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1、接触属性高级选项设置接触属性高级选项设置要成功的模拟接触关系需要很好的掌握ANSYS中的众多工具，当程序缺省设置不能满足要求时可使用工具进行调整.首先我们讨论面面接触单元和点面接触单元(CONTA171-175).点点接触选项设置放在第九章中讨论.第1页/共62页本章节包含以下主题:A.初始穿透B.处理刚体运动 对位移的控制 对力的控制 Full 法瞬态动力学使用弱弹簧关闭间隙(CNOF,ICONT,PMIN/PMAX,PSOLVE)C.对称与不对称接触D.各式调整打开接触刚度不对称接触选择梁/壳 厚度效应自动时间步E.一般故障的检查技巧接触属性高级选项设置接触属性高级选项设置第2页/共62页
2、接触属性高级选项设置接触属性高级选项设置A.初始穿透初始穿透ANSYS中提供了几种模拟接触初始穿透的技术，它们需要初始几何穿透值或/和指定的偏移值.指定偏移值:第3页/共62页实常数 CNOF表示接触面偏移.正CNOF 值增加干扰.负CNOF 减少干扰或倒置间隙.CNOF 可以和几何穿透联合使用.接触属性高级选项设置接触属性高级选项设置初始穿透初始穿透第4页/共62页初始穿透有如下选项设置:Include everything:考虑来自几何上的初始穿透和指定偏移的初始穿透.Exclude everything:忽略所有的初始穿透效应.Include with ramped effects:逐渐
3、施加穿透量以增加收敛.Include offset only:仅考虑指定偏移带来的初始穿透.Include offset only w/ramp:仅考虑指定偏移带来的初始穿透，并逐渐施加穿透量以增加收敛.可通过KEYOPT(9)设置接触属性高级选项设置接触属性高级选项设置初始穿透初始穿透第5页/共62页如果模型包含初始几何穿透的话，那么接触力会以阶跃的形式快速增加到一个很大的值.牢记：突然改变力会导致收敛困难，应该使初始穿透量用斜坡函数施加.Include with ramped 选项和 Include offset only w/ramp 有助于克服收敛困难（在第一个载荷步中使初始穿透斜坡化
4、）.第一个载荷步中不应再施加其它载荷.保证 pinball区域(PINB)要比初始穿透要大.接触属性高级选项设置接触属性高级选项设置初始穿透初始穿透第6页/共62页对于接触法向经常改变的接触问题，可尝试接触面目标面互换或去掉有问题的接触单元.接触面目标面接触属性高级选项设置接触属性高级选项设置初始穿透初始穿透第7页/共62页可参考WORKSHOP中的相关章节:W6A.初始穿透.接触属性高级选项设置接触属性高级选项设置初始穿透初始穿透-Workshop第8页/共62页在静力分析中，两个或多个物体初始并没有连接，在接触创建前它们可能产生刚体运动.F左图中，圆柱并无位移约束，在圆柱和底盘接触后圆柱壳
5、的约束才被建立.接触属性高级选项设置接触属性高级选项设置B.处理刚体运动处理刚体运动第9页/共62页如果求解中两物体发生分离，那么刚度矩阵将变得奇异.ANSYS 将给出警告信息ANSYS中提供了几种克服初始未接触体接触问题的方法:在即将接触位置建立几何模型动力学分析位移控制弱弹簧使用无分离接触（KEYOPT(12)）调整初始接触条件接触属性高级选项设置接触属性高级选项设置.处理刚体运动处理刚体运动第10页/共62页即将接触用户需用知道即将发生接触的具体位置.当面为曲面或不规则面时该方法较困难.F由于分网时的取整处理，物体间可能存在小的间隙或穿透，这可能导致不收敛.接触属性高级选项设置接触属性高
6、级选项设置.处理刚体运动处理刚体运动第11页/共62页动力学分析在动力学分析中，初始影响阻止刚体运动.动态地对该问题求解可解决刚体位移问题.你需要增加质量和阻尼，然后把静态分析转换成动力学分析.你必须确认系统在分析结束后进入静态.否则，非零的加速度和速度将会产生假的阻尼力从而影响平衡接触属性高级选项设置接触属性高级选项设置.处理刚体运动处理刚体运动第12页/共62页位移控制使用强制位移使两物体进入接触状态.然后通过使用一个空的载荷步把位移控制转为力控制.小的强制性位移接触属性高级选项设置接触属性高级选项设置.处理刚体运动处理刚体运动第13页/共62页位移控制Load Step 1 施加一个小的
7、强制性位移.Load Step 2使用一个空的载荷步把位移控制转为力控制.删除上步施加的位移后施加力进行求解(该载荷步应该迭代1到2次后就能够收敛).Load Step 3 继续施加用户需要的载荷.接触属性高级选项设置接触属性高级选项设置.处理刚体运动处理刚体运动第14页/共62页弱弹簧该方法使用弱弹簧的方法阻止刚体位移.F弹簧的刚度相对整个系统来说要非常的小，保证弹簧对求解无影响.接触属性高级选项设置接触属性高级选项设置.处理刚体运动处理刚体运动第15页/共62页尽管这些都是有效技巧，但较难使用“即将接触法”-由于分网时的取整处理，物体间可能存在小的间隙或穿透，这可能导致不收敛.动力学方法-
8、系统在分析结束后没有完全进入静态，仍存在动态效应位移控制法-在一个复杂加载的情况下，需要强加的位移不好确定.弱弹簧法-需要施加一个非常小的力使得弱弹簧发生变形触发接触，但不能出现穿透接触面的现象.接触属性高级选项设置接触属性高级选项设置.处理刚体运动处理刚体运动第16页/共62页ANSYS提供给用户四种高级接触选项，用来调整初始接触条件，防止刚体模型的出现.1.自动接触调整:程序计算CNOF 值来关闭间隙.2.初始接触关闭(ICONT):接触面上建立节点，用户定义调整区间3.允许穿透容差(PMIN&PMAX):移动刚性面使其和接触面发生接触.接触属性高级选项设置接触属性高级选项设置.处理刚体运
9、动处理刚体运动第17页/共62页4.CNCHECK命令 把接触面移向目标面要遵循以下步骤:前提条件：使用节点探测选项KEYOPT(4)=1 和 2或使用CONTA175单元初始接触节点处于 ICONT 区域内初始穿透节点的 KEYOPT(9)=1pinball 区域应该足够大，要能够捕捉到间隙和初始穿透.接触属性高级选项设置接触属性高级选项设置.处理刚体运动处理刚体运动第18页/共62页推荐使用CNOF自动计算并关闭小的间隙(KEYOPT(5)=1).接触属性高级选项设置接触属性高级选项设置.处理刚体运动处理刚体运动1第19页/共62页 实常数ICONT可以指定目标面周围的调整范围.任何处于调
10、整范围内的点都会移动到目标面上.ICONT的值太大的话会产生不连续.可使用程序缺省值（7.0后为零）接触属性高级选项设置接触属性高级选项设置.处理刚体运动处理刚体运动2第20页/共62页可参考workshop中的相关章节:W6B.刚体 关闭间隙 接触属性高级选项设置接触属性高级选项设置.刚体刚体 Workshop第21页/共62页实常数PMIN和PMAX用来指定初始穿透范围.ANSYS把整个目标面（包括它附着的柔体）移向PMIN和PMAX指定的穿透范围内.如果目标面被约束，则PMIN和PMAX的指定无效.初始调整是一个迭代的过程.ANSYS最多使用20个迭代使目标面进入PMIN和PMAX范围.
11、接触属性高级选项设置接触属性高级选项设置.处理刚体运动处理刚体运动3第22页/共62页当目标面移动后，两个原本分离的物体不再有间隙.接触面目标面（调整后）目标面（调整前）接触属性高级选项设置接触属性高级选项设置.处理刚体运动处理刚体运动3第23页/共62页使用 CNCHECK调整接触前提：使用节点探测选项KEYOPT(4)=1 和 2或使用CONTA175单元初始接触节点处于 ICONT 区域内初始穿透节点的 KEYOPT(9)=1pinball 区域应该足够大，要能够捕捉到间隙和初始穿透.接触属性高级选项设置接触属性高级选项设置.处理刚体运动处理刚体运动4第24页/共62页接触属性高级选项设
12、置接触属性高级选项设置.处理刚体运动处理刚体运动4使用接触管理器时，点击Check Contact Status按钮会出现四个选项，第三个选项Move contact nodes to target可执行CNCHECK命令第25页/共62页执行CNCHECK命令若初始调整选项产生了残余应力（例如接触面上有大的转动），那么可使用CNCHECK命令.执行CNCHECK命令前先保存数据库文件求解前把探测方案选项重置为高斯法Beforeopen gapAftergap is closed接触属性高级选项设置接触属性高级选项设置.处理刚体运动处理刚体运动4第26页/共62页可参考workshop中相关章
13、节:W6C.刚体 PMIN&PMAX.接触属性高级选项设置接触属性高级选项设置.刚体运动刚体运动workshop第27页/共62页不对称接触被定义为：一个面上存在所有的接触单元，另一个面上存在所有的目标单元一个接触对最有效对称接触：每个面都被指定为目标面和接触面通常为两个接触对，也有可能为一个（自接触）当目标面和接触面很难区分或两个面的网格都较粗时，采用对称接触接触算法为罚函数法时可采用对称接触对于MPC 算法和三维Lagrange 乘子法,ANSYS会自动切换到不对称接触，因为此两种情况下对称接触会导致过度约束.接触属性高级选项设置接触属性高级选项设置C.对称与对称与不对称不对称第28页/共
14、62页自接触时采用对称接触方式,把目标单元和接触单元放在同一个面上超弹性圆圈的自接触自接触接触属性高级选项设置接触属性高级选项设置.对称与对称与不对称不对称第29页/共62页假接触自动预防:在某些自接触情况中，ANSYS可能错误的认为几何上非常临近的面处于接触状态.如果ANSYS在第一个载荷步遇到这种接触，输出窗口或输出文件中会有如下提示：Contact surfaceTarget surface假接触可能发生Contact element 16 has too much penetration related to target element 10We assume it(may be m
15、ore elements)is spurious contact.接触属性高级选项设置接触属性高级选项设置.对称与对称与不对称不对称第30页/共62页非对称接触选项:对称的接触对可以自动缩减为非对称接触对(KEYOPT(8)=2)程序尽可能的把对称接触对自动转换成非对称接触对接触属性高级选项设置接触属性高级选项设置D.各式调整各式调整第31页/共62页非对称接触选项:适用于:模型中存在大量的接触对并很难选择Workbench Simulation中使用自动接触的模型 接触面和目标面很难区分时Workbench Simulation 模型 209 个部件 450 个对称接触对 115万个自由度接
16、触属性高级选项设置.各式调整第32页/共62页 *NOTE*CP=19.490 TIME=18:22:37 Symmetric Deformable-deformable contact pair identified by real constant set 8 and contact element type 9 has been set up.The companion pair has real constant set ID 9.Both pairs should have the same behavior.ANSYS will keep the current pair and
17、remove its companion pair,resulting in asymmetric contact.*NOTE*CP=19.490 TIME=18:22:37 Symmetric Deformable-deformable contact pair identified by real constant set 9 and contact element type 9 has been set up.The companion pair has real constant set ID 8.Both pairs should have the same behavior.ANS
18、YS will remove the current pair and keep its companion pair,resulting in asymmetric contact.非对称接触选项:当非对称接触激活时，ANSYS会通过输出窗口提示用户接触属性高级选项设置接触属性高级选项设置.各式调整各式调整第33页/共62页请参考 Workshop 中的相关章节:W6D.对一个大模型进行故障检查.接触属性高级选项设置接触属性高级选项设置.各式调整各式调整第34页/共62页梁/壳厚度效应:如果模型包括梁单元或壳单元，接触面由于厚度效应可能平移.对SHELL181/208/209单元,大应变导致
19、的厚度改变也应考虑进去.梁厚度效应只在二维梁中有效壳的中面壳厚度ContactTarget在平移后的面上探 测出接触接触属性高级选项设置接触属性高级选项设置.各式调整各式调整第35页/共62页自动时间步:使用载荷子步可以使线性分析的精度和收敛性都大为提高缺省状态下，程序使用自动时间步长特性自动调整载荷增量。时间步长大小自动增加或减少，来达到收敛性、精度和总体求解效率的平衡。更多的子步(更小的时间步)提高收敛性和精度然而时间步如果太小，求解的总体效率会下降接触属性高级选项设置接触属性高级选项设置.各式调整各式调整第36页/共62页自动时间步:自动时间步长大小预测能够基于当前及历史响应来决定下个子
20、步需要的时间步长.时间步大小增减决定于:上一载荷步平衡方程的数目.响应频率(瞬态分析).上一载荷步的蠕变增量.上一载荷步的塑性应变增量.接触单元的状态改变.(或其它多状态单元)接触状态改变对时间步长的影响有时是有益的，有时是有害的。在接触分析中，可以使用一些特殊工具来控制时间步长预测。接触属性高级选项设置接触属性高级选项设置.各式调整各式调整第37页/共62页自动时间步:接触是状态改变非线性，随着分析的进行，接触单元的状态也随着改变.Status(0,1)=分开这里:0=分开,远1=分开,近Status(2)=闭合，粘合Status(3)=闭合，滑移接触属性高级选项设置接触属性高级选项设置.各
21、式调整各式调整第38页/共62页自动时间步:有时自动时间步长利于捕捉接触状态.子步 1子步 2子步 3由于过粗的时间步，接触状态丢失时间步自动变小以捕捉接触状态接触属性高级选项设置接触属性高级选项设置.各式调整各式调整第39页/共62页自动时间步:然而，许多模型中，系统特性会阻止不精确的位移发展。在下面模型中，我们希望自动时间步忽略接触状态的改变模型中，状态的改变并不需要使用很小的时间步长来捕捉然而，自动时间步长其它准则是需要的。Step 1Step 2Status=3Status=3Status=1接触属性高级选项设置接触属性高级选项设置.各式调整各式调整第40页/共62页自动时间步:许多模
22、型中，用户需要选择性的打开或关闭接触状态改变的自动时间步调整开关，保留其它时间调整控制准则。缺省状态下,对于接触状态改变，自动时间步为关.用户可以通过以下选项打开:Solution Unabridged Menu -Load Step Opts-Solution Ctrl.接触属性高级选项设置接触属性高级选项设置.各式调整各式调整第41页/共62页自动时间步:当基于接触状态的时间步预测激活时，对每一个接触对(单元级别上)有一个附加设置(KEYOPT(7)定义是否自动时间步长要随接触状态的改变而改变接触属性高级选项设置接触属性高级选项设置.各式调整各式调整第42页/共62页自动时间步:KEYOP
23、T(7)允许用户进行基于单元的时间步控制 KEYOPT(7)允许每个接触单元都有其合适的时间步长.这个功能是时间步控制的二级开关，允许用户进一步细化分析。用户可以打开自动时间步长，当接触状态改变时，不同的接触单元可根据KEYOPT(7)的设置来调整时间步的大小 接触属性高级选项设置接触属性高级选项设置.各式调整各式调整第43页/共62页自动时间步:在接触最先发生的区域，使用Keyopt(7)设置小的时间步长.仅在此区域使用自动时间步捕捉接触状态的改变.接触属性高级选项设置接触属性高级选项设置.各式调整各式调整第44页/共62页自动时间步:接触分析的自动时间步长的其它考虑：时间步的大小是一个及强
24、的接触收敛控制工具，如同其它非线性特性分析一样.使用足够小的时间步可保证收敛.对于路径相关问题（例如接触摩擦），一个相对较小的最大时间步长可保证求解精度.在瞬态分析冲击过程中，时间步数要足够多以保证物体之间的动量传递.求得精确的位移，需要很小的最小时间步长:Dt 1/(30 f)这里的 f=表面特征频率f=(k/m)0.5求得精确的速度和加速度:Dt 1/(100 f)接触属性高级选项设置接触属性高级选项设置.各式调整各式调整第45页/共62页CNCHECK命令可在求解前后观察接触对的详细设置在/PREP7(接触管理器)和/SOLU调整分析调整分析 E.故障检查故障检查第46页/共62页输出文
25、件信息输出文件将包含CNCHECK命令得到的接触详细设置以及初始接触状态信息.调整分析调整分析 .故障检查故障检查第47页/共62页调整分析调整分析 .故障检查故障检查CNCHECK,POST 命令可以在每一个子步中计算初始接触参数将初始接触结果(状态，穿透量，间隙和/或压力)写到结果文件Jobname.RCN中，可以用来进行后处理。如果在SOLUTION处理器中执行，求解第一个载荷步的SOLVE命令应该是显示为一个不同的求解步。RID1,RID2,RINC允许用户定义命令起作用的实常数ID的范围，如果RID2没有指定，它默认为RID1。如果没有指定值，所有选择集中的所有接触对都将考虑。第48
26、页/共62页调整分析调整分析 .故障检查故障检查在接触向导中运行 CNCHECK,POST命令方法：选择“Solve initial contact state”图标.然后进入通用后处理中，在下拉菜单中选择观察项。第49页/共62页调整分析调整分析 .故障检查故障检查CNCHECK,RESET命令把指定的接触对属性重置为程序缺省值，下表列出不受该命令影响的设置:CNCHECK,ADJUST命令也可以从接触向导中获取:第50页/共62页接触问题检查时，输出文件中的提示和警告信息经常提供有价值的反馈:如果因为接触长度太小，残余力不符合要求，那么会有以下警告信息:如果杨氏模量，力或质量太大，残余应力
27、不符合要求，那么会有以下警告信息:Warning:Min.contact depth 5.376e-6 is too small which can cause accuracy problem,you may scale the length unit in the model.Warning:Max.contact stiffness 1.21e16 is too big which can cause accuracy problem,you may scale the force unit in the model.调整分析调整分析 .故障检查故障检查第51页/共62页刚体柔体接触和柔
28、体柔体接触可以在模型中共存，只要使用不同的实常数定义接触对.输出文件可以帮助检查检查对。通过接触向导检查接触单元和目标单元的外法线方向接触存在于接触单元和目标单元的外法线方向.不正确正确可通过接触向导检查（即使接触对不是通过接触向导定义的）调整分析调整分析 .故障检查故障检查第52页/共62页分析中，要确保定义的目标面和接触面大得足以涵盖接触运动的范围.确定对刚性目标表面合适的网格划分，特别粗的离散网格会导致收敛困难。使用ICONT,PMIN/PMAX,CNOF 或 CNCHECK,ADJUST确保接触面初始接触，避免刚性位移。调整分析调整分析 .故障检查故障检查第53页/共62页尖的突角在存
29、在大滑动的接触分析中会导致收敛困难.改善方法:使用圆倒角使用KEYOPT(4)改变接触探测地点补充使用点面接触(详见第七章)外法向倒角半径刚性目标面调整分析调整分析 .故障检查故障检查第54页/共62页使用NLDIAG,Label,key检查不收敛非线性结果NLDIAG命令可以把非线性诊断信息写入文件,在/POST1中诊断.可视化导致不收敛的Newton-Raphson迭代的残差信息开始化导致二分和旋转的单元有助于在重启一个没有收敛的分析之前,作相应调整.调整分析调整分析 .故障检查故障检查第55页/共62页NLDIAG,Label,key例题:在包含壳单元的刚体-柔体接触问题中,用户可在求解
30、前使用NLDIAG,nrre,on命令,然后在/POST1中使用PLNSOL,NRRES,jobname.nrxxx 命令画出残余应力,这可以帮助用户判断何处存在收敛问题.调整分析调整分析 .故障检查故障检查这个问题的解决方法是降低接触刚度。第56页/共62页调整分析调整分析 .故障检查故障检查NLHIST 命令(“求解结果跟踪”)可在分析过程中监控接触对的状态.以下是一个监控3个接触对接触压力，接触单元数量的例子.第57页/共62页故障检查后该采取的措施:考虑重新设置求解选项,载荷步数,平衡迭代次数,非对称求解器等.FKN 和 FTOLN 的值要设置正确:FKN 应该在 0.01和10之间.
31、1.0(缺省),对大变形问题0.1,弯曲为主的问题FTOLN 不能太小,太小的贯穿容差 会不收敛根据反馈文件信息使用适当的高级设置.调整分析调整分析 .故障检查故障检查第58页/共62页故障检查后该采取的措施:由于在ANSYS7.0后接触技术得以加强，7.0版本之前能够成功运行的分析模型在7.0后可能需要进行调整在接触对上对接触属性进行平均(6.1 beta版新功能，在7.0中完全支持)改变ICONT 缺省值为0。(7.0版的新功能)半自动接触刚度算法有所改变(从5.6版开始不断改进)调整分析调整分析 .故障检查故障检查第59页/共62页故障检查后该采取的措施:如果接触计算结果和以前版本略有不
32、同，用户可以调高FKN的值或设置KEYOPT(10)=3,4或5以使用接触属性非平均算法.如果存在刚体模态或自由度超出程序容许范围而引起的不收敛，使用CNCHECK命令或输出文件检查初始接触状态信息.如果接触状态为开，使用KEYOPT(5)=1 或定义ICONT为一个小的间隙非零值，这个值与输出结果一致的，或与以前指定的ICONT一致。使用 NLHIST命令进行实时监控感兴趣的接触相关结果，寻找接触收敛问题的出错原因。调整分析调整分析 .故障检查故障检查第60页/共62页请参考 Workshop 中的相关章节:W6E.常用排错技巧.W6F.壳体接触故障检查.调整分析调整分析 .故障检查故障检查第61页/共62页May 16,2005Inventory#0022566-62感谢您的观赏！第62页/共62页