接觸基礎理論第1頁，課件共73頁，創作于2023年2月7.接觸介紹什么是接觸?當兩個分離的表面互相碰觸并互切時,就稱它們處于接觸狀態.在一般的物理意義中,處于接觸狀態的表面有下列特點:不互相穿透.能夠傳遞法向壓力和切向摩擦力.通常不傳遞法向拉力.因此,它們相互間可以自由地分開并遠離.第2頁，課件共73頁，創作于2023年2月…

接觸介紹本章將通過以下主題介紹非線性接觸分析:A.基本概念B.利用接觸向導C.求解D.后處理E.練習F.裝配接觸目的是通過“簡單”(容易收斂)模型,介紹接觸分析過程.另外,用于處理難度更大的模型的高級接觸分析,在高級接觸和螺栓預緊培訓手冊中討論.第3頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸介紹

A.基本概念

接觸是狀態改變非線性.也就是說,系統的剛度依賴于接觸狀態:狀態=開狀態=閉合和粘結狀態=閉合和滑動第4頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸介紹

...基本概念接觸是強非線性,因為隨著接觸狀態的改變,接觸表面的法向和切向剛度都有顯著的變化.剛度方面大的突變通常會導致嚴重的收斂困難.uF開接觸閉接觸第5頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸介紹

...基本概念其它使接觸分析復雜化的因素包括:典型地,在分析開始時,接觸區域未知.大多數接觸問題包括摩擦.摩擦是路徑相關的(能量耗散)現象,需要用較小的時間步和精確的載荷歷史.摩擦響應可能是混沌的,使求解收斂困難.除了和其他部件接觸,部件可能是無約束的.在建立接觸之前,這樣的部件初始為無約束自由體,整體剛度為零.靜態分析中,無約束自由體在數學上是不穩定的,求解“溢出”.第6頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸介紹

...基本概念幸好,目前的ANSYS接觸技術能夠相當容易地分析類型廣泛的接觸模型.許多模型只需很少的用戶參與就能成功地求解.對于那些顯示出收斂行為比較困難的模型,有豐富的接觸單元選項來幫助克服這樣的困難.在高級接觸和螺栓預緊培訓手冊中討論了這些更高級的內容.第7頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸介紹

...基本概念接觸分類接觸問題通常分為兩類:剛性體-柔性體和柔性體-柔性體.剛性體-柔性體一個或更多的接觸表面看作剛性體(一個表面與其它表面相比,剛度顯然要大得多.).許多金屬成形問題可歸為此類.不計算剛性體內的應力柔性體-柔性體兩個或所有的接觸體都可變形(所有表面的剛度相近).螺栓結合凸緣連接就是柔性體-柔性體接觸的例子.第8頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸介紹

...基本概念剛性體-柔性體接觸剛性表面變形體第9頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸介紹

...基本概念柔性體-柔性體接觸花鍵軸過盈配合,兩個零件都是柔體.第10頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸介紹

...基本概念接觸協調實際接觸體相互不穿透.因此,程序必須在這兩個面間建立一種關系,防止它們在有限元分析中相互穿過.當程序防止相互穿透時,稱之為強制接觸協調.F目標面接觸面當沒有強制接觸協調時,發生穿透.

F第11頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸介紹

...基本概念接觸協調–罰函數法強制接觸協調的罰函數法,用一個接觸“彈簧”在兩個面間建立關系.彈簧剛度稱為懲罰參數,或者更通俗一點,就是接觸剛度.當面分開時(開狀態),彈簧不起作用；當面開始穿透時(閉合),彈簧起作用.彈簧偏移量滿足平衡方程:F=k

式中k是接觸剛度.FD第12頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸介紹

...基本概念…

接觸協調–罰函數法數學上要求有限的穿透量D在交界面處產生接觸力.平衡需要此接觸力.因此,為了平衡,D

必須大于零.然而,實際的接觸體相互不穿透.因此,為了最高的精度,目的是使發生在接觸界面處的穿透量最小.最小的穿透給出最大的精度.這意味著,理想的接觸剛度應該是個非常大的值.然而,值太大會引起收斂困難.第13頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸介紹

...基本概念如果接觸剛度太大,一個微小的穿透將會產生一個過大的接觸力,在下一次迭代中可能會將接觸面推開.用太大的接觸剛度通常會導致收斂振蕩,并且常會發散.迭代n迭代n+1FFF接觸F迭代n+2第14頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸介紹

...基本概念接觸協調–lagrange乘子法另外一種方法,lagrange乘子法,增加一個附加自由度(接觸壓力),來滿足不可穿透條件.F第15頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸介紹

...基本概念接觸協調–增廣lagrange法多數ANSYS接觸單元可以將罰函數法和lagrange乘子法結合起來強制接觸協調.稱之為增廣lagrange法.在迭代的開始,接觸協調基于懲罰剛度確定.一旦達到平衡,檢查穿透容差.此時,如果有必要,接觸壓力增加,迭代繼續.F穿透容差第16頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸介紹

...基本概念…

接觸協調–增廣lagrange法由于平衡,矯正穿透量.在矯正階段發生振蕩.增大接觸應力,減少穿透量.第17頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸介紹

...基本概念面-面接觸單元ANSYS中最常用的接觸單元是面-面單元.Targe169和170剛性或可變形的目標面Conta171到174可變形的接觸面這些單元非常適合面-面接觸的情況,如過盈裝配接觸,嚙合接觸,鍛造和深拉.第18頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸介紹

...基本概念…

面-面接觸單元這些接觸單元采用接觸對概念,接觸對由目標面和接觸面組成.面-面接觸單元象皮膚一樣覆蓋在下面的有限元模型上.用獨立的單元類型定義目標面和接觸面.接觸對通過共用實常數組來識別.接觸面上的接觸單元

(實常數=N)目標面上的目標單元

(實常數=N)第19頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸介紹

...基本概念…

面-面接觸單元ANSYS支持剛性體-柔性體和柔性體-柔性體的面-面接觸模型.柔性體-柔性體接觸模型有可變形的目標面,只要目標單元覆蓋在可變形的單元上,就創建了目標面.剛性體-柔性體接觸模型有剛性目標面,該目標面不覆蓋在任何可變形的單元上.剛性目標單元接觸單元下層網格第20頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸介紹

...基本概念…

面-面接觸單元面-面接觸單元用增廣lagrange法強制接觸協調(缺省).廣義lagrange法采用接觸剛度和穿透容差.對于“簡單”接觸模型,正常情況需要給出接觸對的三個特征:接觸剛度值.穿透容差值.還需要確定接觸對中哪一個面應該是目標面,哪一個面應該是接觸面.第21頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸介紹

...基本概念接觸剛度接觸剛度是影響精度和收斂行為的最重要的參數.已經知道較大的剛度精度高,但收斂困難.必須仔細地確定一個適當的接觸剛度值.“最好的”值經常是與問題相關的.程序提供的缺省值可能不適合.可能要求做一些試驗去確定一個適當的值,使產生的收斂解具有可以接受的精度.第22頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸介紹

...基本概念…

接觸剛度對于面-面接觸單元,用一個系數

(FKN)給出接觸剛度.也就是說,程序通過對下層單元的剛度乘以該系數來確定接觸剛度.k接觸t=FKNxf(k下層)對于面-面接觸單元,接觸剛度的單位是單位面積的剛度,或(F/L)/(L2).接觸剛度的一個較好值經常通過使接觸剛度等于下層單元的剛度獲得.作為起始估計,嘗試:對于接觸中的大塊實體,FKN=1.0.對于柔性較大(彎曲為主)的部件,FKN=0.1.第23頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸介紹

...基本概念…

接觸剛度有時,一個模型的不同區域可能需要有不同的接觸剛度.大塊實體接觸;試用FKN=1.0柔性接觸;試用FKN=0.1第24頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸介紹

...基本概念…

接觸剛度需要確定結果對接觸剛度是否敏感.選擇一個好的剛度值可能需要一些試驗,下面的步驟可以用于靜態、非路徑相關分析的指南:改變接觸單元選項,允許接觸剛度在重啟動期間可以修改,KEYOPT(10)=1.開始時采用一個“軟的”FKN可以幫助克服收斂困難.運行此分析,直到最終載荷.檢查對分析比較重要的一些結果(等效應力,接觸壓力等).第25頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸介紹

...基本概念…

接觸剛度增大FKN并重啟動求解.再檢查結果.重復步驟5和6,直到達到所預期的收斂.SEQVFKN尋找FKN值,超過此值,結果不發生顯著的改變.第26頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸介紹

...基本概念…

接觸剛度作為一個例子,對于一個軸上套環的過盈配合分析,FKN是變化的.等效vonMises應力的最大值被監控.在這種特殊情況下,FKN＝1.0經證明可以給出足夠的精度.第27頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸介紹

A.接觸剛度…練習請參考附加練習:W14.接觸介紹-接觸剛度研究(FKN)第28頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸介紹

...基本概念穿透容差穿透容差也影響收斂和精度,盡管影響程度沒有接觸剛度大.當穿透容差嚴格時,精度可以改善,但是更難以收斂.和剛度一樣,以系數(FTOLN)的方式確定穿透容差.程序通過將下層單元的深度(h)乘以所給出的系數確定穿透容差.容差=FTOLNxh第29頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸介紹

...基本概念…

穿透容差不要用一個軟FKN和一個緊FTOLN.如果接觸剛度達到強制協調的最好效果,通常會得到最好的收斂行為.用合理的剛度值FKN.用合理的FTOLN值“協調”穿透.太小的FTOLN值將導致收斂困難.千萬別用太小的容差值!增大懲罰剛度(FKN)將減少穿透.盡管增大FKN100倍通常相應地會減少穿透,然而其它重要項,如接觸壓力,可能至少會改變5%.第30頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸介紹

A.穿透容差…練習請參考附加練習:W15.接觸介紹-穿透容差研究(FTOLN)第31頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸介紹

...基本概念指定接觸和目標面程序通過一組離散的接觸點(單元高斯點)定義接觸面.程序將目標面定義為連續面.兩個面可以在高斯點之間相互穿透而不識別接觸,這會引起誤差.目標面接觸面在高斯點之間,目標面可以穿透接觸面.第32頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸介紹

...基本概念…

指定接觸和目標面通過仔細地指定目標和接觸面,可以減少不能識別的穿透.然而,對于剛性體-柔性體接觸,目標面和接觸面的選擇是不能改變的.剛性面必須總是目標面.鋼軸(剛性)必須是目標橡膠罩(柔性)必須是接觸面第33頁，課件共73頁，創作于2023年2月…

指定接觸和目標面對于柔性體-柔性體接觸,通過使接觸點數達到最大可以獲得最好的精度.當指定柔性體-柔性體接觸的接觸面和目標面時,按如下準則進行:如果一個面網格粗,另一個面網格細,粗網格面應該是目標面.考慮如果顛倒此指定,會發生什么現象:接觸介紹

...基本概念xxxx如果更細的網格是目標面,它將跨過高斯點“下垂”,象圖示那樣穿透.第34頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸介紹

...基本概念…

指定接觸和目標面指定接觸和目標面的其它準則:如果一個凸面與一個平面或凹面進入接觸,平面和凹面應該是目標面.如果一個面比另一個面更硬,較硬的面應該是目標面.如果一個面是高階,另一個面是低階,低階面應該是目標面.如果一個面比另外一個面更大,較大的面應該是目標面.第35頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸介紹

...基本概念…

指定接觸和目標面當所有的接觸單元都在一個面上,所有的目標單元都在另一個面上時,稱該模型為不對稱接觸.不對稱接觸一般是模擬面-面接觸最有效的方法.然而,在有些情況下,不對稱接觸執行的不令人滿意.目標和接觸面之間不存在明顯的區別.目標和接觸面都有粗糙的網格.有時目標-接觸區別不明顯第36頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸介紹

...基本概念…

指定接觸和目標面一個可用的辦法是創建雙接觸對,稱之為對稱接觸.創建了一個接觸對之后,只要簡單地對同樣的表面創建具有相反的目標-接觸面指定的第二個接觸對.接觸目標目標接觸第一步-創建第一個接觸對第二步-創建第二個(對稱)接觸對第37頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸介紹

...基本概念…

指定接觸和目標面盡管一些模型為了精確,可能需要對稱接觸.但是要注意,對稱接觸比非對稱接觸效率要低些.因此,除非有必要,否則不要用對稱接觸.還要注意,當用對稱接觸時,后處理要困難些.接觸壓力是兩組接觸單元的平均值.此平均值不能自動地作為標準結果項得到.需要用APDL或ETABLE計算.第38頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸介紹

A.接觸和目標…練習請參考附加練習:W16.接觸介紹-接觸面和目標面指定第39頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸介紹

...基本概念剛性目標面-導向節點缺省時,程序自動約束剛性目標面.也就是說,自動地將目標的位移和轉動設定為零.要模擬剛性目標的更復雜行為,可以創建一個特殊的單節點目標單元,稱為導向節點.該單元通過具有相同的實常數屬性與目標面聯系起來.對于整個剛性面,導向節點起手柄的作用.可以對導向節點指定非零的位移,轉動,力和/或力矩模擬目標面的剛體運動.注意如果存在導向節點,程序將不自動約束剛性面.第40頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸介紹

...基本概念…

導向節點導向節點可以在任意位置指定.這允許剛性目標面的一般轉動.僅僅導向節點可以與其它單元發生聯系.例如,要考慮剛性體的質量,在導向節點處定義一個質量單元(MASS21).每個目標面只能有一個導向節點.剛性面轉動導向節點(在轉動的中心)第41頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸介紹

B.接觸向導面-面接觸單元可以用標準的單元生成過程創建:建立單元TYPE,REAL和MAT數據,設置單元屬性,指定目標和接觸面,然后劃分網格或用ESURF命令操作.這個過程在創建接觸對時“費心勞神”.值得慶幸的是,有個更好的辦法...第42頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸介紹

...接觸向導接觸向導為大多數接觸問題提供了一個簡單的辦法來構造接觸對.接觸向導將引導創建接觸對的過程.第43頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸介紹

...接觸向導接觸向導的好處:自動定義單元類型和實常數設置迅速接近接觸選項和參數接觸對瀏覽工具迅速顯示和反轉接觸法向只有對模型的部分劃分網格后,才能用接觸向導.在啟動向導創建柔性體-柔性體接觸模型之前,對用作接觸面的模型的所有部件劃分網格.要創建剛性體-柔性體接觸模型,只對用作柔性接觸面的模型的部件劃分網格.第44頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸介紹

...接觸向導看看如何對第六章練習的連接器模型添加一個接觸對.首先,指定剛性或柔性目標類型(如果選擇可用),并拾取目標面.可以根據模型中現有的實體,拾取節點、節點組、線或面.第45頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸介紹

...接觸向導然后,拾取接觸面.同樣,根據模型中現有的實體,可以再次拾取節點、節點組、線或面.第46頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸介紹

...接觸向導

點擊Optionalsetting按鈕,確定一般接觸行為的技術條件收斂工具、摩擦影響、目標約束、熱界面參數和其它各種參數.第47頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸介紹

...接觸向導

最后,點擊Creat按鈕創建該接觸對的接觸和目標單元.用于該接觸對的實常數號是相同的.接觸對中的單元自動畫出,打開單元坐標系(ESYS)符號,來顯示單元的外法向方向.如果有錯誤法向,現在就可以將它們翻轉過來.第48頁，課件共73頁，創作于2023年2月面-面接觸單元提供了三個自由度選項:結構:UX,UY,和UZ結構和熱:UX,UY,UZ和TEMP熱:TEMP(對純熱接觸問題)當用此向導創建接觸對時,接觸單元自由度選項自動基于下層單元的自由度設置.不需要調整.面-面接觸單元的自由度也可以通過命令設置:MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete…接觸介紹

...接觸向導第49頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸介紹

...接觸向導Basic表包含所有與接觸行為和收斂相關的一般參數.指定參數是缺省的縮放系數或常數第50頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸介紹

...接觸向導Friction表

包含接觸界面上所有和靜態和動態摩擦有關的參數;也允許在接觸界面上定義最大摩擦應力.MU=MUK*(1+(FACT-1)exp(-dc*VREL)式中:MU=摩擦系數MUK=動態摩擦系數VREL=兩接觸面間的相對滑動速率FACT=靜態與動態摩擦系數的比.dc=衰變指數比率第51頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸介紹

...接觸向導摩擦有關的注釋面-面接觸單元提供基本的庫侖摩擦模型,當滑動發生時,該摩擦模型定義等效應力t:

t=m

xp

m是摩擦系數,作為材料屬性定義,如前面幻燈片上接觸向導中所示.如果m等于零(缺省),剪切應力將不會被傳遞.p是接觸壓力.當兩面間的剪切應力超過m

xp,則這兩個面將相互滑動.還可以用更高級的摩擦選項.將在高級接觸和螺栓預緊培訓手冊中討論.第52頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸向導高級功能

InitialAdjustment表 包括先前的穿透和表面補償參數(具體指導請參看<高級接觸和螺栓預緊>培訓課程.)

第53頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸向導高級功能

MISC表防止偽接觸,梁/殼厚度效應和接觸檢測點的位置,高斯或節點(在<高級接觸和螺栓預緊>培訓課程中詳細討論)第54頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸向導高級功能

Rigidtarget表 指定約束和高階目標單元選項(在<高級接觸和螺栓預緊>培訓課程中詳細討論)Thermal表所有的熱接觸參數,包括表面輻射場附近的接觸傳導性,摩擦生熱因素(在<高級接觸和螺栓預緊>培訓課程中詳細討論)第55頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸介紹

...接觸向導導向節點剛性目標面可以與“導向節點”聯系起來,導向節點的運動控制目標面的運動.可以在導向節點上為整個目標面確定力,位移和/或轉動.可以認為導向節點是整個剛性面的手柄.如果定義一個導向節點,ANSYS僅在導向節點上檢驗邊界條件而忽略目標面上其它節點的約束.導向節點可以通過對關鍵點劃分網格生成,或通過采用和目標單元相同的單元屬性直接生成.第56頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸介紹

...接觸向導導向節點(續)接觸向導不能為剛性目標面創建導向節點.要創建一個導向節點,必須用劃分網格或直接生成的辦法:首先,為目標單元設置單元屬性(材料,實常數和單元類型).記住對接觸對的余下部分要用相同的實常數號.然后對關鍵點劃分網格,此關鍵點位于導向節點所要求的位置.已經知道導向節點可以在任何位置-它不需要實際地附于其它目標單元.另一種辦法,直接生成,為目標單元形狀設置一個附加屬性(TSHAP,PILO),然后在所要求的節點處創建單元.第57頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸介紹

C.求解自動求解控制,包括面-面接觸單元的缺省選項設置,對于大多數接觸分析通常都能相當穩定的求解.如果遇到收斂困難,一般是由如下三個原因中的一個或幾個引起的:接觸剛度值太大.穿透容差值太緊.最小時間步長太大.要改善收斂,試用按如下次序修改你的模型:減小FKN.增大FTOLN.減小最小時間步長(或增大最大子步數).第58頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸介紹

...求解如果修改了FKN,FTOLN以及時間步長,模型還不收斂,則可能需要用高級接觸選項.在<高級接觸和螺栓預緊>培訓手冊中討論.如果模型包括摩擦,因為摩擦是一種路徑相關的現象,所以為了準確,需要用小的時間步長.不像塑性,如果摩擦時間步長太大,沒有可以觸發的二分后移控制.注意在接觸求解中,所有的平衡迭代在第一個子步的二分前進行,以幫助建立初始接觸條件.第59頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸介紹

D.后處理接觸模型的結果將包括許多與接觸有關的附加項.這些項與接觸單元(不是目標單元)聯系在一起,并且在GUI中很容易得到.用通用后處理器,可以按節點(平均)或單元(不平均)等值線圖對這些相進行顯示.對于接觸分析,動畫圖特別有幫助.用時間-歷程后處理器,可以將這些項作為時間-歷程變量畫出來.第60頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸介紹

...后處理接觸狀態是指定接觸單元當前狀態的一個整數:STAT=0:開但不鄰近接觸.STAT=1:開,但鄰近接觸.STAT=2:閉合并滑動.STAT=3:閉合并粘著.第61頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸介紹

...后處理注意由于平均處理,狀態的節點(平均)等值線圖將展示非整數的等值線值.對于單元狀態的等值線圖,單元(不平均)等值線圖通常更合適.與此類似,對于其它接觸結果項,也會出現不規則的節點等值線圖.如果節點(平均)等值線圖看上去不合理,試用單元(不平均)圖代替.接觸區節點等值線圖中,狀態>1單元等值線圖中,狀態=1第62頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸介紹

...后處理穿透或間隙距離表示實際的穿透量(STAT=2或3)或離開的間隙(STAT=1),與長度單位一致.在列表中,穿透距離為正,間隙距離為負.因為等值線圖可以顯示穿透或間隙(不同時),對這兩項等值線圖總是顯示為正值.接觸壓力(PRES)和摩擦應力值(SFRI)表示接觸單元的當前值,從高斯點拷貝到節點.第63頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸介紹

E.練習請參考附加練習:W17.接觸介紹-嚙合副第64頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸介紹

F.裝配接觸現在許多分析人員從CAD軟件中輸入實體模型,然后在ANSYS中對輸入的模型進行網格劃分和分析.對于多數CAD程序,一個單個的體,不管多復雜,都是代表單個零件.在裝配中,多個體模型將由幾個零件連接在一起.零件B零件A第65頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸介紹

...裝配接觸一個裝配的零件間的邊界通常表示CAD模型內數學上的不連續.當在ANSYS中劃分網格時,這些零件邊界處的網格將不連續.邊界一邊的節點不會與邊界另一邊的節點“通話”.面-面接觸單元可以用一個稱為裝配接觸(ASSEMBLYCONTACT)的概念聯系零件邊界間的網格.用裝配接觸粘結零件A和B第66頁，課件共73頁，創作于2023年2月接觸介紹

...裝配接觸盡管裝配接觸