接触问题的计算方法Word下载.docx

1、1.罚函数法是通过接触刚度在接触力与接触而间的穿透值（接触位移）间建立 力与位移的线性关系：接触刚度*接触位移二法向接触力对而而接触单元17*,接触刚度由实常数FKN来定义。穿透值在程 序中通过分离的接触体上节点间的距离来计算。接触刚度越大，则 穿透就越小，理论上在接触刚度为无穷大时，可以实现完全的接触 状态，使穿透值等于零。但是显而易见，在程序计算中，接触刚度 不可能为无穷大（否则病态），穿透也就不可能真实达到零，而只 能是个接近于零的有限值。以上力与位移的接触关系可以很容易地合并入整个结构的平衡方程 组K*X二F中去。并不改变总刚K的大小。这种罚函数法有以下几个 问题必须解决：1）接触刚度

2、FKN应该取多大2） 接触刚度FKN取大些可以减少虚假穿透，但是会使刚度矩阵成为 病态3） 既然与实际情况不符合的虚假穿透既然是不可避免的，那么可以 允许有多大为合适因此，在ANSYS程序里，通常输入FKN实常数不是直接定义接触刚 度的数值，而是接触体下单元刚度的一个因子，这使得用户可以方 便地定义接触刚度了，一般FKN取到1中间的值。当然，在需要 时，也可以把接触刚度直接定义，FKN输入为负数，则程序将其值 理解为直接输入的接触刚度值。对于接近病态的刚度阵，不要使用迭代求解器，例如PCG等。它们 会需要更多的迭代次数，并有可能不收敛。可以使用直接法求解 器，例如稀疏求解器等。这些求解器可以有

3、效求解病态问题。穿透的大小影响结果的精度。用户可以用PLESOL,CONT?PENE来在后 处理中查看穿透的数值大小。如果使用的是罚函数法求解接触问 题，用户一般需要试用多个FKN值进行计算，可以先用一个较小的 FKN值开始计算，例如。因为较小的FKN有助于收敛，然后再逐步 增加FKN值进行一系列计算，最后得到一个满意的穿透值。FKN的收敛性要求和穿透太大产生的计算误差总会是一对矛盾。解 决此矛盾的办法是在接触算法中采用扩展拉格朗日乘子法。此方法 在接触问题的求解控制中可以有更多更灵活的控制。可以更快的实 现一个需要的穿透极限。2.拉格朗日乘子法与扩展拉格朗日乘子法拉格朗日乘子法与罚函数法不同

4、，不是采用力与位移的关系来求接 触力，而是把接触力作为一个独立自由度。因此这里不需要进行迭 代，而是在方程里直接求出接触力（接触压力）来。Kx=F+Fc on tact从而，拉格朗Fl乘子法不需要定义人为的接触刚度去满足接触面间 不可穿透的条件，可以直接实现穿透为零的真实接触条件，这是罚 函数法所不可能实现的。使用拉格朗H乘子法有下列注意事项：1） 刚度矩阵中将有零对角元，使有些求解器不克使用。只能使用直 接法求解器，例如波前法或系数求解器。而PCG之类迭代求解器是 不能用于有零主元问题的。2） 由于增加了额外的自由度，刚度阵变大了。3） 一个可能发生的严重问题，就是在接触状态发生变化时，例如

5、从 接触到分离，从分离到接触，此时接触力有个突变，产生chattering（接触状态的振动式交替改变）。如何控制这种chattering,是纯粹 拉格朗日法所难以解决的。因此，为控制chattering, ANSYS采用的是罚函数法与拉格朗日法混 合的扩展拉格朗日乘子法。在扩展拉格朗日法中，可以采用实常数 TOLN来控制最大允许穿透值。还有最大允许拉力FTOLo这两个参 数只对扩展拉格朗H乘子法有效。在扩展拉格朗H乘子法里，程序按照罚函数法开始，与纯粹拉格朗 FI法类似，用TOLN来控制最大允许穿透值。如果迭代中发现穿透 大于允许的TOLN值，（对178单元是TOLN,而对面面接触单元 171

6、-174则是FTOLN ）则将各个接触单元的接触刚度加上接触力乘以 拉格朗日乘子的数值。因此，这种扩展拉格朗日法是不停更新接触 刚度的罚函数法，这种更新不断重复，直到计算的穿透值小于允许 值为止。尽管与拉格朗H法相比，扩展拉格朗日法的穿透并不是零，与罚函 数法相比，可能迭带次数会更多。扩展拉格朗日法有下列优点：1） 较少病态，个接触单元的接触刚度取值可能更合理。2） 与罚函数法相比较少病态，与单纯的拉格朗日法相比，没有刚度 阵零对角元。因此在选择求解器上没有限制，PCG等迭代求解器都 可以应用。3） 用户可以自由控制允许的穿透值TOLNo （如果输入了 TOLN,而 使用罚函数法，则程序忽略它

7、）依我的个人理解：解的结果会随着接触刚度，穿透容忍度的不同而有所不同。但对于穿透容忍度足够小的情况下，解的结果将随接触 刚度影响不会很大。不过，在穿透容忍度小特别小的时候当然不容 易收敛。因此在穿透容忍度一定的情况下，当然是接触刚度大穿透 小的解更加准确。大家看看这个吧！我想对大家的理解可能有帮助摘自ansys中文网站用户专区。（我记得我曾经贴出过）在有限元分析中，接触单元通常用来描述两物体相互接触或滑动的 界而。近年来，ANSYS开发了一系列的接触单元。刚开始有节点对 节点单元C0NTAC12和CONTAC52,接着有节点对地单元 CONTAC26,然后有节点对面单元CONTAC48和CON

8、TAC49。最近几 年，我们引入一类而对而接触单元CONTA169和CONTA174,同时还 有一种新的节点对节点单元CONTA178o虽然接触单元的参数具有多样性，但我们在使用他们时可谨记重要 的一点，他们具有一个共同的特点，即除了 CONTA278的KEYOPT（2）二0或2外，所有的接触单元都有接触刚度。在现实中实际上 相邻结构之间只是一种空隙，但在有限元分析中，这种空隙是一带 有刚度的接触单元，这是因为通过刚度矩阵来实现接触算法的。一 些接触单元要求使用者输入刚度值，同时另外的接触单元若没有输 入则使用缺省值。分析工程师所而对的问题就是针对给定的条件确 定一个合理的刚度值。如果过高，问

9、题将会不收敛，如果过低，可 能得到错误的结果。那么我们所而对的问题是怎样才能找到一个正 确的刚度值我认为唯一的方法就是我们必须试用不同的值直到找到正确的值。 也就是刚开始我们应该使用一个较小的值，然后稳步的增加直到分 析的结果不再有什么变化。那么对于我们这一特定分析的问题，这 一点就是我们所想要的合适值。我们可举例说明，如图2所示，平行放置两个悬臂梁，并有少许的 交迭，下而的左边固支，上面的右边固支，当在上而梁的自由端施 加一个向下位移时，梁变形弯曲并接触下面的梁，然后一起向下运 动。用SOLID45单元划分梁，用TARGE170和C0NTA174面面接触单 元来描述相互作用。在此基础上，把C

10、ONTA174单元的刚度从非常 低变到非常高，从而来观察它对结果的影响和收敛的迭代次数。图 2说明了下梁自由端的偏移随接触单元刚度的变化情况，当刚度增 加时，偏移量接近一个常数值（我们可以假定它是一个“正确”的结 果。）图3说明求解所需的迭代次数，当接触单元刚度增加时，求 解所需的迭代次数也是增加的，并服从指数关系。如果刚度过高， 问题很有可能根木就不收敛。图4说明在上梁自由端接触单元的渗 透量，当刚度增加时，渗透量降低。从这些图可知，当接触单元的刚度为20e6时，可获得合理精确的结 果。任何大于该值的刚度对下梁的偏移量没有什么影响，而求解所 需的迭代数却显著的增加。对于这个题目，10e6的刚

11、度是很适合 的。但是，如果改变边界条件、网格密度、两梁之间的相对位置、 材料特性或梁的几何形状，能获得满意结果的接触刚度值将是不同 的。比如，如果网格密度增加，则接触单元数将增加，每一个单元 上的载荷将降低。如果接触单元数增加两倍，一个合适的接触单元 刚度值应为原来的一半。由于每个题目都是不一样的，所以在求解之前并没有通用的方法来 确定接触单元刚度的最佳值。我们不得不试算一个我们认为合适的 值然后查看计算结果。一个有经验的分析工程师可能只查看一个计 算结果来判定所取值的合适度，但对于大多数情况而言，最好用一 个合理而不过度精确的刚度值进行第一次求解，然后用20倍于该值 的刚度进行第二次求解，如果两者结果相差很小，而迭代数增加很 多，那么我们则正好取得了曲线上的突变点，从而获得相当好的结 果。接触单元刚度问题仅仅是一个例子，即对于分析工程师来说，总是 置疑于分析结果的正确与否是非常重要的，并要意识到数值仿真的 局限性和潜在的假设及他们怎样影响所分析问题的结果。