非线性接触分析Word文档格式.docx
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支持有大滑动和有摩擦的大变形，协调刚度阵计算，单元提供不对称刚度阵的选项。
提供为工程目的采用的更好的接触结果，例如法向压力和摩擦应力。
没有刚体表面形状的限制，刚体表面的光滑性不是必须的，允许有自然的或网格离散引起的表面不连续。
与点－面接触单元比，需要较少的接触单元，因而造成需要较小的磁盘空间和CPU时间。
允许多种建模控制，例如：
绑定接触
渐变初始穿透
目标面自动移动到补始接触
平移接触面（老虎梁和单元的厚度）
支持死活单元
使用这些单元，能模拟直线（面）和曲线（面），通常用简单的几何形状例如圆、抛物线、球、圆锥、圆柱采模拟曲面，更复杂的刚体形状能使用特殊的前处理技巧来建模。
执行接触分析
不同的接触分析类型有不同的过程，下面分别讨论
面－面的接触分析
我们可以使用面面的接触单元来模拟刚体柔体和柔体柔体的面面接触。
对大多数接触问题，接触向导为建立接触对提供了一种简单的方法（通过选择菜单路径Preprocessor>
Creat>
Contactpair>
ContactWizard进入接触向导）。
接触向导将会引导我们方便地创建一个接触对。
接触向导对话框的帮助系统将解释对话框及其选择的用法。
如果模型还没有被划分网格，接触向导便会保持灰色（不起作用）。
如果希望建立一个柔体的接触模型，那么在进入接触向导之前应给可能成为接触面的所有部分划分网格。
如果希望建立刚体柔体的接触模型，那么在进入接触向导之前，只需给可能成为柔体接触面的部分划分网格。
在涉及到两个边界的接触问题中，很自然把一个边界作为“目标”面而把另一个作为“接触”面，对刚体柔体的接触，“目标”面总是刚性的，“接触”面总是柔性面，这两个面合起来叫作“接触对”使用Targe169和Conta171或Conta172来定义2-D接触对，使用Targe170和Conta173或Conta174来定义3-D接触对，程序通过相同的实常收号来识别“接触对”。
面面接触分析的步骤：
执行一个典型的面—面接触分析的基本步骤列示如下：
1．建立模型，并划分网格
2．识别接触对
3．指定接触面和目标面
4．定义刚性目标面
5．定义柔性接触面
6．设置单元关键字和实常数
7．定义／控制刚性目标面的运动
8．给定必须的边界条件
9．定义求解选项和载荷步
10．求解接触问题
11．查看结果
步骤一：
建立模型，并划分网格
在这一步中，你需要建立代表接触体几何形状的实体模型。
与其它分析过程一样，设置单元类型，实常的，材料特性。
用恰当的单元类型给接触体划分网格。
命令：
AMESH
VMESH
GUI：
MainMenu>
Preprocessor>
mesh>
Mapped>
3or4Sided
mapped>
4or6sided
步骤二：
识别接触对
必须认识到，模型在变形期间哪些地方可能发生接触，一旦已经识别出潜在的接触面，你应该通过目标单元和接触单元来定义它们，目标和接触单元跟踪变形阶段的运动，构成一个接触对的目标单元和接触单元通过共享的实常数号联系起来。
接触环（区域）可以任意定义，然而为了更有效的进行计算（主要指CPU时间）你可能想定义更小的局部化的接触环，但能保证它足以描述所需要的接触行为，不同的接触对必须通过不同的实常数号来定义（即使实常数号没有变化）。
由于几何模型和潜在变形的多样性，有时候一个接触面的同一区域可能和多个目标面产生接触关系。
在这种情况下，应该定义多个接触对（使用多组覆盖层接触单元）。
每个接触对有不同的实常数号。
步骤三：
指定接触面和目标面
接触单元被约束住，不能穿透目标面，然而目标单元可以穿透接触面，对刚体－柔体的接触，目标面的指定是显而易见的，对柔体－柔体的接触问题，目标面接触面的不同选择可能引起穿透量的不同，从而影响求解精度，当指定目标面和接触面时应考虑以下准则。
（1）、当凸面和平面或凹面接触时，应指定平面或凹面作为目标面。
（2）、如果一个面上的网格较细，而另一个面上的网格较粗，应指定细网格所在面作为接触面，粗网格所在面作为目标面。
（3）、如果两个面的刚度不同时，应当较硬的面为目标面，教软的面作为接触面。
（4）、如果一个面上的基础单元是高阶单元，而另一个面上的基础单元是低阶单元，应将基础单元为高阶单元的面作为接触单元。
（5）、如果两个面的大小明显不同，应将大面作为目标面。
步骤四：
定义刚性目标面
刚性目标面可能是2—D的或3－D的。
在2—D情况下，刚性目标面的形状可以通过一系列直线、圆弧和抛物线来描述，所有这些都可以用TAPGE169来表示。
另外，可以使用它们的任意组合来描述复杂的目标面。
在3—D情况下，目标面的形状可以通过三角面，圆柱面，圆锥面和球面来推述，所有这些都可以用TAPGE170来表示，对于一个复杂的，任意形状的目标面，应该使用三角面来给它建模。
控制结点（Pilot）
刚性目标面可能会和“pilot结点”联系起来，它实际上是一个只有一个结点的单元，通过这个结点的运动可以控制整个目标面的运动，因此可以把pilot结点作为刚性目标的控制器。
整个目标面的受力和转动情况可以通过pilot结点表示出来，“pilot结点”可能是目标单元中的一个结点，也可能是一个任意位置的结点，只有当需要转动或力矩载荷时，“pilot结点”的位置才是重要的，如果你定义了“pilot结点”ANSYS程序只在“pilot结点”上检查边界条件，而忽略其它结点上的任何约束。
对于圆、圆柱、圆锥、和球的基本图段，ANSYS总是使用条一个结点作为“pilot结点”。
基本图元
能够使用基本几形状来模拟目标面，例如：
圆、圆柱、圆锥、球。
直线、抛物线、弧线、和三角形不被允许、虽然你不能把这些基本原型彼此合在一起，或者是把它们和其它的目标形状合在一起以便形成一个同一实常数号的复杂目标面。
但可以给每个基本图元指定它自己的实常数号。
单元类型和实常数
在生成目标单元之前，首先必须定义单元类型（TARG169或TARG170）。
命令：
ET
GUI:
mainmenu>
preprocessor>
ElementType>
Add/Edit/Delete
随后必须设置目标单元的实常数。
命令:
Real
realconstants
对TARGE169和TARGE170仅需设置实常数R1和R2，而只有在使用直接生成法建立目标单元时，才需要从为指定实常数R1、R2，另外除了直接生成法，也可以使用ANSYS网格划分工具生成目标单元，下面解释这两种方法。
使用直接生成法建立刚性目标单元
为了直接生成目标单元，使用下面的命令和菜单路径。
命令：
TSHAP
modeling-create>
Elements>
ElemAttributes
随后指定单元形状，可能的形状有：
straightline（2D）
parabola（2-D）
clockwisearc（2-D）
counterclockwisearc（2-D）
circle（2-D）
Triangle（3-D）
Cylinder（3-D）
Cone（3-D）
Sphere（3-D）
Pilotnode（2-D和3-D）
一旦指定目标单元形状，所有以后生成的单元都将保持这个形状，除非指定另外一种形状。
然后就可以使用标准的ANSYS直接生成技术生成结点和单元。
N
E
GUI：
mainmenu>
modeling-create>
nodes
Elements
在建立单元之后，你可以通过列示单元来验证单元形状
ELIST
utilitymenu>
list>
Nodes+Attributes
使用ANSYS网格划分工具生成刚性目标单元
你也可以使用标准的ANSYS网格划分功能让程序自动地生成目标单元，ANSYS程序将会以实体模型为基础生成合适的目标单元形状而忽略TSHAP命令的选项。
为了生成一个“PILOT结点”使用下面的命令或GUI路径：
Kmesh
meshing-mesh>
keypoints
注意：
KMESH总是生成“PILOT结点”
为了生成一个2－D目标单元，使用下面的命令和GUI路径：
ANSYS在每条直线上生成一条单一的线，在样条曲线上生成抛物线部分，在每条圆弧和倒角上生成圆弧部分，如果所有的圆弧形成一个封闭的圆，ANSYS生成一个单一的圆。
LMESH
mesling-mesh>
lines
为了生成3－D的目标单元，使用下面的命令或GUI路径。
如果实体模型的表面部分形成了一个完整的球，圆柱或圆锥，那么ANSYS程序自动生成一个基本的3－D目标单元，因为生成较少的单元，从而使你分析计算更有效率，对任意形状的表面，应该使用Amesh命令来生成目标单元，在这种情况下，网格形状的质量不是重要的，而目标单元的形状是否能完成好的模拟刚性面的表面几何形状显得更重要。
-meshing-mesh>
Area
ANSYS在所有可能的面上推荐使用三角形的映射网格划分，如果在表面的边界上没有曲率，则在网格划分时，指定那条边界分为一分，下面的命令或GUI路径将尽可能的生成一个映射网格（如果不能进行映射，它将生成自由网格）
MSHKFY，2
-meshling-mesh>
-Ares-TargetSurf
建模和网格划分的注意点：
一个目标面可能由两个或多个间断的区域组成，你应该尽可能地通过定义多个目标面来使接触区域局部化（每个目标面有一个不同的实常数号）刚性目标面上由的离散能足够指述出目标面的形状，过粗的网格离散可能导致收敛问题。
如果刚性面有一个尖的凸角，求解大的滑动问题时很难获得收敛结果，为了避免这些建模问题，在实体模型上，使用线或面的倒角来使尖角光滑化，或者在曲率突然变化的区域使用更细的网格。
不能使用镜面对称技术（ARSYSM，LSYMM）来映射圆、圆柱、圆锥或球面到对称平面的另一边，因为每个实常数的设置不能同时赋给多个图元。
检验目标面的接触方向。
目标面的结点号顺序是重要的，因为它定义了接触主向，对2－D接触问题，当沿着目标线从第一个结点移向第二个结点时，变形体的接触单元必须位于目标面的右边。
对3－D接触问题，目标三角形单元号应该使刚性面的外法线方向指向接触面，外法线通过右手原则来定义
为了检查法线方向，显示单元坐标系
/PSYMS，ESYS，1
Utilitymenu>
plotctrls>
symbols
如果单元法向不指向接触面，选择单元反转表面的法向的方向。
ESURF，，REVE
preprocossor>
create>
Element>
onfreesurf
步骤4：
定义柔性体的接触面
为了定义柔性体的接触面，必须使用接触单元CONFA171或CONFA172（对2－D）或CONTA173或CONTA174（对3－D）来定义表面
程序通过组成变形体表面的接触单元来定义接触表面，接触单元与下面覆盖的变形体单元有同样的几何特性，接触单元与下面覆盖的变形体单元必须处于同一阶次（低阶或高阶）下面的变形体单元可能是实体单元、壳单元、梁单元或超单元，接触面可能壳或梁单元任何一边。
与目标面单元一样，你必须定义接触面的单元类型，然后选择正确的实常数号（实常数号必须与它对应目标的实常数号相同）最后生成接触单元。
单元类型：
下面简单描述四种类型的接触单元
CONTA171：
这是一个2－D，2个结点的低阶线单元，可能位于2－D实体，壳或梁单元的表面
CONTA172：
这是一个2－D的，3结点的高阶抛物线形单元，可能位于有中结点的2－D实体或梁单元的表面
CONTA173：
这是一个3－D的，4结点的低阶四边形单元可能位于3－D实体或壳单元的表面，它可能退化成一个结点的三角形单元。
CONTA174：
这是一个3－D，8结点的高阶四边形单元，可能位于有中结点的3－D实体或壳单元的表面，它可能退化成6结点的三角形单元。
不能在高阶柔性体单元的表面上分成低阶接触单元，反之也不行，不能在高阶接触单元上消去中结点。
Elementtype>
Add/Edit/Delete
实常数和材料特性
在定义了单元类型之后，需要选择正确的实常数的设置，每个接触对的接触面和目标面必须有相同的实常数号，而每个接触对必须有它自己不同的实常数号。
ANSYS使用下面柔性体单元的材料特性来计算一个合适的接触（或罚）刚度，如果下面的单元是一个超单元。
接触单元的材料的设置必须与超单元形成时的原始结构单元相同。
生成接触单元。
我们既可以通过直接生成法生成接触单元，也可以在柔性体单元的外表面上自动生成接触单元，我们推荐采用自动生成法，这种方法更为简单和可靠。
可以通过下面三个步骤来自动生成接触单元
1、选择结点
选择已划分网格的柔性体表面的结果，如果确定某一部分结点永远不会接触到目标面，你可以忽略它以便减少计算时间，然而，你必须保证设有漏掉可能会接触到目标面的结点。
NSEL
on>
freesurf
2、生成接触单元
ESURF
如果接触单元是附在已用实体单元划分网格的面或体上，程序会自动决定接触计算所需的外法向，如果下面的单元是梁或壳单元，则必须指明哪个表面（上表面或下表面）是接触面
ESURF，TOPORBOTIOM
使用上表面生成接触单元，则它们的外法向与梁或壳单元的法向相同，使用下表面生成接触单元，则它们的外法向与梁或壳单元的法向相反，如果下面的单元是实体单元，则TOP或BOTTOM选项不起作用
3、检查接触单元外法线的方向，当程序进行是否接触的检查时，接触面的外法线方向是重要的，对3－D单元，按结点程序号以右手定则来决定单元的外法向，接面的外法向应该指向目标面，否则，在开始分析计算时，程序可能会认为有面的过度穿透而很难找到初始解。
在此情况下，程序一般会立即停止执行，你可以检查单元外法线方向是否正确。
/PSYMB
当发现单元的外法线方向不正确时，必须通过反转不正确单元的结点号来改变它们。
ESURF，REVE
Create>
Elementsonfreesurf
步骤六：
设置实常数和单元关键字
程序使用九个实常数和好几个单元关键字来控制面－面接触单元的接触行为。
实常数
9个实常数中，两个（R1和R2）用采定义目标面单元的几何形状，乘下的7个用来控制接触行为。
R1和R2定义目标单元几何形状
FKN定义法向接触刚度因子
FTOLN定义最大的穿透范围
ICONT定义初始靠近因子
PINB定义“Pinball"
区域
PMIN和PMAX定义初始穿透的容许范围
TAUMAR指定最大的接触摩擦
CNOF给接触面指定一个正的或负的偏移值
FKOP指定接触发生时所给的刚度因子
R
preprocessor>
realconstant
对实常数FKN，FTOLN，ICONT，PINB，PMAX，PMIN，和FKOP既可以定义一个正值也可以定义一个负值，程序将正值作为比例因子，将负值作为真实值，程序将下面基本变形体单元的厚度作为ICON，FTOLN，PINB，PMAX和PMIN的参考值，例如对ICON，0.1表明初始间隙因子是0.1*下面基本变形体单元的厚度。
然而，-0.1表明真实缝隙是0.1，如果下面的基本变形体单元是超单元，则将接触单元的最小长度作为厚度。
单元关键字
每种接触单元都有好几个关键字，对大多的接触问题缺省的关键字是合适的，而在某些情况下，可能需要改变缺省值，来控制接触行为。
接触算法（罚函数+拉格郎日或罚函数）（KEYOPT
（2））
出现超单元时的应力状态（DEYOPT（3））
接触方位点的位置（KEYOPI（4））
刚度矩阵的选择（KEYOPT（6））
时间步长控制（KEYOPT（7））
初始穿透影响（KEYOPT（9））
接触表面情况（KEYOPT（12））
KEYOPT
ET
ElemantType>
选择接触算法：
对面－面的接触单元，程序可以使用扩增的拉格朗日算法或罚函数方法，通过使用单元关键字KETOPT
（2）来指定。
扩展的拉格朗日算法是为了找到精确的拉格朗日乘子而对罚函数修正项进行反复迭代，与罚函数的方法相比，拉格朗日方法不易引起病态条件，对接触刚度的灵敏度较小，然而，在有些分析中，扩增的拉格朗日方法可能需要更多的迭代，特别是在变形后网格变得太扭曲时。
使用拉格朗日算法的同时应使用实常数FTOLN
FTOLN为拉格朗日算法指定容许的最大穿透，如果程序发现穿透大于此值时，即使不平衡力和位移增量已经满足了收敛准则，总的求解仍被当作不收敛处理，FTLON的缺省值为0.1，你可以改变这个值，但要注意如果此值太小可能会造成太多的迭代次数或者不收敛。
决定接触刚度
所有的接触问题都需要定义接触刚度，两个表面之间穿透量的大小取决了接触刚度，过大的接触刚度可能会引起总刚矩阵的病态，而造成收敛困难，一般来说，应该选取足够大的接触刚度以保证接触穿透小到可以接受，但同时又应该让接触刚度足够小以使不会引起总刚矩阵的病态问题而保证收敛性。
程序会根据变形体单元的材料特性来估计一个缺省的接触刚度值，你能够用实常数FKN来为接触刚度指定一个比例因子或指定一个真正的值，比例因子一般在0.01和10之间，当避免过多的迭代次数时，应该尽量使穿透到达极小值。
为了取得一个较好的接触刚度值，又可需要一些经验，你可以按下面的步骤过行。
1、开始时取一个较低的值，低估些值要比高估些值好因为由一个较低的接触刚度导致的穿透问题要比过高的接触刚度导致的收敛性困难，要容易解决。
2、对前几个子步进行计算
3、检查穿透量和每一子步中的平衡迭代次数，如果总体收敛困难是由过大的穿透引起的（而不是由不平衡力和位移增量引起的），那么可能低估了FKN的值或者是将FTOLN的值取得大小，如果总体的收敛困难是由于不平衡力和位移增量达到收敛值需要过多的迭代次数，而不是由于过大的穿透量导致的，那么FKN的值可能被高估。
4、按需要调查FKN或FTOLN的值，重新分析。
选择摩擦类型。
在基本的库仑摩擦模型中，两个接触面在开始相互滑动之前，在它们的界面上会有达到某一大小的剪应力产生，这种状态则作粘合状态（stick）。
库仑摩擦模型定义了一个等效剪应力。
一旦剪应力超过此值后，两个表面之间将开始相互滑动，这种状态，叫作滑动状态（Sliding）
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