1、接触基础理论,7. 接触介绍,什么是接触? 当两个分离的表面互相碰触并互切时, 就称它们处于接触状态. 在一般的物理意义中, 处于接触状态的表面有下列特点: 不互相穿透. 能够传递法向压力和切向摩擦力. 通常不传递法向拉力. 因此, 它们相互间可以自由地分开并远离., 接触介绍,本章将通过以下主题介绍非线性接触分析: A. 基本概念 B. 利用接触向导 C. 求解 D. 后处理 E. 练习 F. 装配接触 目的是通过“简单”(容易收敛)模型, 介绍接触分析过程. 另外, 用于处理难度更大的模型的高级接触分析, 在高级接触和螺栓预紧 培训手册中讨论.,接触介绍 A. 基本概念,接触是状态改变 非
2、线性. 也就是说, 系统的刚度依赖于接触状态:,状态 = 开,状态 = 闭合和粘结,状态= 闭合和滑动,接触介绍 . 基本概念,接触是强非线性, 因为随着接触状态的改变, 接触表面的法向和切向刚度都有显著的变化. 刚度方面大的突变通常会导致严重的收敛困难.,u,F,开接触,闭接触,接触介绍 . 基本概念,其它使接触分析复杂化的因素包括: 典型地, 在分析开始时, 接触区域未知. 大多数接触问题包括摩擦. 摩擦是路径相关的(能量耗散)现象, 需要用较小的时间步和精确的载荷历史. 摩擦响应可能是混沌的, 使求解收敛困难. 除了和其他部件接触, 部件可能是无约束 的. 在建立接触之前, 这样的部件初
3、始为无约束自由体, 整体刚度为零. 静态分析中, 无约束自由体在数学上是不稳定的, 求解“溢出”.,接触介绍 . 基本概念,幸好, 目前的 ANSYS 接触技术能够相当容易地分析类型广泛的接触模型. 许多模型只需很少的用户参与就能成功地求解. 对于那些显示出收敛行为比较困难的模型, 有丰富的接触单元选项来帮助克服这样的困难. 在高级接触和螺栓预紧 培训手册中讨论了这些更高级的内容.,接触介绍 . 基本概念,接触分类 接触问题通常分为两类: 刚性体 -柔性体 和柔性体 -柔性体. 刚性体 - 柔性体 一个或更多的接触表面看作刚性体(一个表面与其它表面相比, 刚度显然要大得多.). 许多金属成形问
4、题可归为此类. 不计算刚性体内的应力 柔性体 - 柔性体 两个或所有的接触体都可变形(所有表面的刚度相近). 螺栓结合凸缘连接就是柔性体 - 柔性体接触的例子.,接触介绍 . 基本概念,刚性体 -柔性体接触,接触介绍 . 基本概念,柔性体 -柔性体接触,花键轴过盈配合, 两个零件都是柔体.,接触介绍 . 基本概念,接触协调 实际接触体相互不穿透. 因此, 程序必须在这两个面间建立一种关系, 防止它们在有限元分析中相互穿过. 当程序防止相互穿透时, 称之为强制接触协调.,接触介绍 . 基本概念,接触协调 罚函数法 强制接触协调的罚函数法, 用一个接触“弹簧”在两个面间建立关系. 弹簧刚度称为惩罚
5、参数, 或者更通俗一点, 就是接触刚度. 当面分开时(开状态), 弹簧不起作用；当面开始穿透时(闭合), 弹簧起作用.,弹簧偏移量满足平衡方程: F = k 式中 k 是接触刚度.,D,接触介绍 . 基本概念, 接触协调 罚函数法 数学上要求有限的穿透量 D 在交界面处产生接触力. 平衡需要此接触力. 因此, 为了平衡, D 必须大于零. 然而, 实际的接触体相互不穿透. 因此, 为了最高的精度, 目的是使发生在接触界面处的穿透量最小. 最小的穿透给出最大的精度. 这意味着, 理想的接触刚度应该是个非常大的值. 然而, 值太大会引起收敛困难.,接触介绍 . 基本概念,如果接触刚度太大, 一个微
6、小的穿透将会产生一个过大的接触力, 在下一次迭代中可能会将接触面推开.用太大的接触刚度通常会导致收敛振荡, 并且常会发散.,接触介绍 . 基本概念,接触协调 lagrange乘子法 另外一种方法, lagrange乘子 法, 增加一个附加自由度 (接触压力),来满足不可穿透条件.,接触介绍 . 基本概念,接触协调 增广 lagrange法 多数 ANSYS 接触单元可以将罚函数法和 lagrange乘子法结合起来强制接触协调. 称之为增广 lagrange法. 在迭代的开始, 接触协调基于惩罚刚度确定. 一旦达到平衡, 检查穿透容差. 此时, 如果有必要, 接触压力增加, 迭代继续.,接触介绍
7、 . 基本概念, 接触协调 增广 lagrange法,接触介绍 . 基本概念,面 - 面接触单元ANSYS 中最常用的接触单元是面-面单元. Targe169 和 170 刚性或可变形的目标面 Conta171 到 174 可变形的接触面 这些单元非常适合面-面接触的情况, 如过盈装配接触, 啮合接触, 锻造和深拉.,接触介绍 . 基本概念, 面-面接触单元 这些接触单元采用接触对 概念, 接触对由目标面 和接触面 组成. 面-面接触单元象皮肤一样覆盖在下面的有限元模型上. 用独立的单元类型定义目标面和接触面. 接触对通过共用实常数组 来识别.,接触面上的接触单元(实常数 = N ),目标面上
8、的目标单元(实常数 = N ),接触介绍 . 基本概念, 面-面接触单元 ANSYS 支持刚性体-柔性体 和柔性体-柔性体 的面-面接触模型.柔性体-柔性体接触模型有可变形的 目标面, 只要目标单元覆盖在可变形的单元上, 就创建了目标面. 刚性体-柔性体接触模型有刚性目标面, 该目标面不覆盖在任何可变形的单元上.,接触介绍 . 基本概念, 面-面接触单元 面-面接触单元用增广 lagrange法 强制接触协调( 缺省). 广义 lagrange 法采用接触刚度和穿透容差. 对于“简单”接触模型, 正常情况需要给出接触对的三个特征: 接触刚度值. 穿透容差值. 还需要确定接触对中哪一个面应该是目
9、标面, 哪一个面应该是接触面.,接触介绍 . 基本概念,接触刚度 接触刚度 是影响精度和收敛行为的最重要的参数. 已经知道较大的刚度精度高, 但收敛困难. 必须仔细地确定一个适当的接触刚度值. “最好的”值经常是与问题相关的. 程序提供的缺省值可能不适合. 可能要求做一些试验去确定一个适当的值, 使产生的收敛解具有可以接受的精度.,接触介绍 . 基本概念, 接触刚度 对于面-面接触单元, 用一个系数 (FKN)给出接触刚度. 也就是说, 程序通过对下层单元的刚度乘以该系数来确定接触刚度. k接触t = FKN x f(k下层) 对于面-面接触单元, 接触刚度的单位是单位面积的刚度, 或(F/L
10、)/(L2). 接触刚度的一个较好值经常通过使接触刚度等于下层单元的刚度获得. 作为起始估计, 尝试: 对于接触中的大块实体, FKN = 1.0. 对于柔性较大(弯曲为主)的部件, FKN = 0.1.,接触介绍 . 基本概念, 接触刚度 有时, 一个模型的不同区域可能需要有不同的接触刚度.,大块实体接触; 试用 FKN = 1.0,柔性接触; 试用 FKN = 0.1,接触介绍 . 基本概念, 接触刚度 需要确定结果对接触刚度是否敏感. 选择一个好的刚度值可能需要一些试验,下面的步骤可以用于静态、非路径相关分析的指南: 改变接触单元选项, 允许接触刚度在重启动期间可以修改, KEYOPT(
11、10)=1. 开始时采用一个“软的” FKN 可以帮助克服收敛困难. 运行此分析, 直到最终载荷. 检查对分析比较重要的一些结果(等效应力,接触压力等).,接触介绍 . 基本概念, 接触刚度 增大 FKN 并重启动求解. 再检查结果. 重复步骤5和6, 直到达到所预期的收敛.,寻找 FKN 值, 超过此值, 结果不发生显著的改变.,接触介绍 . 基本概念, 接触刚度 作为一个例子, 对于一个轴上套环的过盈配合分析, FKN 是变化的.等效von Mises应力的最大值被监控.在这种特殊情况下, FKN1.0 经证明可以给出足够的精度.,接触介绍 A. 接触刚度 练习,请参考附加练习: W14.
12、 接触介绍 - 接触刚度研究 (FKN),接触介绍 . 基本概念,穿透容差 穿透容差 也影响收敛和精度, 尽管影响程度没有接触刚度大. 当穿透容差严格时, 精度可以改善, 但是更难以收敛.,和刚度一样, 以系数 (FTOLN)的方式确定穿透容差. 程序通过将下层单元的深度(h)乘以所给出的系数确定穿透容差. 容差 = FTOLN x h,接触介绍 . 基本概念, 穿透容差 不要用一个软 FKN 和一个紧 FTOLN. 如果接触刚度达到强制协调的最好效果, 通常会得到最好的收敛行为. 用合理的刚度值 FKN. 用合理的 FTOLN 值“协调”穿透. 太小的 FTOLN 值将导致收敛困难. 千万别
13、用太小的容差值! 增大惩罚刚度 (FKN)将减少穿透. 尽管增大 FKN 100倍通常相应地会减少穿透, 然而其它重要项, 如接触压力, 可能至少会改变 5%.,接触介绍 A. 穿透容差 练习,请参考附加练习: W15. 接触介绍- 穿透容差研究 (FTOLN),接触介绍 . 基本概念,指定接触和目标面 程序通过一组离散的接触点(单元高斯点)定义接触面. 程序将目标面定义为连续面. 两个面可以在高斯点之间相互穿透而不识别接触, 这会引起误差.,目标面,接触面,在高斯点之间,目标面可以穿透接触面.,接触介绍 . 基本概念, 指定接触和目标面 通过仔细地指定目标和接触面, 可以减少不能识别的穿透.
14、 然而, 对于刚性体-柔性体接触, 目标面和接触面的选择是不能改变的. 刚性面必须总是 目标面.,钢轴(刚性)必须是目标,橡胶罩(柔性)必须是接触面, 指定接触和目标面 对于柔性体-柔性体接触, 通过使接触点数达到最大可以获得最好的精度. 当指定柔性体-柔性体接触的接触面和目标面时, 按如下准则进行: 如果一个面网格粗, 另一个面网格细, 粗网格面应该是目标面. 考虑如果颠倒此指定, 会发生什么现象:,接触介绍 . 基本概念,如果更细的网格是目标面, 它将跨过高斯点“下垂”, 象图示那样穿透.,接触介绍 . 基本概念, 指定接触和目标面 指定接触和目标面的其它准则: 如果一个凸面与一个平面或凹
15、面进入接触, 平面和凹面应该是目标面. 如果一个面比另一个面更硬, 较硬的面应该是目标面. 如果一个面是高阶, 另一个面是低阶, 低阶面应该是目标面. 如果一个面比另外一个面更大, 较大的面应该是目标面.,接触介绍 . 基本概念, 指定接触和目标面 当所有的接触单元都在一个面上, 所有的目标单元都在另一个面上时, 称该模型为不对称接触. 不对称接触一般是模拟面-面接触最有效的方法. 然而, 在有些情况下, 不对称接触执行的不令人满意. 目标和接触面之间不存在明显的区别. 目标和接触面都有粗糙的网格.,有时目标-接触区别不明显,接触介绍 . 基本概念, 指定接触和目标面 一个可用的办法是创建双
16、接触对, 称之为对称接触. 创建了一个接触对之后, 只要简单地对同样的表面创建具有相反的目标-接触面指定的第二个接触对.,接触介绍 . 基本概念, 指定接触和目标面 尽管一些模型为了精确, 可能需要对称接触. 但是要注意, 对称接触比非对称接触效率要低些. 因此, 除非有必要, 否则不要用对称接触. 还要注意, 当用对称接触时, 后处理要困难些. 接触压力是两组接触单元的平均值. 此平均值不能自动地作为标准结果项得到. 需要用 APDL或 ETABLE计算.,接触介绍 A. 接触和目标 练习,请参考附加练习: W16. 接触介绍 - 接触面和目标面指定,接触介绍 . 基本概念,刚性目标面-导向
17、节点 缺省时, 程序自动约束刚性目标面. 也就是说, 自动地将目标的位移和转动设定 为零. 要模拟刚性目标的更复杂行为, 可以创建一个特殊的单节点目标单元, 称为导向节点. 该单元通过具有相同的实常数属性与目标面联系起来. 对于整个刚性面, 导向节点起手柄 的作用. 可以对导向节点指定非零的位移,转动,力和/或力矩模拟目标面的刚体运动. 注意如果存在导向节点, 程序将不 自动约束刚性面.,接触介绍 . 基本概念, 导向节点 导向节点可以在任意位置指定. 这允许刚性目标面的一般转动. 仅仅导向节点可以与其它单元发生联系. 例如, 要考虑刚性体的质量,在导向节点处定义一个质量单元(MASS21).
18、 每个目标面只能有一个导向节点.,刚性面转动,导向节点(在转动的中心),接触介绍 B. 接触向导,面-面接触单元可以用标准的单元生成过程创建: 建立单元TYPE, REAL 和 MAT 数据, 设置单元属性, 指定目标和接触面, 然后划分网格或用 ESURF 命令操作. 这个过程在创建接触对时“费心劳神”. 值得庆幸的是, 有个更好的办法 .,接触介绍 . 接触向导,接触向导 为大多数接触问题提供了一个简单的办法来构造接触对.接触向导将引导创建接触对的过程.,接触介绍 . 接触向导,接触向导的好处: 自动定义单元类型和实常数设置 迅速接近接触选项和参数 接触对浏览工具 迅速显示和反转接触法向
19、只有对模型的部分划分网格 后, 才能用接触向导. 在启动向导创建柔性体-柔性体接触模型之前, 对用作接触面的模型的所有部件划分网格. 要创建刚性体-柔性体接触模型, 只对用作柔性接触面的模型的部件划分网格.,接触介绍 . 接触向导,看看如何对第六章练习的连接器模型添加一个接触对.,首先, 指定刚性或柔性 目标类型(如果选择可用), 并拾取目标面. 可以根据模型中现有的实体, 拾取节点、节点组、线或面.,接触介绍 . 接触向导,然后, 拾取接触面. 同样, 根据模型中现有的实体, 可以再次拾取节点、节点组、线或面.,接触介绍 . 接触向导,点击 Optional setting 按钮, 确定一般
20、接触行为的技术条件收敛工具、摩擦影响、目标约束、热界面参数和其它各种参数.,接触介绍 . 接触向导,最后, 点击 Creat 按钮创建该接触对的接触和目标单元.,用于该接触对的实常数号是相同的.,接触对中的单元自动画出, 打开单元坐标系(ESYS)符号, 来显示单元的外法向方向. 如果有错误法向, 现在就可以将它们翻转过来.,面-面接触单元提供了三个自由度选项: 结构: UX, UY, 和 UZ 结构和热: UX, UY, UZ 和 TEMP 热: TEMP (对纯热接触问题) 当用此向导创建接触对时, 接触单元自由度选项自动基于下层单元的自由度设置. 不需要调整. 面-面接触单元的自由度也可
21、以通过命令设置: Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete ,接触介绍 . 接触向导,接触介绍 . 接触向导,Basic 表 包含所有与接触行为和收敛相关的一般参数.,指定参数是缺省的缩放系 数或常数,接触介绍 . 接触向导,Friction 表包含接触界面上所有和静态和动态摩擦有关的参数; 也允许在接触界面上定义最大摩擦应力.,MU = MUK*(1+(FACT-1)exp(-dc*VREL)式中:MU = 摩擦系数 MUK = 动态摩擦系数 VREL = 两接触面间的相对滑动速率FACT = 静态与动态摩擦系数的比. dc =
22、衰变指数比率,接触介绍 . 接触向导,摩擦有关的注释 面-面接触单元提供基本的库仑摩擦模型, 当滑动发生时, 该摩擦模型定义等效应力 t : t = m x p m 是摩擦系数, 作为材料属性定义, 如前面幻灯片上接触向导中所示. 如果 m 等于零 (缺省), 剪切应力将不会被传递. p 是接触压力. 当两面间的剪切应力超过 m x p, 则这两个面将相互滑动. 还可以用更高级的摩擦选项. 将在高级接触和螺栓预紧 培训手册中讨论.,接触向导高级功能,Initial Adjustment 表包括先前的穿透和表面补偿参数(具体指导请参看培训课程.),接触向导高级功能,MISC 表 防止伪接触, 梁
23、/壳厚度效应和接触检测点的位置, 高斯或节点 (在培训课程中详细讨论),接触向导高级功能,Rigid target 表指定约束和高阶目标单元选项 (在培训课程中详细讨论) Thermal 表 所有的热接触参数, 包括表面辐射场附近的接触传导性, 摩擦生热因素 (在培训课程中详细讨论),接触介绍 . 接触向导,导向节点 刚性目标面可以与“导向节点”联系起来, 导向节点的运动控制目标面的运动. 可以在导向节点上为整个目标面确定力, 位移和/或转动.可以认为导向节点是整个刚性面的手柄. 如果定义一个导向节点, ANSYS 仅在导向节点上检验边界条件而忽略目标面上其它节点的约束. 导向节点可以通过对关
24、键点划分网格生成, 或通过采用和目标单元相同的单元属性直接生成.,接触介绍 . 接触向导,导向节点(续) 接触向导不能为刚性目标面创建导向节点. 要创建一个导向节点, 必须用划分网格或直接生成的办法: 首先, 为目标单元设置单元属性(材料,实常数和单元类型). 记住对接触对的余下部分要用相同的实常数号. 然后对关键点划分网格, 此关键点位于导向节点所要求的位置. 已经知道导向节点可以在任何位置-它不需要实际地附于其它目标单元. 另一种办法, 直接生成, 为目标单元形状设置一个附加属性(TSHAP,PILO), 然后在所要求的节点处创建单元.,接触介绍 C. 求解,自动求解控制, 包括面-面接触
25、单元的缺省选项设置, 对于大多数接触分析通常都能相当稳定的求解. 如果遇到收敛困难, 一般是由如下三个原因中的一个或几个引起的: 接触刚度值太大. 穿透容差值太紧. 最小时间步长太大. 要改善收敛, 试用按如下次序修改你的模型: 减小 FKN. 增大 FTOLN. 减小最小时间步长(或增大最大子步数).,接触介绍 . 求解,如果修改了 FKN, FTOLN以及时间步长, 模型还不收敛, 则可能需要用高级接触选项. 在培训手册中讨论. 如果模型包括摩擦, 因为摩擦是一种路径相关的现象, 所以为了准确, 需要用小的时间步长. 不像塑性, 如果摩擦时间步长太大, 没有 可以触发的二分后移控制. 注意
26、在接触求解中, 所有的平衡迭代在第一个子步的二分前进行, 以帮助建立初始接触条件.,接触介绍 D. 后处理,接触模型的结果将包括许多与接触有关的附加项. 这些项与接触 单元(不是目标单元)联系在一起, 并且在 GUI 中很容易得到. 用通用后处理器, 可以按节点(平均)或单元(不平均)等值线图对这些相进行显示. 对于接触分析, 动画图特别有帮助. 用时间-历程后处理器, 可以将这些项作为时间-历程变量画出来.,接触介绍 . 后处理,接触状态是指定接触单元当前状态的一个整数: STAT = 0: 开但不邻近接触. STAT = 1: 开, 但邻近接触. STAT = 2: 闭合并滑动. STAT
27、 = 3: 闭合并粘着.,接触介绍 . 后处理,注意由于平均处理, 状态的节点(平均)等值线图将展示非整数的等值线值. 对于单元状态的等值线图, 单元(不平均)等值线图通常更合适. 与此类似, 对于其它接触结果项, 也会出现不规则的节点等值线图. 如果节点(平均)等值线图看上去不合理, 试用单元(不平均)图代替.,接触区,节点等值线图中, 状态 1,单元等值线图中, 状态 = 1,接触介绍 . 后处理,穿透 或间隙 距离表示实际的穿透量 (STAT = 2 或 3)或离开的间隙( STAT = 1), 与长度单位一致. 在列表中, 穿透距离为正, 间隙距离为负. 因为等值线图可以显示穿透或间隙
28、(不同时), 对这两项等值线图总是显示为正值. 接触压力 (PRES)和摩擦应力 值(SFRI)表示接触单元的当前值, 从高斯点拷贝到节点.,接触介绍 E. 练习,请参考附加练习: W17. 接触介绍-啮合副,接触介绍 F. 装配接触,现在许多分析人员从CAD软件中输入实体模型, 然后在ANSYS中对输入的模型进行网格划分和分析. 对于多数CAD程序, 一个单个的体, 不管多复杂, 都是代表单个零件. 在装配 中, 多个体模型将由几个零件连接在一起.,接触介绍 . 装配接触,一个装配的零件间的边界通常表示 CAD 模型内数学上的不连续. 当在ANSYS中划分网格时, 这些零件边界处的网格将不连
29、续. 边界一边的节点不会与边界另一边的节点“通话”. 面-面接触单元可以用一个称为装配接触 (ASSEMBLY CONTACT )的概念联系零件边界间的网格.,用装配接触粘结零件 A 和 B,接触介绍 . 装配接触,尽管装配接触用高级接触特征将零件粘结在一起, 但对于不同的模型, 步骤都直截了当, 并且十分一致. 事实上, ANSYS 公司的设计师级产品, DesignSpace, 包括自动装配过程. 它已经被没有非线性分析概念的设计师成功地应用. 因为装配接触应用广泛, 通常也比较“简单”(即有稳定的收敛性), 在此, 我们对所用高级特征几乎不作说明, 仅给出处理过程.,接触介绍 . 装配接
30、触,CAD 装配必须有这些特征: 零件必须沿一个边界相互“碰触”. 边界面不需要完全吻合; 几何图形中的一些数学“噪音”是可以接受的. 在生成装配接触对之前, 两个相邻零件必须先划分网格.,接触介绍 . 装配接触,作为将界面边界粘结在一起的一个工具, 装配接触比 NUMMRG, EINTF, CPINTF, CEINTF及过去使用的其它类似工具用得更普遍. 在大位移分析中有效(不像耦合和约束方程). 可以联结不匹配的网格(不像 NUMMRG 和 EINTF).装配接触利用面-面接触单元 连接接触 的特点, 将分离的零件粘结在一起. 要建立更强的粘结, 常用更大的FKN值. FKN = 10也是
31、正常的.,接触介绍 . 装配接触,装配接触的关键是初始“理想”接触面的创建. 初始理想接触面是指没有初始力作用的接触界面. 通过利用选项设置下的 Bonded (保持) 接触面行为和Exclude everything 初始穿透选项, 可以达到此目标:,如果模型中, 仅有非线性是装配接触, 则有时可以在分析中关闭非线性迭代. Solution Unabridged Menu -Load Step Opts- Solution CtrlSolution Unabridged Menu -Load Step Opts Nonlinear Equilibrium Iter然而要意识到, 关闭非线性迭代会产生一个不完全平衡的模型.,接触介绍 . 装配接触,关闭自动求解控制,指定一次平衡迭代,接触介绍 . 装配接触,零件粘结在一起具有装配接触的模型, 可用于多种类型的分析, 包括: 非线性静态. 非线性瞬时动态. 线性模态. 线性特征值屈曲. 在线性分析中, 接触单元的初始状态是“冻结”的(如模态或特征值屈曲分析).,接触介绍 F. 装配接触 练习,请参考附加练习: W18. 接触介绍 装配接触,
