ansys_高级接触问题

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1、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。接触例子如图1： 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、表面之 间是接触或分开是未知的，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。 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。1 接触分类 刚柔 一个表面是完全刚性的除刚

2、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

3、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. 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 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

4、一点接触可以模拟一些面的接触。如地 基和土壤的接触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

5、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=0.01Knormal 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。 点一点（除CONTA178

6、）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 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) 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

7、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 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

8、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 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3-3 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时，可以忽略它

9、，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 Step 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33。 Step 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

10、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，

11、设FKN = 0.1 GUI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; UXY = 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

12、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,conta 171Step 4.指定

13、接触法向刚度 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(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

14、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，如果收敛受入侵容差的驱使 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3-5图3-6 (3).设置单元属性 Main Menu Preprocessor Create Element Elem Attributes 或命令：