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。