ANSYS接触分析算法实现

ANSYS非线形分析指南 接触分析

一般的接触分类.............................................................................................. 2 ANSYS接触能力............................................................................................ 2 点─点接触单元.............................................................................................. 2 点─面接触单元.............................................................................................. 2 面─面的接触单元.......................................................................................... 3 执行接触分析.................................................................................................. 3 面─面的接触分析.......................................................................................... 4 接触分析的步骤：.......................................................................................... 4 步骤1：建立模型，并划分网格................................................................... 4 步骤二：识别接触对...................................................................................... 4 步骤三：定义刚性目标面.............................................................................. 5 步骤4：定义柔性体的接触面....................................................................... 8 步骤5：设置实常数和单元关键字............................................................. 10 步骤六：........................................................................................................ 20 步骤7：给变形体单元加必要的边界条件................................................. 21 步骤8：定义求解和载 步选项................................................................... 21 第十步：检查结果........................................................................................ 22 点─面接触分析............................................................................................ 25 点─面接触分析的步骤................................................................................ 26 点－点的接触................................................................................................ 35 接触分析实例（GUI方法） ........................................................................ 38 非线性静态实例分析（命令流方式）........................................................ 41

接触分析

接触问题是一种高度非线性行为，需要较大的计算资源，为了进行实为有效的计算，理解问题的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，在你求解问题之前，你不知道接触区域，表面之间是接触或分开是未知的，突然变化的，这随载荷、材料、边界条件和其它因素而定；其二，大多的接触问题需要计算摩擦，有几种摩擦和模型供你挑选，它们都是非线性的，摩擦使问题的收敛性变得困难。

第1页

ANSYS非线形分析指南 接触分析

一般的接触分类

接触问题分为两种基本类型：刚体─柔体的接触，半柔体─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，问题可以被假定为刚体─柔体的接触，许多金属成形问题归为此类接触，另一类，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（有近似的刚度）。

ANSYS接触能力

ANSYS支持三种接触方式：点─点，点─面，平面─面，每种接触方式使用的接触单元适用于某类问题。

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，模型的对立应组元是一个结点。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，例如梁单元，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匹对，接触单元是覆盖在分析

模型接触面之上的一层单元，至于ANSTS使用的接触单元和使用它们的过程，下面分类详述。 点─点接触单元

点─点接触单元主要用于模拟点─点的接触行为，为了使用点─点的接触单元，你需要预先知道接触位置，这类接触问题只能适用于接触面之间有较小相对滑动的情况（即使在几何非线性情况下）

如果两个面上的结点一一对应，相对滑动又以忽略不计，两个面挠度（转动）保持小量，那么可以用点─点的接触单元来求解面─面的接触问题，过盈装配问题是一个用点─点的接触单元来模拟面─与的接触问题的典型例子。

点─面接触单元

点─面接触单元主要用于给点─面的接触行为建模，例如两根梁的相互接触。

如果通过一组结点来定义接触面，生成多个单元，那么可以通过点─面的接触单元来模拟面─面的接触问题，面即可以是刚性体也可以是柔性体，这类接触问题的一个典型例子是插头到插座里。

使用这类接触单元，不需要预先知道确切的接触位置，接触面之间也不需要

第2页

ANSYS非线形分析指南 接触分析

保持一致的网格，并且允许有大的变形和大的相对滑动。

Contact48和Contact49都是点─面的接触单元，Contact26用来模拟柔性点─刚性面的接触，对有不连续的刚性面的问题，不推荐采用Contact26因为可能导致接触的丢失，在这种情况下，Contact48通过使用伪单元算法能提供较好的建模能力。

面─面的接触单元

ANSYS支持刚体─柔体的面─面的接触单元，刚性面被当作“目标”面，分别用Targe169和Targe170来模拟2─D和3—D的“目标”面，柔性体的表面被当作“接触”面，用Conta171,Conta172,Conta173,Conta174来模拟。一个目标单元和一个接单元叫作一个“接触对”程序通过一个共享的实常号来识别“接触对”，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的号。 与点─面接触单元相比，面─面接触单元有好几项优点，

·支持低阶和高阶单元

·支持有大滑动和摩擦的大变形，协调刚度阵计算，单元提法不对称刚度阵 的选项。

·提供工程目的采用的更好的接触结果，例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，需要较多的接触单元，因而造成需要较小的磁盘空间和CPU时间。

·允许多种建模控制，例如：

·绑定接触 ·渐变初始渗透

·目标面自动移动到补始接触

·平移接触面（老虎梁和单元的厚度） ·支持死活单元

使用这些单元，能模拟直线（面）和曲线（面），通常用简单的几何形状例如圆、抛物线、球、圆锥、圆柱采模拟曲面，更复杂的刚体形状能使用特殊的前处理技巧来建模。

执行接触分析

不同的接触分析类型有不同的过程，下面分别讨论

第3页

ANSYS非线形分析指南 接触分析

面─面的接触分析

在涉及到两个边界的接触问题中，很自然把一个边界作为“目标”面而把另一个作为“接触”面，对刚体─柔体的接触，“目标”面总是刚性的，“接触”面总是柔性面，这两个面合起来叫作“接触对”使用Targe169和Conta171或Conta172来定义2-D接触对，使用Targe170和Conta173或Conta174来定义3-D接触对，程序通过相同的实常收号来识别“接触对”。

接触分析的步骤：

执行一个典型的面─面接触分析的基本步骤列示如下： 1． 建立模型，并划分网格 2． 识别接触对 3． 定义刚性目标面 4． 定义柔性接触面

5． 设置单元关键字和实常的 6． 定义／控制刚性目标面的运动 7． 给定必须的边界条件 8． 定义求解选项和载荷步 9． 求解接触问题 10．查看结果

步骤1：建立模型，并划分网格

在这一步中，你需要建立代表接触体几何形状的实体模型。与其它分析过程一样，设置单元类型，实常的，材料特性。用恰当的单元类型给接触体划分网格。 命令：AMESH VMESH

GUI：Main Menu>Preprocessor>mesh>Mapped>3 or4 Sided Main Menu>Pneprocessor>mesh>mapped>4 or 6 sided

步骤二：识别接触对

你必须认识到，模型在变形期间哪些地方可能发生接触，一是你已经识别出潜在的接触面，你应该通过目标单元和接触单元来定义它们，目标和接触单元跟踪变形阶段的运动，构成一个接触对的目标单元和接触单元通过共享的实常号联系起来。

接触环（区域）可以任意定义，然而为了更有效的进行计算（主要指CPU

第4页