《ANSYS 非线形分析指南》书籍资料：接触分析.doc_大学文库

ANSYS 非线形分析指南接触分析第1页一般的接触分类..............................................................................................2 ANSYS接触能力 ............................................................................................2 点─点接触单元..............................................................................................2 点─面接触单元..............................................................................................2 面─面的接触单元..........................................................................................3 执行接触分析..................................................................................................4 面─面的接触分析..........................................................................................4 接触分析的步骤：..........................................................................................4 步骤1：建立模型，并划分网格....................................................................4 步骤二：识别接触对......................................................................................4 步骤三：定义刚性目标面..............................................................................5 步骤4：定义柔性体的接触面........................................................................8 步骤5：设置实常数和单元关键字..............................................................10 步骤六：........................................................................................................21 步骤7：给变形体单元加必要的边界条件..................................................21 步骤8：定义求解和载步选项....................................................................22 第十步：检查结果........................................................................................23 点─面接触分析............................................................................................25 点─面接触分析的步骤................................................................................26 点－点的接触................................................................................................35 接触分析实例（GUI方法） ........................................................................38 非线性静态实例分析（命令流方式）........................................................42 接触分析接触问题是一种高度非线性行为，需要较大的计算资源，为了进行实为有效的计算，理解问题的特性和建立合理的模型是很重要的。接触问题存在两个较大的难点：其一，在你求解问题之前，你不知道接触区域，表面之间是接触或分开是未知的，突然变化的，这随载荷、材料、边界条件和其它因素而定；其二，大多的接触问题需要计算摩擦，有几种摩擦和模型供你挑选，它们都是非线性的，摩擦使问题的收敛性变得困难

ANSYS非线形分析指南接触分析般的接触分类接触问题分为两种基本类型:刚体一柔体的接触,半柔体一柔体的接触,在刚体一柔体的接触问题中,接触面的一个或多个被当作刚体,(与它接触的变形体相比,有大得多的刚度),一般情况下,一种软材料和一种硬材料接触时,问题可以被假定为刚体一柔体的接触,许多金属成形问题归为此类接触,另一类, 柔体一柔体的接触,是一种更普遍的类型,在这种情况下,两个接触体都是变形体(有近似的刚度) ANSYS接触能力 ANSYS支持三种接触方式:点一点,点一面,平面一面,每种接触方式使用的接触单元适用于某类问题。为了给接触问题建模,首先必须认识到模型中的哪些部分可能会相互接触, 如果相互作用的其中之一是一点,模型的对立应组元是一个结点。如果相互作用的其中之一是一个面,模型的对应组元是单元,例如梁单元,壳单元或实体单元, 有限元模型通过指定的接触单元来识别可能的接触匹对,接触单元是覆盖在分析模型接触面之上的一层单元,至于 ANSTS使用的接触单元和使用它们的过程,下面分类详述点一点接触单元点一点接触单元主要用于模拟点一点的接触行为,为了使用点一点的接触单元,你需要预先知道接触位置,这类接触问题只能适用于接触面之间有较小相对滑动的情况(即使在几何非线性情况下) 如果两个面上的结点一一对应,相对滑动又以忽略不计,两个面挠度(转动) 保持小量,那么可以用点一点的接触单元来求解面一面的接触问题,过盈装配问题是一个用点一点的接触单元来模拟面一与的接触问题的典型例子点一面接触单元点一面接触单元主要用于给点一面的接触行为建模,例如两根梁的相互接如果通过一组结点来定义接触面,生成多个单元,那么可以通过点一面的接触单元来模拟面一面的接触问题,面即可以是刚性体也可以是柔性体,这类接触问题的一个典型例子是插头到插座里。第2页

ANSYS 非线形分析指南接触分析第2页一般的接触分类接触问题分为两种基本类型：刚体─柔体的接触，半柔体─柔体的接触，在刚体─柔体的接触问题中，接触面的一个或多个被当作刚体，（与它接触的变形体相比，有大得多的刚度），一般情况下，一种软材料和一种硬材料接触时，问题可以被假定为刚体─柔体的接触，许多金属成形问题归为此类接触，另一类，柔体─柔体的接触，是一种更普遍的类型，在这种情况下，两个接触体都是变形体（有近似的刚度）。 ANSYS 接触能力 ANSYS 支持三种接触方式：点─点，点─面，平面─面，每种接触方式使用的接触单元适用于某类问题。为了给接触问题建模，首先必须认识到模型中的哪些部分可能会相互接触，如果相互作用的其中之一是一点，模型的对立应组元是一个结点。如果相互作用的其中之一是一个面，模型的对应组元是单元，例如梁单元，壳单元或实体单元，有限元模型通过指定的接触单元来识别可能的接触匹对，接触单元是覆盖在分析模型接触面之上的一层单元，至于 ANSTS 使用的接触单元和使用它们的过程，下面分类详述。点─点接触单元点─点接触单元主要用于模拟点─点的接触行为，为了使用点─点的接触单元，你需要预先知道接触位置，这类接触问题只能适用于接触面之间有较小相对滑动的情况（即使在几何非线性情况下）如果两个面上的结点一一对应，相对滑动又以忽略不计，两个面挠度（转动）保持小量，那么可以用点─点的接触单元来求解面─面的接触问题，过盈装配问题是一个用点─点的接触单元来模拟面─与的接触问题的典型例子。点─面接触单元点─面接触单元主要用于给点─面的接触行为建模，例如两根梁的相互接触。如果通过一组结点来定义接触面，生成多个单元，那么可以通过点─面的接触单元来模拟面─面的接触问题，面即可以是刚性体也可以是柔性体，这类接触问题的一个典型例子是插头到插座里

ANSYS 非线形分析指南接触分析第3页使用这类接触单元，不需要预先知道确切的接触位置，接触面之间也不需要保持一致的网格，并且允许有大的变形和大的相对滑动。 Contact48 和 Contact49 都是点─面的接触单元，Contact26 用来模拟柔性点 ─刚性面的接触，对有不连续的刚性面的问题，不推荐采用 Contact26 因为可能导致接触的丢失，在这种情况下，Contact48 通过使用伪单元算法能提供较好的建模能力。面─面的接触单元 ANSYS 支持刚体─柔体的面─面的接触单元，刚性面被当作“目标”面，分别用 Targe169 和 Targe170 来模拟 2─D 和 3—D 的“目标”面，柔性体的表面被当作“接触”面，用 Conta171,Conta172,Conta173,Conta174 来模拟。一个目标单元和一个接单元叫作一个“接触对”程序通过一个共享的实常号来识别“接触对”，为了建立一个“接触对”给目标单元和接触单元指定相同的实常的号。与点─面接触单元相比，面─面接触单元有好几项优点， ·支持低阶和高阶单元 ·支持有大滑动和摩擦的大变形，协调刚度阵计算，单元提法不对称刚度阵的选项。 ·提供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，需要较多的接触单元，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 ·渐变初始渗透 ·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

ANSYS非线形分析指南接触分析踪变形阶段的运动,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形,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:定义刚性目标面刚性目标面可能是2D的或3一D的。在2一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3一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 TAPGE70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(Piot) 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plot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“plot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 plot结点” 基本原型你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。但你可以给每个基本原型指定它自己的实常的号。第5页

ANSYS 非线形分析指南接触分析第5页踪变形阶段的运动，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形，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：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” 基本原型你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。但你可以给每个基本原型指定它自己的实常的号

ANSYS非线形分析指南接触分析 GUI: main menu>preprocessor>-meshling-mesh>-Ares-Target Surf 建模和网格划分的注意点: 一个目标面可能由两个或多个面断的区域组成,你应该尽可能地通过定义多个目标面来使接触区域局部比(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。如果刚性面有一个实的凸角,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比,或者在曲率突然变化的区域使用更细的网格。注意: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基本原型段。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2一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3一—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,显示单元坐标系命令:/ PSYMS,ESYS,1 GUI: Utility menu>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。命令: ESURF,,REVE GUI: main menu>preprocessor>create>Element>on free surf 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

ANSYS 非线形分析指南接触分析第8页 GUI：main menu>preprocessor>-meshling-mesh>-Ares-Target Surf 建模和网格划分的注意点：一个目标面可能由两个或多个面断的区域组成，你应该尽可能地通过定义多个目标面来使接触区域局部比（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。如果刚性面有一个实的凸角，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比，或者在曲率突然变化的区域使用更细的网格。注意：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基本原型段。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，显示单元坐标系命令：/PSYMS，ESYS，1 GUI：Utility menu>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。命令：ESURF，，REVE GUI：main menu>preprocossor>create>Element>on free surf 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

ANSYS非线形分析指南接触分析与目标面单元一样,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:这是一种2—D,2个结点的低附线单元,可能位于2—D实体, 壳或梁单元的表面 CONTA172:这是一个2一D的,3结点的高阶抛物线形单元,可能位于有中结点的2一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,它可能褪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,它可能褪化成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。命令:ET GUI: main menu>preprocessor> Element type> 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 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,如果你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第9页

ANSYS 非线形分析指南接触分析第9页与目标面单元一样，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：这是一种 2─D，2 个结点的低附线单元，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，它可能褪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，它可能褪化成 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。命令：ET GUI：main menu>preprocessor>Element type>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，如果你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