有限元分析及工程应用第六章.ppt

《《有限元基本理论及应用有限元基本理论及应用》》第六章第六章 接触问题的有限元分析接触问题的有限元分析 机械学院机械学院接触接触问题问题存在两个存在两个较较大的大的难难点：点：1））在求解在求解问题问题之前，接触区域不确定，表面之之前，接触区域不确定，表面之间间是否接是否接触或分开是未知的、瞬触或分开是未知的、瞬时变时变化的，它由化的，它由载载荷、材料、荷、材料、边边界界条件和其它因素而定；条件和其它因素而定；2））大多的接触大多的接触问题问题需要需要计计算摩擦，有多种摩擦及其模型算摩擦，有多种摩擦及其模型可供挑可供挑选选，但它，但它们们都是非都是非线线性的，摩擦使性的，摩擦使问题问题的收的收敛敛性性变变得困得困难难 接触接触问题问题基本基本类类型：型：刚刚体体─柔体接触，柔体柔体接触，柔体─柔体接触柔体接触 在在刚刚体体─柔体的接触中，接触面的一个或多个被当作柔体的接触中，接触面的一个或多个被当作刚刚体体(与它接触的与它接触的变变形体相比，有大得多的形体相比，有大得多的刚刚度度)，一般情，一般情况下，一种况下，一种软软材料和一种硬材料接触材料和一种硬材料接触时时，，问题问题可以被假定可以被假定为刚为刚体体─柔体的接触，柔体的接触，许许多金属成形多金属成形问题归为问题归为此此类类接触；接触； 而柔体而柔体─柔体的接触，是一种更普遍的柔体的接触，是一种更普遍的类类型，在型，在这这种种情况下，两个接触体都是情况下，两个接触体都是变变形体形体(有近似的有近似的刚刚度度)。

 机械学院机械学院6.1 接触边界的有限元算法 （（1））直接迭代法直接迭代法 在用有限元位移法求解接触问题时，首先假设初始在用有限元位移法求解接触问题时，首先假设初始接触状态形成系统刚度矩阵，求得位移和接触力后，根接触状态形成系统刚度矩阵，求得位移和接触力后，根据接触条件不断修改接触状态，重新形成刚度矩阵求解，据接触条件不断修改接触状态，重新形成刚度矩阵求解，反复迭代直至收敛反复迭代直至收敛 每次迭代都要重新形成刚度矩阵，求解控制方程，每次迭代都要重新形成刚度矩阵，求解控制方程，而实际上接触问题的非线性主要反映在接触边界上，因而实际上接触问题的非线性主要反映在接触边界上，因此，通常采用静力凝聚技术，使得每次迭代只是对接触此，通常采用静力凝聚技术，使得每次迭代只是对接触点进行，点进行， 大大提高了求解效率大大提高了求解效率 虚力法虚力法：：用沿边界的虚拟等效压力来模拟接触状态，用沿边界的虚拟等效压力来模拟接触状态，这样在每次迭代中并不重新形成刚度矩阵，所做的只是这样在每次迭代中并不重新形成刚度矩阵，所做的只是回代工作回代工作 有限元混合法有限元混合法：：以结点位移和接触力为未知量，并以结点位移和接触力为未知量，并采用有限元形函数插值，将接触区域的位移约束条件和采用有限元形函数插值，将接触区域的位移约束条件和接触力约束条件均反映到刚度矩阵中去，构成有限元混接触力约束条件均反映到刚度矩阵中去，构成有限元混合法控制方程合法控制方程 机械学院机械学院6.1 接触边界的有限元算法 （（1））直接迭代法直接迭代法 对弹塑性接触问题，在求解过程中接触非线性和材料对弹塑性接触问题，在求解过程中接触非线性和材料非线性都需要迭代求解。

非线性都需要迭代求解 通常是利用通常是利用系统刚度矩阵的变化系统刚度矩阵的变化来来反映材料非线性的反映材料非线性的影响影响，在每次塑性修正迭代过程中都要结合对接触状态的，在每次塑性修正迭代过程中都要结合对接触状态的判断进行接触迭代计算，并且，荷载增量更是受到不允许判断进行接触迭代计算，并且，荷载增量更是受到不允许在一个增量步中出现两种非线性的限制在一个增量步中出现两种非线性的限制 机械学院机械学院6.1 接触边界的有限元算法 （（2））接触约束算法接触约束算法 接触接触约约束算法就是通束算法就是通过对过对接触接触边边界界约约束条件的适当束条件的适当处处理，理，将将约约束束优优化化问题转问题转化化为为无无约约束束优优化化问题问题求解求解 根据无根据无约约束束优优化方法的不同，可分化方法的不同，可分为为罚罚函数方法函数方法和和Lagrange 乘子法乘子法 1））罚罚函数方法函数方法 将接触非线性问题转化为材料非线性问题分为障将接触非线性问题转化为材料非线性问题分为障碍函数法和惩罚函数法碍函数法和惩罚函数法 机械学院机械学院6.1 接触边界的有限元算法 （（2））接触约束算法接触约束算法 1））罚罚函数方法函数方法 障碍函数法障碍函数法假设接触面之间充满某虚拟物质，在未接触假设接触面之间充满某虚拟物质，在未接触时其刚度趋于零，不影响物体的自由运动，在接触时其刚度时其刚度趋于零，不影响物体的自由运动，在接触时其刚度变得足够大，能阻止接触物体之间的相互嵌入变得足够大，能阻止接触物体之间的相互嵌入。

常用的间隙元等方法均属于此类，该方法处理简单，编常用的间隙元等方法均属于此类，该方法处理简单，编程方便，只是在传统有限元分析中增加一种单元模式而已；程方便，只是在传统有限元分析中增加一种单元模式而已； 惩罚函数法惩罚函数法对接触约束条件的处理是通过在势能泛函中对接触约束条件的处理是通过在势能泛函中增加一个惩罚势能增加一个惩罚势能惩罚因子惩罚因子嵌入深度，是节点位移的函数嵌入深度，是节点位移的函数接触问题就等价于无约束优化问题接触问题就等价于无约束优化问题: 机械学院机械学院6.1 接触边界的有限元算法 （（2））接触约束算法接触约束算法 1））罚罚函数方法函数方法其中其中由于人为假设了很大由于人为假设了很大的罚因子，可能引起的罚因子，可能引起方程的病态方程的病态2）） Lagrange 乘子法与增广乘子法与增广Lagrange 乘子法乘子法约束最小化问题转化约束最小化问题转化为无约束最小化问题为无约束最小化问题 机械学院机械学院6.1 接触边界的有限元算法 （（2））接触约束算法接触约束算法2）） Lagrange 乘子法与增广乘子法与增广Lagrange 乘子法乘子法代入代入Lagrange 乘子法中乘子法中接触接触约约束条件可以精束条件可以精确确满满足足 增广增广Lagrange 乘子法乘子法：：最直接的一种方法是构造修正最直接的一种方法是构造修正的的势势能泛函能泛函：： 机械学院机械学院6.1 接触边界的有限元算法 （（2））接触约束算法接触约束算法2）） Lagrange 乘子法与增广乘子法与增广Lagrange 乘子法乘子法相应的控制方程为相应的控制方程为：： 考虑考虑Lagrange 乘子的物理意乘子的物理意义义，可将其用接触，可将其用接触对对的接的接触触应应力代替，通力代替，通过过迭代迭代计计算得到算得到问题问题的正确解。

的正确解 在迭代在迭代过过程中，接触程中，接触应应力作力作为为已知量出已知量出现现，，这样这样既吸收既吸收了了罚罚函数方法和函数方法和Lagrange 乘子法的乘子法的优优点，又不增加系点，又不增加系统统的的求解求解规规模，而且收模，而且收敛敛速度也比速度也比较较快 另一种增广另一种增广Lagrange 乘子法主要是乘子法主要是为为了弥了弥补补Lagrange 乘子法中控制矩乘子法中控制矩阵阵存在零主元存在零主元的弱点的弱点：： 机械学院机械学院6.1 接触边界的有限元算法 （（2））接触约束算法接触约束算法2）） Lagrange 乘子法与增广乘子法与增广Lagrange 乘子法乘子法解收敛于解收敛于解解系统的控制方程写为系统的控制方程写为：： 机械学院机械学院6.1 接触边界的有限元算法 （（2））接触约束算法接触约束算法3）） 数学规划法数学规划法 基于势能或余能原理，并利用变分不等式等现代数学方基于势能或余能原理，并利用变分不等式等现代数学方法而导出，最初该方法是针对无摩擦接触问题提出，它利用法而导出，最初该方法是针对无摩擦接触问题提出，它利用了无摩擦接触问题的非穿透条件和互补条件了无摩擦接触问题的非穿透条件和互补条件：： 经经有限元离散后，无摩擦接触有限元离散后，无摩擦接触问题问题被被归结为归结为二次二次规规划划( 线线性互性互补补) 问题问题求解。

把摩擦条件可以写成如下求解把摩擦条件可以写成如下带导带导数的互数的互补补形式形式：： 机械学院机械学院6.1 接触边界的有限元算法 （（2））接触约束算法接触约束算法3）） 数学规划法数学规划法 对摩擦条件的另一种处理方法是引进惩罚因子，然后仿对摩擦条件的另一种处理方法是引进惩罚因子，然后仿照塑性力学将摩擦接触条件表示成有惩罚因子的互补形式照塑性力学将摩擦接触条件表示成有惩罚因子的互补形式: 有了上述摩擦接触条件的互有了上述摩擦接触条件的互补补关系，就可以利用关系，就可以利用参参变变量量变变分原理分原理或或虚功原理虚功原理建立摩擦接触建立摩擦接触问题问题的有限元二的有限元二次次规规划划(线线性互性互补补)模型 对这类线对这类线性互性互补问题补问题常采用常采用Lemke 算法求解算法求解 机械学院机械学院6.1 接触边界的有限元算法 （（2））接触约束算法接触约束算法3）） 数学规划法数学规划法 对对三三维维摩擦接触摩擦接触问题问题，，为为了能利用了能利用线线性互性互补补方法求解，通方法求解，通常以多面体棱常以多面体棱锥锥近似代替近似代替Coulomb 圆锥圆锥，从而，从而实现实现滑滑动动函数的函数的线线性化，但性化，但该该方法大大增加了方法大大增加了问题问题的求解的求解规规模。

模 为为了尽量减少了尽量减少线线性化所增加的求解性化所增加的求解规规模，有的学者又提出模，有的学者又提出了参数二次了参数二次规规划迭代算法、序列划迭代算法、序列线线性互性互补补方法等 三三维维摩擦接触摩擦接触问题问题本本质质上属于非上属于非线线性互性互补问题补问题，由此出，由此出发发可以建立非可以建立非线线性互性互补补接触力法模型和非接触力法模型和非线线性互性互补补接触位移法模接触位移法模型 数学数学规规划方法在划方法在弹弹塑性接触塑性接触问题问题的的应应用上通常用迭代法反用上通常用迭代法反映材料非映材料非线线性特征，在每次迭代中用数学性特征，在每次迭代中用数学规规划方法求解接触划方法求解接触问问题题 钟钟万勰等利用参万勰等利用参变变量量变变分原理将接触分原理将接触问题问题和和弹弹塑性塑性问题问题表表示成具有相同形式的有限元参数二次示成具有相同形式的有限元参数二次规规划划问题问题, 很方便地很方便地实现实现了了弹弹塑性接触塑性接触问题问题的数学的数学规规划解法 机械学院机械学院6.2 ANSYS软件中接触算法软件中接触算法 （（1））显式接触边界算法显式接触边界算法 ANSYS/LS-DYNA程序中程序中处处理不同理不同结结构界面的接触碰撞构界面的接触碰撞和相和相对对滑滑动动是程序中非常重要和独特的功能，有二十多种不是程序中非常重要和独特的功能，有二十多种不同的接触同的接触类类型可供型可供选择选择。

主要是主要是变变形体与形体与变变形体的接触、离散点与形体的接触、离散点与变变形体的接触、形体的接触、变变形体本身不同部分的形体本身不同部分的单单面接触、面接触、变变形体与形体与刚刚性体的接触、性体的接触、变变形形结结构固构固连连以及根据失效准以及根据失效准则则接触固接触固连连，模，模拟钢拟钢筋在混凝筋在混凝土中固土中固连连和失效滑和失效滑动动的一的一维维滑滑动线动线等 ANSYS/LS-DYNA程序程序处处理接触碰撞面主要采用理接触碰撞面主要采用3种不种不同的算法，即同的算法，即节节点点约约束法束法（（仅仅用于固用于固连连界面界面））、、对对称称罚罚函函数法数法（（最常用的算法最常用的算法））和分配参数法和分配参数法（（仅仅用于滑用于滑动动界面界面）） 不同不同结结构可能相互接触的两个面分构可能相互接触的两个面分别别称称为为主表面主表面(其中其中的的单单元表面称元表面称为为主片、主片、节节点称点称为为主主节节点点)和和从表面从表面(其中的其中的单单元表面称元表面称为为从片、从片、节节点称点称为为从从节节点点) 机械学院机械学院6.2 ANSYS软件中接触算法软件中接触算法 （（1））显式接触边界算法显式接触边界算法 节节点点约约束法束法是最早是最早选选用的接触算法。

用的接触算法 原理：在每一原理：在每一时间时间步步长长修正构型之前，修正构型之前，检查检查每一个没有与每一个没有与主表面接触的从主表面接触的从节节点，是否在当前点，是否在当前时间时间步步长长内内贯贯穿主表面穿主表面 如果从如果从节节点点贯贯穿主表面，穿主表面，则则将将时间时间步步长缩长缩小，使那些小，使那些贯贯穿穿从从节节点都不点都不贯贯穿主表面，而其中有的穿主表面，而其中有的刚刚到达主表面到达主表面 在下一个在下一个时间时间步步长长开始开始时时，，对刚对刚到达主表面的从到达主表面的从节节点施加点施加碰撞条件碰撞条件 对对所有已所有已经经与主表面接触的从与主表面接触的从节节点都施加点都施加约约束条件，以保束条件，以保持从持从节节点与主表面接触点与主表面接触 此外，此外，检查检查与主表面接触的从与主表面接触的从节节点所属点所属单单元是否存在受拉元是否存在受拉交界面力交界面力 如有受拉面力，如有受拉面力，则则用用释释放条件使从放条件使从节节点脱离主表面由于点脱离主表面由于此算法比此算法比较较复复杂杂，后来只用于固，后来只用于固连连界面 机械学院机械学院6.2 ANSYS软件中接触算法软件中接触算法 （（1））显式接触边界算法显式接触边界算法 分配参数法分配参数法在在LS-DYNA程序中程序中仅仅用于滑用于滑动处动处理理 原理是：将每一个正在接触的从原理是：将每一个正在接触的从单单元一半元一半质质量分配到被量分配到被接触的主表面面接触的主表面面积积上，同上，同时时由每一个从由每一个从单单元的内元的内应应力确定所力确定所用在接受用在接受质质量的主表面面量的主表面面积积上的分布上的分布压压力。

力 在完成在完成质质量和量和压压力分配后，程序修正主表面的加速度力分配后，程序修正主表面的加速度然后然后对对从从节节点的加速度和速度施加点的加速度和速度施加约约束，以保束，以保证证从从节节点沿主点沿主表面运表面运动动程序不允程序不允许许从从节节点穿透主表面，从而避免反点穿透主表面，从而避免反弹弹 对对称称罚罚函数法函数法是一种新的算法，是一种新的算法，1982年年8月开始用于月开始用于DYNA2D程序 原理：原理：每一每一时时步先步先检查检查各从各从节节点是否穿透主表面，没点是否穿透主表面，没有穿透有穿透则对该则对该从从节节点不做任何点不做任何处处理 如果穿透，如果穿透，则则在在该该从从节节点与被穿透主表面之点与被穿透主表面之间间引入一引入一个个较较大的界面接触力，其大小与穿透深度、主片大的界面接触力，其大小与穿透深度、主片刚刚度成正度成正比，称比，称为罚为罚函数函数值值 机械学院机械学院6.2 ANSYS软件中接触算法软件中接触算法 （（1））显式接触边界算法显式接触边界算法 物理意义物理意义：：相当于在从节点和被穿透主表面之间放置一相当于在从节点和被穿透主表面之间放置一个弹簧，以限制从节点对主表面的穿透。

个弹簧，以限制从节点对主表面的穿透 对称罚函数法是同时再对各主节点处理一遍，其算法与对称罚函数法是同时再对各主节点处理一遍，其算法与从节点一样从节点一样 对称罚函数法编程简单，很少激起网格沙漏效应，没有对称罚函数法编程简单，很少激起网格沙漏效应，没有噪音，这是由于算法具有对称性，动力守恒准确，不需要碰噪音，这是由于算法具有对称性，动力守恒准确，不需要碰撞和释放条件撞和释放条件 罚函数值大小受到稳定性限制，若计算中发生明显穿透，罚函数值大小受到稳定性限制，若计算中发生明显穿透，可以放大罚函数值或缩小时间步长来调节可以放大罚函数值或缩小时间步长来调节 对称罚函数法对称罚函数法：：它在每一时步分别对从节点和主节点循它在每一时步分别对从节点和主节点循环处理一遍，算法相同环处理一遍，算法相同 机械学院机械学院6.2 ANSYS软件中接触算法软件中接触算法 （（1））显式接触边界算法显式接触边界算法 机械学院机械学院6.2 ANSYS软件中接触算法软件中接触算法 （（1））显式接触边界算法显式接触边界算法 机械学院机械学院6.2 ANSYS软件中接触算法软件中接触算法 （（1））显式接触边界算法显式接触边界算法不用作任何处理不用作任何处理 机械学院机械学院6.2 ANSYS软件中接触算法软件中接触算法 （（1））显式接触边界算法显式接触边界算法主片的刚度因子主片的刚度因子: 机械学院机械学院6.2 ANSYS软件中接触算法软件中接触算法 （（1））显式接触边界算法显式接触边界算法6)摩擦力的摩擦力的计计算算界面刚度界面刚度 机械学院机械学院6.2 ANSYS软件中接触算法软件中接触算法 （（1））显式接触边界算法显式接触边界算法时间步长时间步长衰减系数衰减系数 机械学院机械学院6.2 ANSYS软件中接触算法软件中接触算法 （（1））显式接触边界算法显式接触边界算法 由由库仑库仑摩擦造成界面的剪摩擦造成界面的剪应应力，在某些情况下，超力，在某些情况下，超过过材料承受的能力，程序采用某种限制措施，令：材料承受的能力，程序采用某种限制措施，令：7) 节节点力点力总总体坐体坐标轴标轴方向分量的方向分量的获获得。

得 将接触力矢量和摩擦力矢量将接触力矢量和摩擦力矢量投影到投影到总总体坐体坐标轴标轴方向并方向并组组集到集到总总体体载载荷矢量荷矢量P 对对称称罚罚函数法是将上述算法函数法是将上述算法对对从从节节点和主点和主节节点分点分别别循循环环处处理，如果理，如果仅对仅对从从节节点循点循环处环处理，理，则则称称为为“分离和摩擦滑分离和摩擦滑动动一一次算法次算法” 用于金属模具用于金属模具压压力成形力成形问题问题，此，此时时，将模具，将模具视为刚视为刚体，体，变变形体表面定形体表面定义为义为从表面，而从表面，而刚刚体表面定体表面定义为义为主表面，它比主表面，它比对对称算法称算法节节省机省机时时 机械学院机械学院6.2 ANSYS软件中接触算法软件中接触算法 （（1））显式接触边界算法显式接触边界算法 ANSYS/LS-DYNA程序程序对对表面与表面表面与表面间间的接触算法又做了不的接触算法又做了不少改少改进进: 主要是主要是为为了使薄板模了使薄板模压压成形成形问题计问题计算更加精确例如接触搜算更加精确例如接触搜索，采用索，采用刚刚体近似冲体近似冲压压模具模具时时有的有的单单元元长宽长宽比很不好，搜索与从比很不好，搜索与从节节点最靠近的主点最靠近的主节节点有点有时时很困很困难难，采用搜索最接近的主片位置来，采用搜索最接近的主片位置来代替搜索最接近的主代替搜索最接近的主节节点。

点 由于由于计计算接触表面位置考算接触表面位置考虑虑到壳到壳单单元的厚度，因而在薄板模元的厚度，因而在薄板模压压成形成形时时，壳，壳单单元的厚度元的厚度变变化化对对接触表面摩擦力影响很大接触表面摩擦力影响很大 在接触在接触计计算中增加粘性接触阻尼算中增加粘性接触阻尼项项，以阻止薄板模，以阻止薄板模压压成形成形计计算算过过程中垂直于接触表面的振程中垂直于接触表面的振荡荡 （（2））隐隐式接触式接触边边界算法界算法两个两个较较大的大的难难点：点：1））在用在用户户求解求解问题问题之前，用之前，用户户通常不知道接触区域通常不知道接触区域 随随载载荷、材料、荷、材料、边边界条件和其它因素的不同，表面之界条件和其它因素的不同，表面之间间可可以接触或者分开，在很大程度上是以接触或者分开，在很大程度上是难难以以预预料的，并且料的，并且还还可能是可能是突然突然变变化的 机械学院机械学院6.2 ANSYS软件中接触算法软件中接触算法 （（2））隐隐式接触式接触边边界算法界算法2））大多数的接触大多数的接触问题问题需要考需要考虑虑摩擦作用，有几种摩擦定律和模摩擦作用，有几种摩擦定律和模型可以挑型可以挑选选，它，它们们都是非都是非线线性的。

性的 摩擦效摩擦效应应可能是无序的，所以摩擦使可能是无序的，所以摩擦使问题问题的收的收敛敛性成性成为为一个一个难难点 ANSYS隐隐式算法中接触式算法中接触问题问题：： 刚刚体体—柔体的接触柔体的接触，一个或多个接触面能被当作，一个或多个接触面能被当作刚刚体体（（与与它接触的它接触的变变形体相比，有形体相比，有较较大的大的刚刚度度）） 一般情况下，当一种一般情况下，当一种软软材料和一种硬材料接触材料和一种硬材料接触时时，可以假，可以假定定为刚为刚体体—柔体的接触柔体的接触（（许许多金属成形多金属成形问题问题）） 柔体柔体—柔体的接触柔体的接触是一种更常用的是一种更常用的类类型，在型，在这这种情况下，种情况下，两个接触体都是两个接触体都是变变形体形体(有相似的有相似的刚刚度度)，比如螺栓法，比如螺栓法兰连兰连接 ANSYS接触方式：点接触方式：点—点、点点、点—面、点面、点—点、面点、面—面、面、线线—线线和和线线—面接触，每种接触方式使用不同的接触面接触，每种接触方式使用不同的接触单单元集，并元集，并适用于某一特定适用于某一特定类类型的型的问题问题。

 机械学院机械学院6.2 ANSYS软件中接触算法软件中接触算法 （（2））隐隐式接触式接触边边界算法界算法1）面）面─面的接触面的接触单单元元 ANSYS支持支持刚刚柔体的面柔体的面─面接触，面接触，刚刚性面性面(“目目标标”面面)，分，分别别用用TARGE169和和TARGE170单单元来模元来模拟拟2D和和3D的的“目目标标”面，面，柔性体的表面柔性体的表面（（ “接触接触”面面）），用，用CONTA171、、CONTA172、、CONTA173、、CONTA174等等单单元来模元来模拟拟 一个目一个目标单标单元和一个接触元和一个接触单单元可称作一个元可称作一个“接触接触对对”，并，并通通过过一个共享的一个共享的实实常数号来常数号来识别识别“接触接触对对” 为为了建立一个了建立一个“接触接触对对”，必，必须须要要给给目目标单标单元和接触元和接触单单元元指定相同的指定相同的实实常数号 面面─面接触非常适合于面接触非常适合于过盈装配、插入、锻造和深拉过盈装配、插入、锻造和深拉伸伸等问题的接触分析等问题的接触分析 机械学院机械学院6.2 ANSYS软件中接触算法软件中接触算法 （（2））隐隐式接触式接触边边界算法界算法1）面）面─面的接触面的接触单单元元• 支持低支持低阶阶和高和高阶单阶单元。

元• 为为工程需要提供更好的接触工程需要提供更好的接触结结果，如法向果，如法向压压力和摩擦力和摩擦应应力• 对对目目标标面的形状没有限制，表面可以是自然不面的形状没有限制，表面可以是自然不连续连续或由于网或由于网格离散引起不格离散引起不连续连续• 允允许许流体流体压压力渗透力渗透载载荷的模荷的模拟拟 面面─面接触面接触单单元，能模元，能模拟拟直直线线(面面)和曲和曲线线(面面)，通常用，通常用简简单单的几何形状模的几何形状模拟拟曲面，更复曲面，更复杂杂的的刚刚体形状能使用特殊的前体形状能使用特殊的前处处理技巧来建模理技巧来建模 不适合于点不适合于点—点、点点、点—面、面、边缘边缘—面或面或3维维的的线线—线线接触仅仅支持一般的静支持一般的静态态和瞬和瞬态态分析、屈曲分析、分析、屈曲分析、谐谐分析、模分析、模态态或或随机分析、子随机分析、子结结构分析 机械学院机械学院6.2 ANSYS软件中接触算法软件中接触算法 （（2））隐隐式接触式接触边边界算法界算法2）点）点─面的接触面的接触单单元元 点点─面接触面接触单单元是元是CONTA175，它支持大滑，它支持大滑动动、大、大变变形以及接触形以及接触面之面之间间存在的不同网格。

存在的不同网格当当单单元渗透到指定目元渗透到指定目标标面上的某个目面上的某个目标单标单元元时时接触就接触就发发生了生了模拟拟如扣合件的角点沿配合面滑如扣合件的角点沿配合面滑动动） 如果接触面是由一如果接触面是由一组节组节点点组组成成时时，也可以使用，也可以使用CONTA175单单元来元来模模拟拟面面─面接触，表面可也是面接触，表面可也是刚刚体或体或变变形体（形体（电线电线插入插槽内）插入插槽内） 用用户户不需要知道接触的精确位置，接触不需要知道接触的精确位置，接触组组件之件之间间也不需要匹配的也不需要匹配的网格 尽管可用于模尽管可用于模拟拟小滑小滑动动，但同，但同时时也允也允许许模模拟拟大大变变形和更大的相形和更大的相对对滑滑动动 CONTA175单单元元不支持接触表面具有不支持接触表面具有3维维高高阶单阶单元元如果目标标面面出出现严现严重不重不连续连续，，这这个也会出个也会出现现失效不能采用等失效不能采用等值线值线来来显显示接触示接触结结果 机械学院机械学院6.2 ANSYS软件中接触算法软件中接触算法 （（2））隐隐式接触式接触边边界算法界算法3））三维线三维线—线接触线接触 线线—线线接触接触单单元元(CONTA176)可用来模可用来模拟拟3维维梁梁—梁的接触，梁的接触，或管子在另一根管子内滑或管子在另一根管子内滑动动，某些典型的，某些典型的应应用也包括机用也包括机织织物和网物和网球球拍弦。

球球拍弦 CONTA176被附着在被附着在3维维梁或管梁或管单单元上，支持接触表面的低元上，支持接触表面的低阶阶或高或高阶单阶单元，目元，目标标面可用面可用3维线维线段段(直直线线或抛物或抛物线单线单元元)来模来模拟拟，，可适用于大滑可适用于大滑动动、大位移等、大位移等问题问题 线线—面接触面接触单单元元(CONTA177)可用来模可用来模拟拟一个一个3维维梁或壳梁或壳边边缘缘接触接触实实体或壳体或壳单单元 它支持接触面的低它支持接触面的低阶阶或高或高阶单阶单元，目元，目标标面采用面采用TRAGE170单单元来模元来模拟拟，，这这个个单单元也适用于大滑元也适用于大滑动动、大位移等、大位移等问题问题4））线线—面接触面接触 机械学院机械学院6.2 ANSYS软件中接触算法软件中接触算法 （（2））隐隐式接触式接触边边界算法界算法5 5））点点—点接触点接触单单元元 点点—点接触点接触单单元元(CONTA178)主要用于模主要用于模拟拟点点—点的接点的接触行触行为为，，为为了使用点了使用点—点的接触点的接触单单元，必元，必须须要要预预先知道接触先知道接触位置，只能适用于接触面之位置，只能适用于接触面之间间有有较较小相小相对对滑滑动动的情况的情况(即使在即使在几何非几何非线线性情况下性情况下)。

如果两个面上的如果两个面上的结结点一一点一一对应对应，相，相对对滑滑动变动变形又可以忽形又可以忽略不略不计计，两个面的，两个面的挠挠度度(转动转动)较较小，小，则则可用点可用点—点接触点接触单单元元来求解面来求解面—面的接触面的接触问题问题 机械学院机械学院6.3 接触对生成与参数设置接触对生成与参数设置 （（1））接触对的生成接触对的生成 接触管理器能接触管理器能够够指定、指定、浏览浏览和和编辑编辑接触接触对对，它提供了一，它提供了一种非常方便的方式来管理所有的接触种非常方便的方式来管理所有的接触对对；接触向；接触向导导能引能引导导生生成接触成接触对对，它也可从接触管理器中，它也可从接触管理器中进进入1））接触管理器接触管理器(Contact Manager)可在开始可在开始阶阶段、前段、前处处理器、求解器和通用后理器、求解器和通用后处处理器中使用理器中使用  机械学院机械学院6.3 接触对生成与参数设置接触对生成与参数设置 （（1））接触对的生成接触对的生成1））接触管理器接触管理器(Contact Manager)•接触向接触向导导(Contact Wizard)：：允允许许用用户户采用手采用手动动方式来指定目方式来指定目标标和接触面，可和接触面，可应应用于用于2维维和和3维维几何模型。

几何模型•接触特性接触特性(Contact Properites)：：对对于使用的接触于使用的接触单单元，可以通元，可以通过实过实常数和关常数和关键键字字(KEYOPT)来指定接触来指定接触对对的性能•删删除接触除接触对对(Delete Contact Pairs)：：删删除接触除接触对对列表中被列表中被选选的的接触接触对对•接触接触对选择选项对选择选项(Contact Selection Options)：指定接触：指定接触单单元、元、目目标单标单元或两者的元或两者的显显示•显显示示单单元元/结结果果(Plot Element/Results)：：显显示被示被选选接触接触对对的的单单元，元，如果当前如果当前处处于后于后处处理器，理器，则则可可显显示接触示接触结结果•显显示接触示接触对对的法向的法向(Show Normals)：：确定在确定在显显示接触示接触对时对时是否是否显显示示单单元的法向元的法向 机械学院机械学院6.3 接触对生成与参数设置接触对生成与参数设置 （（1））接触对的生成接触对的生成1））接触管理器接触管理器(Contact Manager)•转换转换法向法向(Flip Normals)：：转换转换被被选选接触接触对单对单元的法向，它元的法向，它仅仅适适用于在接触用于在接触对选择选项对选择选项中指定的中指定的单单元。

元•目目标标和接触和接触单单元元转换转换(Switch Contact and Target)：：将接触面和将接触面和目目标标面之面之间间相互相互转换转换，，仅仅适用于柔性适用于柔性—柔性的面柔性的面—面接触面接触对对•列表列表单单元元/结结果果(List Elements/Results)：：列表出被接触列表出被接触对对的的单单元，元，如果如果处处于通用后于通用后处处理器中，理器中，则则可列表出接触可列表出接触结结果•模型背景模型背景(Model Context)：：采用半透明方式在整体模型上采用半透明方式在整体模型上显显示示接触接触对对，或，或仅显仅显示接触示接触对对•接触接触对对状状态态(Check Contact Status)：：提供被提供被选选接触接触对对的相关信的相关信息•接触接触对结对结果果(Contact Results)：：显显示接触示接触结结果果项项 机械学院机械学院6.3 接触对生成与参数设置接触对生成与参数设置 （（1））接触对的生成接触对的生成2）） 接触向接触向导导(Contact Wizard) 引引导导用用户户采用手工方式采用手工方式创创建接触建接触对对，，可用于可用于刚刚体体—柔性和柔性柔性和柔性—柔性接触，柔性接触，也可用于面也可用于面—面接触和点面接触和点—面接触的配面接触的配置，置，不支持不支持刚刚性目性目标标初始化初始化。

如果模型没有划分网格，如果模型没有划分网格，则则接触向接触向导导不可用不可用 如果希望如果希望创创建一个建一个刚刚体体—柔性模型柔性模型，在启，在启动动向向导导之前，之前，仅仅需要需要对对作作为为柔性表面的模型划分网格；柔性表面的模型划分网格； 如果想如果想创创建一个建一个柔性柔性—柔性模型柔性模型，，则则在启在启动动向向导导之前，之前，则则必必须须要要对对作作为为接触表面的模型全部划分网格接触表面的模型全部划分网格 可可使用使用线线、面、面积积、体、被、体、被选选的一的一组节组节点或点或节节点点组组件来生成件来生成目目标标和接触面，它也允和接触面，它也允许许同同时选择时选择多个面来指定多个面来指定为为目目标标和接和接触面 在指定好目在指定好目标标和接触面后，在和接触面后，在创创建接触建接触对对之前也可以指之前也可以指定接触定接触对对的属性，然后的属性，然后单击单击[Create]则创则创建了一个接触建了一个接触对对 机械学院机械学院6.3 接触对生成与参数设置接触对生成与参数设置 （（2））接触分析的参数设置接触分析的参数设置 1））面面─面接触分析面接触分析——接触算法的选择接触算法的选择 面面—面接触面接触单单元，其接触算法有：元，其接触算法有：•罚罚函数方法函数方法(KEYOPT(2)=1)•增增进进的的Lagrange法法(KEYOPT(2)=0)•在接触法向在接触法向为为Lagrange法，接触切向法，接触切向为罚为罚函数法函数法(KEYOPT(2)=3)•在接触法向和切向均在接触法向和切向均为为Lagrange法法(KEYOPT(2)=4)•内部多点内部多点约约束法束法(MPC)( KEYOPT(2)=2) 罚罚函数函数:使用一个接触使用一个接触“弹弹簧簧”来建立两个接触面之来建立两个接触面之间间的的联联系，系，弹弹簧簧刚刚度就称度就称为为接触接触刚刚度度 使用的使用的实实常数有：常数有：FKN和和FKT，如果，如果KEYOPT(10)=2的的话话，，则还则还需要有需要有FTOLN和和SLTO。

增增进进的的Lagrange法法:对罚对罚函数函数进进行一系列修正迭代，在平行一系列修正迭代，在平衡迭代中接触力被放大，从而使最后的渗透要比衡迭代中接触力被放大，从而使最后的渗透要比许许可公差可公差(FTOLN)要小得多要小得多 机械学院机械学院6.3 接触对生成与参数设置接触对生成与参数设置 （（2））接触分析的参数设置接触分析的参数设置 1））面面─面接触分析面接触分析——接触算法的选择接触算法的选择 与与罚罚函数法相比，函数法相比，Lagrange法容易得到良法容易得到良态态条件，条件，对对接触接触刚刚度的敏感性度的敏感性较较小 在有些分析中，增在有些分析中，增进进的的Lagrange法可能需要更多的迭代，法可能需要更多的迭代，特特别别是在是在变变形后网格形后网格变变得太扭曲得太扭曲时时使用Lagrange法的同法的同时应时应使用使用实实常数常数FTOLN（（Lagrange法指定容法指定容许许的最大穿透量）的最大穿透量） 当接触关当接触关闭时闭时，，Lagrange法将施加零的渗透，当出法将施加零的渗透，当出现现粘粘性接触性接触时时，它施加一个，它施加一个“零的滑移零的滑移”。

不需要接触不需要接触刚刚度度FKN和和FKT，相反它需要，相反它需要颤动控制参数：控制参数：FTOLN和和TNOP 将接触力作将接触力作为一个附加的自由度添加到模型上，从而需一个附加的自由度添加到模型上，从而需要附加迭代来建立平衡条件，与要附加迭代来建立平衡条件，与增增进进的的Lagrange法相比，它的法相比，它的计计算算时间时间要要长长一些同时时要关要关闭闭稀疏解器稀疏解器 机械学院机械学院6.3 接触对生成与参数设置接触对生成与参数设置 （（2））接触分析的参数设置接触分析的参数设置 1））面面─面接触分析面接触分析——接触算法的选择接触算法的选择 在接触法向使用在接触法向使用Lagrange法而在其摩擦面采用法而在其摩擦面采用罚罚函数函数，，该该法法对对于粘性接触条件将施加一个零的渗透，并允于粘性接触条件将施加一个零的渗透，并允许许小量的滑小量的滑动动，除了最大，除了最大许许可可弹弹性滑性滑动动参数参数SLTO外，外，还还需要需要颤动控制参控制参数：数：FTOLN和和TNOP 内部多点内部多点约约束算法与束算法与绑绑定接触定接触(KEYOPT(12)=5或或6))和不和不分离接触分离接触(KEYOPT(12)=4)一起使用，可用来模一起使用，可用来模拟拟接触装配和接触装配和运运动动学学约约束等。

束等 1））面面─面接触分析面接触分析——决定接触刚度决定接触刚度 对对于增于增进进的的Lagrange法和法和罚罚函数法需要定函数法需要定义义法法向和切向向和切向接触接触刚刚度度 在接触与目在接触与目标标面之面之间间的的渗透大小取决于法渗透大小取决于法向向刚刚度度，而粘，而粘性接触中的滑性接触中的滑动动量的大小取决于切向量的大小取决于切向刚刚度度 机械学院机械学院6.3 接触对生成与参数设置接触对生成与参数设置 （（2））接触分析的参数设置接触分析的参数设置 1））面面─面接触分析面接触分析——决定接触刚度决定接触刚度 大的大的刚刚度度值值会减少渗透会减少渗透/滑滑动动量，但会量，但会导导致一个病致一个病态态条件的整条件的整体体刚刚度矩度矩阵阵并引起收并引起收敛敛困困难难；； 小的小的刚刚度度值值会会导导致大的渗透致大的渗透/滑滑动动量并量并产产生一个不精确的解生一个不精确的解 理想状理想状态态是定是定义义一个足一个足够够大的大的刚刚度以使渗透度以使渗透/滑滑动动量达到可接量达到可接受的小量，而一个足受的小量，而一个足够够小量的小量的刚刚度会使度会使问题问题在收在收敛敛方面具有良好方面具有良好的状的状态态。

ANSYS软软件件为为接触接触刚刚度度(FKN，，FKT)、、许许可渗透可渗透(FTOLN)和和许许可滑移可滑移(SLTO)提供了一个缺省提供了一个缺省值值，在大多数情况下，不需要定，在大多数情况下，不需要定义义接触接触刚刚度，同度，同时时建建议议使用使用“KEYOPT(10)=2”允允许许系系统统自自动动更新更新接触接触刚刚度 对对于某些接触于某些接触问题问题，可，可选择选择使用使用实实常数常数FKN(缺省缺省值为值为1.0)来定来定义义法向接触法向接触刚刚度系数，度系数，该该系数介于系数介于0.01～～1.0之之间间，其缺省，其缺省值对值对于于许许多多变变形来形来说说是合适的，如果指定了弯曲是合适的，如果指定了弯曲变变形，形，则则建建议议使用一个使用一个较较小的小的值值 机械学院机械学院6.3 接触对生成与参数设置接触对生成与参数设置 （（2））接触分析的参数设置接触分析的参数设置 1））面面─面接触分析面接触分析——决定接触刚度决定接触刚度 缺省的法向接触缺省的法向接触刚刚度会受到模型中的材料属性、度会受到模型中的材料属性、单单元大元大小和小和总总自由度数的影响，在求解自由度数的影响，在求解过过程程许许多因素也多因素也许许会施加到会施加到实际实际的法向接触的法向接触刚刚度。

度 实实常数常数FTOLN(缺省缺省值为值为0.1)与增与增进进的的Lagrange法一起使法一起使用，它是一个公差因子将被施加在表面的法向，它的范用，它是一个公差因子将被施加在表面的法向，它的范围围要要小于小于1.0(通常小于通常小于0.2)，取决于其下，取决于其下实实体体单单元、壳元、壳单单元或梁元或梁单单元的厚度元的厚度该该因子用来确定渗透兼容性是否因子用来确定渗透兼容性是否满满足，如果渗透足，如果渗透是在一个是在一个许许可的公差范可的公差范围围(FTOLN乘以其下乘以其下单单元的厚度元的厚度)内，内，则则接触的接触的协调协调性是性是满满足的 如果如果ANSYS系系统检测统检测到任意渗透量大于到任意渗透量大于这这个个许许可范可范围围，，即使残余力和位移增量已达到收即使残余力和位移增量已达到收敛敛，，则则整体求解整体求解还还是考是考虑为虑为不收不收敛敛通过对过对FTOLN指定一个指定一个负值负值来定来定义义一个一个绝对许绝对许可渗可渗透量同时时FTOLN也可与也可与Lagrange法一起使用，但此法一起使用，但此时时它将它将是一个是一个颤动颤动控制参数控制参数 机械学院机械学院6.3 接触对生成与参数设置接触对生成与参数设置 （（2））接触分析的参数设置接触分析的参数设置 1））面面─面接触分析面接触分析——决定接触刚度决定接触刚度 系系统统会自会自动动生成一个缺省的切向接触生成一个缺省的切向接触刚刚度，它与度，它与MU(摩擦摩擦系数系数)和法向和法向刚刚度度FKN成比例。

成比例 缺省的切向缺省的切向刚刚度是：度是：FKT=1.0，正，正值为值为FKT提供一个比例提供一个比例因子，因子，负值则负值则指定指定绝对绝对切向切向刚刚度度值值 对对于于KEYOPT(10)=2或或KEYOPT(2)=3的状的状态态，系，系统统会根据会根据当前法向接触当前法向接触压压力、最大力、最大许许可可弹弹性滑移性滑移(SLTO)自自动动更新切向接更新切向接触触刚刚度度(KT=FKT*MU*PRES /SLTO) 当当FKT在每次迭代自由更新在每次迭代自由更新时时，，SLTO则则控制最大滑移距控制最大滑移距离一个大的离一个大的值值会提高收会提高收敛敛但会影响精度但会影响精度试运行的步骤：试运行的步骤： ①①开始开始时时取一个取一个较较低的接触低的接触刚刚度度值值，一般来，一般来说说，低估其，低估其值值比高估比高估该值该值要好一些，因要好一些，因为较为较低的接触低的接触刚刚度所度所导导致的渗透致的渗透问题问题要比要比过过高的接触高的接触刚刚度度导导致的收致的收敛敛性困性困难难要容易解决；要容易解决； 机械学院机械学院6.3 接触对生成与参数设置接触对生成与参数设置 （（2））接触分析的参数设置接触分析的参数设置 1））面面─面接触分析面接触分析——决定接触刚度决定接触刚度 ②②用最用最终载终载荷的一部分来运行分析荷的一部分来运行分析(刚刚好使接触完全建立好使接触完全建立)。

③③检查检查每个子步中的渗透和平衡迭代的次数每个子步中的渗透和平衡迭代的次数 如果整体不收如果整体不收敛敛是由于渗透量是由于渗透量过过大引起，而不是由残余力大引起，而不是由残余力和位移增量引起，和位移增量引起，这时这时FKN的的值值太大或者太大或者FTOL的的值过值过小；小； 如果整体收如果整体收敛敛需要需要许许多平衡迭代步才能多平衡迭代步才能满满足残余力和位移的足残余力和位移的收收敛敛，，则则表明表明FKN和和FTOL的的值值高估了 ④④根据需要根据需要调调整整FKN、、FKT、、FTOLN或或SLOT的的值值，开始，开始一个完整的分析一个完整的分析过过程，如果在整体平衡迭代中，用程，如果在整体平衡迭代中，用户户能能够够支配渗支配渗透量，透量，这时这时可以增大可以增大FTOLN的的值值来来获获得更大的得更大的许许可渗透量，或可渗透量，或者增大者增大FKN的的值值 1））面面─面接触分析面接触分析——选择摩擦模型选择摩擦模型 粘和状粘和状态态(stick）：）：在基本的在基本的库仑库仑摩擦模型中，两个接触面摩擦模型中，两个接触面在开始相互滑在开始相互滑动动之前，在界面上会有某一大小的剪之前，在界面上会有某一大小的剪应应力力产产生。

生 机械学院机械学院6.3 接触对生成与参数设置接触对生成与参数设置 （（2））接触分析的参数设置接触分析的参数设置 1））面面─面接触分析面接触分析——选择摩擦模型选择摩擦模型粘聚力粘聚力 滑滑动动状状态态(sliding): 一旦剪一旦剪应应力超力超过过此此值值后，两个表面将后，两个表面将开始相互滑开始相互滑动动 粘和粘和/滑滑动计动计算决定什么算决定什么时时候一个点从粘和状候一个点从粘和状态态到滑到滑动动状状态态，或从滑，或从滑动动状状态态到粘和状到粘和状态态 对对于另一种系于另一种系统统支持的摩擦模型，可以使用支持的摩擦模型，可以使用USERFRIC子子程序来定程序来定义义用用户户需要的摩擦模型需要的摩擦模型 对于无摩擦、粗糙和绑定接触，接触单元的刚度矩阵是对于无摩擦、粗糙和绑定接触，接触单元的刚度矩阵是对称的 大多数摩擦接触大多数摩擦接触问题问题采用采用对对称求解器来求解，但如果摩擦称求解器来求解，但如果摩擦应应力力对对整体位移有很大的影响整体位移有很大的影响时时会会导导致低的收致低的收敛敛率，可通率，可通过过“NROPT，，UNSYM”来来设设置非置非对对称求解器以改善收称求解器以改善收敛敛精度。

精度 机械学院机械学院6.3 接触对生成与参数设置接触对生成与参数设置 （（2））接触分析的参数设置接触分析的参数设置 1））面面─面接触分析面接触分析——选择摩擦模型选择摩擦模型 实实常数常数TAUMAX是具有是具有应应力力单单位的最位的最大接触摩擦大接触摩擦当摩擦擦应应力达到力达到这这个个值时值时，不管法向接触，不管法向接触压压力力值值的大小，滑的大小，滑动动都将都将会会发发生 另一个使用另一个使用实实常数是常数是凝聚力：凝聚力：COHE(缺省缺省值为值为0)，具有，具有应应力力单单位，位，即使具有法向即使具有法向压压力力为为零，它也提供零，它也提供一个滑一个滑动动阻力阻力 摩擦系数依摩擦系数依赖赖于接触面的相于接触面的相对对滑滑动动速度，通常静摩擦系数速度，通常静摩擦系数要高于要高于动动摩擦系数摩擦系数ANSYS中提供了如下的指数衰减摩擦模中提供了如下的指数衰减摩擦模型：型： 机械学院机械学院6.3 接触对生成与参数设置接触对生成与参数设置 （（2））接触分析的参数设置接触分析的参数设置 1））面面─面接触分析面接触分析——选择摩擦模型选择摩擦模型 如果不指定衰减系数，且如果不指定衰减系数，且FACT>1.0，当接触，当接触进进入滑入滑动动摩擦状摩擦状态时态时，摩擦系数会从静摩擦系数突，摩擦系数会从静摩擦系数突变变到到动动摩擦系数，摩擦系数，模型会模型会导导致收致收敛敛困困难难。

 机械学院机械学院6.3 接触对生成与参数设置接触对生成与参数设置 （（2））接触分析的参数设置接触分析的参数设置 1））面面─面接触分析面接触分析——接触检查位置的选择接触检查位置的选择 接触检查点位于接触单元的积分点上接触检查点位于接触单元的积分点上在积分点上，接触单元不能穿透进入目标在积分点上，接触单元不能穿透进入目标面，目标面能穿透进入接触面面，目标面能穿透进入接触面 ANSYS面－面接触面－面接触单单元元计计算使用高斯算使用高斯积积分点分点(缺省缺省值值)，比，比节节点点检测检测方法一般来方法一般来说说会提供更精确的会提供更精确的结结果，果，节节点点检测检测法是采用法是采用节节点本点本身作身作为积为积分点 接触接触单单元元CONTA175、、CONTA176和和CONTA177总总是采用是采用节节点点检检测测法 节节点点检测检测法需要一个光滑的接触表面法需要一个光滑的接触表面(KEYOPT(4)=1)或一个光滑的目或一个光滑的目标标面面(KEYOPT(4) =2)，，这这是相当耗是相当耗费时间费时间的，的，仅仅用用于于处处理角点、点理角点、点—面或面或边缘边缘—表面的接触表面的接触问题问题。

 机械学院机械学院6.3 接触对生成与参数设置接触对生成与参数设置 （（2））接触分析的参数设置接触分析的参数设置 1））面面─面接触分析面接触分析——接触检查位置的选择接触检查位置的选择 使用使用节节点作点作为为接触接触检查检查点可能会点可能会导导致致其它收其它收敛敛性性问题问题，如，如“节节点滑脱点滑脱”(节节点滑出点滑出目目标标面的面的边边界界) 为为了防止滑脱，当了防止滑脱，当实实常数常数TOLS的缺省的缺省值值不能避免不能避免这这个个问问题时题时，，应设应设置置TOLS来延来延长长目目标标面，面，对对于大多数的点于大多数的点—面接触面接触问题问题，建，建议议使用使用CONTA175 当接触当接触节节点有可能位于目点有可能位于目标标的的边缘时边缘时，，则则TOLS是非常有是非常有用的TOLS的的单单位是百分数，即：位是百分数，即：1.0表示增加接触表示增加接触边缘长边缘长度度的的1.0% 一个非常小的一个非常小的值值也也许许就可以防止滑脱的就可以防止滑脱的发发生，生，对对于小于小变变形形问题问题其缺省其缺省值为值为10，，对对于大于大变变形形问题问题(“NLGEOM, on”)2.0。

 机械学院机械学院6.3 接触对生成与参数设置接触对生成与参数设置 （（2））接触分析的参数设置接触分析的参数设置 1））面面─面接触分析面接触分析——调整初始接触条件调整初始接触条件 在在动态动态分析中，分析中，刚刚体运体运动动一般不会引起一般不会引起问题问题，然而在静力，然而在静力分析中，当物体没有足分析中，当物体没有足够够的的约约束束时时会会产产生生刚刚体运体运动动在静态态分分析中，出析中，出现现“Zero or negative”的警告信息或不的警告信息或不实际实际的、非常大的、非常大的位移将表明的位移将表明为为没有没有约约束的运束的运动动•刚刚体外形常常是复体外形常常是复杂杂的，很的，很难难决定第一个接触点决定第一个接触点发发生在哪儿生在哪儿•既使既使实实体模型是在初始接触状体模型是在初始接触状态态，在网格划分后基于数，在网格划分后基于数值值舍入舍入误误差，两个面的差，两个面的单单元网格之元网格之间间也可能会也可能会产产生小的生小的缝缝隙•接触接触单单元的元的积积分点和目分点和目标单标单元之元之间间可能有小的可能有小的缝缝隙 接触和目标面之间会出现过多的初始渗透。

在此情况下，接接触和目标面之间会出现过多的初始渗透在此情况下，接触单元也许高估了接触力，从而导致不收敛或偏离了接触触单元也许高估了接触力，从而导致不收敛或偏离了接触 目的目的：：消除由于生成网格造成的数值舍入误差而引起的小消除由于生成网格造成的数值舍入误差而引起的小缝隙或渗透缝隙或渗透 机械学院机械学院6.3 接触对生成与参数设置接触对生成与参数设置 （（2））接触分析的参数设置接触分析的参数设置 1））面面─面接触分析面接触分析——调整初始接触条件调整初始接触条件 ①①实实常数常数CNOF：指定接触表面偏移量指定正：指定接触表面偏移量指定正值值将使整体将使整体接触面接近目接触面接近目标标面，面，负值负值将使接触面偏离目将使接触面偏离目标标面 如果同如果同时输时输入入CNOF和和PINB时时，要确定，要确定PINB的的值值要大于要大于CNOF的的值值，否，否则则CNOF将会被忽略；将会被忽略； 如果如果输输入了入了CNOF，而，而PINB采用缺省采用缺省值值，，则则PINB将会被将会被调调节节到大于到大于CONF的的值值 通通过设过设置置KEYOPT(5)的的值值，，ANSYS系系统统会自会自动调动调整整CNOF的的值值。

•KEYOPT(5)=1：关：关闭间闭间隙•KEYOPT(5)=2：减少初始渗透减少初始渗透•KEYOPT(5)=3：既关：既关闭间闭间隙又减少初始渗透隙又减少初始渗透 机械学院机械学院6.3 接触对生成与参数设置接触对生成与参数设置 （（2））接触分析的参数设置接触分析的参数设置 1））面面─面接触分析面接触分析——调整初始接触条件调整初始接触条件 ②②实实常数常数ICONT：指定初始接触：指定初始接触环环初始接触初始接触环环是指沿着目是指沿着目标标面的面的“调调整整环环”深度 输输入正入正值值表示相表示相对对于于变变形体形体单单元厚度的比例因子，元厚度的比例因子，负值负值表示表示为为接触接触环环的真正的真正值值 当当KEYOPT(5)=0、、1、、2或或3时时，其缺省，其缺省值为值为0；若；若KEYOPT(5)=4，系，系统统将根据几何尺寸提供将根据几何尺寸提供较较小且有意小且有意义义的的值值，并，并给给出一个出一个该值该值已指定的警告信息已指定的警告信息 任何落在任何落在“调整环调整环”领域内的接触检查点会被自动移到目领域内的接触检查点会被自动移到目标面上标面上。

 机械学院机械学院6.3 接触对生成与参数设置接触对生成与参数设置 （（2））接触分析的参数设置接触分析的参数设置 1））面面─面接触分析面接触分析——调整初始接触条件调整初始接触条件 使用使用CNOF和和ICONT的区的区别别是：前者用是：前者用CNOF的距离改的距离改变变整个接触表面；后者移整个接触表面；后者移动动落在落在ICONT调节环调节环内所有初始开内所有初始开着的接触点到目着的接触点到目标标面③③实实常数常数PMIN和和PMAX：指定初始容：指定初始容许许的渗透范的渗透范围围当指定定PMAX或或PMIN后，在开始分析后，在开始分析时时，系，系统统会将目会将目标标面移到一面移到一个初始接触的状个初始接触的状态态 如果初始渗透大于如果初始渗透大于PMAX，系，系统统会会调调整目整目标标面以减少渗透，面以减少渗透，如果初始渗透小于如果初始渗透小于PMIN，，则则系系统调节统调节目目标标面以保面以保证证初始接触，初始接触，接触状接触状态态的初始的初始调节仅仅调节仅仅通通过过平移来平移来实现实现 对给对给定定载载荷或荷或给给定位移的定位移的刚刚性目性目标标面将会面将会执执行初始接触状行初始接触状态态的初始的初始调节调节。

当目当目标标面上的面上的节节点有点有给给定的零位移定的零位移时时，使用，使用PMAX和和PMIN的初始的初始调节调节将不会被将不会被执执行 机械学院机械学院6.3 接触对生成与参数设置接触对生成与参数设置 （（2））接触分析的参数设置接触分析的参数设置 1））面面─面接触分析面接触分析——调整初始接触条件调整初始接触条件 ANSYS程序独立地程序独立地处处理目理目标标面上面上节节点的自由度，如：若点的自由度，如：若指定自由度指定自由度UX值为值为“0”，那沿着，那沿着X方向就不会有初始方向就不会有初始调查调查，然，然而，在而，在Y和和Z方向仍然会激活方向仍然会激活PMAX和和PMIN选项选项 初始状初始状态调态调整是一个迭代整是一个迭代过过程，程序最多程，程序最多进进行行20次迭代，次迭代，如果目如果目标标面不能面不能进进入可接受的渗透范入可接受的渗透范围围，系，系统则统则会使用未会使用未调节调节的几何模型，并会的几何模型，并会给给出一个警告信息，出一个警告信息，这时这时可能需要可能需要调调整初始整初始几何模型几何模型 刚刚性目性目标标面在面在X方向的任方向的任何运何运动动都不会引起初始接触。

都不会引起初始接触 机械学院机械学院6.3 接触对生成与参数设置接触对生成与参数设置 （（2））接触分析的参数设置接触分析的参数设置 1））面面─面接触分析面接触分析——调整初始接触条件调整初始接触条件④④设设置置KEYOPT(9)=1来消除来消除初始渗透初始渗透 过过盈装配盈装配问题问题，期望有，期望有过过度的渗透，度的渗透，为为了了缓缓解收解收敛敛性困性困难难，在第一个，在第一个载载荷步中荷步中设设置置KEYOPT(9)=2来使来使过过度渗透度渗透渐进渐进到到0 在第一个在第一个载载步中不要步中不要给给定其它任何定其它任何载载荷，也就是荷，也就是说说要保要保证载证载荷是荷是渐进渐进的的(KBC，，0) 在开始分析在开始分析时时，程序会，程序会给给出每个目出每个目标标面的初始接触状面的初始接触状态态的的输输出信息，出信息，(在在输输出出窗口或窗口或输输出文件中出文件中)，，这这个信息有助于决个信息有助于决定每个目定每个目标标面的最大渗透或最小面的最大渗透或最小间间隙 机械学院机械学院6.3 接触对生成与参数设置接触对生成与参数设置 （（2））接触分析的参数设置接触分析的参数设置 1））面面─面接触分析面接触分析——决定接触状决定接触状态态和和Pinball区域区域 接触接触单单元相元相对对于目于目标标面的运面的运动动和位置决定了接触和位置决定了接触单单元的状元的状态态；；系系统检测统检测每个接触每个接触单单元并元并给给出一种状出一种状态态• STAT=0 未合的且未靠近接触未合的且未靠近接触• STAT=1 未合的近区接触未合的近区接触• STAT=2 滑滑动动接触接触• STAT=3 粘合接触粘合接触 当它的当它的积积分点位于与相关目分点位于与相关目标标面系面系统计统计算算(用用户户指定指定)的距离的距离时时，接触，接触单单元就被考元就被考虑为虑为近区域接触，近区域接触，这这个距离就被个距离就被认认定定为为pinball区域，且区域，且为为关于关于Gauss点的点的圆圆(二二维维)或球或球(三三维维)。

使用使用实实常数常数PINB来来为为pinball指定一个比例因子指定一个比例因子(正正值值)或真或真实值实值(负值负值)，可以，可以为为PINB指定任何指定任何值值 在缺省状在缺省状态态，并假定大，并假定大变变形效形效应应打开打开时时，系，系统统将将pinball区区域定域定义为义为一个以一个以r为为半径的半径的圆圆(对对2-D问题问题)或球或球(对对3-D问题问题) 机械学院机械学院6.3 接触对生成与参数设置接触对生成与参数设置 （（2））接触分析的参数设置接触分析的参数设置 1））面面─面接触分析面接触分析——决定接触状决定接触状态态和和Pinball区域区域 如果大如果大变变形效形效应应未打开，未打开，pinball区域是大区域是大变变形效形效应应的一半如果如果输输入了入了实实常数常数CNOF，且缺省的，且缺省的PINB值值要小于要小于CNOF的的绝绝对值对值，那么缺省的，那么缺省的PINB值值将被将被设设置置为为1.1*CNOF的的绝对值绝对值 寻寻找接触的找接触的计计算算时间时间依依赖赖于于pinball区域的大小，区域的大小，远远区接触区接触单单元的元的计计算是算是简单简单的且的且计计算算时间较时间较少；少；近区接触近区接触计计算是算是较较慢的且慢的且较较复复杂杂；当；当单单元元实际实际接触接触时时，，计计算最算最为为复复杂杂。

如果目如果目标标面有好几个凸形区域，面有好几个凸形区域，为为了克服了克服伪伪接触状接触状态态，，设设置一个合适的置一个合适的pinball区域是有用的，然而区域是有用的，然而对对大多数大多数问题问题，缺省，缺省值值是合适的是合适的 一旦接触状一旦接触状态发态发生突生突变变如从近区接触如从近区接触转转到封到封闭闭，系，系统统将会将会给给出警告信息，出警告信息，这这也也许许指出子步增加大太或也指出子步增加大太或也许许pinball值值太小 机械学院机械学院6.3 接触对生成与参数设置接触对生成与参数设置 （（2））接触分析的参数设置接触分析的参数设置 1））面面─面接触分析面接触分析——选择表面作用模式选择表面作用模式①① KEYOPT(12)的的设设置置 面面—面接触面接触单单元支持法向元支持法向单边单边接触模型以及其它机械表面相接触模型以及其它机械表面相互作用模型，可通互作用模型，可通过设过设置置KEYOPT (12)来来选择选择其接触的作用模式其接触的作用模式•KEYOPT(12)=0：：Standard，模，模拟单拟单面接触，即如果面接触，即如果发发生分离，生分离，则则法向法向应应力力为为零。

零•KEYOPT(12)=1：：Rough模拟拟不存在滑不存在滑动动且完全粗糙的摩擦接且完全粗糙的摩擦接触，触，这这种情况种情况类类似于有一个无限大的摩擦系数，而忽略材料性能似于有一个无限大的摩擦系数，而忽略材料性能MU•KEYOPT(12)=2：：No separation(sliding permitted)，模，模拟拟没有分没有分离的接触一旦接触建立，目离的接触一旦接触建立，目标标面和接触面就在其随后的分析中面和接触面就在其随后的分析中连连接在一起接在一起(尽管也可以滑尽管也可以滑动动) 机械学院机械学院6.3 接触对生成与参数设置接触对生成与参数设置 （（2））接触分析的参数设置接触分析的参数设置 1））面面─面接触分析面接触分析——选择表面作用模式选择表面作用模式KEYOPT(12)=3：：Bonded，模，模拟绑拟绑定接触一旦接触建立，在定接触一旦接触建立，在其随后的分析中目其随后的分析中目标标面和接触面在所有的方向上被面和接触面在所有的方向上被绑绑在一起KEYOPT(12)=4：：No separation(always)，模，模拟拟没有分离的接没有分离的接触接触检测检测点无点无论论是开始位于是开始位于Pinball区域内或者一旦区域内或者一旦进进入接入接触，触，则则它就会沿着指向接触面法向附在目它就会沿着指向接触面法向附在目标标面上面上(允允许许滑滑动动存在存在)。

KEYOPT(12)=5：：Bonded(always)，模，模拟绑拟绑定接触接触定接触接触检测检测点无点无论论是开始位于是开始位于Pinball区域内或者一旦区域内或者一旦进进入接触，入接触，则则它就会它就会沿着指向接触面的法向和切向附在目沿着指向接触面的法向和切向附在目标标面上面上(全全绑绑定定)KEYOPT(12)=6：：Bonded(initial contact)，模，模拟绑拟绑定接触开定接触开始期位于接触状始期位于接触状态态内的接触内的接触检测检测点保持依附于目点保持依附于目标标面，开始面，开始处处于未接触状于未接触状态态的接触的接触检测检测点将在整个分析中保持不接触点将在整个分析中保持不接触 机械学院机械学院6.3 接触对生成与参数设置接触对生成与参数设置 （（2））接触分析的参数设置接触分析的参数设置 1））面面─面接触分析面接触分析——选择表面作用模式选择表面作用模式 对对于于KEYOPT(12)=2、、3、、4、、5或或6，接触的分离可采用解除，接触的分离可采用解除绑绑定方式来模定方式来模拟拟 对对KEYOPT(12)=4或或5，一个，一个较较小的小的PINB的的值值可用来防止任可用来防止任何假接触。

何假接触对对KEYOPT(12)的的设设置，在小置，在小变变形分析形分析(“NLGEOM,off”)中，中，PINB的缺省的缺省值值是是0.25(接触深度的接触深度的25%)，，在大在大变变形分析形分析(“NLGEOM,on”)中，中，PINB的缺省的缺省值值是是0.5(接触深接触深度的度的50%) 对对于于KEYOPT(12)=6，可以，可以设设置一个相置一个相对对大的大的ICONT的的值值来捕捉接触来捕捉接触对对KEYOPT(12)的的设设置，在置，在KEYOPT(5)=0或或4时时，，ICONT的缺省的缺省值值是是0.05(接触深度的接触深度的5%)②②实实常数常数FKOP：：FKOP的使用有两种方式，当的使用有两种方式，当KEYOPT(12)=2、、3、、4、、5或或6时时，，FKOP在接触未合在接触未合时时是施加是施加的的刚刚度系数；度系数；KEYOPT(12)=0、、1时时，，FKOP表示接触阻尼系表示接触阻尼系数 机械学院机械学院6.3 接触对生成与参数设置接触对生成与参数设置 （（2））接触分析的参数设置接触分析的参数设置 1））面面─面接触分析面接触分析——选择表面作用模式选择表面作用模式 当模当模拟拟无无论论是未分离或是未分离或绑绑定接触定接触时时，需要，需要设设置置FKOP值值来来施加接触未施加接触未闭闭合的合的刚刚度系数。

度系数 如果如果FKOP是一个是一个缩缩放系数放系数(正正值值)，真，真实实的接触未的接触未闭闭合合刚刚度等于度等于FKOP乘以接触乘以接触闭闭合合时时所要施加的接触所要施加的接触刚刚度 如果如果FKOP是一个真是一个真实值实值(负值负值)，，该值该值将作将作为为一个真一个真实实接接触未触未闭闭合合刚刚度施加FKOP的缺省的缺省值值是是12)点点─面的接触分析面的接触分析 接触接触单单元是元是CONTA175 在接触表面在接触表面节节点上的点上的“有效有效刚刚度度”是非常不均匀的，如是非常不均匀的，如对对一一个个20节节点的点的块单块单元元(SOLID186)，在角，在角节节点具有一个点具有一个负刚负刚度，然度，然而点而点—面接触算法假定在接触建立面接触算法假定在接触建立时时整个表面的整个表面的节节点点刚刚度是均度是均匀分布，在接触使用中匀分布，在接触使用中节节点点单单元会元会导导致收致收敛敛困困难难 机械学院机械学院6.3 接触对生成与参数设置接触对生成与参数设置 （（2））接触分析的参数设置接触分析的参数设置2)点点─面的接触分析面的接触分析 中中节节点点单单元元仅仅能能够够在在绑绑定或非分离接触才使用，也能定或非分离接触才使用，也能够够在在二二维维接触表面或在二接触表面或在二维维/三三维维目目标标面上使用中面上使用中节节点。

点 由于由于CONTA175是一个点是一个点单单元，不能元，不能显显示其接触示其接触结结果，果，但能但能够够使用命令使用命令“PRESOL，，CONT”或或“PRETAB”列表出其列表出其结结果1.KEYOPT(3) 允允许许用用户户在一个基于集中力的接触模型在一个基于集中力的接触模型(KEYOPT(3)=0)和和基于面力的接触模型基于面力的接触模型(KEYOPT(3)=1)之之间进间进行行选择选择 对对于一个基于面力模型，于一个基于面力模型，ANSYS能能够够确定与接触确定与接触节节点相关点相关的面；的面； 对对于于单单点接触情况，将使用一个点接触情况，将使用一个单单位面位面积积，它，它类类似于基于似于基于集中力的模型集中力的模型 机械学院机械学院6.3 接触对生成与参数设置接触对生成与参数设置 （（2））接触分析的参数设置接触分析的参数设置2)点点─面的接触分析面的接触分析 当使用基于面力的接触模型当使用基于面力的接触模型时时，，实实常数常数FKN、、FKT、、TCC、、ECC和和MCC与面与面—面接触面接触单单元具有相同的元具有相同的单单位。

位 当使用基于集中力的接触模型当使用基于集中力的接触模型时时，上述，上述实实常数的常数的单单位与在基位与在基于面力中的使用多了一个面于面力中的使用多了一个面积积的因子的因子 在基于集中力模型中，在基于集中力模型中，FKN的的单单位是位是FORCE/LENGTH，而，而在基于面力的接触模型中，在基于面力的接触模型中，则为则为FORCE/LENGTH3 在基于集中力模型中，在基于集中力模型中，PRES是一个接触法向集中力，而在是一个接触法向集中力，而在基于面力的接触模型中，基于面力的接触模型中，则则是接触是接触应应力2.KEYOPT(4) 用来用来选择选择接触的法向接触法向既可以垂直于目接触的法向接触法向既可以垂直于目标标面面(KEYOPT(4)=0,3，缺省，缺省值为值为0)，也可以垂直于接触面，也可以垂直于接触面(KEYOPT(4)=1,2) 当接触出当接触出现现在梁或壳的底面在梁或壳的底面时时，且包含壳厚度效，且包含壳厚度效应应(KEYOPT(11)=1)，或者定，或者定义义了了CNOF，，为为了捕捉到接触了捕捉到接触应该应该使使用用KEYOPT(4)=2或或3。

 机械学院机械学院6.3 接触对生成与参数设置接触对生成与参数设置 （（2））接触分析的参数设置接触分析的参数设置2)点点─面的接触分析面的接触分析 使用使用实实常数常数TOLS为扩为扩展目展目标标面的面的边缘边缘添加一个小的容差，添加一个小的容差，当接触当接触节节点有可能位于目点有可能位于目标标面的面的边缘时边缘时，可以使用，可以使用TOLS，否，否则则接触接触节节点会反复地滑出目点会反复地滑出目标标面，甚至于脱离接触，从而引起面，甚至于脱离接触，从而引起收收敛敛困困难难3.CONTA175的的实实常数常数 除了在基于集中力接触模型中，除了在基于集中力接触模型中，TCC、、ECC和和MCC的的单单位不同之外，位不同之外，CONTA175的的实实常数与面常数与面—面接触面接触单单元元CONTA171至至CONTA174具有相同的具有相同的实实常数 同同时时使用点使用点—面接触面接触单单元元CONTA175来模来模拟热拟热接触、接触、电电接接触和磁接触触和磁接触问题问题，，对对于多学科的接触于多学科的接触问题问题，建，建议议使用基于面力使用基于面力的接触模型。

的接触模型 如果需要使用基于集中力的接触模型，如果需要使用基于集中力的接触模型，则则需要需要调调整整TCC、、ECC和和MCC的的值值 机械学院机械学院6.3 接触对生成与参数设置接触对生成与参数设置 （（2））接触分析的参数设置接触分析的参数设置3））三维梁三维梁─梁接触分析梁接触分析 二二维维面面—面接触面接触单单元元(CONTA171、、CONTA172)来模来模拟拟二二维维梁梁—梁接触、使用三梁接触、使用三维线维线—线单线单元元(CONTA176)来模来模拟拟三三维维梁梁—梁接触内部接触内部接触:其中一根梁插入另一根空心梁中其中一根梁插入另一根空心梁中外部接触外部接触:其中两根梁大致平行且相互沿其外表面接触其中两根梁大致平行且相互沿其外表面接触外部接触外部接触:其中两根梁外表部之其中两根梁外表部之间间的接触是交叉的的接触是交叉的 可使用三可使用三维线维线段段(直直线线或抛物或抛物线线)来指定目来指定目标标面面(TARGE190)，也可以将接触，也可以将接触单单元和目元和目标单标单元附着在三元附着在三维维梁梁或管上，其中或管上，其中单单元可以是一元可以是一阶阶或二或二阶阶。

在两根梁之在两根梁之间间可也可以考可也可以考虑为虑为柔性柔性—柔性和柔性和刚刚性性—柔性柔性接触 当模拟内部接触时，插入梁或管应作为接触面，而外当模拟内部接触时，插入梁或管应作为接触面，而外梁梁或管可作为目标面或管可作为目标面如果内部梁的刚度要远大于外部梁时，如果内部梁的刚度要远大于外部梁时，可考虑将内部梁作为目标面可考虑将内部梁作为目标面 机械学院机械学院6.3 接触对生成与参数设置接触对生成与参数设置 （（2））接触分析的参数设置接触分析的参数设置3））三维梁三维梁─梁接触分析梁接触分析 当模当模拟拟外部接触外部接触时时，具有，具有较较大大刚刚度梁或粗网格的梁可考度梁或粗网格的梁可考虑虑作作为为目目标标面面 必必须须将将CONTA176与三与三维维目目标线标线段段TARGE170配配对对来模来模拟拟三三维维梁梁—梁接触，其分析的步梁接触，其分析的步骤骤与面与面—面接触分析相面接触分析相类类似，可似，可使用命令使用命令“ESURF”在相关接触在相关接触对对之之间间生成生成CONTA176单单元 但但KEYOPT(3)、、KEYOPT(4)与与其其它它单单元具有不同的地方，元具有不同的地方，且不使用且不使用KEYOPT(11)。

1.实实常数常数R1和和R2 对对于梁于梁—梁接触，一个重要的假梁接触，一个重要的假设设是采用了是采用了恒定的恒定的恒定的恒定的圆圆圆圆形截形截形截形截面梁模型面梁模型面梁模型面梁模型，在接触，在接触对对中中对对所有的所有的CONTA176单单元其接触半径假元其接触半径假定是相同的定是相同的 在接触在接触对对中中对对所有的所有的TARGE170单单元其目元其目标标半径假定也是半径假定也是相同的相同的目标标和接触半径可通和接触半径可通过实过实常数常数R1和和R2来分来分别别指定 机械学院机械学院6.3 接触对生成与参数设置接触对生成与参数设置 （（2））接触分析的参数设置接触分析的参数设置3））三维梁三维梁─梁接触分析梁接触分析等效等效圆圆形梁确定步形梁确定步骤骤：： 沿梁的沿梁的轴线轴线确定最小的截面确定最小的截面 在在该该截内确定最大的内嵌截内确定最大的内嵌圆圆 R1用来确定目用来确定目标边标边的半径，的半径，R2用来确定接触用来确定接触边边的半径 R2总总是正数，而是正数，而R1既可以是正既可以是正值值，也可以是，也可以是负值负值。

当当R1为负时为负时，模，模拟拟的是一个内接触，的是一个内接触，输输入的入的值值等于外梁的内等于外梁的内半径；当半径；当R1为为正正值时值时，模，模拟拟的是两个的是两个圆圆柱梁的外表面构成的外部柱梁的外表面构成的外部接触2. KEYOPT(3) 确定梁确定梁—梁接触的梁接触的类类型：型： KEYOPT(3)=0：模：模拟拟平行梁之平行梁之间间的外部接触或内部接触在的外部接触或内部接触在该该条件下，条件下，R1的正的正负负来确定是外部接触来确定是外部接触还还是内部接触是内部接触 KEYOPT(3)=1：模：模拟拟交叉梁的接触，目交叉梁的接触，目标标半径半径R1必必须须是一是一个正个正值值 机械学院机械学院6.3 接触对生成与参数设置接触对生成与参数设置 （（2））接触分析的参数设置接触分析的参数设置3））三维梁三维梁─梁接触分析梁接触分析3.实实常数常数FKN和和FKT CONTA176在基于集中力模型中使用在基于集中力模型中使用时时，，FKN的的单单位是位是FORCE/LENGTH，而在面，而在面—面接触面接触单单元中，元中，则为则为FORCE/LENGTH3。

PRES是一个接触法向集中力，而在是一个接触法向集中力，而在CONTA171至至CONTA174中，中，则则是接触是接触应应力4.实实常数常数TOLS 对对于于CONTA176，接触法向唯一被指定并同，接触法向唯一被指定并同时时垂直于接触面垂直于接触面和目和目标标面5.KEYOPT(4) 能将能将CONTA176单单元与元与MPC法法(KEYOPT(2)=0)一起来指定基一起来指定基于面的于面的约约束KEYOPT(4)=1：：设设置置为为一个力分布一个力分布约约束；束；KEYOPT(4)=0：：设设置置为刚为刚体面体面约约束 机械学院机械学院6.3 接触对生成与参数设置接触对生成与参数设置 （（2））接触分析的参数设置接触分析的参数设置4））线线─面接触分析面接触分析 三三维线维线—面接触面接触单单元元CONTA177来模来模拟拟三三维维梁梁—面之面之间间或壳或壳边线边线—面之面之间间的柔性的柔性—柔性或柔性或刚刚性性—柔性接触柔性接触 三三维线维线—面接触由接触面面接触由接触面上的位置上的位置线线(由由CONTA177单单元元模模拟拟)和目和目标标面上的三面上的三维维面面(由由TARGE170模模拟拟)组组成成单单元元CONTA177具有下列特点：具有下列特点：1.有有2或或3个个节节点。

点2.与目与目标单标单元元TARGE170配配对对3.使用与面使用与面—面接触面接触单单元相同的元相同的实实常数4.支持三支持三维刚维刚性性—柔性和柔性柔性和柔性—柔性接触柔性接触5.支持三支持三维维梁和壳梁和壳边线边线，且，且单单元可具有中元可具有中节节点或不具有中点或不具有中节节点6.在大多情况下，可采用命令在大多情况下，可采用命令“ESURF”生成 机械学院机械学院6.3 接触对生成与参数设置接触对生成与参数设置 （（2））接触分析的参数设置接触分析的参数设置4））线线─面接触分析面接触分析 当当实实体的体的单单元是梁元是梁单单元或壳元或壳单单元元边线时边线时，能使用命令，能使用命令“ESURF”生成生成CONTA177单单元 当使用当使用线线—面接触面接触单单元来生成接触表面元来生成接触表面时时，，节节点排列点排列顺顺序必序必须须要要满满足能足能够够形成一条形成一条连续线连续线 线线可以是直可以是直线线或抛物或抛物线线段，根据所附着的梁或壳段，根据所附着的梁或壳边线边线，能，能够够由一由一阶阶或二或二阶单阶单元元组组成 如果其下梁如果其下梁单单元的元的节节点秩序不一致，必点秩序不一致，必须须使用命令使用命令“ESURF，，，，REVERSE”来改来改变变所所选择节选择节点的点的顺顺序，也可以用命令序，也可以用命令“ENORM”来生成一致的来生成一致的单单元秩序。

元秩序 CONTA177的的实实常数和关常数和关键键字大多数与面字大多数与面—面接触面接触单单元相同，元相同，但但KEYOPT(4)与其它接触与其它接触单单元具有区元具有区别别，不使用，不使用KEYOPT(3)和和KEYOPT(8)，且，且FKN和和FKT的的单单位不相同位不相同 机械学院机械学院6.3 接触对生成与参数设置接触对生成与参数设置 （（2））接触分析的参数设置接触分析的参数设置5））点点─点接触分析点接触分析 可以使用可以使用节节点点—节节点接触点接触单单元来模元来模拟拟点点—点接触点接触(柔性柔性—柔性或柔性或刚刚性性—柔性柔性) 通通过过在各表面相在各表面相对节对节点之点之间间指定指定单单个个节节点点—节节点接触来模点接触来模拟拟两个表面之两个表面之间间的接触，此的接触，此时时要求两个相要求两个相对对表面之表面之间间的的节节点是点是匹配的，且将忽略两个表面之匹配的，且将忽略两个表面之间间的相的相对对滑滑动动，同，同时时两个表面之两个表面之间间的的变变形形(转动转动)也必也必须须很小 节节点点—节节点接触点接触单单元是元是CONTA178，它是所有接触，它是所有接触单单元中元中最最简单简单、最、最经济经济的的单单元元类类型。

它具有下列特色：型它具有下列特色：1.包括包括Lagrange法法(KEYOPT(2))在内具有几种接触算法在内具有几种接触算法2.半自半自动动接触接触刚刚度3.对对于接触法向是柔性的于接触法向是柔性的4.具有多种接触方式具有多种接触方式(KEYOPT(10))5.带带有摩擦的有摩擦的圆圆柱形柱形间间隙隙(KEYOPT(4)=4)6.带带有阻尼 机械学院机械学院6.3 接触对生成与参数设置接触对生成与参数设置 （（2））接触分析的参数设置接触分析的参数设置①①生成几何和网格模型生成几何和网格模型 节节点点—节节点接触点接触单单元能元能转换节转换节点之点之间间的力，的力，这这种特性限制其种特性限制其仅仅适用于低适用于低阶单阶单元 必必须须要确定在模型要确定在模型变变形形时时可能可能发发生接触的具体位置，潜在接生接触的具体位置，潜在接触的两个表面上的触的两个表面上的节节点必点必须须要成一条要成一条线线，一旦已确定了潜在的接，一旦已确定了潜在的接触表面，就要生成足触表面，就要生成足够够的网格以便于生接触的网格以便于生接触单单元②②生成接触生成接触单单元元1.使用使用“E”命令。

命令2.使用使用“EINIF”命令在相命令在相对应节对应节点之点之间间自自动动生成接触生成接触单单元③③指定接触法向指定接触法向 在在CONTA178的接触分析中，接触法向是非常重要的在缺的接触分析中，接触法向是非常重要的在缺省状省状态态(KEYOPT(5)=0和和NX，，NY，，NZ=0)，系，系统统将根据将根据I和和J节节点点的初始位置的初始位置计计算接触的法向，算接触的法向，这样节这样节点点J相相对对于于节节点点I的正位移就的正位移就会生成会生成间间隙然而在下列情况下必隙然而在下列情况下必须须要指定法向：要指定法向：5））点点─点接触分析点接触分析 机械学院机械学院6.3 接触对生成与参数设置接触对生成与参数设置 （（2））接触分析的参数设置接触分析的参数设置5））点点─点接触分析点接触分析1.如果如果节节点点I和和J有一个相同的初始坐有一个相同的初始坐标标2.如果模型有一个初始的干涉条件，即其下如果模型有一个初始的干涉条件，即其下层单层单元具有几何重叠元具有几何重叠3.如果初始未如果初始未闭闭合合间间隙非常小隙非常小 节节点点I和和J的的顺顺序是非常序是非常严严格的，正常的接触法向是从格的，正常的接触法向是从节节点点I指向指向节节点点J，除非接触一开始就重叠。

除非接触一开始就重叠 可以使用可以使用实实常数常数NX，，NY，，NZ和和KEYOPT(5)来指定接触的来指定接触的法向④④指定初始干涉或指定初始干涉或间间隙隙 间间隙大小能通隙大小能通过实过实常数常数GAP加加节节点的位置自点的位置自动计动计算得到，算得到，这这意味着如果初始意味着如果初始间间隙隙仅仅由由节节点位置来确定，点位置来确定，则则必必须须要要设设置：置：KEYOPT(4)=0和和GAP=0 如果如果KEYOPT(4)=1，初始，初始间间隙隙值则仅值则仅由由实实常数常数GAP确定，确定，即忽略了即忽略了节节点的位置，若点的位置，若GAP为负值则为负值则用来模用来模拟为拟为初始干涉初始干涉可使用可使用KEYOPT(9)=1来来渐进渐进初始干涉初始干涉 机械学院机械学院6.3 接触对生成与参数设置接触对生成与参数设置 （（2））接触分析的参数设置接触分析的参数设置5））点点─点接触分析点接触分析⑤⑤选择选择接触算法接触算法 对对于于CONTA178，有下列接触算法：，有下列接触算法：1.Lagrange算法算法2.在接触法向在接触法向为为Lagrange算法，在切向算法，在切向为罚为罚函数法函数法3.增增进进的的Lagrange算法算法4.罚罚函数法函数法 当当CONTA178与与罚罚函数法和增函数法和增进进的的Lagrange算法一起使用算法一起使用时时，，对对于接触法向和切向于接触法向和切向刚刚度提供一个半自度提供一个半自动动的的设设置。

置 其缺省的法向接触其缺省的法向接触刚刚度是度是FKN，，FKN将根据将根据弹弹性模量和其性模量和其下下层单层单元的大小来确定元的大小来确定 FKN和和FKS是一个系数因子，如果需要是一个系数因子，如果需要输输入一个真入一个真实值实值，，则则使用使用负值负值 机械学院机械学院6.3 接触对生成与参数设置接触对生成与参数设置 （（2））接触分析的参数设置接触分析的参数设置5））点点─点接触分析点接触分析⑥⑥施加施加边边界条件界条件 当使用当使用Lagrange乘子法乘子法时时，小心不要，小心不要过约过约束模型，即当一束模型，即当一个个节节点的接触点的接触约约束与同束与同节节点自由度上的点自由度上的边边界条件相冲突界条件相冲突时时，就，就称称为过约为过约束 如果如果计计算中出算中出现现“Zero Pivot”或或“Numerical Singularity”警警告信息告信息时时，，这这表示模型中出表示模型中出现现了了过约过约束，束，过约过约束会引起收束会引起收敛敛困困难难或得到不精确的解，可改或得到不精确的解，可改变边变边界条件来避免界条件来避免过约过约束。

束⑦⑦指定求解指定求解选项选项 对对于接触于接触问题问题的收的收敛敛主要依主要依赖赖于特定的于特定的问题问题，，对对于点于点—点点接触接触问题问题，可参考下列建，可参考下列建议议：：1.使用使用KEYOPT(7)设设置适当的置适当的时间时间步步长长2.时间时间步步长长要小到能要小到能够够捕捉到适当的接触区域，捕捉到适当的接触区域，设设置精确置精确时间时间步步长长从小的方法是打开自从小的方法是打开自动时间动时间步步长长跟踪 机械学院机械学院6.3 接触对生成与参数设置接触对生成与参数设置 （（2））接触分析的参数设置接触分析的参数设置5））点点─点接触分析点接触分析3.设设置平衡方程个数置平衡方程个数为为适合适合时间时间步步长长大小的数大小的数值值，在，在“SOLCONTROL”打开打开时时，依据不同的，依据不同的问题问题，其缺省，其缺省值为值为15至至26 迭代4.打开打开预测预测—校正校正选项选项5.设设置置N—S选项为选项为FULL6.对对于涉及到的摩擦分析，其中法向和切向运于涉及到的摩擦分析，其中法向和切向运动动是是强强耦合耦合时时，，“NROPT，，UNSYM”是很有用的。

是很有用的7.许许多收多收敛敛困困难难是由于使用了大的接触是由于使用了大的接触刚刚度度值值8.相反，如果出相反，如果出现现了了过过渗透，渗透，则则可能是可能是KN的的值值太小 机械学院机械学院6.4 赫兹接触理论赫兹接触理论 （（1））两球接触或球与平面接触两球接触或球与平面接触 机械学院机械学院6.4 赫兹接触理论赫兹接触理论 （（1））两球接触或球与平面接触两球接触或球与平面接触 （（2））两两圆圆柱接触或柱接触或圆圆柱与平面接触柱与平面接触 机械学院机械学院6.4 赫兹接触理论赫兹接触理论 （（2））两两圆圆柱接触或柱接触或圆圆柱与平面接触柱与平面接触 机械学院机械学院6.5 典型实例分析典型实例分析 （（1））平面接触分析平面接触分析问题描述问题描述理理论论分析分析 两平板两平板为为均匀的直均匀的直线线接触，因而两平板的接触，因而两平板的应应力、力、变变形相等，形相等，Y向向应应力力为为100 MPaANSYS 分析的操作步分析的操作步骤骤(1) 选选取取单单元和元和输输入材料属性入材料属性①① 选选取取单单元：元：Main Menu>Preprocessor>Element type>Add/Edit/Delete，出，出现现一个一个对话对话框，框，单击单击[Add]，又出，又出现现一个一个“Element Type”对话对话框，在框，在“Library of Element Type”左左面的列表面的列表栏栏中中选择选择“Solid”后面列表后面列表栏栏中中选择选择“Quad 4 node 182”，，单击单击[OK]；再；再单击单击[Close]。

 机械学院机械学院6.5 典型实例分析典型实例分析 （（1））平面接触分析平面接触分析②② 输输入材料参数：入材料参数：Main Menu>Preprocessor>Material Props> Material Models，在，在“Material Model Available”下面的下面的对话对话框框中，双中，双击击打开打开“Structural>Linear>Elastic> Isotropic”，又出，又出现现一个一个对话对话框，框，输输入入“EX=1000, PRXY=0.3”，，单击单击[OK]，，单击单击“Material> Exit”，完成材料属性的，完成材料属性的设设置2) 建立网格模型建立网格模型①①建立几何模型：建立几何模型：MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Rectangle>By Dimensions，，弹弹出出一个一个“Create Rectangle by Dimensions”的的对话对话框，在框，在“X1，，X2”后面依次后面依次输输入入“0”和和“5”，在，在“Y1，，Y2”后面依次后面依次输输入入“0”和和“2.5”，，单击单击[Apply] 机械学院机械学院6.5 典型实例分析典型实例分析 （（1））平面接触分析平面接触分析 在在弹弹出的同一个出的同一个对话对话框中，框中，仅仅在在“Y1，，Y2”后面依次后面依次输输入入“2.5”和和“5”，，单击单击[OK]，，输输出窗口上出窗口上显显示示2个矩形。

个矩形②②设设置置单单元大小：元大小：MainMenu>Preprocessor>Meshing>Size Cntrls>ManualSize>Global> Size，，在在“SIZE Element edge length”后面后面输输入入“0.25”，，单单元元[OK]③③对对面划分面划分单单元：元：Main Menu>Preprocessor>Meshing>Mesh>Areas>Mapped>3 or 4 sided，，弹弹出出一个一个“Mesh Areas”的拾取框，的拾取框，单击单击[Pick All]，，则则完成面网格的划分，生完成面网格的划分，生成的网格成的网格结结果果 机械学院机械学院6.5 典型实例分析典型实例分析 （（1））平面接触分析平面接触分析 单击单击[Pick Target]，，弹弹出一个拾取框，出一个拾取框，在在输输出窗口中拾取出窗口中拾取编编号号为为“3”的的线线，，单击单击[OK]，然后，然后单击单击[Next]，在，在弹弹出的出的对话对话框框中，中，单击单击[Pick Contact]，，弹弹出一个拾取框，出一个拾取框，在在输输出窗口中拾取出窗口中拾取编编号号为为“5”的的线线，，单击单击[OK]，然后，然后单击单击[Next]，在，在弹弹出出对话对话框中框中单击单击[Create]。

 机械学院机械学院6.5 典型实例分析典型实例分析 （（1））平面接触分析平面接触分析建立的接触建立的接触对对，然后，然后单击单击[Finish]4) 施加施加边边界条件并求解界条件并求解①①施加底板的施加底板的约约束：束： Main Menu>Solution>Define Loads>Structural>Displacement>On Lines，，弹弹出一个出一个“Apply U, ROT on Lines”拾取框，在拾取框，在输输出窗口中拾取出窗口中拾取编编号号为为“1”线线，，单击单击[OK]，再，再在在弹弹出的出的对话对话框中框中仅选仅选取取“UY”，，单击单击[OK]  机械学院机械学院6.5 典型实例分析典型实例分析 （（1））平面接触分析平面接触分析②②施加施加对对称称约约束：束：Main Menu>Solution>Define Loads>Structural>Displacement>Symmetry B. C.>On Lines，，弹弹出一个出一个“Apply SYMM on Lines”的的拾取框，在拾取框，在输输出窗口中拾取出窗口中拾取编编号分号分别为别为“4”和和“8”的的线线，，单击单击[OK]。

③③施加施加线线分布分布载载荷：荷：Main Menu>Solution>Define Loads>Structural>Displacement>On Lines，，弹弹出一个出一个“Apply PRES on Line”的拾取框，在的拾取框，在输输出窗口拾取出窗口拾取编编号号“7”的的线线，，单击单击[OK]，再在，再在弹弹出出对话对话框中框中“VALUE Load PRES value”后面后面输输入入“100”，，单击单击[OK]④④求解求解选项设选项设置：置：Main Menu>Solution> Analysis Type>Sol’n Controls，，弹弹出一个出一个 “Solution Controls”的的对话对话框框 机械学院机械学院6.5 典型实例分析典型实例分析 （（1））平面接触分析平面接触分析在在“Analysis Options”下面下面选选中中“Large Displacement Static”，在，在“Time at end of loadstep”中中输输入求解入求解时间时间“1”，，选择选择“Numer of substeps”，并在，并在“Numer of substeps”后面后面栏栏中中输输入入10，在，在“Max no. of substeps”后面后面栏栏中中输输入入“15”，在，在“Min no. of substeps”后面后面栏栏中中输输入入“8”，在，在“Frequency”下面下面栏栏中中选择选择“Write every Nth substep”，并在，并在“where N”后后面面输输入入“1”，然后，然后单击单击[OK]。

 机械学院机械学院6.5 典型实例分析典型实例分析 （（1））平面接触分析平面接触分析⑤⑤分析分析计计算：算：Main Menu>Solution>Solve>Current LS，，在在弹弹出出对话对话框后，框后，单击单击[OK]，，则则开始开始分析分析计计算，当出算，当出现现“Solution is done”的的对话对话框后，表示分析框后，表示分析计计算算结结束5) 进进入后入后处处理器理器查查看看计计算算结结果果执执行行Main Menu>General Postproc>Plot Results>Contour Plot>Nodal Solu，，弹弹出一个出一个“Contour Nodal Solution Data”的的对话对话框，框，选选中中“Stress>von Mises stress”后，后，单击单击[OK]，生成的，生成的Mises应应力云力云图图  机械学院机械学院6.5 典型实例分析典型实例分析 （（1））平面接触分析平面接触分析FINISH/CLEAR,START ! 开始一个新的分析开始一个新的分析/TRIAD,OFF ! 关关闭闭坐坐标标系的三角符号系的三角符号/PREP7 ! 进进入到前入到前处处理器理器ET,1,PLANE182 ! 选选取平面取平面单单元元MP,EX,1,1000 ! 输输入材料的入材料的弹弹性模量性模量MP,PRXY,1,0.3 ! 输输入材料的泊松比入材料的泊松比RECTNG,0,5,0,2.5, ! 生成矩形生成矩形RECTNG,0,5,2.5,5, ESIZE,0.25,0, ! 设设置置单单元尺寸大小元尺寸大小AMESH,ALL ! 对对所有矩形划分所有矩形划分单单元元! 生成接触生成接触对对控制控制MP,MU,1, ! 指定材料的摩擦系数指定材料的摩擦系数MAT,1 ! 指定接触指定接触对对的材料号的材料号R,3 ! 指定接触指定接触对对的的实实常数常数REAL,3  机械学院机械学院6.5 典型实例分析典型实例分析 （（1））平面接触分析平面接触分析ET,2,169 ! 指定接触指定接触对对的接触的接触单单元元ET,3,172KEYOPT,3,9,0KEYOPT,3,10,2 R,3,LSEL,S,,,3 ! 选选取取编编号号为为“3”的的线为线为目目标标面面TYPE,2 NSLL,S,1ESLN,S,0ESURF ! 生成目生成目标单标单元元LSEL,S,,,5 ! 选选取取编编号号为为“5”的的线线作作为为接触面接触面TYPE,3 NSLL,S,1ESLN,S,0ESURF ! 生成接触面生成接触面ALLSEL ! 选选取所有取所有实实体体FINISH ! 退出前退出前处处理器理器 机械学院机械学院6.5 典型实例分析典型实例分析 （（1））平面接触分析平面接触分析/SOL ! 进进入求解器入求解器DL,1, ,UY, ! 在在编编号号为为1的的线线施加施加UY约约束束DL,4, ,SYMM !在在编编号号为为4的的线线上面施加上面施加对对称称约约束束DL,8, ,SYMM SFL,7,PRES,100, ! 在在编编号号为为7的的线线上施加上施加线线分布分布载载荷荷NSUBST,10,15,8 ! 设设置迭代求解的子步数置迭代求解的子步数OUTRES,ALL,1 ! 设设置置输输出数据的控制出数据的控制TIME,1 ! 设设置迭代求解的置迭代求解的总时间总时间NLGEOM,1 ! 打开大打开大变变形形选项选项SOLVE ! 求解求解计计算算FINISH /POST1 !进进入后入后处处理器理器PLNSOL, S,EQV, 0,1.0 !显显示示Mises应应力分布云力分布云图图FINISH 机械学院机械学院6.5 典型实例分析典型实例分析 （（2））两球接触分析两球接触分析问题描述问题描述理理论论分析分析 根据两球接触的赫根据两球接触的赫兹兹接触理接触理论论，可，可计计算得接触半算得接触半宽宽、、压压下量、下量、最大剪最大剪应应力分力分别为别为1.098mm，，0.241mm，，24.554MPa。

ANSYS 操作步操作步骤骤(1) 选选取取单单元和元和输输入材料属性入材料属性①① 选选取取单单元：元：Main Menu>Preprocessor>Element type>Add/Edit/Delete，出，出现现一个一个对话对话框，框，单击单击[Add]，又出，又出现现一一个个“Element Type”对话对话框，在框，在“Library of Element Type”左面的左面的列表列表栏栏中中选择选择“Solid”后面列表后面列表栏栏中中选择选择“Quad 4 node 182单击单击[Options]，在，在弹弹出的出的对话对话框中，在框中，在“Element behavior”后面后面选择选择“Axisymmetric”,单击单击[OK]；再；再单击单击[Close] 机械学院机械学院6.5 典型实例分析典型实例分析 （（2））两球接触分析两球接触分析②② 输输入材料参数：入材料参数：Main Menu>Preprocessor>Material Props> Material Models，在，在“Material Model Available”下面的下面的对话对话框中，双框中，双击击打开打开“Structural>Linear>Elastic> Isotropic”，又出，又出现现一个一个对话对话框，框，输输入入“EX=1000, PRXY=0.3”，，单击单击[OK]，，单击单击“Material> Exit”，完成，完成材料属性的材料属性的设设置。

置2) 建立有限元模型建立有限元模型①①生成第一个四分之一的生成第一个四分之一的圆圆面：面：Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas> Circle>By Dimensions，分，分别输别输入：入：Rad-0=0, Theta-1=-90, Rad-2=10, Theta-2=0，， 单击单击[OK] 机械学院机械学院6.5 典型实例分析典型实例分析 （（2））两球接触分析两球接触分析②②生成第二个四分之一的生成第二个四分之一的圆圆面：面：Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas> Circle>By Dimensions，，弹弹出出对话对话框，在框，在“WP Y”的后的后面面输输入入“-20”，同，同时时分分别输别输入：入：Rad-0=0, Theta-1=0, Rad-2=10, Theta-2=90，，单击单击[OK]生成的结果生成的结果 机械学院机械学院6.5 典型实例分析典型实例分析 （（2））两球接触分析两球接触分析③③设设置置单单元大小：元大小： Main Menu>Preprocessor>Meshing>Size Cntrls>ManualSize>Global> Size，在，在“SIZE Element edge length”后面后面输输入入“0.25”，，单单元元[OK]。

④④对对面划分面划分单单元：元：Main Menu>Preprocessor>Meshing>Mesh>Areas>Free，，弹弹出一个出一个“Mesh Areas”的拾的拾取框，取框，单击单击[Pick All]，，则则完成面网格的完成面网格的划分划分 机械学院机械学院6.5 典型实例分析典型实例分析 （（2））两球接触分析两球接触分析单击单击[Pick Target]，，弹弹出一个拾取框，出一个拾取框，在在输输出窗口中拾取出窗口中拾取编编号号为为“4”的的线线，，单击单击[OK]，然后，然后单击单击[Next]，在，在弹弹出的出的对话对话框中，框中，单击单击[Pick Contact]，，弹弹出一个拾出一个拾取框，在取框，在输输出窗口中拾取出窗口中拾取编编号号为为“1”的的线线，，单击单击[OK]，然后，然后单击单击[Next]，在，在弹弹出出对对话话框中框中单击单击[Create]，再，再单击单击[Finish] 机械学院机械学院6.5 典型实例分析典型实例分析 （（2））两球接触分析两球接触分析⑥⑥选择选择Y=0的的节节点：点：Utility Menu>Select Entities，在，在弹弹出的出的选择选择框中，第一框中，第一栏选择栏选择“Line”，第二，第二栏选择栏选择“By Num/Pick”，，单击单击[Apply]，在，在弹弹出拾取框后，在出拾取框后，在图图形形输输出窗口拾取出窗口拾取编编号号为为“2”的的线线，，单击单击[OK]；在；在选选择择框的第一框的第一栏选择栏选择“Node”，第二，第二栏选择栏选择“Attached to”，再在其下面，再在其下面选择单选选择单选框框“Lines all”，，单击单击[OK]。

⑦⑦耦合所耦合所选节选节点的点的UY自由度：自由度：Main Menu> Preprocessor>Coupling/ceqn>Couple DOFs，在，在弹弹出出对话对话框中框中单击单击[Pick All] ，在，在对话对话框中的框中的“NSET”中中输输入入“1”，在，在“Lab”后面后面选择选择“UY”，然后点，然后点击击[OK]再执执行行Utility Menu>Select Everything 机械学院机械学院6.5 典型实例分析典型实例分析 （（2））两球接触分析两球接触分析(3) 施加施加边边界条件并求解界条件并求解①①施加底板的施加底板的约约束：束：选择选择Main Menu>Solution>Define Loads>Structural>Displacement> On Lines，，弹弹出出对话对话框框后，在后，在图图形形输输出窗口出窗口选选取取编编号号为为“6”的的线线，，单击单击[OK]；又；又在在弹弹出的出的对话对话框中框中选择选择“UY”，，单击单击[OK]③③施加位移施加位移载载荷：荷：选择选择Main Menu>Solution>Define Loads>Structural>Displacement>On Nodes，，弹弹出出对话对话框后，在框后，在输输出窗口拾取出窗口拾取编编号号为为“2”的的节节点，点，单击单击[OK]，在，在弹弹出的出的对对话话框中框中选择选择“UY”，，“VALUE”后面后面输输入入-0.241，再，再单击单击[OK]②②施加施加对对称称约约束：束：Main Menu>Solution>Define Loads>Structural>Displacement>Symmetry B. C.>On Lines，，弹弹出一个出一个“Apply SYMM on Lines”的拾取框，在的拾取框，在输输出窗口中拾取出窗口中拾取编编号分号分别为别为“3”和和“5”的的线线，，单击单击[OK]。

 机械学院机械学院6.5 典型实例分析典型实例分析 （（2））两球接触分析两球接触分析④④求解求解选项设选项设置：置：Main Menu>Solution> Analysis Type>Sol’n Controls，，弹弹出一个出一个 “Solution Controls”的的对话对话框，如框，如图图在“Analysis Options”下面下面选选中中“Large Displacement Static”，在，在“Time at end of loadstep”中中输输入求解入求解时间时间“1”，，选择选择“Numer of substeps”，并在，并在“Numer of substeps”后面后面栏栏中中输输入入10，在，在“Max no. of substeps”后面后面栏栏中中输输入入“15”，在，在“Min no. of substeps”后面后面栏栏中中输输入入“8”，在，在“Frequency”下面下面栏栏中中选择选择“Write every Nth substep”，并在，并在“where N”后面后面输输入入“1”，然后，然后单击单击[OK] 机械学院机械学院6.5 典型实例分析典型实例分析 （（2））两球接触分析两球接触分析⑤⑤分析分析计计算：算：Main Menu>Solution>Solve>Current LS，在，在弹弹出出对话对话框后，框后，单击单击[OK]，，则则开始分开始分析析计计算，当出算，当出现现“Solution is done”的的对对话话框后，表示分析框后，表示分析计计算算结结束。

束4) 进进入后入后处处理器理器查查看看计计算算结结果果执执行行Main Menu>General Postproc>Plot Results>Contour Plot>Nodal Solu，，弹弹出一个出一个“Contour Nodal Solution Data”的的对话对话框，框，选选中中“Stress>von Mises stress”后，后，单击单击[OK]，生成的，生成的Mises应应力云力云图图  机械学院机械学院6.5 典型实例分析典型实例分析 （（2））两球接触分析两球接触分析FINISH/CLEAR,START ! 重新开始一个新的分析重新开始一个新的分析/TRIAD,OFF ! 关关闭闭坐坐标标系的三角符号系的三角符号/PREP7 ! 进进入到前入到前处处理器理器ET,1,PLANE182 ! 选选取取单单元元KEYOPT,1,3,1 ! 指定指定单单元元为轴对为轴对称称单单元元MP,EX,1,1000 ! 输输入材料的入材料的弹弹性模量性模量MP,PRXY,1,0.3 ! 输输入材料的泊松比入材料的泊松比CYL4, , ,0,-90,10,0 ! 生成第一个四分之一生成第一个四分之一圆圆面面CYL4, ,-20,0,0,10,90ESIZE,0.25,0, ! 指定指定单单元尺寸大小元尺寸大小AMESH,ALL ! 对对所有的面划分网格所有的面划分网格/COM, CONTACT PAIR CREATION - START ! 生成接触生成接触对对MP,MU,1, ! 指定接触指定接触对对的摩擦系数的摩擦系数MAT,1 ! 指定接触指定接触对对的材料号的材料号R,3 ! 指定接触指定接触对对的的实实常数号常数号 机械学院机械学院6.5 典型实例分析典型实例分析 （（2））两球接触分析两球接触分析REAL,3 ET,2,169 ! 选选取接触取接触单单元元ET,3,172KEYOPT,3,9,0KEYOPT,3,10,2 R,3,LSEL,S,,,4 ! 选选取取编编号号为为4的的线线作作为为目目标标面面TYPE,2 ! 指定目指定目标单标单元元NSLL,S,1ESLN,S,0ESURF ! 生成接触的目生成接触的目标单标单元元LSEL,S,,,1 ! 选选取取编编号号为为1的的线线TYPE,3 ! 指定接触指定接触单单元元NSLL,S,1ESLN,S,0ESURF ! 生成接触生成接触单单元元ALLSEL /COM, CONTACT PAIR CREATION - END LSEL,S, , , 2 ! 选选取取编编号号为为2 的的线线NSLL,S,1 ! 选选取取线线上的所有上的所有节节点点 机械学院机械学院6.5 典型实例分析典型实例分析 （（2））两球接触分析两球接触分析CP,1,UY,ALL ! 生成耦合生成耦合节节点自由度点自由度ALLSEL,ALL ! 选选取所有的取所有的实实体体FINISH/SOL ! 进进入求解器入求解器DL,6, ,UY, ! 在在编编号号为为6的的线线上施加上施加UY的的约约束束DL,3, ,SYMM ! 在在编编号号为为3的的线线上施加上施加对对称称约约束束DL,5, ,SYMM D,2, ,-0.241, , , ,UY, , , , , ! 在在编编号号为为2的的节节点上施加位移点上施加位移载载荷荷NLGEOM,1 ! 打开大打开大变变形形选项选项TIME,1 ! 设设置迭代置迭代时间时间NSUBST,10,15,8 ! 设设置迭代置迭代计计算的子步数算的子步数OUTRES,ALL,ALL ! 设设置置输输出所有子步的出所有子步的计计算算结结果果SOLVE ! 求解求解计计算算FINISH ! 退出求解器退出求解器/POST1 ! 进进入到后入到后处处理器理器PLNSOL, S,EQV, 0,1.0 ! 显显示示Mises应应力云力云图图FINISH ! 退出后退出后处处理器理器 机械学院机械学院6.5 典型实例分析典型实例分析 （（3）） 圆柱与平面接触分析圆柱与平面接触分析问题描述问题描述 理论分析理论分析 根据球与平面接触的赫根据球与平面接触的赫兹兹接触理接触理论论，可，可计计算得接触半算得接触半宽宽、、压压下量、最大剪下量、最大剪应应力分力分别为别为1.398mm、、0.195mm、、15.147MPa。

ANSYS 操作步操作步骤骤(1) 选选取取单单元和元和输输入材料属性入材料属性①① 选选取取单单元：元：Main Menu>Preprocessor>Element type>Add/Edit/Delete，出，出现现一个一个对话对话框，框，单击单击[Add]，又出，又出现现一个一个“Element Type”对话对话框，在框，在“Library of Element Type”左面的列表左面的列表栏栏中中选择选择“Solid”后面列表后面列表栏栏中中选择选择“Quad 4 node 182”，，单击单击[Options]，在，在弹弹出的出的对话对话框中，在框中，在“Element behavior”后面后面选择选择“Plane strains”,单击单击[OK]；再；再单击单击[Close] 机械学院机械学院6.5 典型实例分析典型实例分析 （（3）） 圆柱与平面接触分析圆柱与平面接触分析②② 输输入材料参数：入材料参数：Main Menu>Preprocessor>Material Props> Material Models，在，在“Material Model Available”下面的下面的对话对话框框中，双中，双击击打开打开“Structural>Linear>Elastic> Isotropic”，又出，又出现现一个一个对话对话框，框，输输入入“EX=1000, PRXY=0.3”，，单击单击[OK]，，单击单击“Material> Exit”，完成材料属性的，完成材料属性的设设置。

置2) 建立有限元模型建立有限元模型①①生成矩形面：生成矩形面：Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Rectangle>By Dimensions，分，分别输别输入：入：X1=0, X2=10, Y1=0, Y2=4，， 单击单击[OK] 机械学院机械学院6.5 典型实例分析典型实例分析 （（3）） 圆柱与平面接触分析圆柱与平面接触分析②②生成生成圆圆面：面：Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas> Circle>By Dimensions，，弹弹出一个出一个(参考下参考下图图)对话对话框，框，在在“WP Y”的后面的后面输输入入“14”，同，同时时分分别输别输入：入：Rad-0=0, Theta-1=－－90, Rad-2=10, Theta-2=0，，单击单击[OK]生成的几何模型生成的几何模型结结果如果如图图 机械学院机械学院6.5 典型实例分析典型实例分析 （（3）） 圆柱与平面接触分析圆柱与平面接触分析③③设设置置单单元大小：元大小： Main Menu>Preprocessor>Meshing>Size Cntrls>ManualSize>Global> Size，在，在“SIZE Element edge length”后面后面输输入入“0.25”，，单单元元[OK]。

④④对对面划分面划分单单元：元：Main Menu>Preprocessor>Meshing>Mesh>Areas>Free，，弹弹出一个出一个“Mesh Areas”的拾取框，的拾取框，单击单击[Pick All]，，则则完成面网格的划分完成面网格的划分 机械学院机械学院6.5 典型实例分析典型实例分析 （（3）） 圆柱与平面接触分析圆柱与平面接触分析单击单击[Pick Target]，，弹弹出一个拾取出一个拾取框，在框，在输输出窗口中拾取出窗口中拾取编编号号为为“3”的的线线，，单击单击[OK]，然后，然后单击单击[Next]，在，在弹弹出的出的对话对话框中，框中，单击单击[Pick Contact]，，弹弹出一个拾取框，在出一个拾取框，在输输出出窗口中拾取窗口中拾取编编号号为为“5”的的线线，，单击单击[OK]，然后，然后单击单击[Next]，在，在弹弹出出对话对话框中框中单击单击[Create]，再，再单击单击[Finish] 机械学院机械学院6.5 典型实例分析典型实例分析 （（3）） 圆柱与平面接触分析圆柱与平面接触分析⑥⑥选择选择Y=14的的节节点：点：Utility Menu>Select Entities，在，在弹弹出的出的选择选择框中，第一框中，第一栏选择栏选择“Node”，第二，第二栏选择栏选择“By Location”，在其下，在其下的的单选单选框中框中选选取取“Y coordinates”，在，在输输入入栏栏中中输输入入“14”，，单击单击[OK]，，则选则选取了取了Y＝＝14的的所有所有节节点。

点⑦⑦耦合所耦合所选节选节点的点的UY自由度：自由度：Main Menu> Preprocessor>Coupling/ceqn>Couple DOFs，在，在弹弹出出对话对话框中框中单击单击[Pick All] ，在，在对对话话框中的框中的“NSET”中中输输入入“1”，在，在“Lab”后面后面选择选择“UY”，然后点，然后点击击[OK]再执执行行Utility Menu>Select Everything 机械学院机械学院6.5 典型实例分析典型实例分析 （（3）） 圆柱与平面接触分析圆柱与平面接触分析(3) 施加施加边边界条件并求解界条件并求解①①施加底板的施加底板的约约束：束：选择选择Main Menu>Solution>Define Loads>Structural>Displacement> On Lines，，弹弹出出对话对话框框后，在后，在图图形形输输出窗口出窗口选选取取编编号号为为“1”的的线线，，单击单击[OK]；又；又在在弹弹出的出的对话对话框中框中选择选择“UY”，，单击单击[OK]③③施加位移施加位移载载荷：荷：选择选择Main Menu>Solution>Define Loads>Structural>Displacement>On Nodes，，弹弹出出对话对话框后，在框后，在输输出出窗口拾取窗口拾取编编号号为为“699”的的节节点，点，单击单击[OK]，在，在弹弹出的出的对话对话框中框中选择选择“UY”，，“VALUE”后面后面输输入入“-0.464”，再，再单击单击[OK]。

②②施加施加对对称称约约束：束：MainMenu>Solution>Define Loads>Structural>Displacement>Symmetry B. C.>On Lines，，弹弹出一个出一个“Apply SYMM on Lines”的拾取框，在的拾取框，在输输出窗口中拾取出窗口中拾取编编号号分分别为别为“4”和和“7”的的线线，，单击单击[OK] 机械学院机械学院6.5 典型实例分析典型实例分析 （（3）） 圆柱与平面接触分析圆柱与平面接触分析④④求解求解选项设选项设置：置：MainMenu>Solution> Analysis Type>Sol’n Controls，，弹弹出一个出一个 “Solution Controls”的的对话对话框在“Analysis Options”下面下面选选中中“Large Displacement Static”，在，在“Time at end of loadstep”中中输输入求解入求解时间时间“1”，，选择选择“Numer of substeps”，并在，并在“Numer of substeps”后面后面栏栏中中输输入入10，在，在“Max no. of substeps”后面后面栏栏中中输输入入“15”，在，在“Min no. of substeps”后面后面栏栏中中输输入入“8”，在，在“Frequency”下面下面栏栏中中选择选择“Write every Nth substep”，并在，并在“where N”后后面面输输入入“1”，然后，然后单击单击[OK]。

 机械学院机械学院6.5 典型实例分析典型实例分析 （（3）） 圆柱与平面接触分析圆柱与平面接触分析⑤⑤分析分析计计算：算：Main Menu>Solution>Solve>Current LS，，在在弹弹出出对话对话框后，框后，单击单击[OK]，，则则开始开始分析分析计计算，当出算，当出现现“Solution is done”的的对话对话框后，表示分析框后，表示分析计计算算结结束4) 进进入后入后处处理器理器查查看看计计算算结结果果执执行行Main Menu>General Postproc>Plot Results>Contour Plot>Nodal Solu，，弹弹出一个出一个“Contour Nodal Solution Data”的的对话对话框，框，选选中中“Stress>von Mises stress”后，后，单击单击[OK]，生成的，生成的Mises应应力云力云图图  机械学院机械学院6.5 典型实例分析典型实例分析 （（3）） 圆柱与平面接触分析圆柱与平面接触分析FINISH/CLEAR,START ! 重新开始一个新的分析重新开始一个新的分析/TRIAD,OFF ! 关关闭闭坐坐标标系的三角符号系的三角符号/PREP7 ! 进进入前入前处处理器理器ET,1,PLANE182 ! 选选取平面取平面单单元元KEYOPT,1,3,2 ! 设设置置单单元元为为平面平面应变应变状状态态MP,EX,1,1000 ! 输输入材料的入材料的弹弹性模量性模量MP,PRXY,1,0.3 ! 输输入材料的泊松比入材料的泊松比 RECTNG,0,10,0,4, ! 生成一个矩形生成一个矩形CYL4, ,14,0,-90,10,0 ! 生成一个四分之一的生成一个四分之一的圆圆面面ESIZE,0.25,0, ! 设设置网格大小置网格大小AMESH,ALL ! 对对所有的面划分网格所有的面划分网格/COM, CONTACT PAIR CREATION - START MP,MU,1, ! 输输入材料的摩擦系数入材料的摩擦系数MAT,1 ! 指定接触指定接触对对的材料号的材料号R,3 ! 设设置接触置接触对实对实常数常数 机械学院机械学院6.5 典型实例分析典型实例分析 （（3）） 圆柱与平面接触分析圆柱与平面接触分析REAL,3 ET,2,169 ! 选选取接触取接触单单元元ET,3,172 ! 选选取目取目标单标单元元KEYOPT,3,9,0 ! 对对目目标单标单元元进进行行设设置置KEYOPT,3,10,2 R,3, ! 指定接触指定接触单单元的元的实实常数号常数号LSEL,S,,,3 ! 选选取取编编号号为为3的的线线TYPE,2 ! 设设置接触置接触单单元号元号NSLL,S,1 ! 选选取依附于取依附于线线上的所有上的所有节节点点ESLN,S,0 ! 选选取依附于取依附于节节点的所有点的所有单单元元ESURF ! 生成接触生成接触单单元元LSEL,S,,,5 ! 选选取取编编号号为为5的的线线TYPE,3 ! 设设置目置目标标面的面的单单元元类类型型NSLL,S,1 ! 选选取依附于取依附于线线上的所有上的所有节节点点ESLN,S,0 ! 选选取依附于取依附于节节点的所有点的所有单单元元ESURF ! 生成目生成目标单标单元元ALLSEL ! 选选取所有的取所有的实实体体/COM, CONTACT PAIR CREATION - END  机械学院机械学院6.5 典型实例分析典型实例分析NSEL,S,LOC,Y,14 ! 选选取取Y=14的所有的所有节节点点CP,1,UY,ALL ! 耦合所耦合所选选取取节节点的点的UY自由度自由度ALLSEL,ALL ! 选选取所有取所有实实体体FINISH ! 退出前退出前处处理器理器/SOL ! 进进入求解器入求解器DL,1, ,UY, ! 在在编编号号为为1的的线线施加施加UY约约束束DL,4, ,SYMM ! 在在编编号号为为4的的线线施加施加对对称称约约束束DL,7, ,SYMM D,699, ,-0.464, , , ,UY, , , , , ! 在在编编号号为为699的的节节点上施加位移点上施加位移载载荷荷 NLGEOM,1 ! 打开大打开大变变形形选项选项TIME,1 ! 设设置迭代置迭代时间时间NSUBST,10,15,8 ! 设设置迭代子步数置迭代子步数OUTRES,ALL,ALL ! 设设置置输输出所有子步的出所有子步的结结果果SOLVE ! 求解求解计计算算FINISH ! 退出求解器退出求解器/POST1 ! 进进入后入后处处理器理器PLNSOL, S,EQV, 0,1.0 ! 显显示示Mises应应力分布云力分布云图图FINISH ! 退出后退出后处处理器理器 机械学院机械学院6.5 典型实例分析典型实例分析 单单元密度尺寸均元密度尺寸均为为0.25mm时时，平面接触、两球接，平面接触、两球接触的触的计计算精度算精度较较高，此外，接触半高，此外，接触半宽宽的的计计算算误误差差较较小，小，而最大剪而最大剪应应力的力的计计算算误误差差较较大，大，这这主要由接触状主要由接触状态态及及单单元密度引起的。

元密度引起的 机械学院机械学院谢谢 谢谢! !。