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ANSYS—接触单元说明

参考ANSYS的中文帮助文件接触问题(参考ANSYS的中文帮助文件)当两个分离的表面互相碰触并共切时,就称它们牌接触状态。

在一般的物理意义中,牌接触状态的表面有下列特点:1、不互相渗透;2、能够互相传递法向压力和切向摩擦力;3、通常不传递法向拉力。

接触分类:刚性体-柔性体、柔性体-柔性体实际接触体相互不穿透,因此,程序必须在这两个面间建立一种关系,防止它们在有限元分析中相互穿过。

――罚函数法。

接触刚度――lagrange乘子法,增加一个附加自由度(接触压力),来满足不穿透条件――将罚函数法和lagrange乘子法结合起来,称之为增广lagrange法。

三种接触单元:节点对节点、节点对面、面对面。

接触单元的实常数和单元选项设置:FKN:法向接触刚度。

这个值应该足够大,使接触穿透量小;同时也应该足够小,使问题没有病态矩阵。

FKN值通常在0.1~10之间,对于体积变形问题,用值1.0(默认),对弯曲问题,用值0.1。

FTOLN:最大穿透容差。

穿透超过此值将尝试新的迭代。

这是一个与接触单元下面的实体单元深度(h)相乘的比例系数,缺省为0.1。

此值太小,会引起收敛困难。

ICONT:初始接触调整带。

它能用于围绕目标面给出一个“调整带”,调整带内任何接触点都被移到目标面上;如果不给出ICONT值,ANSYS根据模型的大小提供一个较小的默认值(<0.03=PINB:指定近区域接触范围(球形区)。

当目标单元进入pinball区时,认为它处于近区域接触,pinball区是围绕接触单元接触检测点的圆(二维)或球(三维)。

可以用实常数PINB调整球形区(此方法用于初始穿透大的问题是必要的)PMIN和PMAX:初始容许穿透容差。

这两个参数指定初始穿透范围,ANSYS 把整个目标面(连同变形体)移到到由PMIN和PMAX指定的穿透范围内,而使其成为闭合接触的初始状态。

初始调整是一个迭代过程,ANSYS最多使用20个迭代步把目标面调整到PMIN和PMAX范围内,如果无法完成,给出警告,可能需要修改几何模型。

TAUMAX:接触面的最大等效剪应力。

给出这个参数在于,不管接触压力值多大,只要等效剪应力达到最大值TAUMAX,就会发生滑动。

该剪应力极限值通常用于接触压力会变得非常大的情况。

CNOF:指定接触面偏移。

+CNOF增加过盈、-CNOF减少过盈或产生间隙、CNOF能与几何穿透组合应用。

FKOP:接触张开弹簧刚度。

针对不分离或绑定接触模型,需要设置实常数FKOP,该常数为张开接触提供了一个刚度值。

FKOP阻止接触面的分离;FKOP默认为1.0,用于建立粘结模型,用一个较小值(1e-5)去建立软弹簧模型。

FKT:切向接触刚度。

作为初值,可以采用-FKT=0.01*FKN,这是大多数ANSYS 接触单元的缺省值。

COHE:粘滞力。

即没有法向压力时开始滑动的摩擦应力值。

FACT,DC:定义摩擦系数变化规律MU=MUK*(1+(FACT-1)EXP(-DC*vtfs/deltaT))式中:MUK=动摩擦系数(用户自己定义)FACT=MUS/MUK(用户自己定义)MUS=静摩擦系数DC=衰减系数(用户自己定义)Vtfs/deltaT=表面间的相对速度注意:动摩擦系数由被指定为材料属性(MU),由MP命令或GUI定义。

缺省值:FACT=1,MUS=MUK=0,DC=0Keyopt的介绍,以Target170,Conta173为例:首先介绍170的KeyoptKEYOPT(3):定义接触行为KEYOPT(1):单元阶数(是否含有中节点)KEYOPT(1)=0:低阶单元(不含中节点)KEYOPT(1)=1:高阶单元(含中节点)KEYOPT(2):刚体目标面约束条件=0时,自动约束选项,每一个载荷步的末尾,程序内部将是性面重新设置约束。

满足以下条件,刚性面则缺省为自动约束没有明确定义边界条件;目标面与其它单元没有联系;没有定义耦合或约束方程。

=1时,用户定义选项。

Conta173的Keyopt:KEYOPT(1):自由度选项。

=0时,结构:UX,UY,和UZ;=1时,结构和热;=2时,TEMP(用于纯热接触问题)KEYOPT(2):选择接触算法。

=0时,增广的拉格朗日法(缺省选项),推荐于一般应用,它对罚刚度不太敏感,但是也要求给出一个穿透容差。

=1时,罚函数法。

它推荐应用于单元非常扭曲、大摩擦系数和用增广的拉格朗日法收敛行为不好的问题。

KEYOPT(4):选择接触检查点。

=0时,高斯点(缺省选项,推荐);=1时,节点;ANSYS面对面单元默认用高斯积分点作为接触检查点。

KEYOPT(5):自动CNOF调整。

允许ANSYS基于初始状态自动给定CNOF 值――导致“刚好接触”配置。

=0时,不进行自动调整;=1时,闭合间隙;=2时,减小穿透;=3时,闭合间隙/减小穿透。

KEYOPT(7):时间步控制选项。

(只有在Solution Control中打开基于接触状态变化的时间步预测,此选项才起作用。

Solution>Unabridged Menu>Load Step Opts>Solution Ctrl=0时,不控制,不影响自动时间步长。

对静力问题自动时间步打开时此选项一般是足够的。

=1时,自动二分,如果接触状态变化明显,时间步长将二分,对于动力问题自动二分通常是足够的;=2时,合理值。

比自动细分更耗时的算法;=3时,最小值。

此选项为下一子步预测最小时间增量(很耗机时,不推荐)。

KEYOPT(8):防止伪接触选项。

=0时,不防止;=1时,检测并忽略伪接触。

KEYOPT(9):初始穿透间隙控制。

=0时,包括几何穿透/间隙和CNOF;=1时,忽略几何穿透/间隙和CNOF;=2时,包括几何穿透/间隙和CNOF,且在第一个载荷步中渐变;=3时,忽略几何穿透/间隙,包括CNOF;=4时,忽略几何穿透/间隙,包括CNOF,且在第一个载荷步中渐变。

KEYOPT(10):接触刚度更新控制。

=0,闭合状态的接触刚度不进行任何更新;=1,每一载荷步更新闭合状态的接触刚度(FKN或FKT,由用户指定);=2,与=1同,此外,在每一子步,程序自动更新接触刚度(根据变形后下伏单元的刚度)。

KEYOPT(11):壳、梁单元厚度影响。

如果已经创建了一个梁或壳单元模型,接触表面能够偏置,用于考虑梁或壳的厚度。

=0,在中面接触(默认);=1,在指定表面的顶部或底部。

注意:当用SHELL181单元时,由于大应变变形引起的厚度改变也被考虑。

KEYOPT(12):创立不同的接触表面相互作用模型。

=0,标准的接触行为,张开时法向压力为0;=1,粗糙接触行为,不发生滑动(类似无限摩擦系数);=2,不分离,允许滑动;=3,绑定接触,目标面和接触面一旦接触就粘在一起;=4,不分离接触(总是),初始位于pinball区域内或已经接触的接触检查点在法向不分离;=5,绑定接触(总是),初始位于pinball区域内或已经接触的接触检查点总是与目标面绑定在一起;=6,绑定接触(初始接触),只在初始接触的地方采用绑定,初始张开的地方保持张开。

5.1 概述接触问题是一种高度非线性行为,需要较多的计算机资源。

为了进行切实有效的计算,理解问题的物理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,在用户求解问题之前,用户通常不知道接触区域。

随载荷、材料、边界条件和其它因素的不同,表面之间可以接触或者分开,这往往在很大程度上是难以预料的,并且还可能是突然变化的。

其二,大多数的接触问题需要考虑摩擦作用,有几种摩擦定律和模型可供挑选,它们都是非线性的。

摩擦效应可能是无序的,所以摩擦使问题的收敛性成为一个难点。

注意--如果在模型中,不考虑摩擦,且物体之间的总是保持接触,则可以应用约束方程或自由度藕合来代替接触。

约束方程仅在小应变分析( NLGEOM,off)中可用。

见《ANSYS Modeling and Meshing Guide》中的§12,Coupling and Constraint Equations。

除了上面两个难点外,许多接触问题还必须涉及到多物理场影响,如接触区域的热传导、电流等。

5.1.1 显式动态接触分析能力除了本章讨论的隐式接触分析外,ANSYS还在ANSYS/LS-DYNA中提供了显式接触分析功能。

显式接触分析对于短时间接触-碰撞问题比较理想。

关于ANSYS/LS-DYNA的更多的信息参见《ANSYS/LS-DYNA User"s Guide》。

5.2 一般接触分类接触问题分为两种基本类型:刚体─柔体的接触,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,可以假定为刚体─柔体的接触,许多金属成形问题归为此类接触。

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(有相似的刚度)。

柔体─柔体接触的一个例子是栓接法兰。

5.3 ANSYS接触分析功能ANSYS支持三种接触方式:点─点,点─面,面─面接触。

每种接触方式使用不同的接触单元集,并适用于某一特定类型的问题。

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,模型的对应组元是一个节点。

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,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ANSYS使用的接触单元和使用它们的过程,后面会分类详述,然后论述ANSYS接触单元和他们的功能。

参见《ANSYS Elements Reference》和《ANSYS Theory Reference》。

表5-1 ANSYS接触分析功能5.3.1 面─面的接触单元ANSYS支持刚体─柔体和柔体─柔体的面─面的接触单元。

这些单元应用“目标”面和“接触”面来形成接触对。

分别用TARGE169或TARGE170来模拟2D和3D目标面。

用CONTA171、CONTA172、CONTA173、CONTA174来模拟接触面。

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数号。

参见§5.4。

这些面-面接触单元非常适合于过盈装配安装接触或嵌入接触,锻造,深拉问题。

与点─面接触单元相比,面─面接触单元有许多优点:支持面上的低阶和高阶单元(即角节点或有中节点的单元);支持有大滑动和摩擦的大变形。

计算一致刚度阵,可用不对称刚度阵选项;提供为工程目的需要的更好的接触结果,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,因而只需较小的磁盘空间和CPU时间,并具有高效的可视化;允许多种建模控制,例如:绑定接触,不分离接触,粗糙接触;渐变初始穿透;目标面自动移动到初始接触;平移接触面(考虑梁和单元的厚度),用户定义的接触偏移;死活能力;支持热-力耦合分析。

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