点─面接触分析

    我们能使用点─面接触单元来模拟一个表面和一个结点的接触，另外，可以通过把表面指定为一组结点，从而用点─面接触来代表面─面的接触。

    ANSYS程序的点─面接触单元允许下列非线性行为：

·有大变形的面─面接触分析

·接触和分开

·库仑摩擦滑动

·热传递

    点─面的接触是一种在工程应用中普遍发生的现象，例如：夹子、金属成形等等，工程技术人员对由于结构之间的接触而产生的应力变形为和温度改变是感兴趣的。

使用点─面的接触单元

    在ANSYS程序中点─面的接触是通过跟踪一个表面（接触面）上的点相对于另一表面（目标面）上的线或面的位置来表示的，程序使用接触单元来跟踪两个面的相对位置，接触单元的形状为三角形，四面体或锥形，其底面由目标面上的节点组成，而顶点为接触面上的节点。

    图4─9绘出了二组的接触单元（COWTA（48））和三维的接触单元（COWTA（49））

图4─9    (a)2-D接触单元—COWTAC48

                           (b)3-D接触单元─COWTAC49

                           (c)2-D接触单元─COWTAC26

    如果目标面是刚性的，而问题又是2-D的，则可以使用CONTA26来建模

点─面接触分析的步骤

    下面列出了典型的点─面接触分析的基本步骤

1.        建模并划分网格

2.        识别接触对

3.        生成接触单元

4.        设置单元关键字和实常数

5.        给定必须的边界条件

6.        定义求解选项

7.        求解

8.        查看结果

第1步：建模，划分网格

    在这一步中，需要建立代表接触体几何形状的模型，设置单元类型，实常数和材料特性，用适当的单元类型划分网格

命令：AMESH

       VMESH

GUI：Main menu>Pneprocossor>Mesh>Mapped>3 or 4 Sided

      Main menu>Pneprocessor>Mesh>Mapped>4 to 6 sided

    应该避免使用有中结点的单元，特别是在3维问题中，因为这些单元表面节点上“有效刚度”是很不均匀的，例如，对95号单元来说，角结点上有一个负刚度。然而，是接触关系 建立，ANSYS程序的点─面接触算法假定刚度均匀分布在面上的所有结点上，因此，在接触分析中使用这些单元时，能导致收敛困难。

    仅仅在使用COWTA48的2维分析中，才可以在接触面上使用中结点单元，但不能在目标面上使用中结点单元，当生成48号接触单元的时候，目标面上的中节点将被忽略，这样将会导致在目标面上不均匀的力传递。

第2步，识别接触对

    你必须认识到在变形过程中，哪儿可能发生接触，一是你已知认识到潜在接触面，通过接触单元来定义它们，为了更有效地进行计算（主要指CPU时间），你可能想，定义比较小的，局部的接触区域 ，但要保证你所定义的接触区域能模拟所有必须的接触。

    由于几何形状和潜在变形的多样化，可能有多个目标面和同一个接触面相互作用，在这种情况下，必须定义多个接触对，对每个表面，你需要建立一个包含

表面节点的组元。

命令：CM

GUI：Utility>Select>Comp/Assembly>Cneate Component

然后就可以使用这些表面结点，在接触面之间形成所有有可能的接触形状。如果你能肯定某些面永远不会相互接触，那么应该适当的包括更多的结点

第三步：生成接触单元

    在生成接触单元之前，首先必须定义单元类型，对点─面的接触使用CONTAC48(2维)和CONTAC49(3维)

命令：ET

GUI：Main menu>Pneprocessor>Eloment Type>Add/Edit/Relete

    然后再定义接触单元的实常数，每个不同的接触面应该有一个不同的实常数号，即便实常的值相同，因为使用不同的实常数号，程序能够较好的区分出是壳的顶面还底面接触，或者是能够在不同的接触面进行较好的区分。例如：在角接触中，每条也应该有它自己的实常数号，如图4─10所示，另一种典型应用是梁的双边接触，如图4─11所示

命令：R

      RMODIF

GUI：Main menu>Pneprocessor>Real Constants

接着就是在对应的接触对之间生成接触单元。

命令：GCGEN

GUI：Main menu>Pnprocossor>Cneate>Elements>At Confactsrf

对生成点─面的接触单元的几点提示。

·一般来说，生成的接触单元不需超过所需要的2─3，使用“限制半径”（RADC）或“生成的单元数”（NUMC）选项来限制生成的接触单元数，如果生成的接触单元数超过所需的10或更多，则会极大增加计算时间，同时也需要大量的硬盘空间。

·进行接触分析时在接触面上建议使用无中结点的单元。

·对梁或壳单元需要通过“目标面”（TLAB）选项来指定单元数一边是目标面。

·对于卷曲的（非平面）目标面，使用CONTA49的“基本形状”(shape)选项来指定单元的基本形状是三角形，这个选项能使目标单元较好的模拟目标面的原形。

·每次在新的接触对之间生成接触单元时，都指定一个新的实常数号，既使接触单元的实常数值没有改变，生成对称或反对称的接触单元。

    你可以选择生成对称的或反对称的接触单元，用一个简单的GCGEN命令定义一对接触面生成一种反对称的接触方式。在这种情况下，一个面是接触面而另一个是目标面，另外你可以使用两个GCGEN命令，将两个面都定义成即是目标面又是接触面，这种情况叫作对称接触方式，例如：考虑两个面A和B，在第一个GCGEN命令中，将面A指定为接触面，面B指定为目标面，而在第二个GCGEN命令中，将面A指定为目标面，而将面B指定为接触面，下面是在前处理中生成接触单元的标准命令流输入。

NSEL，S，NODE…   ！在接触面上选择一组结点

CM，CONTACT，NODE  ！将所造结点生成组元“COMTACT”

NSEL，S，NODE…    ！大目标面上选择一组新结点

CM，TARGET，NODE   ！将所选结点生成组元“TARGET”

NSEL，ALL

GCGEN，CONTACT，TARGET

GCGEN，TARGET，CONTACT

    一般来说，对称接触方式是一种更好的方法，因为它不需要特别考虑哪个面是接触面，哪个面是目标面，相反，反对称接触方式在区分目标面和接触面时需

要遵守以下规则：

·如果一个面的接触部分是平的或凹的，而另一个面的接触部分是尖的或凸的，则应该将平凹面作为目标面，

·如果两个接触面都是平的，则可以任意选择

·如果两个接触面都凸的，应该将两个面中较平的作为目标面

·如果一个接触部分有尖边，而另一个没有，则有尖边的面应作为接触面。

生成已经开始接触的模型，那就是建立开始变形时的模型，这样，单元实际上已经彼此重叠在一起，用这种方法，在对结构进行分析时只需使用一个载荷步，同时应该打开“线性搜索”选识，从许多过盈分析问题中发现，为了得到收敛的结果，必须打开此选项。

命令：LNSRCH，ON

GUI：main menu>Preprocessor>load>No linesr>Line Search

    用一个较弱的初始法向刚度（实常数KN）来生成已经开始接触的模型进行计算，然后在以后的载 步中，使用新的R命令来逐步增加KN的值到一适当的值。（在此方法中，必须明确定义切向刚度佳，而不能使用缺省值）

第四步：设置单元关键字和实常数

    使用点─面的接触单元时，程序使用四个单元关键字和几个实常数来控制接触行为

单元关键字：

CONTAC48和CONTAC49使用下面的单元关键字

KEYOPT（1）：选择正确的自由度（包含或不包括温度）

KEYOP（2）：选择罚函数的方法或罚函数+拉格朗日方法

KEYOPT（3）：选择摩擦类型；无摩擦弹性库仑摩擦或刚性库仑摩擦。

KEYOPT（7）：选择接触时间步长预测控制

命令：KEYOPT

      ET

GUI：Main Mneu>Pneporcessor>Element Type >Add/Delete

摩擦类型

    你需要选择一种摩擦类型，点─面接触单元支持弹性库仑摩擦和刚性库仑摩擦，弹性库仑摩擦允许存在粘合和滑动状态，粘合区被当作一个刚度为KT的弹性区来处理，在变形期间当接触面是粘合而不是滑动的时候，选择这种摩擦类型是好的，刚性库仑行为仅仅允许有滑动摩，而接触面不能粘合，仅仅在两个面处理持续的相对滑动时，才选择这种摩擦类型，如果运动停止或逆转，将会遇到收敛性的问题。

罚函数与罚函数+拉格朗日方法

    协调控制方法保证一个面不会渗透进入另一个面超过某一容许量，这可以通过罚函数方法或罚函数+拉格朗日方法来实现，在这种方法中，将有力加在接触结点上，直到接触结点渗透进入目标面。

热─结构结触

如果两个温度不同的物体此接触，在它们之间将会发生热传递我们能够联合这种点─面的接触单元和热─结构来  合场单元来模拟这种情况下的热传递，（对不关心应力的分析，能够用标准的热单元来给系统的固定部分建模。）其关键字设置如表1─2所示，这些单元的热─结构  都被激活，（必须为实常数COND（接触传导率）定义一个值，以模拟接触界面之间的热量流动）

接触预测

    CONTAC48和CONTAC49对控制接触时间预测提供了三个选项。

·没有预测：当自动时间步长被打开并允许小的时间步长时，大多的静力分析使用此选项，如果允许一个足够小的时间步长。自动时间步长二分特征将会把步长减小到必要的大小，然而，二分法并不是一种需要进行时间预测的有效方法，对在加载过程中，有不连续接触区域的那些问题，时间步  预测是必须的。

·合理的时间步：为了保持一个合理的时间/载 增量，需要在接触预测中选择此项。此项在时间步长预测器正在完好运行的静态分析中，或在连续接触（滚动接触）的瞬态分析中是有用的，如果接触点的位置随时间的变化是一个非线性函数，那么线性时间步长预测不可能是有效的，虽然其它的非线性特征能够小时间步  以使线性时间步长预测能够提供很好的预测效果。

·最小的时间/载荷增量预测，无论什么时候，当接触状态发生的改变时，预测会取一个最小的时间/载 荷增量，这个选项在碰撞和断续接触的瞬态分析中是有用的，或者用于由于线性预测不起作用而导致的第二个选项无用时，为了更有效的进行计算，仅仅对处于初始接触状态的那些接触单元使用此选项。

实常数

    CONTAC48和CONTAC49使用下面的实常数

·  KN定义法向接刚度。

·  KT定义粘合接触刚度

·  TOLN 定义最大的渗透容差

·  FACT定义静摩擦与动摩擦的比值

·  TOLS定义一个小的容差以增加目标面的长度。

·  COND定义接触传导率

命令：R

GUI：Main menu>Preprocessor>Real Constants

法向刚度

    我们必须给接触刚度KN提供一个值，（对KN设有缺省值）KN应该是足够大的以便不会引起过大的渗透，但又不应该大到导致病态条件，对大多的接触分析，应该按下面的公式来估计KN的值。

KN=fEh

f：控制接触协调性的因子，这个因子通常在0.01和100之间，开始时通常取f=1

E: 杨氐模量如果接触发生在两种不同的材料间，考虑使用杨氏模量较小者）

h：特征接触长度，这个值取决于问题几何形状的特殊性

在3维外形中，h应该等于典型的接触目标长度（也就是目标面的平方根）或者典型的单元尺寸，对大多数柔体—柔体的接触问题，通常发现处于接触状态的平均单元尺寸几乎等于目标长度。当目标长度与典型的单元尺寸当相差很大时，应该使用典型的单元尺寸来作为h的值，在2维平面应力或应变问题中，对平面应变或无厚度输入的平面应力问题，让h=1，对于有厚度输入的平面应力问题，让h等于厚度，在2维轴对称分析中，让h等于平均接触半径

当估计柔软结构的KN值时（特别是在梁或壳的模型中）应该在两个接触体上进行一个简单的迭代分析来计算局部接触刚度，如图：4─9示

图1─9 计算柔软结构的接触刚度

KN=P/（1△11+1△21）

上式中：P=作用在接触位置的点载（位置1和2）

△1，△2=位置1和2的结点位移

在计算KN时，使用体系的实际边界条件，（就是说KN不是赫兹接触刚度，它考虑了整个结构的柔度）

粘合刚度

    弹性区的大小取决于你使用的粘合刚度的值（KT）与法向刚度KN一样，你可能想使用一个较大的粘合刚度，但不要大到影响收敛性，一般来说，粘合刚度KT应该比法向刚度KN 1，2或3的量级。

    如果你想模拟单性库仑摩擦，程序将会使用到KT的值。程序使用KT=KN/100作为缺省值，然而与KN一样，如果KT太大，可能会经历一个病态条件，因此，对大多的情况，KT的缺省值可能是不适合的。

渗透容差：

    当使用罚函数+拉格朗日方法时（KEYOPT（2）=1），在表面法方向给定的绝对容差（TOLN），被用来决定是否满足渗透协调性，如果接触结点渗进目标的距离在TOLN的范围内，则认为满足接触协调性，TOLN的值必须是  的而是长度单位TOLN的值一般约为表面单元尺寸的1%，如果将TOLN的值定得太小，可能要浪费大量的计算时间。

静摩擦与动摩擦系的比值。

    如果KEYOPT（3）=0，不考虑两个表面间的摩擦，则实常数KT和FACT都不需要，当KEYOPT（3）=1或2时，需要输入摩擦系数，MU它可以被指定为一个温度的函数，此时，MU的值被作为动摩擦系数，而静摩擦系 数是FACT*MU。

目标长度

    如果两个接触面上的结点是一一对应的，或者在靠近对称边界上有接触产生时，于接触结点目标面上的两个邻近单元之间来回摆动，因而可能会导致求解振荡，当发生这种情况时，可能会极大地增加求解时间，为了克服这个问题，可以给实常数TOLS指定一个值，这将在目标面的两个邻近单元之间建立一个“缓冲区”，TOLS的值是一个特征接触长度的百分比，那就是说：TOLS=0.5将建立一个宽度接触长度的0.5%的缓冲区。

热传导率

  对热─结构接触的问题为了描述通过接触界面的传导率，需要定义一个接触传导率（实常数（CONT