ANSYS_高级接触分析.ppt

ANSYS 高级接触问题 接触问题概述在工程中会遇到大量的接触问题，如齿轮的啮合、法兰联接、机电轴承接触、卡头与卡座、密封、板成形、冲击等等接触是典型的状态非线性问题，它是一种高度非线性行为接触例子如下图：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ANSYS 高级接触问题 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： 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2 接触单元2 接触单元3 关于耦合和约束方程的应用如果接触模型没有摩擦，接触区域始终粘在一起，并且分析是小挠度、小转动问题，那么可以用耦合或约束方程代替接触。

使用耦合或约束方程的优点是分析还是线性的 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12）作为初值，可采用：Ktangent=0.01 Knormal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2、接触刚度的选取 选定一个合适的接触刚度值需要一些经验 对于面一面接触单元，接触刚度通常指定为基体单元刚度的一个比例因子 开始估计时，选用 FKN = 1.0 大面积实体接触 FKN = 0.01-0.1 较柔软（弯曲占主导的部分） 另外，也可以指定一个绝对刚度值，单位：（力/长度）/ 面积 对于点一点（除 CONTA178）和点面接触单元需要为罚刚度 KN 输入绝对值： 初始估计时： 对于大变形: 0.1*E KN 1.0*E 对于弯曲: 0.01*E KN 0.1*E E 为弹性模量3、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），降低刚度重新分析注意：罚刚度可以在载荷步间改变，并且可以在重启动中调整牢记：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，重新分析在敏感的分析中，还应该改变罚刚度来验证计算结果的有效性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213、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 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 TSHAPANSYS 能根据实体模型确定合适的目标单元形状。

划分线 (LMESH) 2D 刚性目标面 划分面 (AMESH) 3D 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目标单元 Main Menu Preprocessor Modeling Create Elements Surf/Contact Surf to SurfANSYS 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例：Seal.dat (图3-3)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 (ESURF) 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 图图3-33-3 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，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,REVEStep 6. 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 施加的边界条见图 33Step 7. 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Step 8. 求解Step 9. 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 中得到面一面接触分析实例（建立接触对不通过接触向导）实例1：弹性环装配轴对称施加位移载荷：在 L45 线上施加 0.4的 Y 向位移打开几何 N.L 开关 (NLGEOM,on)设 Time = 0.4 并为自动时间步给出子步数(20,500,10)给出输出控制（要求输出每一子步结果）求解并查看输出和监视文件重启动分析亦将 Y 向偏移量增加到 0.55使咬接装配的第 2 个齿咬合。

问题以弯曲为主，设 FKN = 0.1GUI 方式：Step 1. 恢复数据库文件 Snap.db（Snap.db 数据库包含此有限元模型的完整几何模型、材料、边界条件但未定义目标单元与接触单元） Utility Menu File Resume from 选 Snap.db 【OK】基体单元: Plane42,1 轴对称材料: MAT,1 EX = 0.175e6; NUXY = 0.35 ; MU = 0.0 MAT,2 EX = 90000; NUXY = 0.35 约束节点 163 UY = 0 182 UY = 0Step 2. 创建目标面单元类型Main Menu Preprocessor Element Typer Add/Edit/Delete 【Add】 contact 2D targe169 Element typer reference number = 2 【OK】或命令: /PREP 7 ET,2,Targe169Step 3. 建立接触面单元类型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,conta171Step 4.指定接触法向刚度 Main Menu Preprocessor Real Constants Add/Edit/Delete 【Add】 Type 3 CONTA171 【OK】 Real Constant Set No. = 1 Normal Penalty Stiffness FKN = 0.1(对弯曲问题采用初值0.1) Penetration tolerance FTOLN = 0.1 (不用此,不收敛) 或命令：R,1,0.1,0.1确定罚刚度 FKN 值通常在 0.01-10 之间，对于体积变形问题用 1.0（默认），对弯曲问题用 0.1确定侵入容差：侵入容差 (FTOLN) 是与接触单元下面的实体单元深度（h） 相乘的比例因子。

若此值太小会引起收敛困难，绝对不要用太小的容差!增大罚刚度（FKN）将减少侵入 将 FKN 增大 100 倍会相应地减少侵入，但是接触压力只改变 5如不收敛可调整 FKN 或 FTOLN 值重新运行检查侵入和每个子步的平衡迭代数，如果收敛受侵入容差的驱使可能是FKN 值估计不足或 FTOLN 值太小如果需要多次迭代才能使残值收敛而不是侵入FKN 值可能估计得太高 Step 5. 创建目标单元(1) 为目标面选择线 Utility Menu Select Entities 拾取线(图3-5) 【OK】 或命令： LSEL,S,2,4 LSEL,A,15,18 图3-6 LSEL,A,63(2).选择附于线上的全部节点(图3-6) Utility Menu Select Entities Nodes Attached to lines,all 【OK】或命令： NSLL,S,1 NPlot图图3-53-5图图3-63-6(3).设置单元属性 Main Menu Preprocessor Create Element Elem At。