ANSYS接触单元说明.doc
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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＝0
Keyopt的介绍，以Target170,Conta173为例：
首先介绍170的Keyopt
KEYOPT（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SolutionControl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>UnabridgedMenu>LoadStepOpts>SolutionCtrl
＝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《ANSYSModelingandMeshingGuide》中的§12，CouplingandConstraintEquations。
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-DYNAUser"sGuide》。
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。
5.3ANSYS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《ANSYSElementsReference》和《ANSYSTheoryReference》。
表5-1ANSYS接触分析功能
点-点
点-面
面
-面
CONTAC12
CONTAC
52
CONTA
178
CONTAC
26
CONTAC
48
CONTAC
49
CONTAC171,172TARGET169
CONTAC173,174TARGET170
点-点
Y
Y
Y
点-面
Y
Y
Y
面-面
Y
Y
Y
Y
2-D
Y
Y
Y
Y
Y
Y
3-D
Y
Y
Y
Y
滑动
小
小
小
大
大
大
大
大
曲面
Y
Y
圆柱间隙
Y
Y
纯Lagrange乘子
Y
增加Lagrange乘子
Y
Y
Y
Y
Y
接触刚度
用户定义
半自动
用户定义
用户定义
用户定义
半自动
半自动
自动网格工具
EINTF
EINTF
None
GCGEN
GCGEN
ESURF
ESURF
低阶
Y
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