ANSYS非线形分析指南 接触分析 命令: ESURE,REVE GUI: main menu>preprocessor> Create>Elements on free surf 步骤5: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一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 Rl和R2定义目标单元几何形状 FKN定义法向接触刚度因子 FTOLN定义最大的渗透范围 ICONT定义初始靠近因子 PINB定义“ Pinball"区域 PMN和PMAX定义初始渗透的容许范围 TAUMAR指定最大的接触摩擦 命令:R GUI: main menu> preprocessor>real constant 对实常数FKN, FTOLN, ICONT,PINB,PMAX,和PMN,你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,程序将下面覆盖原单 元的厚度作为ICON, FTOLN,PINB,PMAX和PMN的参考值,例如对ION,0.1表明 初始间隙因子是0.1*下面覆盖层单元的厚度。然而,-01表明真实缝隙是0.1,如果下面覆 盖层单元是超单元,则将接触单元的最小长度作为厚度 单元关键字 每种接触单元都饭知好几个关键字,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) 初始渗透影响 (KEYOPT(9) 接触表面情况 (KEYOPT(12) 命令: KEYOPT ET GUI: main menu>preprocessor>Elemant Type>Add/Edit/Delete 选择接触算法: 对面一面的接触单元,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。 扩张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 使用拉格朗日算法的同时应使用实常数 FTOLN FTOLN为搠格朗日算法指定容许的最大渗艉,如果程序发现渗透大于此值时,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选代次数或者不收敛。 决定接触刚度 所有的接触问题都需要定义接触刚度,两个表面之间渗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,一般来谘,应该选取足够大的 接触刚度以保证接触渗透小到可以接受,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 第6页
ANSYS 非线形分析指南 接触分析 第6页 命令：ESURF，REVE GUI：main menu>preprocossor>Create>Elements on free surf 步骤 5：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 定义最大的渗透范围 ICONT 定义初始靠近因子 PINB 定义“Pinball"区域 PMIN 和 PMAX 定义初始渗透的容许范围 TAUMAR 指定最大的接触摩擦 命令：R GUI：main menu> preprocessor>real constant 对实常数 FKN，FTOLN，ICONT，PINB，PMAX，和 PMIN，你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，程序将下面覆盖原单 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*下面覆盖层单元的厚度。然而，-0.1 表明真实缝隙是 0.1，如果下面覆 盖层单元是超单元，则将接触单元的最小长度作为厚度。 单元关键字 每种接触单元都饭知好几个关键字，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）） 初始渗透影响 （KEYOPT（9）） 接触表面情况 （KEYOPT（12）） 命令：KEYOPT ET GUI：main menu>preprocessor>Elemant Type>Add/Edit/Delete 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。 扩张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 为搠格朗日算法指定容许的最大渗艉，如果程序发现渗透大于此值时，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，两个表面之间渗 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，一般来谘，应该选取足够大的 接触刚度以保证接触渗透小到可以接受，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
ANSYS非线形分析指南 接触分析 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001和10之间,当 避免过多的迭代次数时,应该尽量使渗透到达极小值。 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 致的渗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、检查渗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渗透引 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,而不是由于过大的渗透量,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(sick)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)粘合滑动计算决定什么时候一个点从粘合状态到滑动状态或从滑动状态变到粘 合状态,摩擦系数可以是任一非负值。程序缺省值为表面之间无摩擦,对 rough或 bonded 接触( KEYOPT(2)=1(或3),程序将不管给定的MV值而认为摩擦阻力无限大。 程序提供了一个不管接触压力的故而人为指定最大等效剪应力的选项,如果等效剪应 力达到此值时,滑动发生。看图,4—1,为了指定接触界面上最大许可剪应力,设置常数 TAUMAX(缺省为1.0E20),这种限制剪应力的情况一般用于接触压力非常大的时候,以至 于用库仑理论计算出的界面剪应力超过了材料的屈服极限。一对 TAUMAX的一个合理高估 是材料的 mises屈服应力)。 r Sliding Sticking 图4-1摩擦模式 对无摩擦 rough和 bonded接触,接触单元刚度矩阵是对称的,而涉及到摩擦的接触问 题产生一个不对称的刚度,而在每次迭代使用不对称的求解器比对称的求解器需要更多的计 算时间,因此 ANSYS程序采用对称化算法。通过采用这种算法大多的摩擦接触问题能够使 用对称系统的求解器来求解。如果摩擦应力在整个位移范围内有相当大的影响,并且摩擦应 力的大小高度依赖于求解过程。对刚度阵的任何对称近似都可能导致收敛性的降低,在这种 情况下,选择不对称求解选项( KEYOPT(6)=1)来改善收敛性 选择检查接触与否的位置 接触检査点位于接触单元的积分点上,在积分点上,接触单元不渗透进入目标面,然 而,目标面能渗透进入接触面,看图4-2 第7页
ANSYS 非线形分析指南 接触分析 第7页 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，应该尽量使渗透到达极小值。 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 致的渗透问题要比 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、 检查渗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渗透引 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，而不是由于过大的渗透量，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）粘合\滑动计算决定什么时候一个点从粘合状态到滑动状态或从滑动状态变到粘 合状态，摩擦系数可以是任一非负值。程序缺省值为表面之间无摩擦，对 rough 或 bonded 接触（KEYOPT（2）=1（或 3），程序将不管给定的 MV 值而认为摩擦阻力无限大。 程序提供了一个不管接触压力的故而人为指定最大等效剪应力的选项，如果等效剪应 力达到此值时，滑动发生。看图，4─1，为了指定接触界面上最大许可剪应力，设置常数 TAUMAX（缺省为 1.0E20），这种限制剪应力的情况一般用于接触压力非常大的时候，以至 于用库仑理论计算出的界面剪应力超过了材料的屈服极限。一对 TAUMAX 的一个合理高估 为 y 3 （ y 3 是材料的 mises 屈服应力）。 图 4—1 摩擦模式 对无摩擦 rough 和 bonded 接触，接触单元刚度矩阵是对称的，而涉及到摩擦的接触问 题产生一个不对称的刚度，而在每次迭代使用不对称的求解器比对称的求解器需要更多的计 算时间，因此 ANSYS 程序采用对称化算法。通过采用这种算法大多的摩擦接触问题能够使 用对称系统的求解器来求解。如果摩擦应力在整个位移范围内有相当大的影响，并且摩擦应 力的大小高度依赖于求解过程。对刚度阵的任何对称近似都可能导致收敛性的降低，在这种 情况下，选择不对称求解选项（KEYOPT（6）=1）来改善收敛性。 选择检查接触与否的位置 接触检查点位于接触单元的积分点上，在积分点上，接触单元不渗透进入目标面，然 而，目标面能渗透进入接触面，看图 4—2
ANSYS非线形分析指南 接触分析 Gauss integration point Contact segment Target segment Rigid body 图4—2接触检查点位于高斯积分点上 ANSYS面一接触单元使用 GAUSS积分点作为缺省值, GAUSS积分点通常会比 Newton- Cotes/robatto结点积分项产生更精确的结果, Newton- cotes/lobatto使用结点本身作为 积分点,通过 KEYOPT(4)来选择,你想使用的方法,然而,使用结点本身作为积分点仅 应该用于角接触问题(看图4-3) / Defomed body Gauss integration point Ta Rigid body 图4—3接触检查点位于高斯结点上 滑入而,使用结点作为接触发现点,可能会导致其它的收敛性问题,例如“滑脱”(结点 标面的边界)看图4-4,对大多的点一面的接触问题,我们推荐使用其它的点一面 的接触单元,例如 CONTA26、 CONTA48和 conTA49 第8页
ANSYS 非线形分析指南 接触分析 第8页 图 4—2 接触检查点位于高斯积分点上 ANSYS 面─接触单元使用 GAUSS 积分点作为缺省值，GAUSS 积分点通常会比 Newton-Cotes/robatto 结点积分项产生更精确的结果，Newton-cotes/lobatto 使用结点本身作为 积分点，通过 KEYOPT（4）来选择，你想使用的方法，然而，使用结点本身作为积分点仅 应该用于角接触问题（看图 4─3）。 图 4—3 接触检查点位于高斯结点上 然而，使用结点作为接触发现点，可能会导致其它的收敛性问题，例如“滑脱”（结点 滑下目标面的边界）看图 4─4，对大多的点─面的接触问题，我们推荐使用其它的点─面 的接触单元，例如 CONTA26、CONTA48 和 CONTA49
ANSYS非线形分析指南 接触分析 图4-4结点滑脱 调整初始接触条件 在动态分析中,刚体运动一般不会引起问题,然而在静力分析中,当物体没有足够的约 束时会产生刚体运动,有可能引起错误而终止计算。 在仅仅通过接触的出现来约束刚体运动时,必须保证在初始几何体中,接触对是接触的 换句话说,你要建立模型以便接触对是“刚好接触”的,然而这样作可能会遇到以下问题 刚体外形常常是复杂的,很难决定第一个接触点发生在哪儿 既使实体模型是在初始接触状态,在网格划分后余于数值舍入误差:两个面的单元 网格之间也可能会产生小的缝隙 ·接触单元的积分点和目标单元之间可能有小的缝隙。 同理,在目标面和接触面之间可能发生过大的初始渗透,在这种情况下,接触单元可能 会高估接触力,导致不收敛或民接触面之间脱离开接触关系。定义初始接触也许是建立接 触分析模型时最重要的方面,因此,程序提供了几种方法来调整接触对的初始接触条件。 注意:下面的技巧可以在开始分析时独立执行成几个联合起来执行,它们是为了消除由 于生成网格造成的数值舍入误差而引起的小缝隙或渗透,而不是为了改正网格或几何数据的 错误 l、使用实常数 ICONT来指定一个好的初始接触环,初始接触环是指沿着目标面的 “调整环”的深度,如果没有人为指定 ICONT的值,程序会根据几何尺寸来给 ICONT提供一个小值,同时输出一个表时什么值被指定的警告信息,对 ICONT 一个正值表示相对于下面变形体单元厚度的比例因子,一个负值表示接触环的真 正值,任何落在“调整环”敬域内的接触检査点被自动移到目标面上,(看图 5(a)建议使用一个小的 ICONT值否则,可能会发生大的不连续(看图4-5(b)) Contact surfac Contact surface Initial contact Potential 图4-5用ICON进行接触面的调整 (a)调整前 (b)调整后 2、使用实常数PMN和PMAX来指定初始容许的渗透范围,当指定PMAX或PMIN 后,在开始分析时,程序会将目标面移到初始接触状态,如果初始渗透大于PMAX, 程序会调整目标面的减少渗透,接触状态的初始调节仅仅通过平移来实现 对给定载或给定位移的刚性目标面将会执行初始接触状态的初始调节。同样,对没有 指定边界条件的目标面也可以进行初始接触的调整 当目标面上的节点,有给的零位移值时,使用PMAX和PMN的初始调节将不会被执 第9页
ANSYS 非线形分析指南 接触分析 第9页 图 4—4 结点滑脱 调整初始接触条件 在动态分析中，刚体运动一般不会引起问题，然而在静力分析中，当物体没有足够的约 束时会产生刚体运动，有可能引起错误而终止计算。 在仅仅通过接触的出现来约束刚体运动时，必须保证在初始几何体中，接触对是接触的， 换句话说，你要建立模型以便接触对是“刚好接触”的，然而这样作可能会遇到以下问题： ·刚体外形常常是复杂的，很难决定第一个接触点发生在哪儿 ·既使实体模型是在初始接触状态，在网格划分后余于数值舍入误差；两个面的单元 网格之间也可能会产生小的缝隙。 ·接触单元的积分点和目标单元之间可能有小的缝隙。 同理，在目标面和接触面之间可能发生过大的初始渗透，在这种情况下，接触单元可能 会高估接触力，导致不收敛或 民接触面之间脱离开接触关系。定义初始接触也许是建立接 触分析模型时最重要的方面，因此，程序提供了几种方法来调整接触对的初始接触条件。 注意：下面的技巧可以在开始分析时独立执行成几个联合起来执行，它们是为了消除由 于生成网格造成的数值舍入误差而引起的小缝隙或渗透，而不是为了改正网格或几何数据的 错误。 1、 使用实常数 ICONT 来指定一个好的初始接触环，初始接触环是指沿着目标面的 “调整环”的深度，如果没有人为指定 ICONT 的值，程序会根据几何尺寸来给 ICONT 提供一个小值，同时输出一个表时什么值被指定的警告信息，对 ICONT 一个正值表示相对于下面变形体单元厚度的比例因子，一个负值表示接触环的真 正值，任何落在“调整环”敬域内的接触检查点被自动移到目标面上，（看图 4— 5(a)）建议使用一个小的 ICONT 值否则，可能会发生大的不连续（看图 4─5(b)） 图 4—5 用 ICON 进行接触面的调整 (a) 调整前 (b) 调整后 2、使用实常数 PMIN 和 PMAX 来指定初始容许的渗透范围，当指定 PMAX 或 PMIN 后，在开始分析时，程序会将目标面移到初始接触状态，如果初始渗透大于 PMAX， 程序会调整目标面的减少渗透，接触状态的初始调节仅仅通过平移来实现。 对给定载 或给定位移的刚性目标面将会执行初始接触状态的初始调节。同样，对没有 指定边界条件的目标面也可以进行初始接触的调整。 当目标面上的节点，有给的零位移值时，使用 PMAX 和 PMIN 的初始调节将不会被执