Ansys非線性接觸分析和設(shè)置

Ansys非線性接觸分析和設(shè)置5.4.9設(shè)置實常數(shù)和單元關(guān)鍵選項程序使用20個實常數(shù)和數(shù)個單元關(guān)鍵選項，來控制面─面接觸單元的接觸。參見《ANSYSElementsReference》中對接觸單元的描述。5.4.9.1實常數(shù)在20個實常數(shù)中，兩個(R1和R2)用來定義目標面單元的幾何形狀。剩下的用來控制接觸面單元。\R1和R2

定義目標單元幾何形狀。FKN

定義法向接觸剛度因子。FTOLN

是基于單元厚度的一個系數(shù)，用于計算允許的穿透。ICONT

定義初始閉合因子。PINB

定義“Pinball"區(qū)域。PMIN和PMAX

定義初始穿透的容許范圍。CNOF

指定施加于接觸面的正或負的偏移值。FKOP

指定在接觸分開時施加的剛度系數(shù)。FKT

指定切向接觸剛度。COHE

制定滑動抗力粘聚力。FACT

靜摩擦系數(shù)和動摩擦系數(shù)的比率。DC

靜、動摩擦衰減系數(shù)。TAUMAR

指定最大的接觸摩擦。TCC

指定熱接觸傳導系數(shù)。FHTG

指定摩擦耗散能量的熱轉(zhuǎn)換率。SBCT

指定Stefan-Boltzman常數(shù)。RDVF

指定輻射觀察系數(shù)。FWGT

指定在接觸面和目標面之間熱分布的權(quán)重系數(shù)。命令：RGUI：mainmenu>preprocessor>realconstant對實常數(shù)FKN,FTOLN,ICONT,PINB,PMAX,PMIN,FKOP和FKT，用戶既可以定義一個正值，也可以定義一個負值。程序?qū)⒄底鳛楸壤蜃?，將負值作為絕對值。程序?qū)⑾路鼏卧暮穸茸鳛镮CON，F(xiàn)TOLN，PINB，PMAX和PMIN的參考值。例如ICON=0.1表明初始閉合因子是“0.1*下層單元的厚度”。然而，ICON=-0.1則表示真實調(diào)整帶是0.1單位。如果下伏單元是超單元，則將接觸單元的最小長度作為厚度。參見圖5-8。圖5-8下層單元的厚度在模型中，如果單元尺寸變化很大，而且在實常數(shù)如ICONT,FTOLN,PINB,PMAX,PMIN中應(yīng)用比例系數(shù)，則可能會出現(xiàn)問題。因為從比例系數(shù)得到的實際結(jié)果，取決于下層單元的厚度，這就可能引起大、小單元之間的重大變化。如果出現(xiàn)這一問題，請用絕對值代替比例系數(shù)。TCC,FHTG,SBCT,RDVF和FWGT僅用于熱接觸分析[KEYOPT(1)=1]。5.4.9.2單元關(guān)鍵選項每種接觸單元都包括數(shù)個關(guān)鍵選項。對大多的接觸問題，缺省的關(guān)鍵選項是下面是可以控制接合適的。而在某些情況下，可能需要改變?nèi)笔≈?。觸行為的一些關(guān)鍵選項：自由度

KEYOPT(1)接觸算法(罰函數(shù)+拉格朗日乘子或罰函數(shù))

KEYOPT(2)存在超單元時的應(yīng)力狀態(tài)(僅2D)

KEYOPT(3)接觸檢測點的位置(僅低階接觸單元)

KEYOPT(4)CNOF自動調(diào)整

KEYOPT(5)時間步控制

KEYOPT(7)偽接觸預(yù)防

KEYOPT(8)初始穿透或間隙的影響

KEYOPT(9)法向和切向接觸剛度修正方法控制

KEYOPT(10)殼的厚度影響

KEYOPT(11)接觸面行為(粗糙、綁定等)KEYOPT(12)命令：KEYOPTETGUI：mainmenu>preprocessor>ElemantType>Add/Edit/Delete5.4.9.3選擇接觸算法key2對面─面接觸單元，程序可以使用增進的拉格朗日方法或罰函數(shù)方法。通過單元關(guān)鍵字KEYOPT(2)來指定。增進的拉格朗日方法是為了找到精確的拉格朗日乘子（即接觸力），而對罰函數(shù)進行一系列修正迭代。與罰函數(shù)的方法相比，拉格朗日方法容易得到良態(tài)條件，對接觸剛度的敏感性較小。然而，在有些分析中，增進的拉格朗日方法可能需要更多的迭代，特別是在變形后網(wǎng)格變得太扭曲時。使用拉格朗日方法的同時應(yīng)使用實常數(shù)FTOLN。FTOLN為拉格朗日方法指定容許的最大穿透。如果程序發(fā)現(xiàn)穿透大于此值時，即使不平衡力和位移增量已經(jīng)滿足了收斂準則，總的求解仍被當作不收斂處理。FTLON的缺省值為0.1。用戶可以改變這個值，但要注意，如果此值太小，可能會造成太多的迭代次數(shù)或者不收斂。5.4.9.4確定接觸剛度所有的接觸問題都需要定義接觸剛度，兩個表面之間穿透量的大小取決于接觸剛度。過大的接觸剛度可能會引起總剛矩陣的病態(tài)，從而造成收斂困難。一般來說，應(yīng)該選取足夠大的接觸剛度以保證接觸穿透小到可以接受，但同時又應(yīng)該讓接觸剛度足夠小以不致引起總剛矩陣的病態(tài)而保證收斂性。ANSYS程序根據(jù)下伏柔體單元的材料特性，來估計一個缺省的接觸剛度值。用戶可用實常數(shù)FKN來為接觸剛度指定一個比例因子或指定一個絕對值。比例因子一般在0.01和10之間；對于大變形問題，選1是比較好的；而對于彎曲為主的問題，通常為0.01～0.1。用戶應(yīng)當總是檢驗以使穿透到達極小值，而又避免過多的迭代次數(shù)。注意--FTOLN和FKN從一個荷載步到另一個荷載步中，都可以修改。也可以在重啟動中修改。這時，必須定義KEYOPT(10)=1,2。為了確定一個較好的接觸剛度值，可能需要一些經(jīng)驗。用戶可以按下面的步驟來進行嘗試：1、開始時取一個較低的值。低估值要比高估值好，因為由一個較低的接觸剛度導致的穿透問題，比過高的接觸剛度導致的收斂性困難，要容易解決。2、對前幾個子步進行計算分析，直到最終荷載的一個比例(剛好完全建立接觸)。3、檢查每一子步中的穿透量和平衡迭代次數(shù)。如果總體收斂困難是由過大的穿透引起的(而不是由不平衡力和位移增量引起的)，那么可能低估了FKN的值，或者是將FTOLN的值取得大小。如果總體的收斂困難是由于不平衡力和位移增量達到收斂值時需要過多的迭代次數(shù)，而不是由于過大的穿透量引起的，那么FKN的值可能被高估。4、按需要調(diào)整FKN或FTOLN的值，重新進行完整的分析。注意--如果穿透控制變成總體平衡迭代中的主因(如果為使問題收斂到穿透容差內(nèi)，比收斂到不平衡力的容差內(nèi)，需要更多的迭代)，用戶應(yīng)該增大FTOLN值，以允許更多的穿透，或減小FKN。5.4.9.5選擇摩擦類型在基本的庫侖摩擦模型中，兩個接觸面在開始相互滑動之前，在它們的界面上會有達到某一大小的剪應(yīng)力產(chǎn)生。這種狀態(tài)稱為粘合狀態(tài)(stick)。庫侖摩擦模型定義了一個，在某一法向壓應(yīng)力p作用下剪應(yīng)力達到此值時表面開始滑動(τ=μp+COHE，其中μ是摩擦系數(shù)--MU--作為材料特性定義，而COHE是粘聚力)。一旦剪應(yīng)力超過此值后，兩個表面之間將開始相互滑動。這種狀態(tài)，叫作滑動狀態(tài)(Sliding)。粘合/滑動計算決定什么時候一個點從粘合狀態(tài)到滑動狀態(tài)，或從滑動狀態(tài)變到粘合狀態(tài)。摩擦系數(shù)可以是任一非負值，程序缺省值為表面之間無摩擦。對于粗糙或綁定接觸(KEYOPT(12)=1、3、5、6)，程序?qū)⒉还芙o定的MU值而認為摩擦阻力無限大。程序提供了一個人為指定最大等效剪應(yīng)力的選項，不管接觸壓力值的大小，如果等效剪應(yīng)力達到此值時，即發(fā)生滑動，見圖5-9。為了指定接觸界面上最大容許剪應(yīng)力，設(shè)置常數(shù)TAUMAX(缺省為1.0E20)。這個剪應(yīng)力極限，通常用于在接觸壓力非常大的時候(如在某些加工過程中)的一些情況，以至于用庫侖理論計算出的界面剪應(yīng)力超過了材料的屈服極限。TAUMAX的一個合理上限估值為是表面附近材料的vonMises屈服應(yīng)力)。經(jīng)驗數(shù)據(jù)有助于決定TAUMAX的值。圖5-9摩擦模式5.4.9.5.1

靜、動摩擦系數(shù)摩擦系數(shù)依賴于接觸面的相對滑動速度，通常靜摩擦系數(shù)高于動摩擦系數(shù)。ANSYS提供了如下表示的指數(shù)衰減摩擦模型：μ=MU×(1+(FACT-1)exp(-DC×Vrel)其中：

μ為摩擦系數(shù)。

MU動摩擦系數(shù)，用MP命令輸入。

FACT是靜摩擦系數(shù)與動摩擦系數(shù)之比，缺省為最小值1.0。

DC為衰減系數(shù)，缺省為0.0，單位為time/length。因此，時間在靜態(tài)分析中有一些意義。

Vrel是ANSYS計算的滑動速度。如果知道靜、動摩擦系數(shù)和至少一個數(shù)據(jù)點（μ1，Vrel），則可以確定摩擦衰減系數(shù)為：

如果不指定衰減系數(shù)，且FACT大于1.0，當接觸進入滑動狀態(tài)時，摩擦系數(shù)會從靜摩擦系數(shù)突變到動摩擦系數(shù)，這種行為類似于CONTAC46和CONTAC49單元所用的動摩擦模型，因為這會導致收斂困難，所以不建議采用。5.4.9.5.2

對稱、不對稱求解器對無摩擦、粗糙和綁定接觸，接觸單元剛度矩陣是對稱的。而涉及到摩擦的接觸問題產(chǎn)生一個不對稱的剛度。在每次迭代使用不對稱的求解器，比對稱的求解器需要更多的計算時間。因此ANSYS程序采用對稱化算法。通過采用這種算法大多數(shù)摩擦接觸問題，能夠使用對稱系統(tǒng)的求解器來求解。如果摩擦應(yīng)力在整個位移場內(nèi)有相當大的影響，并且摩擦應(yīng)力的大小高度依賴于求解過程，則對剛度陣的任何對稱近似都可能導致收斂性降低。在這種情況下，選擇不對稱求解選項(NROPT,UNSYM)來改善收斂性。5.4.9.6選擇接觸檢查的位置接觸檢查點位于接觸單元的積分點上。在積分點上，接觸單元不穿透進入目標面。然而，目標面能穿透進入接觸面。見圖5-10。圖5-10接觸檢查點位于高斯積分點上圖5-11接觸檢查點位于節(jié)點上ANSYS面─面接觸單元使用高斯積分點作為缺省值，高斯積分點通常會比Newton-Cotes/Lobatto節(jié)點積分方案產(chǎn)生更精確的結(jié)果，Newton-cotes/Lobatto用節(jié)點本身作為積分點。通過KEYOPT(4)來選擇用戶想使用的方法。這一選項僅適用于低階接觸(CONTAC171和CONTAC173)。然而，使用節(jié)點本身作為積分點僅應(yīng)該用于角接觸問題(看圖5-11)。注意，使用節(jié)點作為接觸檢查點可能會導致其它收斂性問題，例如“滑脫”(節(jié)點滑出目標面的邊界)，見圖5-12。對大多數(shù)的點─面的接觸問題，我們推薦使用其它的點─面的接觸單元，例如CONTAC26、CONTAC48和CONTAC49。見本書§5.5。圖5-12節(jié)點滑脫5.4.9.7調(diào)整初始接觸條件在動態(tài)分析中，剛體運動一般不會引起問題。然而在靜力分析中，當物體沒有足夠的約束時會產(chǎn)生剛體運動，有可能引起錯誤而終止計算。在僅僅通過接觸的出現(xiàn)來約束剛體運動時，必須保證在初始幾何體中，接觸對是接觸的。換句話說，用戶要建立模型以便接觸對是“剛好接觸”的。然而這樣做，可能會遇到以下問題：

剛體外形常常是復(fù)雜的，很難決定第一個接觸點發(fā)生在哪兒。

既使實體模型在初始時處于接觸狀態(tài)，在網(wǎng)格劃分后由于數(shù)值舍入誤差，兩個面的單元網(wǎng)格之間也可能會產(chǎn)生小縫隙。

接觸單元的積分點和目標單元之間可能有小縫隙。同理，在目標面和接觸面之間可能發(fā)生過大的初始穿透。在這種情況下，接觸單元可能會高估接觸力，導致不收斂或接觸面之間脫開接觸關(guān)系。定義初始接觸也許是建立接觸分析模型時最重要的方面。因此，程序提供了幾種方法來調(diào)整接觸對的初始接觸條件。注意：下面的技巧可以在開始分析時獨立執(zhí)行，或幾個聯(lián)合起來執(zhí)行。它們是為了消除由于生成網(wǎng)格造成的數(shù)值舍入誤差而引起的小間隙或穿透，而不是為了改正網(wǎng)格或幾何數(shù)據(jù)的錯誤。1、應(yīng)用實常數(shù)CNOF來指定一個接觸面偏移。指定正的值來使整個接觸面偏向目標面。指定負的值來使接觸面離開目標面。ANSYS能夠自動提供CNOF值到剛好閉合間隙或減少初始穿透。如下設(shè)置KEYOPT(5)：=1:閉合間隙；=2:減少初始穿透；=3:閉合間隙或減少初始穿透。如果設(shè)置了KEYOPT(5)>0，則ICONT缺省值為0。2、使用實常數(shù)ICONT來指定一個小的初始接觸環(huán)，初始接觸環(huán)是指沿著目標面的“調(diào)整環(huán)”的深度。如果沒有人為指定ICONT的值，程序會根據(jù)幾何尺寸來給ICONT提供一個小值(但有意義的值)，同時輸出一個表示什么值被指定的警告信息。ICONT正值表示相對于下層單元厚度的比例因子；負值表示接觸環(huán)的絕對值。任何落在“調(diào)整環(huán)”域內(nèi)的接觸檢查點被自動移到目標面上，(參見圖5-13a)。建議使用一個十分小的ICONT值，否則可能會發(fā)生嚴重不連續(xù)(看圖5-13b)圖5-13用ICON進行接觸面的調(diào)整。(a)調(diào)整前;(b)調(diào)整后CNOF與ICONT之間的差別，是前者把整個接觸面移動CNOF的距離，而后者把所有初始分開的(剛好位于調(diào)整環(huán)ICONT內(nèi)的)接觸點向目標面移動。如果用戶應(yīng)用其他方法來平衡初始未約束的自由體(如FTOLN,PINB,PMAX和PMIN)，基本上消除ICONT的影響(把它關(guān)聯(lián)一個很小的值，如1E-20)，是一個好辦法。但是，設(shè)置ICONT=0，并不會關(guān)閉它。而是導致ANSYS用缺省值代替。當與其他約束自由體的方法聯(lián)用時，這反過來可能不能達到效果。3、使用實常數(shù)PMIN和PMAX來指定初始容許的穿透范圍。當指定PMAX或PMIN后，在開始分析時，程序會將目標面移到初始接觸狀態(tài)，見圖5-14。如果初始穿透大于PMAX，程序會調(diào)整目標面來減少穿透。接觸狀態(tài)的初始調(diào)節(jié)僅僅通過平移來實現(xiàn)。對給定載荷或給定位移的剛性目標面，將會執(zhí)行初始接觸狀態(tài)的初始調(diào)節(jié)。對沒有指定邊界條件的目標面，也同樣可以進行初始接觸的調(diào)整。當目標面上的所有節(jié)點，有給定的零位移值時，使用PMAX和PMIN的初始調(diào)節(jié)將不會被執(zhí)行。圖5-14接觸面調(diào)整(PMIN，PMAX)注意--ANSYS程序獨立地處理目標面上節(jié)點的自由度。例如：如果用戶指定自由度UX值為“0”，那么沿著X方向就沒有初始調(diào)整。然而，在Y和Z方向仍然會激活PMAX和PMIN選項。初始狀態(tài)調(diào)整是一個迭代過程，程序最多進行20次迭代。如果目標面不能進入可接受的穿透范圍(即PMIN，PMAX范圍)，程序?qū)⒃谠紟缀螌嶓w上操作。這時程序會給出一個警告信息，用戶可能需要調(diào)整用戶的初始幾何模型。圖5-15給出了一個初始接觸調(diào)整迭代失敗的例子。目標面的UY被約束。因此，初始接觸唯一容許的調(diào)整是在X方向，然而，在這個問題中，剛性目標面在X方向的任何運動都不會引起初始接觸。對于柔體-柔體接觸，這種方法不僅移動整個目標面，還同時移動與目標面相連的整個柔體。請確保沒有其他接觸面或目標面與柔體相連。圖5-15一個初始調(diào)整失敗的例子4、設(shè)置KEYOPT(9)=1來調(diào)整初始穿透或間隙，見圖5-16。圖5-16忽略初始穿透，KEYOPT(9)=1真正的初始穿透包括兩部分：

幾何模型產(chǎn)生的穿透或間隙；

用戶定義的接觸面偏移(CNOF)產(chǎn)生的穿透或間隙；KEYOPT(9)提供下列功能：

包括由幾何和接觸面偏移產(chǎn)生的初始穿透，設(shè)置KEYOPT(9)=0。這是缺省。

忽略上面兩者引起的初始穿透，設(shè)置KEYOPT(9)=1。在KEYOPT(12)=4或5時，這一KEYOPT(9)=1，也將忽略間隙彈簧的初始力，這樣，建立了一個初始的“理想的”接觸面--在接觸截面上沒有初始力的作用。

為了包括定義的接觸面偏移(CNOF)，但忽略由于幾何模型引起的初始穿透，設(shè)置KEYOPT(9)=3。在KEYOPT(12)=4或5時，這一KEYOPT(9)=3，也將忽略打開間隙彈簧的初始力，這樣，建立了一個初始的“理想的”接觸面--在接觸截面上沒有初始力的作用。在某些情況下，例如過盈裝配問題，期望有過度的穿透。如在第一個載荷步施加階躍初始穿透，可能造成收斂困難。為了緩解收斂性困難，在第一個載荷步中設(shè)置漸變的初始穿透來克服。見圖5-17。下面的KEYOPT(9)設(shè)置用來提供漸變功能：

設(shè)置KEYOPT(9)=2，來漸變施加初始穿透(CNOF+由于幾何模型造成的偏移)。

設(shè)置KEYOPT(9)=4，來漸變施加接觸面穿透，但忽略由于幾何模型造成的穿透。對于上面兩個KEYOPT(9)設(shè)置，用戶還應(yīng)該設(shè)置KBC,0，并在第一個載荷步中不要給定任何其它外載荷。還要確保球形（Pinball）區(qū)域足夠大以捕捉到初始過盈。用戶可以聯(lián)合應(yīng)用上面的技術(shù)。例如，用戶可能希望設(shè)置十分精確的初始滲透或間隙，但有限元節(jié)點的初始坐標可能無法提供足夠的精度。這時，可以：

應(yīng)用ICONT來移動初始張開的接觸點剛好碰到目標面。

應(yīng)用CNOF來指定穿透（正值）或間隙(負值)。

應(yīng)用KEYOPT(9)=3來在第一個子步求解初始穿透，或應(yīng)用KEYOPT(9)=4來逐漸求解初始穿透。圖5-17漸變初始過盈在開始分析時，程序會給出每個目標面的初始接觸狀態(tài)的輸出信息(輸出窗口或輸出文件中)，這個信息有助于決定每個目標面的最大穿透或最小間隙。對于給定的目標面，如果沒有發(fā)現(xiàn)接觸，可能是目標面離接觸面太遠(超出了球形區(qū)域)，或者是接觸/目標單元已經(jīng)被殺死。5.4.9.8決定接觸狀態(tài)和球形區(qū)域。接觸單元相對于其目標面的運動和位置，決定了接觸單元的狀態(tài)；程序檢測每個接觸單元，并給出一種狀態(tài)：

STAT=0未閉合的遠場接觸

STAT=1未閉合的近場接觸

STAT=2滑動接觸

STAT=3粘合接觸當目標面進入球形區(qū)域后，接觸單元就被當作未閉合的近場接觸，球形區(qū)域是以接觸單元的積分點為中心的。使用實常數(shù)PINB來為球形區(qū)域指定一個比例因子(正值)，或其絕對值(負值)。缺省時，程序?qū)⑶蛐螀^(qū)域定義為一個以“4*下層單元厚度(對于剛體-柔體接觸)”或“2*下層單元厚度(對于柔體-柔體接觸)”為半徑的圓(對2-D問題)或球(對3-D問題)。檢查接觸的計算時間依賴于球形區(qū)域的大小，遠場接觸單元計算簡單，計算時間較少。近場接觸計算(對于接近接觸或?qū)嶋H接觸的接觸單元)較慢并且較復(fù)雜。當單元已經(jīng)接觸時，計算最為復(fù)雜。如果剛性面有好幾個凸形區(qū)域，為了克服偽接觸定義，設(shè)置一個合適的球形區(qū)域是有用的。而對大多數(shù)問題，缺省值是合適的。5.4.9.9在自接觸問題中避免偽接觸在一些對稱接觸問題(包含自接觸)中，ANSYS可能錯誤地假設(shè)在十分接近的幾何位置上的接觸面和目標面之間的接觸。在自接觸問題的角點會發(fā)生這一問題。它可能是由單元的初始幾何位置引起的，也可能在分析時通過變形而引起的。在二個面位于球形區(qū)域內(nèi)，而且它們之間夾角小于90度時，會產(chǎn)生這一問題。在這種情況下，ANSYS程序認為發(fā)生了十分大的穿透。圖5-18說明了這種情況。圖5-18檢測偽接觸用戶可以通過單元CONTA171－CONTA174的KEOPT(8)=1，來防止ANSYS程序考慮這一問題。當應(yīng)用這個KEYOPT時，ANSYS將忽略在如下情況下產(chǎn)生的“過度穿透”接觸：

初始檢測到的穿透大于接觸容差(FTOLN)的20%。見圖5-18a。

接觸狀態(tài)由圖5-18a所示的遠離接觸突然變化到圖5-18b所示的過度穿透。如果KEYOPT(8)激活，ANSYS各個荷步中第一次檢測到偽接觸時會發(fā)出一個警告。如ANSYS在第1荷載步中發(fā)現(xiàn)這種接觸，用戶可看到如下的信息：“Contactelementxhastoomuchpenetrationrelatedtotargetelementy.Weassumeit(maybemoreelements)isspuriouscontact.”如果ANSYS檢測到歸類為偽接觸的突變，用戶看到如下信息：“Contactelementxstatuschangedabruptlywithtargetelementy.Weassumeit(maybemoreelements)isspuriouscontact.”ANSYS在一個荷載步中僅發(fā)出一次這樣的信息。在該荷載步中如果還存在其他的偽接觸，ANSYS不再提醒。注意--在應(yīng)用KEYOPT(8)=1之前，請認真檢查模型。ANSYS將忽略符合了過度穿透準則的真正接觸。這一技術(shù)應(yīng)當僅用于在改變球形區(qū)域PINB不能阻止偽接觸的情況。5.4.9.10修正法向和切向接觸剛度在分析過程中，可以修正法向和切向接觸剛度?？梢宰詣有拚?由于改變下伏單元剛度的大應(yīng)變效應(yīng)產(chǎn)生)，也可以顯式地修正(由用戶重新指定FKN或FKT值)。KEYOPT(10)控制法向和切向接觸剛度如何修正：

KEYOPT(10)=0，禁止那些已經(jīng)處于“閉合”狀態(tài)的單元的接觸剛度修正。對于從“張開”變化到“閉合”狀態(tài)的單元，將在每一個子步上修正接觸剛度。

KEYOPT(10)=1，允許已處于“閉合”狀態(tài)的單元的接觸剛度，在荷載步之間或在重啟動期間改變。對于從“張開”變化到“閉合”狀態(tài)的單元，將在每一個子步上修正接觸剛度。

KEYOPT(10)=2與KEYOPT(10)=1相同，只是對所有單元(不論其狀態(tài))將在每一個子步上，由程序決定自動修正。5.4.9.11選擇表面作用模式面-面接觸單元支持法向單向接觸模式及其他力學表面作用模式。通過設(shè)置KEYOPT(12)來選擇下面的某種作用模式：

KEYOPT(12)=0，法向單向接觸，即在接觸分開時，法向壓力等于0。

KEYOPT(12)=1，理想粗糙接觸，用來模擬無滑動的，表面完全粗糙的摩擦接觸問題，這種設(shè)置對應(yīng)于摩擦系數(shù)無限大，因此用戶定義的摩擦系數(shù)(MU)被忽略。

KEYOPT(12)=2，“不分離”接觸，接觸面和目標面一旦接觸，在其后的分析中就連在一起(雖然允許有相對滑動)。

KEYOPT(12)=3，綁定接觸模式，目標面和接觸面一旦接觸，隨后就在所有方向上綁定。

KEYOPT(12)=4，不分離接觸，其中的接觸積分點，或初始在球形區(qū)域內(nèi)，或一旦接觸，就總是與目標面沿接觸面的法向連在一起，但允許滑動。調(diào)整FKOP(見下)，可用“軟彈簧”把這些區(qū)域聯(lián)系在一起。

KEYOPT(12)=5，綁定接觸模式，其中接觸積分點，或者初始在球形區(qū)域內(nèi)，或者一旦接觸，就總是與目標面沿接觸面的法向和切向綁定在一起。

KEYOPT(12)=6，綁定接觸模式，其中初始接觸的接觸積分點保持與目標面接觸，而初始處于打開狀態(tài)的接觸積分點，在整個分析期間保持打開狀態(tài)。這個選項與在初始接觸的區(qū)域應(yīng)用CEINTF類似。對于模擬不分離或綁定接觸，用戶可能需要設(shè)置FKOP實常數(shù)。這在接觸張開時，提供一個剛度系數(shù)。如果FKOP為正值，則真正的接觸張開剛度等于FKOP乘以接觸閉合時施加的剛度。如果FKOP為負值，該值作為接觸張開剛度的絕對值。缺省的FKOP值為1。不分離或綁定接觸，在接觸發(fā)生張開時，產(chǎn)生"回拉"力，這個力可能不足以阻止分離。為了減小分離，定義一個較大的FKOP值。在有些時候，希望接觸面分離，但需要在接觸面之間建立聯(lián)系來阻止剛體運動，在這種情況下，可以指定較小的FKOP值，以使接觸面之間保持聯(lián)系(這是"軟彈簧"效應(yīng))。5.4.9.12用超單元建立接觸模型面一面的接觸單元能模擬剛體(或一個線彈性體)和另一個有小位移的線彈性體的接觸。這些線彈性體可用超單元來建模，這大大降低了進行接觸迭代的自由度數(shù)。記住任何接觸或目標節(jié)點都必須是超單元的主自由度。由于超單元僅僅由一組保留的節(jié)點自由度組成，它沒有用來定義接觸面和目標面的幾何形狀。因此，必須在形成超單元之前在原始單元表面上定義接觸面和目標面。來自超單元的信息，包括節(jié)點連結(jié)和組合剛度，但是沒有材料特性和應(yīng)力狀態(tài)(軸對稱、平面應(yīng)力或平面應(yīng)變)。一個限制是接觸單元的材料特性設(shè)置必須與形成超單元之前的原始單元的材料特性相同。使用KEYOPT(3)來提供2D接觸分析的信息。CONTA171、CONTA172單元的選項如下：

不使用超單元(KETOPT(3)=0)。

軸對稱(KEYOPT(3)=1)。

平面應(yīng)變或單位厚度的平面應(yīng)力(KEYOPT(3)=2)。

需要厚度輸入的平面應(yīng)力(KEYOPT(3)=3)。對這種情況，使用實常數(shù)R2來指定厚度。對于3D接觸分析，CONTA173，CONTA174單元的KEYOPT(3)選項忽略。ANSYS將自動檢查下伏單元是否為超單元。5.4.9.13考慮厚度影響(僅考慮節(jié)點在梁、殼單元的中面時考慮厚度影響)程序能夠用KEYOPT(11)來考慮殼(2D和3D)、梁(2D)的厚度。對于剛體-柔體接觸，ANSYS將自動移動接觸面到殼/梁的底面或頂面。對于柔體-柔體接觸，ANSYS將自動移動與殼/梁單元相連的接觸面和目標面。缺省時，程序不考慮單元厚度，用中面來表示梁和殼，而穿透距離從中面計算。當設(shè)置KFTOPI(11)=1時，則考慮梁或殼的厚度。從指定的底面或頂面來計算穿透距離。注意--僅在使用節(jié)點位于中面的殼或梁單元時（例如，KEYOPT(11)=0的SHELL91單元），用KEYOPT(11)=1來考慮厚度影響。建模時如要考慮厚度，記住偏移可能來自接觸面或目標面或兩者。在和KEYOPT(11)=1一起指定接觸偏移(CNOF)時，CNOF從殼/梁的頂面和底面計算，而不是中面。當和SHELL181一起使用時，還考慮變形過程中的厚度變化。5.4.9.14使用時間步長控制時間步長控制是一個自動時間步長特征，這個特征預(yù)測什么時間接觸單元的狀態(tài)將發(fā)生變化，或者二分當前時間步。使用KEYOPT(7)來選擇下列四種行為之一來控制時間步長。KEYOPT(7)=0時不提供控制(缺省)，KEYOPT(7)=3提供最多的控制：

KEYOPT(7)=0，無控制。時間步大小不受預(yù)測影響。當自動時間步長激活，且允許一個很小的時間步長時，這個設(shè)置對大多數(shù)情況是合適的。

KETOPT(7)=1，如果一次迭代期間產(chǎn)生太大的穿透，或者接觸狀態(tài)急劇變化，則進行時間步長二分。

KEYOPT(7)=2，對下一個子步預(yù)測一個合理的時間增量。

KETOPT(7)=3，對下一個子步，預(yù)測一個最小的時間增量。5.4.9.15使用死活單元選項面─面接觸的接觸單元和目標單元允許激活或殺死，而且也跟隨其下伏單元的死活狀態(tài)。能夠在分析的某一階段中殺死這個單元，而在以后的階段再重新激活它。這個特征對于模擬復(fù)雜的金屬成形過程是有用的，在此過程的不同分析階段，有多個剛性目標面需要和接觸面相互作用?；貜椖M常常需要在成形過程的后期移走剛性工具。這一選項不能用于“不分離”或綁定接觸。5.4.10控制剛性目標面的運動(剛體-柔體接觸)剛性目標面是在其原始構(gòu)形上定義的。而整個面的運動，通過控制節(jié)點上的給定位移來定義(如果沒有定義控制節(jié)點，則通過目標面上的不同節(jié)點來定義)。為控制整個目標面的邊界條件(和運動)，在下面任何情況下，必須使用控制節(jié)點:

目標面上作用著給定的外力。

目標面發(fā)生旋轉(zhuǎn)。

目標面和其它單元相連(例如結(jié)構(gòu)質(zhì)量單元MASS21等)。

目標面的運動有平衡條件調(diào)節(jié)?？刂乒?jié)點的自由度代表著整個剛性面的運動，包括2D中的2個平移和1個轉(zhuǎn)動自由度，或3D中的3個平移和3個轉(zhuǎn)動自由度。用戶可以在控制節(jié)點上施加邊界條件(位移、初速度)、集中載荷、轉(zhuǎn)動等等。為了考慮剛體的質(zhì)量，可在控制節(jié)點上定義一個質(zhì)量單元。當使用控制節(jié)點時，記住對目標面有如下一些限制：

每個目標面只能有一個控制節(jié)點。

ANSYS忽略除了控制外的所有節(jié)點上的邊界條件。

只有控制節(jié)點能與其它單元相連。

當定義了控制節(jié)點后，不能使用約束方程(CE)或節(jié)點耦合(CP)來控制目標面的自由度。如果要在剛性面上施加任意載荷或者約束，用戶必須定義控制節(jié)點，并在控制節(jié)點上加載。如果沒有使用控制節(jié)點，則只能有剛體運動。注意—控制節(jié)點可以是目標單元上的一個節(jié)點，或者是任意位置的節(jié)點，但不應(yīng)該是接觸單元上的節(jié)點。只有在施加了轉(zhuǎn)角或力矩時，控制節(jié)點的位置才重要。對于每一個控制節(jié)點，ANSYS將自動定義一個內(nèi)節(jié)點及一個內(nèi)部約束方程。通過內(nèi)部約束方程，控制節(jié)點的轉(zhuǎn)動自由度與內(nèi)節(jié)點的平移自由度聯(lián)系了起來。缺省時，目標單元的KEYOPT(2)=0，ANSYS對每個目標面檢查邊界條件。如果下面的條件都滿足，那么程序?qū)⒛繕嗣孀鞴潭ㄌ幚恚?/p>

在目標面節(jié)點上沒有明確定義邊界條件或給定力。

目標面上的節(jié)點沒有和其它單元相連。

沒有在目標面上的節(jié)點上使用約束方程或節(jié)點耦合。在每個載荷步的末尾，程序?qū)尫艃?nèi)部設(shè)置的約束條件。在結(jié)果文件(Jobname.RST)和數(shù)據(jù)庫(Jobname.DB)中保存的約束條件可能會由于這些改變而被修改。用戶應(yīng)當在重啟動一個分析或用交互模式重新求解之前，仔細檢查當前的約束條件是否合乎要求。如果需要，用戶可以通過在目標單元定義中設(shè)置KEYOPT(2)=1，來控制目標節(jié)點的約束條件。詳解了ANSYSAPDL軸承接觸分析命令并給出了實例本文詳解了ANSYSAPDL軸承接觸分析命令并給出了實例。finish/clear/filename,ex5-3!設(shè)定工作名/title,thecontactanalysisofBearing!設(shè)定工作標題!************************************!進入前處理模塊!************************************/prep7*set,roll_r,5.7!定義變量參數(shù)*set,inside_r1,15*set,inside_r2,18.5*set,outside_r1,29.8*set,outside_r2,33.3*set,deep,8*set,axes_r3,15.5*set,fillet_r4,1*set,axes_deep,20*set,fillet_r5,1!定義單元類型和屬性et,1,solid45!定義單元類型solid45MP,EX,1,2.06e5!定義彈性模量MP,PRXY,1,0.3!定義泊松比MP,MU,1,0.3!定義摩擦系數(shù)!建立模型sph4,,-inside_r2-roll_r,roll_r+0.9!生成軸承滾珠cyl4,,,inside_r1,-120,inside_r2,-60,deep!生成+z向的軸承內(nèi)圈cyl4,,,outside_r1,-120,outside_r2,-60,deep!生成+z向的軸承外圈cyl4,,,inside_r1,-120,inside_r2,-60,-deep!生成-z向的軸承內(nèi)圈cyl4,,,outside_r1,-120,outside_r2,-60,-deep!生成-z向的軸承外圈wpoff,0,0,-deep!偏移工作平面cyl4,,,0,-120,axes_r3,-60,-axes_deep!生成裝配軸lfillt,57,59,fillet_r4,,!生成倒角線al,57,62,59,54,61!由線生成面vrotat,32,,,,,,42,37,60,1,!旋轉(zhuǎn)面生成體vdele,6,,,1!刪除編號為6的體!lfillt,31,39,fillet_r5,,!生成倒角線al,34,39,53,31,37!由線生成面vdrag,27,,,,,,35!拖拉面生成體vdele,4,,,1!刪除編號為4的體!vgen,,7,,,,,0.27,,,1!平移編號為7的體!wpoff,0,0,deep!偏移工作平面csys,1!激活柱坐標系asel,s,loc,x,inside_r2!選擇x=inside_r2的面asel,a,loc,x,outside_r1!選擇x=ouside_r1的面vsba,1,all!體被面分割vdele,4,,,1!刪除編號為4的體vdele,8,,,1!刪除編號為8的體allsel,all!選擇全部圖元vsel,u,volu,,7!不選編號為7的體vglue,all!粘接全部的體!以下通過一些布爾操作以方便網(wǎng)格劃分wpoff,0,-inside_r2-roll_r,0!偏移工作平面vsbw,1!用工作平面分割體1wpro,,-90,!旋轉(zhuǎn)工作平面vsbw,2!用工作平面分割體2vsbw,3!用工作平面分割體3wpro,,,-90!旋轉(zhuǎn)工作平面vsbw,1!用工作平面分割體1vsbw,2!用工作平面分割體2vsbw,5!用工作平面分割體5vsbw,6!用工作平面分割體6!voffst,2,-4!沿面的法向平移面2生成體voffst,9,-4!沿面的法向平移面9生成體voffst,23,-4!沿面的法向平移面23生成體voffst,53,-4!沿面的法向平移面53生成體!voffst,3,4!沿面的法向平移面3生成體voffst,25,4!沿面的法向平移面25生成體voffst,38,4!沿面的法向平移面38生成體voffst,58,4!沿面的法向平移面58生成體!vovlap,all!對體進行搭接操作vdele,25,,,1!刪除編號為25的體及其所屬的低階圖元vdele,32,,,1!刪除編號為32的體及其所屬的低階圖元vdele,33,,,1!刪除編號為33的體及其所屬的低階圖元vdele,34,,,1!刪除編號為34的體及其所屬的低階圖元!vdele,31,,,1!刪除編號為31的體及其所屬的低階圖元vdele,35,,,1!刪除編號為35的體及其所屬的低階圖元vdele,36,,,1!刪除編號為36的體及其所屬的低階圖元vdele,37,,,1!刪除編號為37的體及其所屬的低階圖元vglue,all!對體進行粘接操作!劃分網(wǎng)格esize,2!設(shè)定網(wǎng)格單元尺寸mshape,0,3d!設(shè)定網(wǎng)格形狀為六面體單元mshkey,1!設(shè)定為映射網(wǎng)格劃分方式vsel,s,volu,,1,3,2!選擇編號為1、3的體vsel,a,volu,,4,5!同時選擇編號為4,5的體vsel,a,volu,,9!同時選擇編號為9的體vsel,a,volu,,12,14!同時選擇編號為12、13、14的體cm,sphere,volu!生成體的組件spherevmesh,all!對體進行網(wǎng)格劃分!esize,1!設(shè)定網(wǎng)格單元尺寸!vsel,inve,volu!對當前體選擇集進行反選vsel,s,volu,,6vsel,a,volu,,22,23vsel,a,volu,,26,30vsel,a,volu,,38,40vsweep,all!對體sweep網(wǎng)格劃分esize,1.5!設(shè)定網(wǎng)格單元尺寸allsel,allvsweep,8,50,49!設(shè)定源面和目標面并進行sweep網(wǎng)格劃分vsweep,7,32,37!設(shè)定源面和目標面并進行sweep網(wǎng)格劃分!!生成耦合設(shè)置cmsel,s,sphere,volu!選擇名稱為sphere的組件vgen,2,all,,,,,,,0!復(fù)制該組件cmsel,s,sphere,volu!選擇名稱為sphere的組件vclear,all!清除該組件包含圖元的網(wǎng)格vdele,all,,,1!刪除該組件包含的圖元!csys,1!激活柱坐標系asel,s,loc,x,inside_r2!選擇x=inside_r2的面asel,a,loc,x,outside_r1!同時選中x=outside_r1的面asel,u,loc,y,-90!從當前選擇集中不選y=-90的面nsla,s,1!選擇面所屬的節(jié)點nrotat,all!旋轉(zhuǎn)節(jié)點坐標系與當前激活坐標系平齊cpintf,ux!在重合節(jié)點生成自由度ux的耦合設(shè)置cpintf,uy!在重合節(jié)點生成自由度uy的耦合設(shè)置cpintf,uz!在重合節(jié)點生成自由度uz的耦合設(shè)置!!設(shè)定接觸參數(shù)/PREP7ALLSEL,ALL!選擇全部圖元/COM,CONTACTPAIRCREATION-START!接觸對設(shè)置開始/GSAV,cwz,gsav,,temp!將當前的圖形設(shè)置保存在cwz.gsav文件中!MP,MU,1,0.3!定義摩擦系數(shù)MAT,1!激活材料屬性1R,3!定義實常數(shù)3REAL,3!激活實常數(shù)3ET,2,170!定義單元類型2ET,3,174!定義單元類型3KEYOPT,3,9,0!設(shè)定單元類型3的關(guān)鍵項9KEYOPT,3,10,1!設(shè)定單元類型3的關(guān)鍵向10R,3,,,0.1,!設(shè)定法向接觸剛度為0.1!生成目標面ASEL,S,,,30!選擇編號為30的面ASEL,A,,,90!同時選中編號為90的面ASEL,A,,,98!同時選中編號為98的面ASEL,A,,,104!同時選中編號為104的面ASEL,A,,,113!同時選中編號為113的面ASEL,A,,,138!同時選中編號為138的面ASEL,A,,,143!同時選中編號為143的面CM,AREA_TARGET,AREA!生成目標面組件targetTYPE,2!激活單元類型2NSLA,S,1!選擇面所屬的節(jié)點ESLN,S,0!選擇節(jié)點依附的單元ESURF!在當前選擇的單元上覆蓋生成單元ESEL,ALL!選擇所有的單元!生成接觸面ASEL,S,,,35!選擇編號為35的面ASEL,A,,,36!同時選中編號為36的面CM,AREA_CONTACT,AREA!生成接觸面組件contactTYPE,3!激活單元類型3NSLA,S,1!選擇面所屬的節(jié)點ESLN,S,0!選擇節(jié)點依附的單元ESURF!在當前選擇的單元上覆蓋生成單元ALLSEL!選擇全部圖元ESEL,ALL!選擇全部單元ESEL,S,TYPE,,2!選擇單元類型為2的單元ESEL,A,TYPE,,3!同時選中單元類型為3的單元ESEL,R,REAL,,3!在當前選擇集中選出實常數(shù)為3的單元/PSYMB,ESYS,1!打開單元坐標系顯示/PNUM,TYPE,1!打開單元類型編號/NUM,1!打開顏色顯示EPLOT!圖形顯示單元ALLSEL,ALL!選擇全部圖元/GRES,cwz,gsav!從cwz.gsav文件中恢復(fù)圖形設(shè)置/COM,CONTACTPAIRCREATION-END!接觸對結(jié)束!**********************************!進入求解模塊!**********************************/solu!進入求解模塊csys,1!激活柱坐標系nsel,s,loc,x,outside_r2!選擇x=outside_r2的節(jié)點d,all,all!在節(jié)點上施加全部自由度約束asel,s,loc,y,-60!選擇y=-60的面asel,a,loc,y,-120!同時選中y=-120的面da,all,symm!施加對稱邊界條件!施加裝配軸的移動位移da,33,uz,2*deep!在編號為33的面上施加位移約束!非線性求解設(shè)置lnsrch,on!打開線性搜索pred,on!打開預(yù)測矯正autot,on!打開自動時間步nsubst,40,100,10!設(shè)定子步數(shù)outres,all,all!輸出所有子步上的全部數(shù)據(jù)allsel,all!選擇所有圖元solve!開始求解!**********************************!進入后處理模塊!**********************************/POST1!進入通用后處理器PLDISP,2!圖形顯示結(jié)構(gòu)變形圖/DSCALE,1,1.0!設(shè)定顯示比例為1.0/EXPAND,6,POLAR,FULL,0,60,0,,!將結(jié)果擴展到360度/REPLOT!重繪當前圖形PLNSOL,S,Z!圖形顯示z方向的應(yīng)力PLNSOL,S,EQV!圖形顯示平均等效應(yīng)力PLNSOL,CONT,PRES,0,1.0!接觸應(yīng)力等值線圖PLNSOL,CONT,STAT,0,1.0!接觸狀態(tài)等值線圖PLDI,2,ANMODE,10,0.5,,0!變形前后動畫效果FINISH!后處理模塊結(jié)束/EXIT,ALL!退出并保存全部數(shù)據(jù)命令流操作：(1)建立幾何模型/filename,bolt/title,bolt_pullinganalysis/PREP7Block,-2,2,-2,2,2.5,3.5/view,1,1,1,1/ang,1/rep,fastCylind,0.49,,2.5,3.5,0,360Vsbv,1,2Cylind,0.5,,