接觸分析 基本屬性設(shè)置【知識(shí)薈萃】

1、接觸屬性 基本選項(xiàng)設(shè)置,第二章,本章我們將討論以下話題: 算法 法向罰剛度及其校正策略 穿透容差 Pinball區(qū)域 表面行為 接觸探測 這些選項(xiàng)對除點(diǎn)點(diǎn)接觸外所有的接觸單元類型都適用. 點(diǎn)點(diǎn)接觸的單元的設(shè)置和分析過程較特殊，將在單獨(dú)的章節(jié)中討論.,接觸屬性基本選項(xiàng) 章節(jié)預(yù)覽,行業(yè)重點(diǎn),ANSYS如何保持接觸面的協(xié)調(diào) ? 現(xiàn)實(shí)接觸物體并不產(chǎn)生互相穿透。因此，程序必須協(xié)調(diào)兩接觸面以避免其有限元模型互相穿透。 當(dāng)程序阻止互相穿透時(shí), 我們稱之為強(qiáng)制性接觸協(xié)調(diào). ANSYS提供幾種不同的算法來實(shí)現(xiàn)接觸面間的協(xié)調(diào).,接觸屬性基本選項(xiàng)A. 算法,行業(yè)重點(diǎn),接觸屬性基本選項(xiàng)算法,罰函數(shù)法 或增強(qiáng)Lagra

2、nge 法: 上述兩方法都基于罰函數(shù)方程: 用一個(gè)彈簧施加接觸協(xié)調(diào)條件稱為罰函數(shù)法，彈簧剛度或接觸剛度稱為罰參數(shù) 。 該彈簧的變形量x滿足方程: F = k x 接觸剛度(k)越大, 接觸表面的侵入越少. 然而, 若該值太大, 會(huì)導(dǎo)致收斂困難.,行業(yè)重點(diǎn),接觸屬性基本選項(xiàng)算法,當(dāng)兩物體分開時(shí)接觸剛度是不被激活的. 一般情況下，穿透越小結(jié)果越準(zhǔn)確. 罰函數(shù)法和增強(qiáng)的Lagrange法的主要區(qū)別在于增強(qiáng)型Lagrange法對接觸壓力的計(jì)算支持的更好 增強(qiáng)的 Lagrange 法對剛度K的敏感性較小. 正因?yàn)槠涿舾行暂^小，增強(qiáng)的 Lagrange法是ANSYS中采用的缺省算法,行業(yè)重點(diǎn),增強(qiáng)的 La

3、grange法在對接觸壓力進(jìn)行計(jì)算時(shí)，把穿透減小至可接受程度:,由于平衡 改正穿透量.,在修正階段 發(fā)生振蕩.,增大接觸應(yīng)力 減少穿透量.,接觸屬性基本選項(xiàng)算法,行業(yè)重點(diǎn),接觸屬性基本選項(xiàng)算法,另一種可選算法是Lagrange乘子法: Lagrange乘子法增加額外的自由度（接觸壓力）來滿足接觸協(xié)調(diào). 因此,接觸壓力直接作為額外自由度求解出來. 通過壓力自由度保證接觸面無穿透或穿透很小 不需要法向接觸剛度 需要使用直接求解器，這會(huì)倒置求解較大模型時(shí)的計(jì)算開銷很大,行業(yè)重點(diǎn),接觸屬性基本選項(xiàng)算法,Lagrange 乘子法可能產(chǎn)生擾動(dòng): 如果不允許穿透 (左圖),接觸狀態(tài)可能是打開的也可能是關(guān)閉的

4、，這使得接觸點(diǎn)的狀態(tài)不確定而導(dǎo)致收斂困難。 如果允許有較小的穿透（右圖）或者拉力（圖中沒有顯示）存在，會(huì)使得程序收斂更加容易。,行業(yè)重點(diǎn),接觸屬性基本選項(xiàng)算法,MPC接觸算法專門針對特殊的一類接觸問題： MPC法(多點(diǎn)約束法)施加約束方程來把接觸面間的位移“系”在一起 該方法并不基于罰函數(shù)法或Lagrange乘子法. 不需要接觸剛度 額外的自由度并沒有加入模型 通過在迭代中對MPC方程不斷的校正，MPC接觸算法支持大變形效應(yīng),行業(yè)重點(diǎn),接觸屬性基本選項(xiàng)算法,上面討論的選項(xiàng)都是針對法向的。如果定義了摩擦和綁定接觸，那么在切線方向： 和穿透類似，如果兩物體“粘”在一起的話，那么兩物體不應(yīng)該有相對滑

5、動(dòng) 對于罰函數(shù)法, 切向接觸剛度和滑移距離有類似的參數(shù)定義: 理想狀態(tài)下xsliding 0,但允許罰函數(shù)法中有較小的滑動(dòng) 切向接觸壓力作為自由度考慮時(shí)，也可以采用Lagrange乘子法.,粘合時(shí)：,行業(yè)重點(diǎn),面面接觸和點(diǎn)面接觸的算法可通過接觸向?qū)е袑傩詷?biāo)簽下的Basic菜單定義. 單元選項(xiàng) KEYOPT(2) 對于點(diǎn)點(diǎn)接觸單元，其接觸算法只能通過傳統(tǒng)的設(shè)置單元選項(xiàng)KEYOPT(2)來實(shí)現(xiàn).,接觸屬性基本選項(xiàng)算法,行業(yè)重點(diǎn),當(dāng)使用Lagrange 算法時(shí), 出現(xiàn) “允許的接觸壓力”選項(xiàng)而不是“法向罰剛度”,可根據(jù)接觸面的壓力激活二分法 和傳統(tǒng)的法向剛度相似, 但更高的值反而減少敏感性并使得程序

6、更容易收斂,接觸屬性基本選項(xiàng)算法,行業(yè)重點(diǎn),小結(jié) ANSYS 接觸分析技術(shù)提供了眾多算法來保證接觸面上的協(xié)調(diào): 內(nèi)在的優(yōu)點(diǎn)（pros）和缺點(diǎn)（cons）如下表所示：,接觸屬性基本選項(xiàng)算法,行業(yè)重點(diǎn),ANSYS使用增強(qiáng)型Lagrange法或罰函數(shù)法時(shí)都需使用接觸剛度（FKN），產(chǎn)生一個(gè)小的穿透量(xpenetration 0）從而保證數(shù)值上的平衡。 然而實(shí)際情況下，兩接觸體并不互相穿透(xp = 0).,接觸屬性基本選項(xiàng)B.剛度,行業(yè)重點(diǎn),接觸單元不但可以傳遞法向壓力，而且可傳遞切向摩擦力. 接觸單元使用切向罰剛度 (FKT) 來確保切線方向的接觸協(xié)調(diào). 切向罰剛度和法向罰剛度一樣，影響收斂和求

7、解精度.,接觸屬性基本選項(xiàng)剛度,行業(yè)重點(diǎn),接觸剛度對程序收斂和求解精度的影響最大 較大的剛度可提高求解精度，但使得收斂更加困難 必須謹(jǐn)慎定義接觸剛度的大小. 最適合的值和具體問題有關(guān). 缺省值適用于大多數(shù)的接觸問題，但是，某些情形下程序提供的缺省值并不適合該問題. 可能需要進(jìn)行一些試驗(yàn)來取得一個(gè)即收斂又能保證求解精度的合適的剛度值. 我們將簡要的討論一下確定一個(gè)合適剛度值的小技巧,接觸屬性基本選項(xiàng)剛度,行業(yè)重點(diǎn),作為專業(yè)分析人員，您面臨以下挑戰(zhàn): 使穿透最小以保證求解精度. 因此，接觸剛度應(yīng)該非常大. 然而, 剛度太大卻有收斂性困難. 模型在接觸表面可能來回的振動(dòng).,接觸屬性基本選項(xiàng)剛度,行業(yè)

8、重點(diǎn),接觸屬性基本選項(xiàng)剛度,ANSYS 如何計(jì)算接觸剛度? ANSYS根據(jù)模型的幾何特征、材料和用戶定義的法向罰剛度（FKN）來計(jì)算接觸剛度 根據(jù)節(jié)點(diǎn)計(jì)算出的剛度要乘上FKN. 必要時(shí)用戶可以修改FKN的值來調(diào)整剛度. 開始分析時(shí)推薦使用的 FKN值 : FKN = 1.0 ，對于較大物體的接觸(ANSYS中的缺省設(shè)置) FKN = 0.01 0.1 ，對柔體接觸(彎曲為主） 另外, 可按如下方法確定剛度值: (Force/Length)/Area 面面接觸 (CONTA171-174) Force/Length 點(diǎn)面接觸 (CONTA175) Force/Length 點(diǎn)點(diǎn)接觸 (CONTA

9、178),行業(yè)重點(diǎn),對于面面接觸和點(diǎn)面接觸，在缺省情況下，ANSYS采用根據(jù)接觸對上所有單元計(jì)算出來的平均剛度值. 點(diǎn)點(diǎn)單元不使用接觸對概念.,接觸屬性基本選項(xiàng)剛度,缺省的剛度值和模型的幾何形狀有關(guān). 當(dāng)單元尺寸不一致時(shí)，每個(gè)單元計(jì)算出的剛度不同. 打開 “Pair Based” 選項(xiàng)時(shí), 計(jì)算出的數(shù)值都采用接觸對平均值.,Pair Based,Elements Based,行業(yè)重點(diǎn),接觸屬性基本選項(xiàng)剛度,對面面接觸和點(diǎn)面接觸，ANSYS可在求解過程中自動(dòng)調(diào)整剛度: 在每個(gè)載荷步中，如果FKN被重新定義 (KEYOPT(10)=0) 當(dāng)接觸對在接觸向?qū)獗粍?chuàng)建 每個(gè)載荷子步, 基于單元平均應(yīng)力

10、 (KEYOPT(10)=1) 每次迭代, 基于收斂行為 (KEYOPT(10)=2) 注釋:如果模型存在塑性，ANSYS自動(dòng)減少100倍的剛度計(jì)算.,行業(yè)重點(diǎn),法向接觸剛度的自適應(yīng)方案 (KEYOPT(10)=2) : 首次剛度迭代基于向前的收斂設(shè)置 隨后的迭代基于穿透 這里的 kN = 法向接觸剛度 i = 每載荷子步收斂需要迭代的次數(shù) gN = 法向穿透,=,5,.,2,10,5,10,75,.,0,0,0,1,i,if,i,if,diverge,or,i,if,N,N,N,k,=,+,+,+,i,N,i,N,i,N,i,N,i,N,i,N,i,N,g,g,if,g,g,if,4,1,1

11、,4,1,1,1,2,k,k,0,N,k,k,k,k,接觸屬性基本選項(xiàng)剛度,行業(yè)重點(diǎn),切向接觸剛度的自適應(yīng)方案(KEYOPT(10)=2) : 基于當(dāng)前法向壓力 式中: kT = 切向接觸剛度 m = 摩擦系數(shù) p = 接觸壓力 lcrit = 所允許的最大彈性滑移距離 = SLTOL*l (SLTOL) 新實(shí)常數(shù) 正: 作為系數(shù) SLTOL*(接觸長度) 負(fù): 真實(shí)值 SLTOL 缺省值為 1.0% 的接觸長度,crit,T,l,p,m,k,=,接觸屬性基本選項(xiàng)剛度,行業(yè)重點(diǎn),可遵循以下分析策略: 1. 開始分析時(shí)使用一個(gè)較小的剛度值. 2. 檢查穿透和每一個(gè)子步的迭代次數(shù). 在一個(gè)快速的大

12、致的檢查中，把模型的顯示調(diào)為真實(shí)尺寸（true scale）后，如果能觀察到穿透現(xiàn)象，那么穿透可能過度了，應(yīng)該增加剛度并重新開始分析. 如果需要過多的迭代或者根本不收斂，那么需要減小剛度值并重新開始分析. 使用接觸剛度校正選項(xiàng)KEYOPT（10）來調(diào)整剛度值，這樣可以在求解精度和收斂性之間取得一個(gè)較好的平衡. 注：keyopt(10)主要控制剛度矩陣更新的方法.,接觸屬性基本選項(xiàng)剛度,行業(yè)重點(diǎn),再次提醒 : 接觸剛度是接觸分析中最重要的參數(shù)，它不但影響求解精度，而且影響程序收斂。 如果您能對此有較深的理解，那么大多數(shù)的接觸難題就能迎刃而解! 您應(yīng)該對結(jié)果的有效性進(jìn)行判斷，這可以通過改變罰剛度的

13、值進(jìn)行參數(shù)敏感性研究. 在后續(xù)分析中逐漸減小剛度值，直到重要項(xiàng)（例如接觸壓力、最大等效應(yīng)力等）開始顯著改變?yōu)橹? 一般情況下,適量的穿透并不會(huì)對結(jié)果（例如應(yīng)力）造成負(fù)面影響. 然而，在一些位移十分重要的情況下（例如使用預(yù)拉伸單元PRETS 179），太大的穿透量會(huì)對結(jié)果產(chǎn)生很大的影響.,接觸屬性基本選項(xiàng)剛度,行業(yè)重點(diǎn),請參考Workshop中的相關(guān)說明: 練習(xí)二. 接觸剛度.,接觸屬性基本選項(xiàng)剛度,行業(yè)重點(diǎn),穿透容差 (FTOLN)控制指定接觸對的允許穿透量 缺省值為下面單元深度的0.1倍(h) 對Shell單元和Beam單元，單元深度為厚度的4倍. 對于接觸剛度，基于接觸對的方法可達(dá)到平均容

14、差值. 一般情況下，可以改變FKN的值或者FTOLN的值，但不能同時(shí)修改兩個(gè) 不要使用太大的容差值，因?yàn)樗鼘κ諗渴冀K存在不利的影響.,接觸屬性基本選項(xiàng)C. 穿透容差,行業(yè)重點(diǎn),接觸屬性基本選項(xiàng)穿透容差,穿透容差在增強(qiáng)Lagrange算法和Lagrange乘子法中均可以使用 對于增強(qiáng)Lagrange算法，如果最大允許穿透超出，那么ANSYS將校正接觸壓力計(jì)算并繼續(xù)平衡迭代（即使已經(jīng)滿足力收斂條件）直到穿透量滿意為止: 然而，如果需要的迭代次數(shù)過大的話，分析會(huì)繼續(xù)進(jìn)行但彈出如下警告信息:,3D CONTACT ELEMENTS: 100 CONTACT POINTS HAVE TOO MUCH P

15、ENETRATION FORCE CONVERGENCE VALUE = 14.62 CRITERION= 16.37 CONVERGED EQUIL ITER 13 COMPLETED. NEW TRIANG MATRIX. MAX DOF INC= 0.2869E-05 LINE SEARCH PARAMETER = 1.000 SCALED MAX DOF INC = 0.2869E-05 3D CONTACT ELEMENTS: 100 CONTACT POINTS HAVE TOO MUCH PENETRATION,* WARNING * Convergence has been a

16、chieved inspite of large penetration. If this message is repeated frequently, we recommend either increasing penalty stiffness(FKN), or enlarge penetration tolerance(FTOLN).,行業(yè)重點(diǎn),接觸屬性基本選項(xiàng)穿透容差,在Lagrange乘子法中，可能需要一定的穿透（FTOLN）或拉力（TNOP）用以防止顫動(dòng). 顫動(dòng)的發(fā)生是因?yàn)榻佑|狀態(tài)改變的太頻繁，可在ANSYS的后處理中繪出接觸顫動(dòng)值(CONT,CNOS) 使用“允許穿透值”或“

17、允許壓力值”可以對以下問題有所幫助： 如果上一步迭代產(chǎn)生的接觸狀態(tài)為開，且當(dāng)前計(jì)算的穿透量比FTOLN小，那么接觸狀態(tài)依然為開。否則接觸狀態(tài)切換到關(guān)并進(jìn)行下一次迭代. 如果上一步迭代產(chǎn)生的接觸狀態(tài)為關(guān)，且當(dāng)前計(jì)算的接觸壓力為正但小于（TNOP），那么接觸狀態(tài)依然為關(guān)。否則，接觸狀態(tài)切換為開并進(jìn)行下一次迭代. ANSYS 自動(dòng)提供缺省值.,行業(yè)重點(diǎn),ANSYS 如何確定接觸狀態(tài)? Pinball 區(qū)域 影響接觸狀態(tài)和一些其它接觸參數(shù)的確定. 對點(diǎn)點(diǎn)接觸單元不使用 Pinball 區(qū)域是包圍接觸單元的一個(gè)圓面 (二維情況下) 或者球體 (三維情況下) ，并使接觸單元具有遠(yuǎn)近之分.,接觸面,目標(biāo)面,

18、接觸屬性基本選項(xiàng)D. Pinball 區(qū)域,行業(yè)重點(diǎn),Pinball 區(qū)域影響搜索接觸區(qū)域時(shí)的計(jì)算量: 斷開處的計(jì)算較簡單，且不占用多少計(jì)算時(shí)間 接觸臨近區(qū)域的計(jì)算包括將要接觸的單元或已經(jīng)接觸的單元，因此計(jì)算較慢且復(fù)雜,接觸屬性基本選項(xiàng) Pinball 區(qū)域,行業(yè)重點(diǎn),接觸屬性基本選項(xiàng) Pinball 區(qū)域,Pinball 區(qū)域使接觸對可視化，例如緊配合問題.,該幾何模型的網(wǎng)格較好，有許多實(shí)體單元都完全穿透了剛性汽缸壁，增大接觸區(qū)域可使接觸單元確認(rèn)目前的接觸狀態(tài),行業(yè)重點(diǎn),當(dāng)MPC算法激活時(shí)，Pinball對于控制節(jié)點(diǎn)之間約束關(guān)系非常有用.,接觸屬性基本選項(xiàng) Pinball 區(qū)域,多點(diǎn)約束的生

19、成區(qū)域由Pinball區(qū)域的尺寸決定,行業(yè)重點(diǎn),如果目標(biāo)面有數(shù)個(gè)突起區(qū)域，那么Pinball對于克服錯(cuò)誤的接觸定義也是非常有效的. 在輸出窗口或輸出文件中可查看何時(shí)程序檢測出了錯(cuò)誤的接觸定義,接觸屬性基本選項(xiàng) Pinball 區(qū)域,接觸面,目標(biāo)面,可能發(fā)生錯(cuò)誤接觸定義的區(qū)域,Contact element 16 has too much penetration related to target element 10 We assume it (may be more elements) is spurious contact.,行業(yè)重點(diǎn),對Pinball區(qū)域的控制和剛度、穿透類似: 用戶可指

20、定一個(gè)程序缺省值的縮放比例系數(shù)，也可以指定一個(gè)絕對值 Pinball區(qū)域的尺寸在接觸對中會(huì)被平均化,接觸屬性基本選項(xiàng) Pinball 區(qū)域,行業(yè)重點(diǎn),什么是缺省的 Pinball 尺寸? 如下表總結(jié),接觸屬性基本選項(xiàng) Pinball 區(qū)域,以上數(shù)值針對大變形（NLGEOM，ON）有效，對于小變形（NLGEOM，OFF）則 乘以50 表中Depth下面的單元深度（實(shí)體單元） Depth4倍的單元厚度 （殼單元和梁單元）,行業(yè)重點(diǎn),對于3類接觸類型，又存在幾種可供選擇的表面行為。這些選項(xiàng)使你可以模擬許多不同的特殊物理效應(yīng)。 標(biāo)準(zhǔn):支持法向接觸的打開和關(guān)閉，以及法向粘結(jié)/滑移摩擦. (缺省設(shè)置) 粗

21、糙:支持法向接觸的打開和關(guān)閉，無滑移(和無窮大的摩擦系數(shù)類似). 無分離:目標(biāo)面和接觸面從接觸狀態(tài)開始時(shí)就“系”在一起(但允許小量的滑移). 綁定:目標(biāo)面和接觸面完全粘合在一起.,接觸屬性基本選項(xiàng)E. 表面行為,行業(yè)重點(diǎn),接觸表面行為： 無分離(始終): 任何一開始就處于pinball區(qū)域的接觸探測點(diǎn)或者接觸時(shí)引入的點(diǎn)在法向上無位移(允許滑移). 綁定接觸 (始終):任何一開始就處于pinball區(qū)域的接觸探測點(diǎn)或者接觸時(shí)引入的點(diǎn)一直處于綁定狀態(tài). 綁定接觸 (開始接觸時(shí)): 僅在開始接觸時(shí)綁定表面，開始時(shí)斷開的表面仍然斷開.,接觸屬性基本選項(xiàng).表面行為,行業(yè)重點(diǎn),對面面接觸和點(diǎn)面接觸，表面行

22、為定義在接觸屬性對話框的Basic菜單下，或者直接設(shè)置KEYOPT(12). 點(diǎn)點(diǎn)接觸只能直接設(shè)置KEYOPT (10).,接觸屬性基本選項(xiàng).表面行為,行業(yè)重點(diǎn),請參考 Workshop 中的章節(jié) 三. 表面行為 由于計(jì)算時(shí)間太長 ，練習(xí)僅進(jìn)行前處理,接觸屬性基本選項(xiàng).表面行為,行業(yè)重點(diǎn),不連續(xù)性(尖角或方向的改變) 會(huì)對接觸探測產(chǎn)生影響并使得程序難以收斂.,目標(biāo)面,接觸屬性基本選項(xiàng)F. 接觸探測,使用面面單元，每當(dāng)高斯點(diǎn)穿透對應(yīng)的目標(biāo)面時(shí)接觸被檢測出,行業(yè)重點(diǎn),在以下情況下，你可以改變面面接觸探測的方法和法向接觸定義: 高斯點(diǎn)垂直于接觸表面（缺?。?節(jié)點(diǎn)垂直于接觸面(KEYOPT(4)=1) 當(dāng)接觸面比目標(biāo)面平整時(shí) 比高斯點(diǎn)方案更耗時(shí) 節(jié)點(diǎn)垂直于目標(biāo)面(KEYOPT(4)=2) 當(dāng)目標(biāo)面比接觸面更平整時(shí) 比使用KEYOPT（4）1的設(shè)置更耗時(shí),接觸屬性基本選項(xiàng)接觸探測,行業(yè)重點(diǎn),接觸屬性基本選項(xiàng)接觸探測,節(jié)點(diǎn)探測在以下情況下必須打開: Lagrange 乘子法: La