剛度會產(chǎn)生收斂困難：模型可能會振蕩，接觸表面互相跳 開。 接觸剛度是同時影響計算精

5、度和收斂的最重要的參數(shù)。你必須選定一個合適的 接觸剛度。 除了在表面間傳遞法向壓力外，接觸單元還傳遞切向運動（摩擦）。采用切向 罰剛度保證切向的協(xié)調(diào)性。（圖 1 2） 作為初值，可采用： Ktangent=0.01Knormal 切向罰剛度與法向罰剛度以同樣的方式對收斂性和計算精度產(chǎn)生影響。 2、接觸剛度的選取 選定一個合適的接觸剛度值需要一些經(jīng)驗。 對于面一面接觸單元，接觸剛度通常指定為基體單元剛度 的一個比例因子。 開始估計時，選用 FKN = 1.0 大面積實體接觸 FKN = 0.01-0.1 較柔軟（彎曲占主導的）部分 另外，也可以指定一個絕對剛度值，單位：（力 /長度） / 面積。

6、 點一點（除 CONTA178）和點面接觸單元需要為罰剛 度 KN輸入絕對值： 初始估計時： 對于大變形 : 0.1*E KN 1.0*E 對于彎曲 : 0.01*E KN 0.1*E E 為彈性模量 3、選取接觸剛度的指導： Step 1.開始采用較小的剛度值 Step 2.對前幾個子步進行計算 Step 3.檢查穿透量和每一個子步中的平衡迭代次數(shù) 在粗略的檢查中，如以實際比例顯示整個模型時就能觀察到穿透， 則穿透可能太大了，需要提高剛度重新分析。 如果收斂的迭代次數(shù)過多（或未收斂），降低剛度重新分析。 注意：罰剛度可以在載荷步間改變，并且可以在重啟動中調(diào)整。 牢記：接觸剛度是同時影響計算精

7、度和收斂性的最重要的參數(shù)。如 果收斂有問題，減小剛度值，重新分析 在敏感的分析中，還應(yīng)該改變罰剛度來驗證計算結(jié)果的有效性。 在分析中減小剛度范圍，直到結(jié)果（接觸壓力、最大 SEQV等） 不再明顯改變。 2 摩擦 1、兩個接觸體的剪切或滑動行為可以是無 摩擦的或有摩擦的 無摩擦時允許物體沒有阻力地相互滑動； 有摩擦時，物體之間會產(chǎn)生剪切力。 2、摩擦消耗能量，并且是路徑相關(guān)行為。 為獲得較高的精度，時間步長必須小（圖 2-1） 圖 2 1 3、 ANSYS中，摩擦采用庫侖模型，并有附 加選項可處理復雜的粘著和剪切行為。 庫侖法則是宏觀模型，表述物體間的等效剪 力 FT不能超過正壓力 FN的一部分

8、： FT Preprocessor Modeling Create Elements Surf/Contact Surf to Surf(ESURF) 對于直接生成剛性目標面，在建立目標單元之前需要要指定附加的單元屬性 TSHAP 剛性目標面的自動劃分不需要 TSHAP。 ANSYS能根據(jù)實 體模型確定合適的目標單元形狀。 劃分線 (LMESH) 2 D剛性目標面 劃分面 (AMESH) 3 D剛性目標面 創(chuàng)建關(guān)鍵點 (KMESH)控制節(jié)點（ Pilot） 剛性目標面能與控制點聯(lián)系起來， Pilot實際上是只有一個 節(jié)點的單元，通過這個節(jié)點的運動可以控制整個目標面的 運動。 ANSYS只在 P

9、ilot節(jié)點上檢查邊界條件而忽略其它 節(jié)點的約束。 對可變形體目標面建立目標單元的步驟是： 1.先選擇可變形體表面上的節(jié)點 2.然后在可變形體上建立目標單元 Main Menu Preprocessor Modeling Create Elements Surf/Contact Surf to Surf ANSYS將根據(jù)基體的網(wǎng)格確定目標單元形狀和外法線方 向。 檢查外法線方向（這在自動劃分剛性目標面時非常重要） 圖 3-3 打開單元坐標系標志并重繪單元 /PSYMS,ESYS,1 目標單元外法線方向應(yīng)該指向接觸面。如果單元法向不 指向接觸面，用命令使之反轉(zhuǎn)： ESURF,REVE 例： Se

10、al.dat(圖 3-3) Step 5.建立接觸面單元 設(shè)置接觸單元屬性、選擇可變形體表面節(jié)點， 并在可變形體上建立接觸單元（過程與在可變形 體上建立目標單元相同） Main Menu Preprocessor Modeling Create Elements Surf/Contact Surf to Surf 這些接觸單元與基體有同樣的階數(shù)（低階或高階）。 注意，在殼或梁單元上建立目標單元或接觸單元時，可以選擇要在 梁或殼單元的頂層還是底層建立單元。 圖 3-3 在選擇柔體表面上的節(jié)點時，如果你確定某一部分節(jié)點 永遠不會接觸到目標面時，可以忽略它，以減少計算時間。 接觸面的外法向應(yīng)指向目標

11、面。如果發(fā)現(xiàn)外法線方向不 正確，用下列命令修改之 ESURF,REVE Step 6.在有限元模型上施加邊界條件 如果目標面是剛性面，目標面將會自動固定。 定義了 Pilot點 ANSYS只檢查該點的邊界條件，忽略目標 面上其它節(jié)點約束。控制點能控制目標面的運動。 對 Seal.dat施加的邊界條見圖 3 3。 Step 7.定義求解選項和載荷步，以下是默認 設(shè)置 推薦使用 N.L求解自動控制 使用不帶自適應(yīng)下降的 full Newton- Raphson法求解 時間步必須足夠小。使用自動時間步。 子步數(shù)的最大值（ NSBMX）應(yīng)較大，最小值 （ NSBMIN）應(yīng)較小 Step 8.求解 St

12、ep 9.后處理 結(jié)果包括位移、應(yīng)力、應(yīng)變和接觸等信息。 接觸壓力、摩擦應(yīng)力、總應(yīng)力、接觸侵入、接 觸間隙距離、滑動距離和接觸狀態(tài)都可以從 /POST1或 /POST26中得到。 面一面接觸分析實例（建立接觸對不通過接 觸向?qū)В?實例 1：彈性環(huán)裝配 軸對稱 施加位移載荷：在 L45線上施加 0.4的 -Y向位 移 打開幾何 N.L開關(guān) (NLGEOM,on) 設(shè) Time = 0.4并為自動時間步給出子步數(shù) (20,500,10) 給出輸出控制（要求輸出每一子步結(jié)果） 求解并查看輸出和監(jiān)視文件 重啟動分析亦將 -Y向偏移量增加到 0.55使咬 接裝配的第 2個齒咬合。 問題以彎曲為主，設(shè) F

13、KN = 0.1 GUI方式： Step 1.恢復數(shù)據(jù)庫文件 Snap.db（ Snap.db數(shù) 據(jù)庫包含此有限元模型的完整幾何模型、材料、 邊界條件。但未定義目標單元與接觸單元）。 Utility Menu File Resume from 選 Snap.db 【 OK】 基體單元 : Plane42,1 軸對稱 材料 : MAT,1 EX = 0.175e6; UXY = 0.35 ; MU = 0.0 MAT,2 EX = 90000; NUXY = 0.35 約束節(jié)點 163 UY = 0 182 UY = 0 Step 2.創(chuàng)建目標面單元類型 Main Menu Preprocess

14、or Element Typer Add/Edit/Delete 【 Add】 contact 2D target 169 Element typer reference number = 2 【 OK】 或命令 : /PREP 7 ET,2,Target 169 Step 3.建立接觸面單元類型 Main Menu Preprocessor Element Typer Add/Edit/Delete 【 Add】 contact 2nd Surf 171 Element typer reference number = 3 【 OK】 【 close】 或命令 : ET,3,conta 17

15、1 Step 4.指定接觸法向剛度 Main Menu Preprocessor Real Constants Add/Edit/Delete 【 Add】 Type 3 CONTA 171 【 OK】 Real Constant Set No. = 1 Normal Penalty Stiffness FKN = 0.1(對彎曲問題采用初值 0.1) Penetration tolerance FTOLN = 0.1 (不用此 ,不收斂 ) 或命令： R,1,0.1,0.1 確定罰剛度 FKN值通常在 0.01-10之間， 對于體積變形問題用 1.0（默認），對 彎曲問題用 0.1 確定侵入

16、容差：侵入容差 (FTOLN)是與 接觸單元下面的實體單元深度（ h）相 乘的比例因子。 若此值太小會引起收斂困難，絕對不要 用太小的容差 !增大罰剛度（ FKN）將減 少侵入。 將 FKN增大 100倍會相應(yīng)地減少侵入， 但是接觸壓力只改變 5。 如不收斂可調(diào)整 FKN或 FTOLN值重新運 行。檢查侵入和每個子步的平衡迭代數(shù)， 如果收斂受入侵容差的驅(qū)使可能是 FKN 值估計不足或 FTOLN值太小。如果需要 多次迭代才能使殘值收斂而不是侵入。 FKN值可能估計得太高。 Step 5.創(chuàng)建目標單元 (1).為目標面選擇線 Utility Menu Select Entities 拾取線 (圖

17、 3-5) 【 OK】 或命令： LSEL,S,2,4 LSEL,A,15,18 圖 3-6 LSEL,A,63 (2).選擇附于線上的全部節(jié)點 (圖 3-6) Utility Menu Select Entities Nodes Attached to lines,all 【 OK】 或命令： NSLL,S,1 NPlot 圖 3-5 圖 3-6 (3).設(shè)置單元屬性 Main Menu Preprocessor Create Element Elem Attributes 或命令： Type,2 Mat,1 Real,1 (4).創(chuàng)建目標單元 Main Menu Preprocessor

18、Modeling Create Elements Surf / Contact Surf to Surf 注意：如果基體單元是 2D平面或 3D 實體單元 “ Tlab”無效，如果基體單 元是 2D單元， “ Shape”無效。 選 【 pick all】 或命令： ESURF(圖 3-7) 圖 3-7 Step 6.創(chuàng)建接觸單元 (1).為接觸面選線 Utility Menu Select Entities Lines圖 3-8 By Num/pick From Full 【 OK】 選線 (圖 3-8) 【 OK】 或命令 : LSEL,s,33,34 LSEL,a,43,44 (2).選

19、擇附于選定線上的全部節(jié)點圖 3-9 Utility Menu Select Entities Nodes Attached to Lines, all From Full 【 OK】 或命令 : NSLL, S, 1 Nplot(圖 3-9) 圖 3-8 圖 3-9 (3).設(shè)置單元屬性 Main Menu Preprocessor Create Element Elem Attributes Element type number = 3 ConTA 171 Material number = 1 Real constant set number = 1 【 OK】 或命令： Type,3

20、Mat,1 Real,1 (4).創(chuàng)建接觸面單元圖 3-11 Main Menu Preprocessor Modeling Create Elements Surf/Contact Surf to Surf圖 3-10 【 OK】 【 PICK ALL】 (圖 3-10) 或命令 : ESURF 圖 3-10 圖 3-11 Step 7.選擇所有選項并畫單元 Utility Menu Select Everything Utility Menu Plot Elements 或命令 : Allsel, all Eplot(圖 3-11) Step 8.求解 /solu antype,stati

21、c nlgeom,on solc, on time,0.4 nsubst,20,500,10 outres,all,all dl,45,uy,-0.4 solve dl,45,uy,-0.55 solve fini Step 9.后處理 4 應(yīng)用接觸向?qū)?chuàng)建接觸對 所有面面接觸的單元選項和參數(shù)都可以通過接 觸向?qū)砜刂啤Ｊ褂媒佑|向?qū)нM行接觸分析方便 快捷 ： 自動定義單元類型和實常數(shù) 快速得到接觸選項和參數(shù) 快速顯示和反轉(zhuǎn)接觸法向 使用接觸向?qū)П仨毷紫葘w進行網(wǎng)格劃分，否 則不能激活接觸向?qū)А?下面仍以彈性環(huán)裝配接觸問題為例。采用接觸向 導完成接觸對的創(chuàng)建來說明接觸向?qū)У氖褂梅椒ā?Step

22、 1.恢復數(shù)據(jù)文件 Utility Menu File Resume from 選 Snap.db 【 OK】 (圖 4-1) 此數(shù)據(jù)庫 Snap.db包括此有限元模型的幾何、基 體 單元、分網(wǎng)、材料和邊界條件。但不包括接觸單 元與目標單元及接觸有關(guān)的參數(shù)。 圖 4-1 Step 2.啟動接觸向?qū)?Main Menu Preprocessor Modeling Create Contact Pair Step 3.創(chuàng)建接觸對 圖 4-3 圖 4-4 【 Pick Target】 (圖 4 3),拾取線 (見圖 3 5) 【 OK】 ， 再定義接觸面 返 回 圖 4 4 【 Next】 (圖 4

23、 5) 圖 4 5 【 opening setting】 圖 4 6 圖 4 6 Step 4.設(shè)置接觸參數(shù) 【 OK】 返回圖 4 5【 create】 【 Finish】 返回圖 4 2 退出 Step 5.求解 求解過程同前 圖 4 2 5 實例 2平面密封圈計算 驗證為接觸剛度估計一個合適的初始值的重要性 驗證接觸分析中摩擦的應(yīng)用彈性庫侖摩擦 驗證基于接觸單元臨界狀態(tài)變化的時間步預(yù)測如 何會對計算效率有害 模型描述： 2D超彈平面密封圈 1/2對稱，密封圈壓縮模擬 分析此模采用兩種方法： 1. 不使用接觸向?qū)?，建立命流文?Seal.inp 2. 使用接觸向?qū)?chuàng)建接觸對，并用 GUI方

24、式創(chuàng)建 Pilot節(jié)點。 本例具有： 幾何 N.L（大應(yīng)變與大變形） 材料 N.L（超彈） 接觸 N.L 數(shù)據(jù)文件 : Seal.inp Step 1.建模：單元類型、實常數(shù)、材料特性、基體分網(wǎng) /prep7 et,1,56 ! HYPER56 2D 4node U_P Hyperelastic Solid mp,nuxy,0.49 tb,mooney,1 tbdata,1,80 ! C10 = 80 tbdata,2,20 ! C01 = 20 k,1 $k,2,0.333,0 $k,3,0.867,0.867 k,4,1.1,0.867 k,5,1.1,1 $k,6,0.8,1 $k,7,

25、0.267,0.133 k,8,0,0.133 l,1,2 *repeat,7,1,1 ! 將 l,1,2命令重復 7次 l,8,1 lfil,1,2,0.20 $lfil,2,3,0.15 $lfil,5,6,0.20 lfil,6,7,0.15 $lfil,7,8,0.05 $lfil,8,1,0.05 al,all ! 應(yīng)用所有選擇的線生成面 k,25,-0.6,0 $k,26,1.1,0 $k,27,-0.6,1.0 $k,28,1.1,1.0 lstr,26,25 ! L9 lstr,27,28 ! L10 圖 5-2 ! * 基體分網(wǎng) * lesize,8,2 $lesize,13

26、,4 $lesize,14,4 esize,0.035 type,1 mat,1 amesh,all save,seal,db Step 2.創(chuàng)建接觸對，先定義單元和接觸參數(shù) et,2,169 ! Target169 2D Target Segment et,3,171 ! Conta171 2D Surface to Surface Contact mp,mu,1,0 ! 用材料特性定義摩擦，本例先無摩擦計算 然后再有摩擦計算，比較結(jié)果 r,1,0.1,0.1 ! 用實常數(shù)定義接觸高級選項對于彎曲為主的 問題，采用接觸剛度 FKN = 0.1作為初始估計值 , FTOLN = 0.1 lag

27、range穿透比例系數(shù)（缺省值） r,2,0.1,0.1 ! 如果 FKN = 1.0則不收斂 ! * 創(chuàng)建接觸對 1（定義實常數(shù)和分網(wǎng)） * type,2 ! 目標面 1 Target169 real,1 ! Target169的實常數(shù) mat,1 ! 接觸面 1定義材料與超彈 單元同 lesize,15,1 ! 目標面 1（ L15）分網(wǎng)尺寸 (圖 5 3) lmesh,15 ! 目標面 1（ L15）分網(wǎng) ,采 用自動分網(wǎng)，此剛性面自動約束。檢查外法線 方向 【 OK】 ! * 接觸面 1：實常數(shù)（與目標面 1一致）、 分網(wǎng) lsel,s,line,1,3,1 ! 選 L1,L2,L3

28、lsel,a,line,9,10,1 ! 再加 L9,L10 lsel,a,line,14 ! 再加 L14 nsll,s,1 ! 選擇和所選線相連系的節(jié)點 type,3 ! Conta171這里未發(fā)布 Real,1， 實常數(shù)未重新定義就是前面的 Real,1， MAT也 是前面的 MAT, 1 esurf ! 生成接觸單元 lsel,all ! * 檢查外法線方向 【 OK】 * 圖 5 3 ! * 創(chuàng)建接觸對 2 * type,2 ! 目標面 2 Target169 real,2 ! MAT未重新定義，就是前面的 MAT, 1 lesize,16,1 ! 目標面 2 lmesh,16 !

29、L16分網(wǎng)（目標 2分網(wǎng)） kmesh,27 ! 指定 Pilot點 ! * 檢查外法線方向 【 OK】 * type,3 ! 接觸面 2 Conta171 Real,2； Mat,1 lsel,s,line,5,7, 1 ! 選 L5, L6, L7 lsel,a,line,11,13,1 ! 再加 L11,L12,L13 nsll,s,1 esurf ! 生成接觸單元 ,其 Real,2； Mat,1 lsel,all nsel,all ! * 檢查外法線方向 【 OK】 * Step 3.施加邊界條件 ! 剛性面 1 被約束 ! 剛性面 2 隨 Pilot點移動 ! L4對稱約束 dl,

30、4,ux,0 n_load=node(kx(27),ky(27),0) ! 為定義剛性面 2的位移做準備 finish Step 4.定義求解選項和載荷步 /solu nlgeom,on solc,on ! N.L求解自動控制打開（缺省） time,0.85 ! 載荷步、結(jié)束時間 d,n_load,uy,-0.85 nsubst,25,500,10 outres,all,all monitor,var3,n_load,fy Step 5.求解 solve Step 6.查看結(jié)果 /post1 pldsp,2 ! 變形圖 plnsol,s,eqv,0,1 ! Von Mises 應(yīng)力云圖 pln

31、sol,cont,pres,0, ! 接觸壓力圖 plnsol,epto,eqv ! 繪等效總應(yīng)變圖 5 4 save,seal,db 定義反力變量 ,繪載荷變形圖 Utility Menu Plot Elements Main Menu Time Hist Postpro Define Variables 【 Add】 Reaction force 【 OK】 拾取節(jié)點 263(控制點 ) 【 OK】 User-Specified Load = FORCE: FY 【 OK】 【 close】 或命令： /POST 26 RFORCE,2,263,F,Y,FORCE Main Menu Ti

32、me Hist Postpro Graph Variables 1st Variable to gragh = 2 【 OK】 或命令： PLVAR, 2 (圖 5 4) 圖 5 4 2、用接觸向?qū)?chuàng)建接觸對，用 GUI方式創(chuàng)建 Pilot節(jié)點（剛性面控制點），然后求解。 Step 1.恢復數(shù)據(jù)庫文件 Seal.db（包括基體 的幾何、單元、分網(wǎng)；沒有選接接觸單元與目 標單元，未定義接觸對） Utility Menu File Resume from 選 Seal.db 【 OK】 Step 2.啟動接觸向?qū)?Main Menu Preprocessor Modeling Create Con

33、tact Pair 圖 4 2 【 contact Wizard】 創(chuàng)建接觸對 1 圖 5 5 選線 (1)( 接觸對 1的目標面 )【 OK】 返回圖 5 5【 next】 圖 5 6 選線 (2)( 接觸對 1的接觸面 )【 OK】 ；返回圖 5 6【 next】 Step 3.設(shè)置接觸參數(shù) 圖 5 7 圖 5 8 圖 5 9 定義摩擦 (圖 5 9) 【 OK】 返回圖 5 7 Coefficient friction 0.2 【 Create】 5 11 圖 5 12 接觸對 1(圖 5 11) 圖 5 10圖 Step 5.創(chuàng)建目標單元控制點 (1).設(shè)置單元屬性 用命令流： Typ

34、e,4 MAT,1 REAL,4 TSHAP,PIL10 GUI: Main Menu Preprocessor Modeling Create Element Elem Attributes 圖 5 14 (2).繪關(guān)鍵點 Utility Menu Plot Keypoints Keypoints (3).建立目標單元控制點 Main Menu Preprocessor Meshing Mesh Keypoints 選 K27 【 OK】 或命令流： KMESH,27 Step 6.施加位移約束 控制點 27上施加 UY = -0.85 Main Menu Solution Define L

35、oads Apply Structural Displacement On Keypoints 選 K27 【 OK】 Lab2 DOFs to be constrained: UY Value: -0.5 【 OK】 施加對稱邊界條件： Main Menu Solution Define Loads Apply Structural Displacement Symmetry B.C. On Lines 選線 L4 【 OK】 Step 7.求解控制、求解 Main Menu Solution Analysis Type Soln Controls Main Menu Solution So

36、lve LS_Current Step 8.后處理 同 1 無摩擦 (MU = 0) Von Mises = 145.096 有摩擦 (MU = 0.2) Von Mises = 142.038 接觸剛度取 1.0 不收斂 0.1 收斂 /POST26 Main Menu TimeHist Postpro 選控制點 27， 繪圖 (見圖 5-4)。 面一面接觸具有 20個可用實常數(shù)， 2個材料屬性和 30個可用單元選項設(shè)置。能夠模擬特殊的效果和處理 困難的收斂情況。 通常分析開始先用缺省值，只指定罰剛度和穿透容差及子步數(shù)。 只能在缺省設(shè)置遇到困難時才用高級選項。 所有的單元選項和參數(shù)都可以通過

37、接觸向?qū)砜刂?；也可以通過實常數(shù)和單元選項來 指定 。 Conta178接觸單元、實常數(shù)選項見圖 6-1及 6-2。 圖 6-1 圖 6-2 6 面一面接觸單元高級接觸選項 進入接觸選項菜單用下列過程： Main Menu Preprocessor Modeling Create Contact Pair 選 【 property】 1、第 1個重要選項：如何保證接觸協(xié)調(diào)性： 使用修正的拉朗日法（缺省） 純罰函數(shù)方法 在接觸向?qū)е?Basic Contact algorithm: Augmented Lagrange MethodPenalty Method 對大多數(shù)模型，修正的拉格朗日方法能

38、很好地工作。 罰函數(shù)法推薦用于具有變形很大的單元，很大的摩擦系 數(shù)和 /或用修正的拉格朗日方法時收斂性很差的情況。 最重要的選項是法向罰剛度或接觸剛度。 對于大面積接觸采用起始值（因子） 1.0，對于柔性接 觸采用 0.1。 大值對應(yīng)較高精度；小值對應(yīng)較好的收斂性。 有時最好先以較小的接觸剛度進行分析，然后在一系列載 荷步中逐漸增大剛度 “ 漸變 ” 的接觸剛度，提高收斂性 圖 6-2 在最后的載荷步逐漸提高到一個剛硬的值將提高計算精度。 可通過向?qū)У幕颈砘騿卧匦圆藛卧O(shè)置以允許程序更新 接觸剛度 接觸向?qū)?Basic Normal Penalty Stiffness 1.0 factor

39、constant 向?qū)?Basic contact stiffness update: Each load step (PAIR ID based)noneEach load step(允許用戶指定剛度變化 )Each substep(允許 自動和用戶指定變化 ) 2、第 2個重要選項穿透容差。 缺省情況下，穿透容差是一個因子乘以基體單元厚度 。 對于變化很大的網(wǎng)格密度，采用因子會在接觸表面的某 些部分產(chǎn)生太小的容差，這時采用絕對值可能更好。 不要使用太小的容差，因為它總是對收斂性有害。 3、對于臨界接觸狀態(tài)變化的自動時間步控制 不控制：不影響自動時間步，對靜力問題自動時間步打開時此選項一 般

40、是足夠的。 自動二分：如果接觸狀態(tài)變化明顯，時間步長將二分。對于動力問題 自動二分通常是足夠的。 合理值：比自動細分更耗時的算法。 最小值：此選項為下一步預(yù)測最小時間增量（很耗計算時間，不推薦） 或在單元選項中控制： Contact time/load prediction K7: No prediction 4、 Pinball區(qū)域影響接觸狀態(tài)的確定和其它許多接 觸特性。 Pinball區(qū)域是環(huán)繞接觸單元的園（ 2D）或球 （ 3D），描述接觸單元周圍 “ 遠 ” 和 “ 近 ” 區(qū)域 的邊界 (圖 6-3)。 在缺省情況下， Pinball區(qū)域半徑是 4 基體單元 厚度（剛?cè)幔┗?2 基體

41、單元厚度（柔一柔） 可以為 Pinball半徑指定一個不同的值。 圖 6-3 也可用實常數(shù) PINB調(diào)整球形區(qū)（對于初始值侵入 大的問題是必要的）。 5、幾種不同的接觸模式 這些選項使你能夠模擬特殊的物理現(xiàn)象。 或單元選項 : Behavior contact surface K12: standard 這些選項包括： 標準：正常的接觸閉合和打開行為，具有正常的粘著 /滑動摩擦行為。 粗糙：正常接觸閉合和打開行為，但不發(fā)生滑動（類似于具有無限摩擦系 數(shù)） 不分離（滑動）：目標面和接觸面一旦建立接觸就不再分離（允許滑動） 綁定：目標面和接觸面一旦接觸就粘在一起 不分離（永遠）：初始位于 Pinb

42、all區(qū)域內(nèi)或已經(jīng)接觸的接觸檢查點在法向 不分離（允許滑動） 綁定接觸（永遠）：初始位于 Pinball區(qū)域內(nèi)或已經(jīng)接觸的接觸檢查點在剩 余的分析過程中綁定在一起（ Design Space缺省值） 綁定接觸（初始接觸）：只在初始接觸的地方采用綁定，初始分開的地方 保持分開。 計算實例：懸臂梁端部旋轉(zhuǎn)（不分離行為） 6、影響某些表面行為的選項 Contact Opening stiffness（分開時的間隙剛度）保 證不分離和綁定行為，它通過使用當存在間隙也具有非零 剛度的彈簧來連接表面。 缺省情況下，此彈簧剛度等于法向罰剛度，其效果類似 于法向罰剛度剛度太小精度低；剛度太大會引起收斂問 題。

43、 摩擦系數(shù)影響基本摩擦行為： Contact cohesion表示當沒有法向壓力時開始滑動的摩擦應(yīng)力值。 摩擦導致非對稱剛度陣。因為非對稱矩陣很難計算（因此導致求解變慢）， 程序自動控制執(zhí)行對稱求解，利用此算法可以解決多數(shù)含摩擦接觸問題。 有時，采用非對稱矩陣能獲用更好的收斂性。 如果遇到收斂緩慢問題可以用不對稱求解選項。 記?。哼@種情況必須使用稀疏或波前求解器。 對于每個支持非對稱矩陣的單元，此選項也可以由下列菜單激活： Main Menu Solution Unabridged Menu Analysis Options 設(shè)置 Newton-Raphson選項為 Full N_R unsy

44、mm 7、初始穿透 有幾種技術(shù)可以模擬初始穿透接觸問題（如過盈 裝置配）?？梢允褂贸跏紟缀未┩?，或指定偏移 量，或二者皆有。圖 6-5 指定偏移量（ CNOF） 或在實常數(shù)中指定偏移量（ CNOF） contact surface offset CNOF: 0.025 正的 CNOF加大初始穿透 負的 CNOF減小初始穿透或?qū)е麻g隙 CNOF可與幾何穿透組合 自動 CNOF調(diào)整 允許 ANSYS基于初始穿透自動給定 CNOF值。 導致 “ 剛好接觸 ” 配置 ICONT缺省為 0 或單元選項 : Auto CNOF/ICONT adjustment K5: No. Auto. Adjust 初

45、始穿透選項包括： Include everything：包括由幾何模型和指定偏移量（如果有的 話）引起的初始穿透 Exclude everything：忽略所有初始穿透效應(yīng)。 Include with ramped effects：漸變初始穿透，以提高收斂性。 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，且漸變初始穿透以提高收斂性 如果模型包含初始幾何穿透，接觸力將立即 “ 階躍 ” 到一 個大值。 載荷突變經(jīng)常導致收斂困難，期望有一種機制能夠?qū)⒊?始穿透效應(yīng)漸變到零。 I

46、nclude with ramped effects和 Include off set only w/ramp選項通過在第一載荷步，將初始穿透漸變?yōu)榱憧?服收斂困難。為求得好的結(jié)果，在第一載荷步不應(yīng)施加其 它載荷 (圖 6-6)。 計算實例：初始穿透 圖 6-6 8、剛體模式 初始不接觸的兩個（或多個）物體 的靜力分析中，在接觸建立前可能 產(chǎn)生剛體運動 (圖 6-7)。 此例中圓柱體沒有施加位移約束， 面由力控制。 圓柱體的約束由圓柱體和平板之間 的接觸建立。 求解過程中兩個物體分離，剛度矩 陣奇異。 ANSYS將產(chǎn)生一個負主元警告。 有幾個選項可以 解決由于初始不相連物體引起的剛 體模式：

47、圖 6-7 三個高級接觸特性允許調(diào)整初始接觸條件以防止剛體模式： (1).自動 CONF調(diào)整 程序計算 CNOF以清除間隙。 (2).初始接觸環(huán)（ ICONT） 將調(diào)整帶內(nèi)接觸表面上的節(jié)點移到目標面上 (3).初始允許穿透范圍 (PMIN Mat, 1 TYPE,2 MAT,2 REAL,2 LSEL,LOC,X,1.9 NSLL,1 ! 1.9線上的節(jié)點 ESURF ! 創(chuàng)建目標單元 Target169 ! * TYPE,3 ! Mat, 2 ; Real, 2 LSEL,LOC,X,2 NSLL,S,1 ESURF ! 創(chuàng)建接觸面 conta172 ALLSEL,ALL /SOLUTION

48、 D,NODE(1.5,0,0),UY,0 D,NODE(2.4,0,0),UY,0 NLGEOM,ON NSUBST,10,50,5 FINISH /PBC,U,1 /NUMBER,1 /PNUM,MAT,1 EPLOT SAVE,interference,db ! 包含有限元模型、接 觸對、材料、邊界條件，求解控制 分析步驟： Step 1.恢復數(shù)據(jù)庫文件 Utility Menu File Resume from 選 interference.db 【 OK】 Step 2. 重定位輸出文件 Utility Menu File Switch Output to File Interfer

49、ence.output 【 OK】 或命令： /Output,interference,Output Step 3.求解接觸分析 /Solu solve Step 4.重定位輸出到輸出窗口 Utility Menu File Switch Output to Output Window 或命令： /OUTPUT, TERM Step 5.繪制徑向應(yīng)力 Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu Stress X-direction SX 【 OK】 或命令 : /POST1 PLNSOL,S,X ! 結(jié)果：徑向

50、應(yīng) 力 0 Step 6.列表顯示接觸結(jié)果 Main Menu General Postproc List Results Nodal Solution 選 Nonlinear items contact CONT 【 OK】 或命令： PRNSOL,CONT STAT = 0“張開 ” 幾乎不接觸 STAT = 1 “張開 ” 但幾乎接觸 STAT = 2 “閉合 ” 并滑動 STAT = 3 “閉合 ” 并粘著 Step 7.檢查輸出文件內(nèi)容（ interference.output） * NOTE * No contact was detected for a contact pair

51、specified by real constant set 2 大初始穿透問題可能導致無法檢測到接觸或檢測到接觸面求解存在收 斂困難。在此情況下推薦在第一個載荷步中包含漸進化效應(yīng)。 Step 8. 為初始穿透選項指定漸進化效應(yīng) 可通過 conta172單元選項設(shè)置 可通過接觸向?qū)е?Initial Adjustment的設(shè)置 (1)Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete 選 Type 3 conta172 【 Option】 initial penetration/gap K9 = include_ramp 【 OK】 【 cl

52、ose】 或命令 : /prep7 KEYOPT,3,9,2 (2)或向?qū)?Initial Adjustment Initial penetration: Include everything with ramped effect 【 OK】 Step 9.重定位輸出到文件 Utility Menu File Switch Output to File Ramped.output 【 OK】 Step 10. 分析 /Solu Solve Step 11.重定位輸出到輸出窗口 Utility Menu File Switch Output to Output Window 命令： /outpu

53、t,TERM Step 12.繪徑向應(yīng)力 Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu Stress X-direction SX 【 OK】 或命令 : /POST 1 PLNSOL,S,X Step 13.將軸對稱模型擴展為整個模型顯 示 Utility Menu PlotCtrls Style Symmetry Expansion 2D Axi- Symmetric Select expansion amount = Full expansion 【 OK】 或命令： /EXPAND,36,Axis,10

54、/REPlot ISO 顯示 /View,1,1,1 /Replot Step 14. 檢查輸出文件 ramped.output Initial penetration will be ramped during the first load step 在第一載荷步，初始穿透漸進化。 * NOTE * Max. Initial penetration 0.1 was detected between contact element 425 and target element 405 specified by read constant set 2 檢測到大的初始穿透 例 4.兩剛性面間夾圓柱

55、 體分析 （剛體模式應(yīng)用初始接 觸環(huán) ICONT） 目標：驗證使用初始接觸環(huán)調(diào)整帶 來克服接觸分析中的剛體模式 模型描述： 2D平面應(yīng)力、 1/4對稱、 施加壓力 (圖 7-6) 文件名 : ICONT.inp /prep7 CYL4,0,0,0,0,1,90 RECTNG,0,2.5,1.003,1.5 ! 圖 7-7 ET,1,182 ! Plane182 2D Structural Solid 4節(jié)點 UX, UY平 面應(yīng)力、平面應(yīng)變和軸對稱單 元、大變形、大應(yīng)變 圖 7-6 圖 7-7 ET,2,169 ! Target169 ET,3,171 ! Conta171 MP,EX,1,1

56、000 MP,EX,2,30E6 MP,MU,3,0 ESIZE,0.1 AMESH,1 ! type, 1 ;mat, 1 MAT,2 AMESH,2 ! * 創(chuàng)建目標目單元 * TYPE,2 MAT,3 REAL,2 LSEL,LOC,Y,1.003 NSLL,1 ESURF ! * 創(chuàng)建接觸單元 * TYPE,3 CSYS,1 LSEL,LOC,X,1 NSLL,1 ESURF CSYS,0 LLSEL,ALL /SOLUTION LSEL,LOC,X,0 DL,ALL,UX,0 LSEL,LOC,Y,0 DL,ALL,UY,0 LSEL,LOC,Y,1.5 SFL,ALL,PRES,2

57、00 ALLSEL,ALL ! * 求解控制 * NLGEOM,ON NSUBST,10,100,5 SBCTRAN /PBC,U,1 /PSF,PRES,NORM,2 /NUMBER,1 /PNUM,MAT,1 EPLOT SAVE,ICONT,db 其中 ICONT.db數(shù)據(jù)文件包括此模型的有限元模 型、接觸對、邊界條件、載荷、材料定義等。 分析步驟： Step 1.恢復數(shù)據(jù)庫 Utility Menu File Resume from 選 ICONT.db 【 OK】 Step 2.重定位輸出到文件 Utility Menu File Switch Output to File ICON

58、T.output 【 OK】 Step 3.求解接觸分析 /Solu solve 產(chǎn)生錯誤，不能求解 Utility Menu List Files Error File Error:兩部分之間的小間隙產(chǎn)生剛體模式，導致 “ 自由度超限 ” 錯誤。 DOF(e.g Displacement)limit exceeded at time 3.5e-02 檢查輸出文件 ICONT.output ANSYS提供接觸對信息用于診斷。 ICONT.OUTPUT * NOTE * Min Initial gap 4.022432169e-3 was detected between contact ele

59、ment 264 and target element 224 specified by real constant set2. 此例中采用最小初始間隙估計初始接觸環(huán)的值，間隙大小為 0.004 in，因此采用絕對 值 ICONT = -0.005in Step 4.指定初始接觸環(huán)絕對值 -0.005 in 在單元實常數(shù)中賦 在向?qū)е匈x值 Main Menu Preprocessor Real Constant Add/Edit/Delete 或用向?qū)зx值 Main Menu Preprocessor Modeling Create Contact Pair 選 【 property】 或命令

60、： /Prep 7 RMODIF,2,5,-0.005 ! ICONT = -0.005 注意 : 推薦只用小值 ,ICONT值太大將導致模型不連續(xù) Step 5.求解接觸分析 /Solu solve Step 6.重定位輸出到輸出窗口 Utility Menu File Switch Output to Output Window 或命令： /OUTPUT,TERM Step 7.后處理：繪位移總矢量 Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu DOF Solution USUM 【 OK】 或命令 : /P

61、OST 1 PLNSOL, U, SUM Step 8.檢查輸出文件 ICONT.output * NOTE * Absolute initial closure ICONT 0.5000e-02 指定的初始接觸環(huán)調(diào)整帶成功的防止了剛體運動。 本例也可以用向?qū)?Automatic Contact adjustment:close gap 或單元設(shè)置 : Automatic CNOF adjustment KS close gap 防止剛體運動而不輸入 ICONT=-0.005 或命令： /prep 7 KEYOPT,3,5,1 例 5.兩剛性卡間夾一圓球分析（剛體模式 -應(yīng)用初始穿透范 圍 P

62、MIN-PMAX） 目標：驗證采用初始穿透范圍來克服 接觸分析中的剛體模式采用合適的初 始穿透范圍絕對值（ -PMIN Mat,1 MAT,2 AMESH,2 ! * 創(chuàng)建目標單元 * TYPE,2 REAL,2 LSEL,LOC,Y,1 ! 選 L4 NSLL,1 ESURF ! * 創(chuàng)建接觸面單元 * TYPE,3 ! Mat,2; Real,2 CSYS,1 LSEL,LOC,X,1 NSLL,1 ESURF CSYS,0 ALLSEL,ALL ! * 加約束和載荷 * /SOLUTION LSEL,LOC,X,0 DL,ALL,UX,0 LSEL,LOC,Y,0 DL,ALL,UY,0

63、 LSEL,LOC,Y,2.5 SFL,ALL,PRES,50 ALLSEL,ALL ! * 求解控制 * NLGEOM,ON NSUBST,10,100,5 SBCTRAN /PBC,U,1 /PSF,PRES,NORM,2 /NUMBER,1 /PNUM,MAT,1 EPLOT SAVE,PMIN-PMAX.db 分析步驟 : Step 1.恢復數(shù)據(jù)庫 PMIN-PMAX.db Utility Menu File Resume from 選 PMIN-PMAX.db.db 【 OK】 Step 2.重定位輸出到文件 Utility M enu File Switch Output to F

64、ile PMIN-PMAX.output 【 OK】 或命令： /output, PMIN-PMAX, output Step 3.求解接觸分析 /Solu solve 出錯 Error Dofe.g Displacementlimit exceeded et time 0.1 【 OK】 Step 4.檢查輸出文件 PMIN-PMAX .output * NOTE * No contact was detected for a contact pair specified by real constant set 2 具有 “ 大 ” 的初始間隙的載荷控制問題可能引起 檢測不到接觸和 或自由

65、度超限錯誤 (圖 7-9)。 包含小的初始穿透范圍將目標面具有初始接觸狀 態(tài)，以阻止剛體運動。 Step 5.指定初始穿透范圍絕對值 在實常數(shù)中指定 在接觸向?qū)е兄付?Main Menu Preprocessor Real Constant Add/Edit/Delete 選 Set 2 【 Edit】 大間隙，產(chǎn)生剛體模式，引起自由度超限錯誤 選 Type,3 conta171 【 OK】 Ini.allow.penetration PMIN = -0.001 【 OK】 【 close】 或命令： /prep7 RMODIF,2,7,-0.002,-0.001 或向?qū)?Main Menu

66、Preprocessor Modeling Create Contact Pair property Step 6. 求解接觸分析 /Solu solve Step 7.重定位輸出到輸出窗口 Utility Menu File Switch Output to Output Window 或命令： /OUTPUT, TERM Step 8.繪軸線位移（ Y向） Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu DOF Solution UY 【 OK】 或命令 : /POST 1 PLNSOL,U,Y(圖 7-10) 圖 7-10 注意：此結(jié)果中等值線還包括由于目標面調(diào)整產(chǎn)生的剛體 位移，因此接觸面未接觸 Step 9.檢查輸出文件 PMIN-PMAX.output * Absolute Max.allow penetration range PMAX 0.2000E-2 Absolute Min.allow penetration range PMIN 0.1000E-2 * NOTE * The Max.