ANSYS结构非线性分析指南（第五—六章）

第五章 接触分析

5.1 概述

接触问题是一种高度非线性行为，需要较多的计算机资源。为了进行切实有效的计算，理解问题的物理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，在用户求解问题之前，用户通常不知道接触区域。随载荷、材料、边界条件和其它因素的不同，表面之间可以接触或者分开，这往往在很大程度上是难以预料的，并且还可能是突然变化的。其二，大多数的接触问题需要考虑摩擦作用，有几种摩擦定律和模型可供挑选，它们都是非线性的。摩擦效应可能是无序的，所以摩擦使问题的收敛性成为一个难点。 注意 --如果在模型中，不考虑摩擦，且物体之间的总是保持接触，则可以应用约束方程或自由度藕合来代替接触。约束方程仅在小应变分析( NLGEOM ，off)中可用。见《ANSYS Modeling and Meshing Guide》中的§12，Coupling and Constraint Equations。

除了上面两个难点外，许多接触问题还必须涉及到多物理场影响，如接触区域的热传导、电流等。

5.1.1 显式动态接触分析能力

除了本章讨论的隐式接触分析外，ANSYS还在ANSYS/LS-DYNA中提供了显式接触分析功能。显式接触分析对于短时间接触-碰撞问题比较理想。关于ANSYS/LS-DYNA的更多的信息参见《ANSYS/LS-DYNA User\》。

5.2 一般接触分类

接触问题分为两种基本类型：刚体─柔体的接触，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，可以假定为刚体─柔体的接触，许多金属成形问题归为此类接触。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(有相似的刚度)。柔体─柔体接触的一个例子是栓接法兰。

5.3 ANSYS接触分析功能

ANSYS支持三种接触方式：点─点，点─面，面─面接触。每种接触方式使用不同的接触单元集，并适用于某一特定类型的问题。

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，模型的对应组元是一个节点。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，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ANSYS使用的接触单元和使用它们的过程，后面会分类详述，然后论述ANSYS接触单元和他们的功能。参见《ANSYS Elements Reference》和《ANSYS Theory Reference》。

表5-1 ANSYS接触分析功能

点-点 点-面 面 面 - CONTAC 173, CONTAC CONTA CONTAC CONTAC CONTAC CONTAC CONTAC171,172 174 12 TARGET 169 52 178 26 48 49 TARGET 170 点-点 Y Y Y Y Y Y Y Y 面-面 点-面 2-D 3-D 滑动 曲面 Y Y 小 Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y 大 Y 大 Y 大 大 大 小 小 圆柱间隙 Y 纯Lagrange 乘子 增加Lagrange 乘子 接触刚度 自动网格工具 低阶 高阶 刚体-柔体 柔体-柔体 热接触 Y Y Y Y Y Y Y 用户定半自用户定用户定用户定义 动 义 义 义 半自动 ESURF Y Y 半自动 ESURF Y Y Y Y Y Y EINTF EINTF None GCGEN GCGEN Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y 5.3.1 面─面的接触单元

ANSYS支持刚体─柔体和柔体─柔体的面─面的接触单元。这些单元应用“目标”面和“接触”面来形成接触对。

分别用TARGE169或TARGE170来模拟2D和3D目标面。 用CONTA171、CONTA172、CONTA173、CONTA174来模拟接触面。 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数号。参见§5.4。

这些面-面接触单元非常适合于过盈装配安装接触或嵌入接触，锻造，深拉问题。与点─面接触单元相比，面─面接触单元有许多优点:

支持面上的低阶和高阶单元(即角节点或有中节点的单元)；

支持有大滑动和摩擦的大变形。计算一致刚度阵，可用不对称刚度阵选项；

提供为工程目的需要的更好的接触结果，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的，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，需要较少的接触单元，因而只需较小的磁盘空间和CPU时间，并具有高效的可视化；

允许多种建模控制，例如：

绑定接触，不分离接触，粗糙接触； 渐变初始穿透；

目标面自动移动到初始接触；

平移接触面(考虑梁和单元的厚度)，用户定义的接触偏移； 死活能力；

支持热-力耦合分析。

使用这些单元来做为刚性目标面，能模拟2D和3D中的直线(面)和曲线(面)，通常用简单的几何形状例如圆、抛物线、球、圆锥、圆柱来模拟曲面。更复杂的刚体形状或普通可变形体，可以应用特殊的前处理技巧来建模，参见§5.4。

面-面接触单元不能很好地应用于点-点或点-面接触问题，如管道或铆头装配。在这种情况下，应当应用点-点或点-面接触单元。用户也可以在大多数接触区域应用面-面接触单元，而在少数接触角点应用点-点接触单元。

面－面接触单元只支持一般的静态或瞬态分析，屈曲、模态、谱分析或子结构分析。不支持谐响应分析、缩减或模态叠加瞬态分析，或缩减或模态叠加谐响应分析。

本章后面将分别讨论ANSYS不同接触分析类型的能力。

5.3.2 点─面接触单元

点─面接触单元主要用于给点─面接触行为建模，例如两根梁的相互接触(梁端或尖角节点)，铆头装配部件的角点。

如果通过一组节点来定义接触面，生成多个单元，那么可以通过点─面接触单元来模拟面─面的接触问题。面既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插到插座里。

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保持一致的网格。并且允许有大的变形和大的相对滑动，虽然这一功能也可以模拟小的滑动。

CONTACT48 和 CONTACT49单元是点─面的接触单元。这2种单元支持大滑动、大变形、以及接触部件间不同的网格。用户也可以用这2种单元来进行热-机械耦合分析，其中热在接触实体之间的传导非常重要。

应用 CONTACT26 单元用来模拟柔性点─刚性面的接触。对有不光滑刚性面的问题，不推荐采用 CONTACT26 单元，因为在这种环境下，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(参见《ANSYS Theory Reference》)，但如果目标面严重不连续，依然可能失败。

5.3.3 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─点接触单元，用户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)。其中一个例子是传统的管道装配模型，其中接触点总是在管端和约束之间。

点─点接触单元也可以用于模拟面─面的接触问题，如果两个面上的节点一一对应，相对滑动又可以忽略不计，两个面位移(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─面接触问题的典型例子。

另一个点─点接触单元的应用是表面应力的精确分析，如透平机叶片的分析。

ANSYS的 CONTA178 单元是大多数点-点接触问题的最好选择。它比其他单元提供了范围更广的选项和求解类型。CONTAC12 和 CONTAC52 单元保留的理由，在很大程度上是为了与已有模型的向下兼容。

5.4 面─面的接触分析

用户可以应用面-面接触单元来模拟刚体-柔体或柔体之间的接触。从菜单(Preprocessor>Create>Contact Pair>Contact Wizard)进入接触向导，为大多数接触问题建立接触对提供了简单的方法。接触向导将指导用户建立接触对的整个过程。每个对话框中的HELP按钮对其应用及选项作了详细说明。

在用户未对模型的任何区域分网之前，接触向导不能应用。如果用户希望建立刚体-柔体模型，则在进入接触向导前，仅对用作柔体接触面的部分分网(不对刚体目标面分网)。如用户希望建立柔体-柔体接触模型，则应在进入接触向导前，对所有用作接触面的部件进行分网(包括目标面)。

下面诸节将论述不用接触向导来建立接触面和目标面的方法。

5.4.1 应用面-面接触单元

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，目标面总是刚性面，接触面总是柔性面。对柔体─柔体的接触，目标面和接触面都与变形体关联。这两个面合起来叫作“接触对”。使用TARGE169与CONTA171(或CONTA172)单元来定义2-D接触对。使用TARGE170与CONTA173(或CONTA174)单元来定义3-D接触对。程序通过相同的实常数号来识别每一个接触对。

5.4.2 接触分析的步骤

典型面─面接触分析的基本步骤如下，后面将对每一步骤进行详细解释。 1、建立几何模型并划分网格； 2、识别接触对； 3、指定接触面和目标面； 4、定义目标面； 5、定义接触面；

6、设置单元关键选项和实常数；

7、定义／控制刚性目标面的运动(仅适用于刚体-柔体接触)； 8、施加必须的边界条件； 9、定义求解选项和载荷步； 10、求解接触问题； 11、查看结果。

5.4.3 建立几何模型并划分网格

在这一步，用户需要建立代表接触体的几何实体模型。与其它分析一样，需要设置单元类型、实常数、材料特性。用恰当的单元类型给接触体划分网格。参见《ANSYS Modeling and Meshing Guide》。

命令： AMESH VMESH

GUI：Main Menu>Preprocessor>Mesh

5.4.4 识别接触对

用户必须判断模型在变形期间哪些地方可能发生接触。一旦已经判断出潜在的接触面，就应该通过目标单元和接触单元来定义它们，目标和接触单元将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数号联系起来。

接触区域可以任意定义，然而为了更有效地进行计算(主要指CPU时间)，用户可能想定义更小的局部化的接触区域，但要保证它足以描述所需要的所有接触行为。不同的接触对必须通过不同的实常数号来定义，即使实常数没有变化。但不限制允许的面的数目。

图5-1 局部接触区域

由于几何模型和潜在变形的多样性，有时候一个接触面的同一区域可能与多个目标面产生接触关系。在这种情况下，应该定义多个接触对(使用多组覆盖接触单元)。每个接触对有不同的实常数号。见 图5-1 。

5.4.5 指定接触面和目标面

接触单元被限制不得穿透目标面。但是，目标单元可以穿透接触面。对于刚体-柔体接触，目标面总是刚体表面，而接触面总是柔体表面。对于柔体-柔体接触，选择那一个面作为接触面或目标面可能会引起穿透量的不同，从而影响求解结果。这可参照下面的论述：

如凸面预期与一个平面或凹面接触，则平面/凹面应当指定为目标面； 如一个面有较密的网格，而相比较之下，另一个面网格较粗，则较密网

格的面应当是接触面，而较粗网格的面则为目标面； 如一个面比另一个面刚，则较柔的面应当指定为接触面，而较刚的面则

为目标面； 如果高阶单元位于一个外表面，而低阶单元位于另一个面，则前者应指

定为接触面，后者则为目标面； 如果一个面明显地比另一个面大(如一个面包围其他面)，则较大的面应

指定为目标面。

上面的论述对于不对称接触是正确的。但不对称接触可能不能满足模型需要。下面一小节祥细论述不对称接触和对称接触的差异，并简要说明需要对称接触的一些场合。

5.4.6 不对称接触与对称接触

不对称接触定义为所有的接触单元在一个面上，而所有的目标单元在另一个面上的情况。有时候也称为“单向接触”。这在模拟面-面接触时最为有效。但是，在某些环境下，不对称接触不能满足要求。在这些情况下，可以把任一个面指定为目标面和接触面。然后在接触的面之间生成二组接触对(或仅是一个接触对，如自接触情况)。这就称为对称接触，有时也称为“双向接触”。显然，对称接触不如非对称接触效率高。但是，许多分析要求应用对称接触(典型地，是为了减少穿透)。要求对称接触的情况如下：

接触面和目标面区分不十分清楚；

二个面都有十分粗糙的网格。对称接触算法比非对称接触算法在更多的

面上施加了接触约束条件。 如果二个面上的网格相同并且足够密，则对称接触算法可能不会显著改变运行，而事实上可能更费CPU时间。在这种情况下，拾取一个面为目标面，而另一个面为接触面。在任何接触模型中，可以混合不同的接触对：刚体-柔体或柔体-柔体接触对；对称接触或非线称接触。但在一个接触对中只能有一种类型。

5.4.7 定义目标面

目标面可以是2D或3D的刚体或柔体的面。对于柔体目标面，一般应用 ESURF 命令来沿现有网格的边界生成目标单元。也可以按相同的方法来生成柔体接触面(见§5.4.8)。用户不应当应用下列刚性目标面作为柔体接触面：ARC, CARC, CIRC, CYL1, CONE, SPHE 或 PILO。对于刚体目标面的情况论述如下。

在2D情况下，刚性目标面的形状可以通过一系列直线、圆弧和抛物线来描述，所有这些都可以用 TARGE169 单元来表示。另外，可以使用它们的任意组合来描述复杂的目标面。在3D情况下，目标面的形状可以通过三角面、圆柱面、圆锥面和球面来描述，所有这些都可以用 TAPGE170 单元来表示。对于一个复杂的、任意形状的目标面，可以使用低阶/高阶三角形和四边形来给它建模。 5.4.7.1 控制节点

刚性目标面可能会与“控制(pilot)节点”联系起来，它实际上是一个只有一个节点的单元，其运动控制整个目标面的运动，因此可以把控制节点作为刚性目标的控制器。整个目标面的力/力矩和转动/位移可以只通过控制节点来表示。控制节点可能是目标单元中的一个节点，也可能是一个任意位置的节点。只有当

需要转动或力矩载荷时，控制节点的位置才是重要的。如果用户定义了控制节点，ANSYS程序只在控制节点上检查边界条件，而忽略其它节点上的任何约束。 注意 --当前的接触向导不支持生成控制节点。用户可以在接触向导外定义控制节点。 5.4.7.2 基本图元

用户可以使用基本几何图元，如圆、圆柱、圆锥、球，来模拟目标面(它需要实常数来定义半径)。也可以组合图元与一般的直线、抛物线、三角形和四边形来定义目标面。

5.4.7.3 单元类型和实常数

在生成目标单元之前，首先必须定义单元类型(2维的TARGE169单元，或3维的TARGE170单元)。

命令： ET

GUI：main menu>preprocessor>Element Type> Add/Edit/Delete 随后必须设置目标单元的实常数。 命令： Real

GUI：main menn>preprocessor>real constants

对于 TARGE169 单元和 TARGE170 单元，仅需设置实常数R1和R2(如果需要的话)。关于目标单元、单元形状、实常数的完整描述，参见《ANSYS Elements Reference》中TARGE169单元和TARGE170单元的论述。

注意 --只有在使用直接生成法建立目标单元时，才需要指定实常数R1、R2。另外除了直接生成法，用户也可以使用ANSYS网格划分工具生成目标单元，下面解释这两种方法。

5.4.7.4 使用直接生成法建立刚性目标单元

为了直接生成目标单元，使用下面的命令和菜单。 命令： TSHAP

GUI：main menu>preprocessor>modeling-create>Elements> Elem Attributes

随后指定单元形状，可能的形状有：

直线(2D) 抛物线(2-D) 顺时针的圆弧(2-D) 反时针的圆弧(2-D) 圆(2-D) 三角形(3-D) 圆柱(3-D) 圆锥(3-D) 球(3-D)

控制节点(2-D和3-D)

一旦用户指定目标单元形状，所有以后生成的单元都将保持这个形状，除非用户指定另外一种形状。

注意 --不能在同一个目标面上混合2D和3D目标单元。

注意 --不能在同一个目标面上混合刚体目标单元和柔体目标单元。在求解期间，ANSYS对具有下伏单元的目标单元指定为可变形状态，而对没有下伏单元的目标单元指定为刚体状态。如果删除柔性表面的下伏单元的一部分，在求解时会出现一个错误。

用户可以用标准的ANSYS直接生成技术生成节点和单元。参见《ANSYS Modeling and Meshing Guide》§9。

命令： N E

GUI：main menu>preprocessor> modeling- create>nodes main menu>preprocessor> modeling- create>Elements 在建立单元之后，可以通过列表单元来验证单元形状。 命令： ELIST

GUI：utility menu>list>Elements>Nodes+Attributes

5.4.7.5 使用ANSYS网格划分工具生成刚性目标单元

用户也可以用标准的ANSYS网格划分功能让程序自动地生成目标单元。ANSYS程序会基于体模型生成合适的目标单元形状，而忽略 TSHAP 命令的选项。

为了生成一个控制(Pilot)节点，使用下面的命令或GUI路径： 命令： KMESH

GUI：main menu>preprocessor>meshing-mesh>keypoints 注意 ： KMESH 总是生成控制节点。

为了生成一个2D刚性目标单元，使用下面的命令和GUI路径。ANSYS在每条线上生成一条单一的线，在B-样条曲线上生成抛物线线段，在每条圆弧和倒角线上生成圆弧线段，参见 图5-2 。如果所有的圆弧形成一个封闭的圆，ANSYS 生成一个单一的圆，参见 图5-3 。但是，如果围成封闭圆的弧是从外部输入(如IGES)的几何实体，则ANSYS可能无法生成一个单一的圆。

命令： LMESH

GUI：main menu>preprocessor>meshing-mesh>lines

图5-2 ANSYS几何实体和相应的刚性目标单元

图5-3 从圆弧线段生成单一的圆

为了生成3D的目标单元，使用下面的命令或GUI路径。

命令： AMESH

GUI：main menu>preprocessor>-meshing-mesh>Areas

如果实体模型的表面部分形成了一个完整的球、圆柱或圆锥，那么ANSYS程序通过 AMESH 命令，自动生成一个基本3D目标单元。因为生成较少的单元，从而使用户分析计算更有效率。对任意形状的表面，应该使用 AMESH 命令来生成目标单元。在这种情况下，网格形状的质量不重要。而目标单元的形状是否能较好地模拟刚性面的表面几何形状显得更重要。

在所有可能的面上，推荐使用映射网格。如果在表面边界上没有曲率，则在网格划分时，指定那条边界分为一份。刚体TAREG169单元总是在一根线上按一个单元这样来分网，而忽略 LESIZE 命令的设置。缺省的单元形状是四边形。如果要用三角形目标单元，应用 MSHAPE ,1。 图5-4 示出任意目标面的网格布局。 下面的命令或GUI路径，将尽可能地生成一个映射网格(如果不能进行映射，它将生成自由网格)。

命令： MSHKFY ，2

GUI：main menu>preprocessor>-meshing-mesh>-Areas-Target Surf

图5-4 任意目标面的网格布局

如果目标面是平面(或接近平面)，用户可以选择低阶目标单元(3节点三角形或4节点四边形单元)。如果目标面是曲面，用户应该选择高阶目标单元(6节点三角形或8节点四边形单元)。为此在目标单元定义中设置KEYOPT(1)=1。 注意 --低阶单元致使获取穿透和间隙时CPU的开销较小；但是，分网后的面可能不够光滑。高阶单元则在获取穿透和间隙时CPU的开销较大；但是需要较少的单元就可以离散整个目标曲面。

注意 --如果通过程序分网( KMESH 、LMESH、ESURF 命令)来建立目标单元，则忽略 TSHAP 命令，而ANSYS自动选择合适的形状。

5.4.7.5.1 建模和网格划分的一些诀窍

一个目标面可能由两个或多个不连续的区域组成。用户应该尽可能地通过定义多个目标面，来使接触区域限于局部(每个目标面有一个不同的实常数号)。刚性面上的形状不限制，不要求光滑。但是，要保证刚性目标面上曲面的离散足够。过粗的网格离散可能导致收敛问题。如果刚性面有一个尖锐的凸角，求解大的滑动问题时很难获得收敛结果。为了避免这些建模问题，在实体模型上使用线或面的倒角来使尖角光滑化，或者在曲率突变的区域使用更细的网格或使用高阶单元，见 图5-5 。

图5-5 凸角的光滑化

5.4.7.5.2 检验目标面的节点号顺序(接触方向)

目标面的节点号顺序是重要的，因为它定义了接触方向。对2D接触问题，当沿着目标线从第一个节点移向第二个节点时，变形体的接触单元必须位于目标面的右边。见 图5-6 。

图5-6 正确的节点顺序

对3D接触问题，目标三角形单元号应使刚性面的外法线方向指向接触面。外法线通过右手法则来定义。

为了检查法线方向，显示单元坐标系。 命令：/ PSYMB ，ESYS，1

GUI：Utility menu>PlotCtrls>symbols

如果单元法向不指向接触面，选择该单元，反转表面法线的方向。 命令： ESURF ,,REVE

GUI：main menu>preprocossor>create>Elements>Surf to Surf 或重新定向单元的法向： 命令： ENORM

GUI：Main Menu>Preprocessor>Create>Move/Modify>Shell Normals 注意 --在目标元素(如完整的圆、圆柱、圆锥、球)上的接触，只能在这些目标元素的外表面上出现。

5.4.8 定义柔体的接触面

为了建立柔体的接触面，对于2D接触必须使用接触单元 CONFA171 或

CONFA172 接触单元；对于3D接触必须使用 CONTA173 或 CONTA174 接触单元。 程序通过组成柔体表面的接触单元来定义接触面。接触单元与下伏柔体单元有同样的几何特性。接触单元与下伏柔体单元必须处于同一阶次(低阶或高阶)，以使在边上的节点协调。高阶接触单元可以通过消除中节点而与低阶下层单元匹配。下伏单元可能是实体单元、壳单元、2D梁单元。接触面可以在壳或梁单元任何一边。下伏单元也可以是超单元。但是，轴对称调和单元不能用作下伏单元。 与目标面单元一样，用户必须定义接触面的单元类型，然后选择正确的实常数号(在每个接触对中，实常数号必须与它所对应的目标面的实常数号相同)，最后生成接触单元。 5.4.8.1 单元类型

下面简单描述四种类型的接触单元。参见《ANSYS Elements Reference》。 CONTA171：这是2D、2个节点的低阶线单元，可位于2D实体、壳或梁单

元(如 BEAM3、PLANE42 或 SHELL51)的表面。 CONTA172：这是2D、3节点的高阶抛物线形单元，可位于有中节点的2D

实体或梁单元(如 PLANE82 或 VISCO88)的表面。 CONTA173：这是3D、4节点的低阶四边形单元，可位于3D实体或壳单元

(如 SOLID45 或 SHELL181)的表面。可退化成3节点的三角形单元。

CONTA174：这是3D、8节点的高阶四边形单元，可位于有中节点的3D实

体或壳单元(如 SOLID92、SOLID95 或 SHELL93)的表面。可退化成6节点的三角形单元。 命令： ET

GUI：main menu>preprocessor>Element type>Add/Edit/Delete 5.4.8.2 实常数和材料特性

在定义了单元类型之后，需要选择正确的实常数集。一个接触对中的接触面和目标面必须有相同的实常数号。每个接触对必须有不同的实常数号。 ANSYS 使用下伏单元的材料特性来计算一个合适的接触(或罚)刚度。在下层单元有用 TB 命令定义的塑性材料特性(不论激活与否)的情况下，接触的法向刚度可能按照系数100降低。ANSYS 自动为切向(滑动)刚度定义一个与 MU 和法向刚度成正比的缺省值。如果下伏单元是一个超单元，接触单元的材料必须与超单元形成时的原始结构单元相同。 5.4.8.3 生成接触单元

既可以通过直接生成法生成接触单元，也可以在下层单元的外表面上自动生成接触单元。推荐采用自动生成法，这种方法更为简单和可靠。可以通过下面三个步骤，来自动生成接触单元。

１、选择节点

选择已分网的柔体表面的节点。对每一个面，检查节点排列。如果用户确定某一部分节点永远不会接触到目标面，用户可以忽略它以便减少计算时间。然而用户必须保证设有漏掉可能会接触到目标面的节点。

命令： NSEL

GUI：Utility Menu>Select>Entities 2、生成接触单元 命令： ESURF

GUI：Main Menu>Preprocessor>Create>Elements>Surf to Surf

如果接触单元是附在已用实体单元划分网格的面或体上，程序会自动决定接触计算所需的外法向。如果下层单元是梁或壳单元，则必须指明哪个表面(上表面或下表面)是接触面。

命令： ESURF ,,TOP (或 BOTIOM)

GUI：Main Menu>Preprocessor>Create>Elements>Surf to Surf

使用 TOP(缺省)生成接触单元，它们的外法向与梁或壳单元的法向相同；使用 BOTIOM 生成接触单元，则它们的外法向与梁或壳单元的法向相反。必须确保梁上的单元或壳单元有一致的法向。如果下伏单元是实体单元，则 TOP 或 BOTTOM 选项不起作用

3、检查接触单元外法向。当程序进行是否接触的检查时，接触面的外法线方向至关重要。对于3D单元，按节点顺序号以右手法则来决定单元的外法向。接触面的外法向应该指向目标面。否则，在开始分析计算时，程序可能会认为是有过度穿透的面，而很难找到初始解。在这些情况下，程序一般会立即停止执行。 图5-7 说明正确和不正确的外法向。

命令：/ PSYMB ,ESYS

GUI：Utility menu>plotctrls>symbols

图5-7 定义接触单元的外法向

当发现单元的外法线方向不正确时，必须通过反转所选择的不正确单元的节点号来改变它们：

命令： ESURF ,,REVE

GUI：Main Menu>Preprocessor>Create>Elements>Surf to Surf 或重新定向单元法向： 命令： ENORM

GUI：Main Menu>Preprocessor>Create>Move/Modify>Shell Normals

5.4.9 设置实常数和单元关键选项

程序使用20个实常数和数个单元关键选项，来控制面─面接触单元的接触。参见《ANSYS Elements Reference》中对接触单元的描述。 5.4.9.1 实常数

在20个实常数中，两个(R1和R2)用来定义目标面单元的几何形状。剩下的用来控制接触面单元。

R1和R2 定义目标单元几何形状。 FKN 定义法向接触刚度因子。

FTOLN 是基于单元厚度的一个系数，用于计算允许的穿透。 ICONT 定义初始闭合因子。 PINB 定义“Pinball\区域。

PMIN和PMAX 定义初始穿透的容许范围。 TAUMAR 指定最大的接触摩擦。

CNOF 指定施加于接触面的正或负的偏移值。 FKOP 指定在接触分开时施加的刚度系数。 FKT 指定切向接触刚度。 COHE 制定滑动抗力粘聚力。 TCC 指定热接触传导系数。 FHTG 指定摩擦耗散能量的热转换率。 SBCT 指定 Stefan-Boltzman 常数。 RDVF 指定辐射观察系数。

FWGT 指定在接触面和目标面之间热分布的权重系数。 FACT 静摩擦系数和动摩擦系数的比率。 DC 静、动摩擦衰减系数。 命令： R

GUI：main menu> preprocessor>real constant

对实常数 FKN, FTOLN, ICONT, PINB, PMAX, PMIN, FKOP 和 FKT，用户既可以定义一个正值，也可以定义一个负值。程序将正值作为比例因子，将负值作为绝对值。程序将下伏单元的厚度作为ICON，FTOLN，PINB，PMAX 和 PMIN 的

参考值。例如 ICON = 0.1 表明初始闭合因子是“0.1*下层单元的厚度”。然而，ICON = -0.1 则表示真实调整带是 0.1 单位。如果下伏单元是超单元，则将接触单元的最小长度作为厚度。参见 图5-8 。

图5-8 下层单元的厚度

在模型中，如果单元尺寸变化很大，而且在实常数如 ICONT, FTOLN, PINB, PMAX, PMIN 中应用比例系数，则可能会出现问题。因为从比例系数得到的实际结果，取决于下层单元的厚度，这就可能引起大、小单元之间的重大变化。如果出现这一问题，请用绝对值代替比例系数。

TCC, FHTG, SBCT, RDVF 和 FWGT 仅用于热接触分析[KEYOPT(1)=1]。 5.4.9.2 单元关键选项

每种接触单元都包括数个关键选项。对大多的接触问题，缺省的关键选项是合适的。而在某些情况下，可能需要改变缺省值。下面是可以控制接触行为的一些关键选项：

自由度 KEYOPT(1)

接触算法(罚函数+拉格朗日乘子或罚函数) KEYOPT(2) 存在超单元时的应力状态(仅2D) KEYOPT(3) 接触检测点的位置(仅低阶接触单元) KEYOPT(4) CNOF自动调整 KEYOPT(5) 时间步控制 KEYOPT(7) 伪接触预防 KEYOPT(8) 初始穿透或间隙的影响 KEYOPT(9)

法向和切向接触刚度修正方法控制 KEYOPT(10)

壳的厚度影响 KEYOPT(11) 接触面行为(粗糙、绑定等) KEYOPT(12) 命令： KEYOPT ET

GUI：main menu>preprocessor>Elemant Type>Add/Edit/Delete 5.4.9.3 选择接触算法

对面─面接触单元，程序可以使用增进的拉格朗日方法或罚函数方法。通过单元关键字 KEYOPT(2)来指定。

增进的拉格朗日方法是为了找到精确的拉格朗日乘子（即接触力），而对罚函数进行一系列修正迭代。与罚函数的方法相比，拉格朗日方法容易得到良态条件，对接触刚度的敏感性较小。然而，在有些分析中，增进的拉格朗日方法可能需要更多的迭代，特别是在变形后网格变得太扭曲时。

使用拉格朗日方法的同时应使用实常数 FTOLN。FTOLN 为拉格朗日方法指定容许的最大穿透。如果程序发现穿透大于此值时，即使不平衡力和位移增量已经满足了收敛准则，总的求解仍被当作不收敛处理。FTLON 的缺省值为0.1。用户可以改变这个值，但要注意，如果此值太小，可能会造成太多的迭代次数或者不收敛。

5.4.9.4 确定接触刚度

所有的接触问题都需要定义接触刚度，两个表面之间穿透量的大小取决于接触刚度。过大的接触刚度可能会引起总刚矩阵的病态，从而造成收敛困难。一般来说，应该选取足够大的接触刚度以保证接触穿透小到可以接受，但同时又应该让接触刚度足够小以不致引起总刚矩阵的病态而保证收敛性。

ANSYS 程序根据下伏柔体单元的材料特性，来估计一个缺省的接触刚度值。用户可用实常数 FKN 来为接触刚度指定一个比例因子或指定一个绝对值。比例因子一般在0.01和10之间；对于大变形问题，选1是比较好的；而对于弯曲为主的问题，通常为0.01～0.1。用户应当总是检验以使穿透到达极小值，而又避免过多的迭代次数。

注意 --FTOLN 和 FKN 从一个荷载步到另一个荷载步中，都可以修改。也可以在重启动中修改。这时，必须定义KEYOPT(10)=1,2。

为了确定一个较好的接触刚度值，可能需要一些经验。用户可以按下面的步骤来进行尝试：

1、 开始时取一个较低的值。低估值要比高估值好，因为由一个较低的接触

刚度导致的穿透问题，比过高的接触刚度导致的收敛性困难，要容易解决。 2、 对前几个子步进行计算分析，直到最终荷载的一个比例(刚好完全建立

接触)。 3、 检查每一子步中的穿透量和平衡迭代次数。如果总体收敛困难是由过大

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，或者是将 FTOLN 的值取得大小。如果总体的收敛困难是由于不平衡力和位移增量达到收敛值时需要过多的迭代次数，而不是由于过大的穿透量引起的，那么 FKN 的值可能被高估。 4、 按需要调整 FKN 或 FTOLN 的值，重新进行完整的分析。

注意 -- 如果穿透控制变成总体平衡迭代中的主因(如果为使问题收敛到穿透容差内，比收敛到不平衡力的容差内，需要更多的迭代)，用户应该增大 FTOLN 值，以允许更多的穿透，或增大 FKN。 5.4.9.5 选择摩擦类型

在基本的库仑摩擦模型中，两个接触面在开始相互滑动之前，在它们的界面上会有达到某一大小的剪应力产生。这种状态称为粘合状态(stick)。库仑摩擦模型定义了一个等效剪应力τ，在某一法向压应力p作用下剪应力达到此值时表面开始滑动 (τ=μp+COHE，其中μ是摩擦系数--MU--作为材料特性定义，而 COHE 是粘聚力)。一旦剪应力超过此值后，两个表面之间将开始相互滑动。这种状态，叫作滑动状态(Sliding)。粘合/滑动计算决定什么时候一个点从粘合状态到滑动状态，或从滑动状态变到粘合状态。摩擦系数可以是任一非负值，程序缺省值为表面之间无摩擦。对于粗糙或绑定接触( KEYOPT(12)=1、3、5、6)，程序将不管给定的 MU 值而认为摩擦阻力无限大。

程序提供了一个人为指定最大等效剪应力的选项，不管接触压力值的大小，如果等效剪应力达到此值时，即发生滑动，见 图5-9 。为了指定接触界面上最大容许剪应力，设置常数 TAUMAX (缺省为1.0E20)。这个剪应力极限，通常用于在接触压力非常大的时候(如在某些加工过程中)的一些情况，以至于用库仑理论计算出的界面剪应力超过了材料的屈服极限。TAUMAX 的一个合理上限估值为

是表面附近材料的 von Mises屈服应力)。经验数据有助于决定 TAUMAX

的值。

图5-9 摩擦模式

5.4.9.5.1 静、动摩擦系数

摩擦系数依赖于接触面的相对滑动速度，通常静摩擦系数高于动摩擦系数。 ANSYS提供了如下表示的指数衰减摩擦模型： μ=MU×(1+(FACT-1)exp(-DC×V rel ) 其中：

μ 为摩擦系数。

MU动摩擦系数，用MP命令输入。

FACT是静摩擦系数与动摩擦系数之比，缺省为最小值1.0。 DC为衰减系数，缺省为0.0，单位为time/length。因此，时间在静态分析中有一些意义。

V rel 是ANSYS计算的滑动速度。

如果知道静、动摩擦系数和至少一个数据点（μ 1 ，V rel ），则可以确定摩擦衰减系数为：

如果不指定衰减系数，且FACT大于1.0，当接触进入滑动状态时，摩擦系数会从静摩擦系数突变到动摩擦系数，这种行为类似于CONTAC46和CONTAC49单元所用的动摩擦模型，因为这会导致收敛困难，所以不建议采用。 5.4.9.5.2 对称、不对称求解器

对无摩擦、粗糙和绑定接触，接触单元刚度矩阵是对称的。而涉及到摩擦的接触问题产生一个不对称的刚度。在每次迭代使用不对称的求解器，比对称的求解器需要更多的计算时间。因此ANSYS程序采用对称化算法。通过采用这种算法大多数摩擦接触问题，能够使用对称系统的求解器来求解。如果摩擦应力在整个位移场内有相当大的影响，并且摩擦应力的大小高度依赖于求解过程，则对刚度阵的任何对称近似都可能导致收敛性降低。在这种情况下，选择不对称求解选项( NROPT ,UNSYM)来改善收敛性。 5.4.9.6 选择接触检查的位置

接触检查点位于接触单元的积分点上。在积分点上，接触单元不穿透进入目标面。然而，目标面能穿透进入接触面。见 图5-10 。

图5-10 接触检查点位于高斯积分点上

图5-11 接触检查点位于节点上

ANSYS面─面接触单元使用高斯积分点作为缺省值，高斯积分点通常会比 Newton-Cotes/Lobatto 节点积分方案产生更精确的结果，

Newton-cotes/Lobatto 用节点本身作为积分点。通过KEYOPT(4)来选择用户想使用的方法。这一选项仅适用于低阶接触( CONTAC171 和 CONTAC173)。然而，使用节点本身作为积分点仅应该用于角接触问题(看 图5-11 )。

注意，使用节点作为接触检查点可能会导致其它收敛性问题，例如“滑脱”(节点滑出目标面的边界)，见 图5-12 。对大多数的点─面的接触问题，我们推荐使用其它的点─面的接触单元，例如CONTAC26、CONTAC48 和 CONTAC49。见本书§5.5。

图5-12 节点滑脱

5.4.9.7 调整初始接触条件

在动态分析中，刚体运动一般不会引起问题。然而在静力分析中，当物体没有足够的约束时会产生刚体运动，有可能引起错误而终止计算。

在仅仅通过接触的出现来约束刚体运动时，必须保证在初始几何体中，接触对是接触的。换句话说，用户要建立模型以便接触对是“刚好接触”的。然而这样做，可能会遇到以下问题：

刚体外形常常是复杂的，很难决定第一个接触点发生在哪儿。

既使实体模型在初始时处于接触状态，在网格划分后由于数值舍入误差，

两个面的单元网格之间也可能会产生小缝隙。 接触单元的积分点和目标单元之间可能有小缝隙。

同理，在目标面和接触面之间可能发生过大的初始穿透。在这种情况下，接触单元可能会高估接触力，导致不收敛或接触面之间脱开接触关系。

定义初始接触也许是建立接触分析模型时最重要的方面。因此，程序提供了几种方法来调整接触对的初始接触条件。

注意 ：下面的技巧可以在开始分析时独立执行，或几个联合起来执行。它们是为了消除由于生成网格造成的数值舍入误差而引起的小间隙或穿透，而不是为了改正网格或几何数据的错误。

1、应用实常数 CNOF 来指定一个接触面偏移。

指定正的值来使整个接触面偏向目标面。 指定负的值来使接触面离开目标面。

ANSYS 能够自动提供 CNOF 值到刚好闭合间隙或减少初始穿透。如下设置KEYOPT(5)：

=1: 闭合间隙； =2: 减少初始穿透；

=3: 闭合间隙或减少初始穿透。

如果设置了 KEYOPT(5)>0 ，则 ICONT 缺省值为0。

2、使用实常数 ICONT 来指定一个小的初始接触环，初始接触环是指沿着目标面的“调整环”的深度。如果没有人为指定 ICONT 的值，程序会根据几何尺寸来给 ICONT 提供一个小值(但有意义的值)，同时输出一个表示什么值被指定的警告信息。 ICONT 正值表示相对于下层单元厚度的比例因子；负值表示接触环的绝对值。任何落在“调整环”域内的接触检查点被自动移到目标面上，(参见 图5-13a )。建议使用一个十分小的 ICONT 值，否则可能会发生严重不连续(看 图5-13b )

图5-13 用ICON进行接触面的调整。(a)调整前;(b)调整后

CNOF 与 ICONT 之间的差别，是前者把整个接触面移动 CNOF 的距离，而后者把所有初始分开的(刚好位于调整环 ICONT 内的)接触点向目标面移动。 如果用户应用其他方法来平衡初始未约束的自由体(如 FTOLN, PINB, PMAX 和 PMIN)，基本上消除ICONT 的影响(把它关联一个很小的值，如1E-20)，是一个好办法。但是，设置 ICONT=0，并不会关闭它。而是导致 ANSYS 用缺省值代替。当与其他约束自由体的方法联用时，这反过来可能不能达到效果。 3、使用实常数 PMIN 和 PMAX 来指定初始容许的穿透范围。当指定 PMAX 或 PMIN 后，在开始分析时，程序会将目标面移到初始接触状态，见 图5-14 。如

果初始穿透大于 PMAX，程序会调整目标面来减少穿透。接触状态的初始调节仅仅通过平移来实现。

对给定载荷或给定位移的刚性目标面，将会执行初始接触状态的初始调节。对没有指定边界条件的目标面，也同样可以进行初始接触的调整。

当目标面上的所有节点，有给定的零位移值时，使用 PMAX 和 PMIN 的初始调节将不会被执行。

图5-14 接触面调整(PMIN，PMAX)

注意 --ANSYS程序独立地处理目标面上节点的自由度。例如：如果用户指定自由度 UX 值为“0”，那么沿着X方向就没有初始调查。然而，在 Y 和 Z 方向仍然会激活 PMAX 和 PMIN 选项。

初始状态调整是一个迭代过程，程序最多进行20次迭代。如果目标面不能进入可接受的穿透范围(即 PMIN，PMAX 范围)，程序将在原始几何实体上操作。这时程序会给出一个警告信息，用户可能需要调整用户的初始几何模型。 图5-15 给出了一个初始接触调整迭代失败的例子。目标面的 UY 被约束。因此，初始接触唯一容许的调整是在 X 方向，然而，在这个问题中，刚性目标面在 X 方向的任何运动都不会引起初始接触。

对于柔体-柔体接触，这种方法不仅移动整个目标面，还同时移动与目标面相连的整个柔体。请确保没有其他接触面或目标面与柔体相连。

图5-15 一个初始调整失败的例子

4、设置KEYOPT(9)=1来调整初始穿透或间隙，见 图5-16 。

图5-16 忽略初始穿透，KEYOPT(9)=1

真正的初始穿透包括两部分： 几何模型产生的穿透或间隙；

用户定义的接触面偏移(CNOF)产生的穿透或间隙； KEYOPT(9)提供下列功能：

包括由几何和接触面偏移产生的初始穿透，设置 KEYOPT(9)=0。这是缺

省。 忽略上面两者引起的初始穿透，设置KEYOPT(9)=1。在KEYOPT(12)=4或

5时，这一KEYOPT(9)=1，也将忽略间隙弹簧的初始力，这样，建立了一个初始的“理想的”接触面--在接触截面上没有初始力的作用。 为了包括定义的接触面偏移(CNOF)，但忽略由于几何模型引起的初始穿

透，设置KEYOPT(9)=3。在KEYOPT(12)=4或5时，这一KEYOPT(9)=3，也将忽略打开间隙弹簧的初始力，这样，建立了一个初始的“理想的”接触面--在接触截面上没有初始力的作用。 在某些情况下，例如过盈装配问题，期望有过度的穿透。如在第一个载荷步施加阶跃初始穿透，可能造成收敛困难。为了缓解收敛性困难，在第一个载荷步中设置渐变的初始穿透来克服。见 图5-17 。 下面的KEYOPT(9)设置用来提供渐变功能：

设置KEYOPT(9)=2，来渐变施加初始穿透(CNOF+由于几何模型造成的偏

移)。

设置KEYOPT(9)=4，来渐变施加接触面穿透，但忽略由于几何模型造成的

穿透。 对于上面两个 KEYOPT(9)设置，用户还应该设置 KBC ,0 ，并在第一个载荷步中不要给定任何其它外载荷。还要确保球形（Pinball）区域足够大以捕捉到初始过盈。

用户可以联合应用上面的技术。例如，用户可能希望设置十分精确的初始渗透或间隙，但有限元节点的初始坐标可能无法提供足够的精度。这时，可以：

应用 ICONT 来移动初始张开的接触点刚好碰到目标面。 应用 CNOF 来指定穿透（正值）或间隙(负值)。

应用 KEYOPT(9)=3 来在第一个子步求解初始穿透，或应用 KEYOPT(9)=4

来逐渐求解初始穿透。

图5-17 渐变初始过盈

在开始分析时，程序会给出每个目标面的初始接触状态的输出信息(输出窗口或输出文件中)，这个信息有助于决定每个目标面的最大穿透或最小间隙。 对于给定的目标面，如果没有发现接触，可能是目标面离接触面太远(超出了球形区域)，或者是接触/目标单元已经被杀死。 5.4.9.8 决定接触状态和球形区域。

接触单元相对于其目标面的运动和位置，决定了接触单元的状态；程序检测每个接触单元，并给出一种状态：

STAT=0 未闭合的远场接触 STAT=1 未闭合的近场接触 STAT=2 滑动接触 STAT=3 粘合接触

当目标面进入球形区域后，接触单元就被当作未闭合的近场接触，球形区域是以接触单元的积分点为中心的。使用实常数 PINB 来为球形区域指定一个比例因子(正值)，或其绝对值(负值)。缺省时，程序将球形区域定义为一个以“4*下层单元厚度(对于刚体-柔体接触)”或“2*下层单元厚度(对于柔体-柔体接触)”为半径的圆(对2-D问题)或球(对3-D问题)。

检查接触的计算时间依赖于球形区域的大小，远场接触单元计算简单，计算时间较少。近场接触计算(对于接近接触或实际接触的接触单元)较慢并且较复杂。当单元已经接触时，计算最为复杂。

如果刚性面有好几个凸形区域，为了克服伪接触定义，设置一个合适的球形区域是有用的。而对大多数问题，缺省值是合适的。 5.4.9.9 在自接触问题中避免伪接触

在一些对称接触问题(包含自接触)中，ANSYS可能错误地假设在十分接近的几何位置上的接触面和目标面之间的接触。在自接触问题的角点会发生这一问题。它可能是由单元的初始几何位置引起的，也可能在分析时通过变形而引起的。在二个面位于球形区域内，而且它们之间夹角小于90度时，会产生这一问题。在这种情况下，ANSYS程序认为发生了十分大的穿透。 图5-18 说明了这种情况。

图5-18 检测伪接触

用户可以通过单元 CONTA171－CONTA174的KEOPT(8)=1，来防止ANSYS程序考虑这一问题。当应用这个 KEYOPT 时，ANSYS将忽略在如下情况下产生的“过度穿透”接触：

初始检测到的穿透大于接触容差(FTOLN)的20%。见 图5-18a 。 接触状态由 图5-18a 所示的远离接触突然变化到 图5-18b 所示的过度

穿透。 如果KEYOPT(8)激活，ANSYS各个荷步中第一次检测到伪接触时会发出一个警告。如ANSYS在第1荷载步中发现这种接触，用户可看到如下的信息：

“Contact element x has too much penetration related to target element y.

We assume it (may be more elements) is spurious contact.” 如果ANSYS检测到归类为伪接触的突变，用户看到如下信息：

“Contact element x status changed abruptly with target element y. We assume it (may be more elements) is spurious contact.” ANSYS在一个荷载步中仅发出一次这样的信息。在该荷载步中如果还存在其他的伪接触，ANSYS不再提醒。

注意 --在应用KEYOPT(8)=1之前，请认真检查模型。ANSYS将忽略符合了过度穿透准则的真正接触。这一技术应当仅用于在改变球形区域 PINB 不能阻止伪接触的情况。

5.4.9.10 修正法向和切向接触刚度

在分析过程中，可以修正法向和切向接触刚度。可以自动修正(由于改变下伏单元刚度的大应变效应产生)，也可以显式地修正(由用户重新指定 FKN 或 FKT 值)。KEYOPT(10)控制法向和切向接触刚度如何修正：

KEYOPT(10)=0，禁止那些已经处于“闭合”状态的单元的接触刚度修正。

对于从“张开”变化到“闭合”状态的单元，将在每一个子步上修正接触刚度。 KEYOPT(10)=1，允许已处于“闭合”状态的单元的接触刚度，在荷载步

之间或在重启动期间改变。对于从“张开”变化到“闭合”状态的单元，将在每一个子步上修正接触刚度。

KEYOPT(10)=2与 KEYOPT(10)=1相同，只是对所有单元(不论其状态)将

在每一个子步上，由程序决定自动修正。 5.4.9.11 选择表面作用模式

面-面接触单元支持法向单向接触模式及其他力学表面作用模式。通过设置 KEYOPT(12) 来选择下面的某种作用模式：

KEYOPT(12)=0，法向单向接触，即在接触分开时，法向压力等于0。 KEYOPT(12)=1，理想粗糙接触，用来模拟无滑动的，表面完全粗糙的摩

擦接触问题，这种设置对应于摩擦系数无限大，因此用户定义的摩擦系数(MU)被忽略。 KEYOPT(12)=2，“不分离”接触，接触面和目标面一旦接触，在其后的

分析中就连在一起(虽然允许有相对滑动)。 KEYOPT(12)=3，绑定接触模式，目标面和接触面一旦接触，随后就在所

有方向上绑定。 KEYOPT(12)=4，不分离接触，其中的接触积分点，或初始在球形区域内，

或一旦接触，就总是与目标面沿接触面的法向连在一起， 但允许滑动。调整 FKOP(见下)，可用“软弹簧”把这些区域联系在一起。 KEYOPT(12)=5，绑定接触模式，其中接触积分点，或者初始在球形区域

内，或者一旦接触，就总是与目标面沿接触面的法向和切向绑定在一起。 KEYOPT(12)=6，绑定接触模式，其中初始接触的接触积分点保持与目标面接触，而初始处于打开状态的接触积分点，在整个分析期间保持打开状态。这个选项与在初始接触的区域应用 CEINTF 类似。 对于模拟不分离或绑定接触，用户可能需要设置 FKOP 实常数。这在接触张开时，提供一个刚度系数。如果 FKOP 为正值，则真正的接触张开刚度等于 FKOP乘以接触闭合时施加的刚度。如果 FKOP 为负值，该值作为 接触张开刚度的绝对值。缺省的 FKOP 值为1。

不分离或绑定接触，在接触发生张开时，产生\回拉\力，这个力可能不足以阻止分离。为了减小分离，定义一个较大的 FKOP 值。在有些时候，希望接触面分离，但需要在接触面之间建立联系来阻止刚体运动，在这种情况下，可以指定较小的 FKOP 值，以使接触面之间保持联系(这是\软弹簧\效应)。 5.4.9.12 用超单元建立接触模型

面一面的接触单元能模拟刚体(或一个线弹性体)和另一个有小位移的线弹性体的接触。这些线弹性体可用超单元来建模，这大大降低了进行接触迭代的自由度数。记住任何接触或目标节点都必须是超单元的主自由度。

由于超单元仅仅由一组保留的节点自由度组成，它没有用来定义接触面和目标面的几何形状。因此，必须在形成超单元之前在原始单元表面上定义接触面和目标面。来自超单元的信息，包括节点连结和组合刚度，但是没有材料特性和应力状态(轴对称、平面应力或平面应变)。一个限制是接触单元的材料特性设置必须与形成超单元之前的原始单元的材料特性相同。

使用 KEYOPT(3)来提供2D接触分析的信息。CONTA171、CONTA172 单元的选项如下：

不使用超单元(KETOPT(3)=0)。 轴对称(KEYOPT(3)=1)。

平面应变或单位厚度的平面应力(KEYOPT(3)=2)。

需要厚度输入的平面应力(KEYOPT(3)=3)。对这种情况，使用实常数R2

来指定厚度。 对于3D接触分析，CONTA173，CONTA174单元的KEYOPT(3)选项忽略。ANSYS 将自动检查下伏单元是否为超单元。 5.4.9.13 考虑厚度影响

程序能够用KEYOPT(11)来考虑壳(2D和3D)、梁(2D)的厚度。对于刚体-柔体接触，ANSYS将自动移动接触面到壳/梁的底面或顶面。对于柔体-柔体接触，ANSYS将自动移动与壳/梁单元相连的接触面和目标面。缺省时，程序不考虑单元厚度，用中面来表示梁和壳，而穿透距离从中面计算。当设置 KFTOPI(11)=1 时，则考虑梁或壳的厚度。从指定的底面或顶面来计算穿透距离。

注意 --仅在使用节点位于中面的壳或梁单元时（例如，KEYOPT(11)=0的SHELL91单元），用KEYOPT(11)=1来考虑厚度影响。

建模时如要考虑厚度，记住偏移可能来自接触面或目标面或两者。在和KEYOPT(11)=1一起指定接触偏移(CNOF)时，CNOF从壳/梁的顶面和底面计算，而不是中面。当和SHELL181一起使用时，还考虑变形过程中的厚度变化。 5.4.9.14 使用时间步长控制

时间步长控制是一个自动时间步长特征，这个特征预测什么时间接触单元的状态将发生变化，或者二分当前时间步。使用KEYOPT(7)来选择下列四种行为之一来控制时间步长。KEYOPT(7)=0时不提供控制(缺省)，KEYOPT(7)=3提供最多的控制：

KEYOPT(7)=0，无控制。时间步大小不受预测影响。当自动时间步长激活，

且允许一个很小的时间步长时，这个设置对大多数情况是合适的。

KETOPT(7)=1，如果一次迭代期间产生太大的穿透，或者接触状态急剧变

化，则进行时间步长二分。 KEYOPT(7)=2，对下一个子步预测一个合理的时间增量。 KETOPT(7)=3，对下一个子步，预测一个最小的时间增量。 5.4.9.15 使用死活单元选项

面─面接触的接触单元和目标单元允许激活或杀死，而且也跟随其下伏单元的死活状态。能够在分析的某一阶段中杀死这个单元，而在以后的阶段再重新激活它。这个特征对于模拟复杂的金属成形过程是有用的，在此过程的不同分析阶段，有多个刚性目标面需要和接触面相互作用。回弹模拟常常需要在成形过程的后期移走刚性工具。这一选项不能用于“不分离”或绑定接触。

5.4.10 控制刚性目标面的运动(刚体-柔体接触)

刚性目标面是在其原始构形上定义的。而整个面的运动，通过控制节点上的给定位移来定义(如果没有定义控制节点，则通过目标面上的不同节点来定义)。 为控制整个目标面的边界条件(和运动)，在下面任何情况下，必须使用控制节点:

目标面上作用着给定的外力。 目标面发生旋转。

目标面和其它单元相连(例如结构质量单元 MASS21 等)。 目标面的运动有平衡条件调节。

控制节点的自由度代表着整个刚性面的运动，包括2D中的2个平移和1个转动自由度，或3D中的3个平移和3个转动自由度。用户可以在控制节点上施加边界条件(位移、初速度)、集中载荷、转动等等。为了考虑刚体的质量，可在控制节点上定义一个质量单元。

当使用控制节点时，记住对目标面有如下一些限制： 每个目标面只能有一个控制节点。

ANSYS忽略除了控制外的所有节点上的边界条件。 只有控制节点能与其它单元相连。

当定义了控制节点后，不能使用约束方程( CE )或节点耦合( CP )来控

制目标面的自由度。如果要在刚性面上施加任意载荷或者约束，用户必须定义控制节点，并在控制节点上加载。如果没有使用控制节点，则只能有刚体运动。 注意 —控制节点可以是目标单元上的一个节点，或者是任意位置的节点，但不应该是接触单元上的节点。只有在施加了转角或力矩时，控制节点的位置才重要。对于每一个控制节点，ANSYS将自动定义一个内节点及一个内部约束方程。通过内部约束方程，控制节点的转动自由度与内节点的平移自由度联系了起来。 缺省时，目标单元的 KEYOPT(2)=0，ANSYS 对每个目标面检查边界条件。如果下面的条件都满足，那么程序将目标面作固定处理：

在目标面节点上没有明确定义边界条件或给定力。 目标面上的节点没有和其它单元相连。

没有在目标面上的节点上使用约束方程或节点耦合。 在每个载荷步的末尾，程序将会释放内部设置的约束条件。

在结果文件(Jobname.RST)和数据库(Jobname.DB)中保存的约束条件可能会由于这些改变而被修改。用户应当在重启动一个分析或用交互模式重新求解之前，仔细检查当前的约束条件是否合乎要求。

如果需要，用户可以通过在目标单元定义中设置KEYOPT(2)=1，来控制目标节点的约束条件。

5.4.11 热接触模拟

可以应用面-面接触单元，结合热-结构耦合场实体单元，来模拟在接触面之间的热传导。为了激活结构自由度和热自由度，要设置KEYOPT(1)=1。支持下面的热接触特性：

两个接触面之间的热接触传导。

从一个“自由面”到周围，或二个小间隙分离面之间的热对流(“近场”

对流)。 从一个“自由面”到周围，或二个小间隙分离面之间的热辐射(“近场”

辐射)； 由摩擦耗散而产生的热。 热通量输入。

5.4.11.1 热接触行为与接触状态

每个接触对可覆盖一个或多个热接触特性。激活哪个特性取决于接触状态： 闭合接触 ：热接触传导在二个接触面间传热；

摩擦滑动 ：摩擦耗散能量，在接触面和目标面上生成热；

近场接触 ：考虑了接触面和目标面之间的热对流和热辐射。外部通量对

接触面有贡献。 自由面接触 ：考虑了接触面和周围之间的热对流和热辐射。外部通量仅

对接触面和目标面有贡献。 5.4.11.2 自由热表面

如果要模拟自由表面热对流、自由表面热辐射或施加了热流值的表面，用户可定义自由热表面。自由热表面可以是一个接触面而无相应的目标面(即无目标单元的接触对)。也可以设置目标单元类型定义的 KEYOPT(3)=1 来定义一个自由热表面。在设置了这个 KEYOPT 时，只要检测到接触张开，就要考虑自由表面辐射和对流。这种情况下，在接触面和目标面之间无对流或辐射热传递。 5.4.11.3 目标面上的温度

对于界面热传导、近场热传导或近场辐射，需要求解接触面和目标面的温度。在目标表面和接触检测点法线之间的交点上的温度代表目标温度。控制节点上的温度代表整个刚性目标面上的温度(如果存在控制节点)。

图5-19 目标温度

5.4.11.4 传导模拟

为了考虑接触面与目标面之间的热交换，用户需要通过一个实常数表来指定热接触传导系数 TCC。用户可以用表格输入把 TCC 定义为接触压力(压力表)、接触检测点温度(温度表)、时间和接触检测点位置(X，Y，Z表)的函数。为了模拟存在小间隙的二个面之间的接触传导，应用 KEYOPT(12)=4或5来定义“绑定接触”或“不分开接触”选项。

5.4.11.5 对流模拟

为了模拟对流热交换，用户必须应用 SFE 命令指定热对流系数 CONV。CONV可以是一常数(只允许均匀的)或是通过表格输入的作为温度、时间、位置的函数。对于自由面对流，用户必须通过 SFE 命令指定体积温度。也可用下列菜单：

Main Menu > Preprocessor > Loads > Apply > Convection > Uniform Main Menu > Solution > Apply > Convection > Uniform 5.4.11.6 辐射模拟

为了模拟辐射热交换，用户必须指定下列之一： 1、通过材料特性定义热辐射系数 EMIS。

2、通过实常数定义 Stefan-Boltzman 常数 SBCT。如果这个值未定义，将不包括辐射效应。

3、偏量温度 TOFFST。如按华氏度或摄氏度来定义数据，必须用 TOFFST 命令指定一个温度偏量值。可从下列菜单：

Main Menu > Preprocessor > Loads > Analysis Options Main Menu > Preprocessor > Material Props

4、辐射观察系数 RDVF，通过实常数定义，仅用于近场辐射，缺省为1。它可定义为温度、间隙距离、时间、位置的函数用表格输入。对于远场辐射，RDVF 设置为0，并忽略用户指定的值。其他自由表面条件使用用户指定的RDFV。 5、环境(外界)温度，它仅用于自由辐射，以 KVAL=2 和 CONV 为表格参数，用 SFE 命令输入(这与自由表面对流模拟中的体积温度相同)。 5.4.11.7 摩擦生热的模拟

为了模拟摩擦耗散能量的热生成，用户应当执行瞬态热-结构耦合分析。如果用户希望的话，可以应用 TIMINT ,STRUC,OFF 命令关闭结构自由度上的瞬态效应。但是，必须包括热自由度上的瞬态效应。需要二个实常数：

1、FHTG 是转换成热的摩擦耗散能量 (缺省为1.0)。

2、FWGT 是接触面和目标面之间热分布的权重系数(缺省为0.5)。 5.4.11.8 外部热通量模拟

用户可以通过 SFE 命令给接触单元施加热通量。只能施加均匀热通量。热通量不能施加于目标单元。然而，对于近场接触，外部热通量施加于接触面，将贡献到目标单元。

对于自由热表面，如目标单元的 KEYOPT(3)=1，则外热通量仅施加于接触侧。对于一个给定的接触单元，必须指定 CONV 和 HFLUX 二者之一(但不是二者)。然而，用户可以定义二个不同的接触对：一个模拟对流，一个模拟热通量。

5.4.12 给柔体单元加必要的边界条件

现在可以按需要加上边界条件。施加方法与其它的分析类型相同，可参见前面的有关章节。

5.4.13 定义求解和载荷步选项

接触问题的收敛性随问题不同而不同。下面列出了一些典型的，在大多数面-面的接触分析中推荐使用的选项。参见《ANSYS Commands Reference》。 时间步长必须足够小，以捕捉适当的接触区。如果时间步太大，则接触力的光滑传递会被破坏。时间步的大小，是由子步数或时间步本身指定的。下述命令用于调整这些值。

命令： NSUBST

GUI：Main Menu >Preprocessor >Loads>Time/Frequenc>Freq and Substps Main Menu >Preprocessor >Loads>Time/Frequenc>Time and Substps Main Menu >Solution>Sol\

Main Menu >Solution >Unabridged Menu>Time/Frequenc >Freq and Substps Main Menu >Solution>Unabridged Menu>Time/Frequenc >Time and Substps 命令： DELTIM

GUI：Main Menu >Preprocessor >Loads >Time/Frequenc >Time - Time Step Main Menu >Solution >Sol\

Main Menu >Solution >Unabridged Menu>Time/Frequenc >Time - Time Step 注意 --设置精确时间步长的可靠方法是打开自动时间步长。

命令： AUTOTS ,ON

GUI：Main Menu >Solution >Sol\

Main Menu >Solution >Unabridged Menu>-Load Step Opts-Time/Frequenc >Time - Time Step 或 Time and Substps

如果在迭代期间接触状态变化，可能发生不连续。为了避免收敛太慢，使用修正的刚度阵，将牛顿一拉普森选项设置成 FULL。

命令： NROPT ,FULL,,OFF

GUI：Main Menu>Solution>Unabridged Menu>Analysis options

不要使用自适应下降。对面一面的问题，自适应下降通常不会有任何帮助，建议关掉它。

在摩擦滑动占主导地位时，设置不对称求解选项 ( NROPT , UNSYM,,OFF)，以避免收敛减慢或发散。

按合理的时间步，设置合适的平衡迭代次数。这个命令的缺省为平衡迭代次数15～26，取决于问题的物理性质。

命令： NEQIT

GUI：Main Menu >Solution >Sol\

Main Menu >Solution >Unabridged Menu>-Load Step Opts-Nonlinear> Equilibrium Iter

因为大的时间增量会使迭代趋向于不稳定，使用线性搜索选项来使计算稳定化。

命令： LNSRCH

GUI：Main Menu >Solution >Sol\

Main Menu >Solution >Unabridged Menu>-Load Step Opts-Nonlinear> Line Search

除大转动和动态分析外，打开时间步长预测器选项。 命令： PRED

GUI：Main Menu >Solution >Sol\

Main Menu >Solution >Unabridged Menu>-Load Step Opts-Nonlinear> Predictor

在接触分析中，许多不收敛问题是由于使用了太大的接触刚度引起的(实常数 FKN)。检验是否使用了合适的接触刚度。

注意 --对于大多数小应变、小位移、小滑动分析，设置 NLGEOM ,OFF。这种设置将加快搜索时间，但是，如果接触问题涉及大滑动，则要设置 NLGEOM ,ON。

5.4.14 求解

现在可以求解接触问题。求解过程与一般的非线性问题求解过程相同。记住如下几点：

总是检查与接触对相关的实常数集，并检查目标面的约束条件。预先的“试运行”可能改变这些设置。 在开始分析时，总是检查目标面的接触状态。如果检查到任何不希望的间隙(或不接触)，或过度的穿透，终止分析，然后检查几何模型。 总是认真地检查分析结果。 按照下面的步骤来进行求解： 1、把数据库保存到一个文件。 命令： SAVE

GUI：Utility Menu>File>Save As 2、开始求解。 命令： SOLVE

GUI：Main Menu>Solution>-Solve-Current LS 如果需要，定义多个荷载步。参见本书前面有关章节。 3、离开求解器 命令： FINISH

GUI：关闭求解菜单。

如果重启动一个接触分析，按《ANSYS Basic Analysis Guide》所述的方法来进行。但是，要知道目标面的约束条件可能在内部设置了。在重启动分析之前要仔细检查约束条件。只可以改变实常数 FKN, FTOLN, PINB 和 FKOP，并且只能在重启动点改变，或在新的荷载步开始时改变。

5.4.15 检查结果

接触分析的结果主要包括位移、应力、应变，支反力和接触信息(接触压力、滑动等)。用户可以在通用后处理器(POST1)或时间历程后处理器(POST26)中查看结果。对于接触相关的结果，可以选择 CONT 作为输出或列表的项目。可以应用的输出量，参见《ANSYS Elements Reference》。

记住在 POST1 中，一次只能查看一个子步的结果，并且该子步的结果必须已被写到 Jobname.RST 文件中(荷载步选项命令 OUTRES 控制哪个子步的结果写到 Jobname.RST 中) 。典型的 POST1 的操作步骤如下。 5.4.15.1 注意事项

1、为了在POST1中查看结果，数据库文件所包含的模型必须与求解时的模型相同。

2、必须存在结果文件Jobname.RST。 5.4.15.2 在POST1中查看结果

1、从输出文件 Jobname.OUT 中查看分析是否收敛。

如果不收敛，用户可能不想进行后处理，而更在乎查找为什么不收敛。 如果已经收敛，继续后处理。

2、进入POST1。如果用户的模型不在当前的数据库，使用恢复命令[ RESUME ]来恢复它。

命令：/ POST1

GUI：main menu>General postproc

3、读入所期望的载荷步和子步的结果，这可以通过载荷步和子步数，也可以通过时间来实现。

命令： SET

GUI：Main Menu>General Postproc> -Read Results-load step 4、使用下面的任何一个选项来显示结果： (1)选项：显示变形形状 命令： PLDISP

GUI：Main Menu>General Postproc>Plot Results> Deformed Shape (2)选项：等值显示 命令： PLNSOL 或 PLESOL

GUI：main menu>general postproc>plot result>contour plot- noded solu 或 element solu

使用这个选项来显示应力、应变或其它项的等值线图。如果相邻的单元有不同的材料特性(例如塑性或多线性弹性材料特性，不同的材料类型，或不同的死活属性)，则在结果显示时应避免节点应力平均所产生的错误。选择逻辑 (见《ANSYS Basic Analysis Guide》)提供了避免这种错误的方法。

下面示出 PLNSOL 和 PLESOL 命令的各种 CONT 选项： CONT STAT 接触状态. 3-粘合接触, 2-滑动接触, 1-未合的近区接触 0-未合的远区接触. \接触穿透 \接触压力 \接触摩擦应力

\接触总应力 (压力加摩擦) \接触滑动距离 \接触间隙距离 \接触面的热通量

注意 --可以通过Main Menu>General Postproc>Plot Results> -Contour Plot-Nodal Solu 或 Element Solu 来设置这些选项。选择“CONTACT”作为Item 和 Comp 将可看到这些选项的详细列表。

对于刚体-柔体接触，或不对称柔体-柔体接触，接触单元提供真实的压力和摩擦应力。但是，对于对称柔体-柔体接触，真实的压力和摩擦应力，是从接触单元两侧的压力和摩擦应力平均得到的。

注意接触特有的信息(CONT)这样来绘制。对于2D接触分析，模型用灰色表示，所要求显示的项将沿着接触单元位于的模型边界以梯型面积表示出来。应用 FACT 项来缩放2D等值线。对3D接触分析，模型将用灰色表示，而要求的项在接触单元中用二维面显示等值线。

还可以等值显示单元表的数据和线单元数据。 命令： PLETAB PLLS

GUI：main menu>general postproc>Element Table>Plot Element Table main menu>General Postproc>Plot Results>-Contour plot- line Elem Res

应用 PLETAB 命令显示单元表数据，应用 PLLS 命令显示线单元数据。 (3)选项：列表显示

命令： PRNSOL (节点结果) PRESOL (单元结果) PRRSOL (反力) PRETAB

PRITER (子步数据汇总),等 NSORT ESORT

GUI：Main Menu>General Postproc>List Results> Nodal Solution Main Menu>General Postproc>List Results> Element Solution

Main Menu>General Postproc>List Results> Reaction Solution 在列表显示它们之前，可以用 NSORT 和 ESORT 来对它们进行排序。 也可以应用 CONT 标号及其参数，和 PRNSOL 和 PRESOL 命令或相应菜单来列出与接触相关的信息。

(4)选项：动画

可以动画显示接触结果随时间的变化： 命令： ANTIME

GUI：Utility Menu>PlotCtrls>Animate> Over Time (5)其他功能

POST1 还有许多其他后处理功能，如把结果映射到路径上，报告质量列表等等。参见《ANSYS Basic Analysis Guide》。但应注意，在非线性分析中，荷载工况组合一般是无效的。 5.4.15.3 在POST26中查看结果

用户也可以用POST26来查看一个非线性结构对加载历程的响应。应用POST26可以比较一个变量与另一个变量的变化关系。例如，可以画出某个节点位移-荷载的曲线，某个节点的塑性应变 – 时间的关系。一个典型的 POST26 后处理过程需要分以下几个步骤。

1、从输出文件中(Jobname.OUT)检查是否分析已经收敛。

2、如求解已收敛，进入 POST26。如果模型不在当前数据库中，用 RESUME 恢复它。

命令：/ POST26

GUI：Main menu>Timehist Postpro

3、定义在后处理阶段用到的变量。 SOLU 命令使各种迭代和收敛参数读入到数据库，在后处理阶段可以应用。

命令： NSOL ESOL RFORCE

GUI：Main menu>Time Hist Postpro>Define Variables 4、用图形或列表显示变量 命令： PLVAR (图形显示变量) PRVAR

EXTREM (列表显示变量)

GUI：Main Menu>TimeHist Postpro>Graph Variables Main Menu>TimeHist Postpro>List Variables Main Menu>TimeHist Postpro>List Extremes 5、其他功能

POST26 还有许多其他后处理功能。参见《ANSYS Basic Analysis Guide》§6。

5.5 点-面接触分析

我们可以使用点─面接触单元，来模拟一个表面和一个节点的接触。另外，可以通过把表面指定为一组节点，从而用点─面接触来代表面─面接触。

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； 接触和分离； 库仑摩擦滑动； 热传递。

点-面接触是工程应用中普遍发生的现象。例如：夹具(螺母、螺栓、铆钉、销钉等)、金属成形、轧制、动力管道装配等等，工程技术人员关心由于结构之间的接触而产生的应力、变形、力和温度等的改变。

5.5.1 使用点─面接触单元

在ANSYS程序中，点─面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5-20 图示了二维接触单元（CONTAC48，平面和轴对称）和三维接触单元（CONTAC49）。

图5-20 (a)2-D接触单元CONTAC48；(b)3D接触单元CONTAC49；

(c)2D接触单元CONTAC26

这些接触单元是应用伪单元技术来检测面-面接触的有限单元。通过在两个面的节点上施加适当的力，来考虑接触和摩擦。在激活其温度自由度时，也可以用这些单元来模拟接触面之间的热传导。许多通常的有限单元规则不能应用，例如，许多接触单元可以占据相同空间，而且对于接触单元来说长宽比没有意义。

此外，如果目标面是刚性的，而且是2D问题，则可以使用CONTA26单元来建模，这将在本节最后论述。

5.5.2 点─面接触分析的步骤

典型的点─面接触分析的基本步骤如下： 1、 建模和划分网格； 2、 识别接触对； 3、 生成接触单元；

4、 设置单元关键选项和实常数； 5、 施加必要的边界条件； 6、 定义求解选项；

7、 求解； 8、 查看结果。 5.5.2.1 建模和划分网格

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。参见《ANSYS Modeling and Meshing Guide》。

命令： AMESH VMESH

GUI：Main menu>Preprocossor>Mesh>Mapped>3 or 4 Sided Main menu>Preprocessor>Mesh>Mapped>4 to 6 sided

应该避免使用有中节点的单元，特别是在3维问题中。因为这些单元表面节点上的“有效刚度”很不均匀。例如，对20节点 SOLID95 单元来说，角节点上有一个负刚度。然而，ANSYS 程序的点─面接触算法假定刚度均匀分布在面上的所有节点上。因此，在接触分析中使用这些单元时，可能导致收敛困难。 仅仅在使用 CONTAC48 的2维分析中，才可以在接触面上使用中节点单元，但不能在目标面上使用中节点单元。当生成 CONTAC48 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的力传递不均匀。 5.5.2.2 识别接触对

用户必须判断在变形过程中，哪儿可能发生接触。一旦用户已判断出潜在接触面，就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)，用户可能想要定义比较小的、局部的接触区域，但要保证用户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，可能有多个目标面与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，用户需要建立一个包含表面节点的组元。 命令： CM

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

如《ANSYS Modeling and Meshing Guide》所述，用户可以利用这些表面节点序列来生成在接触面之间所有可能的接触构形。如果用户能肯定某些面永远不

会相互接触，那么就可以在这个表面序列中，删除这些节点。但是，通常应该适当地包括比想象的要更多一些的节点。 5.5.2.3 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-面接触，使用CONTAC48(2维)和CONTAC49(3维)

命令： ET

GUI：Main menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete

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，即便实常数的值相同。因为使用不同的实常数号，程序能够较好地区分出壳的顶面和底面之间的接触，以及其他不同的接触区域。例如，在角接触中，每条边应该有它自己的实常数号，如 图5-21 所示。另一种典型应用是双边梁的接触，如 图5-22 所示。

图5-21 在角接触中应用不同的实常数

图5-22 在双边梁接触中应用不同的实常数

命令： R RMODIF

GUI：Main menu>Preprocessor>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>Preprocessor>Create>Elements>Node to Surf 对生成点-面的接触单元的几点提示：

一般来说，生成的接触单元数不要超过所需要的2～3倍。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100倍，则会极大地增加计算时间(100%或更多)，同时也需要大量的硬盘空间。 进行接触分析时，建议在接触面上使用无中节点的单元。

对于梁或壳单元，需要通过“目标面”(Tlab)选项来指定单元的那一边

是目标面。 对于翘屈的(非平面)目标面，使用CONTAC49的“基本形状”(Base 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地代表目标面。 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。即

使接触单元的实常数值没有改变。

5.5.2.3.1 对称与不对称接触单元的生成

用户可以选择生成对称的或不对称的接触单元。用一个简单的 GCGEN 命令定义一对接触面，生成不对称的接触模型。在这种情况下，一个面是接触面，而另一个是目标面。另外，用户可以使用两个 GCGEN 命令，将两个面都定义成既是目标面又是接触面。这种情况叫作对称接触模式。

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列表：

NSEL,S,NODE,... ! Select a set of nodes on contactor surface CM,CONTACT,NODE ! Selected nodes form a component named CONTACT

NSEL,S,NODE,... ! Select a new set of nodes, on target surface CM,TARGET,NODE ! New selected nodes form component TARGET NSEL,ALL

GCGEN,CONTACT,TARGET ! Generate contact elements between contactor and

! target surfaces (asymmetric contact) GCGEN,TARGET,CONTACT ! Note that component surfaces have been reordered-

! this 2nd GCGEN creates a symmetric contact

一般来说，对称接触模型是较好的方法，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，不对称接触模型在区分目标面和接触面时需要遵守以下规则：

如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；

如两个接触面都是平的，则可以任意选择；

如两个接触面都是凸的(但不是尖锐的)，应该将两个面中较平的作为目

标面；

如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。

如两个接触部分有尖边，或表面是波浪形(凹凸交替)，则目标面的选择

取决于接触后表面的形状。在这种情况下，对称接触模型较好。

5.5.2.3.2 观察接触单元

一旦用户建立了接触单元，这些单元在触面节点上用星号表示，而在目标面节点上用线(2D)或面(3D)表示。

为了在显示图形中删除这些符号，可以在进行显示前，从激活集中不选择接触单元。

命令： ESEL

GUI：Utility Menu>Select>Entities

用户可以缩小目标面上的线(或面)以便更清楚地观看。 命令：/ SHRINK

GUI：Utility Menu>PlotCtrls>Style>Size and Shape

为了在图形上确定那个接触节点(星号)与那个目标面相关联，选择接触节点中的一个十分有限的子集，然后显示之。如果用户想看到看起来象“真实”接触单元的某些东西，可临时改变接触单元的类型（TYPE）到一个几何上相容的标准单元(如 PLANE2)--仅为了便于观察。

命令： EPLOT

GUI：Utility Menu>Plot>Elements

5.5.2.3.3 初始过盈问题

用户可以用下列几种不同方法，来模拟初始过盈接触(如过盈装配)：

可以模拟收缩装配部件的实际温度历程－通过使它们膨胀，然后在一系

列的静力结构荷载步中调整温度来逐渐收缩； 可以生成部件已经接触的模型。也就是说，在初始未变形的几何位置上

生成所有部件，以使单元实际上彼此重迭。在这种方法中，可以应用一个荷载步来分析结构，并打开线性搜索。对于许多过盈分析，人们发现需要应用这个选项才能收敛。 命令： LNSRCH ，ON

GUI：Main Menu>Preprocessor>Loads>Nonlinear>Line Search 可以生成部件已经接触的模型，应用弱初始值作为法向接触刚度(实常数

KN)。然后逐渐地增加 KN 值到一个合适值(用新的 R 命令在几个荷载步上重新定义)。必须显式地定义切线刚度，见§5.5.2.6的 [ 警告] 。 如果初始过盈大于典型的目标单元的长度，则应指定实常数 PINB 使之

稍大于过盈。这将确保检测到这个初始穿透。 5.5.2.4 设置单元关键选项和实常数

使用点-面的接触单元时，程序使用四个单元关键选项和一些实常数来控制接触行为。参见《ANSYS Elements Reference》。

5.5.2.4.1 单元关键选项：

CONTAC48 和 CONTAC49 使用下面的单元关键选项： KEYOPT(1)：选择正确的自由度(包括或不包括 TEMP)； KEYOPT(2)：选择罚函数方法或罚函数+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)：选择接触时间步预测控制。 命令： KEYOPT ET

GUI：Main Menu>Preporcessor>Element Type>Add//Edit/Delete

5.5.2.4.2 摩擦类型

用户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

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