接触非线性仿真关键参数设置

接触算法分类

接触协调

◆ 无接触，面之间不传递力

◆ 接触上，法向、切向力传递满足连续条件

◆ 几何间无穿透

◆ 强制性接触协调

◆ Workbench提供不同算法强制接触协调

◆ 程序根据间隙容差，判断接触状态

Workbench支持接触类型

◆ 增强拉格朗日算法(Augmented Lagrange)

◆ 纯罚函数(Pure Penalty)

◆ 多点约束法(MPC)

◆ 法向拉格朗日法(Normal Lagrange)

◆ 纯拉格朗日法(Pure Lagrange)

◆ Workbench只支持1~4算法，算法5，须要APDL命令实现

◆ KEYOPY,CID,2,3,

增强拉格朗日与罚函数

◆ 用一个弹簧施加接触协调条件，称为罚函数法

◆ 弹簧刚度或接触刚度称为罚参数

◆ 接触刚度越大，接触表面几何干涉越小，结果更精确

◆ 但刚度过大，导致计算收敛困难

◆ λ引入降低了法向刚度的算法敏感性

◆ Ansys缺省算法

◆ 网格变形较大，需额外迭代

拉格朗日乘子算法

◆ 不需要设置接触刚度

◆ 计算模型加入额外自由度(压力自由度)

◆ 需要调用直接求解器(direct)

◆ 大规模模型计算时间长

◆ 接触状态改变时，计算稳定性弱

◆ 一般不推荐使用

法向拉格朗日乘子

法向接触刚度与切向接触刚度

◆ 接触对之间产生小穿透量x_penetration>0

◆ 一般情况切向刚度≈1/10 法向刚度

◆ 实际情况接触对并不产生互相穿透

◆ 法向刚度大，计算精确，收敛性差

◆ 法向刚度小，计算误差大，收敛性好

◆ 设置值为法向刚度

法向接触刚度 VS. 接触压力

◆ 合适的法相接触刚度可增加收敛性

◆ 减少接触震荡

法向接触刚度自动调整

◆ Ansys可在求解过程中自动调整刚度

◆ 减少接触震荡

法向刚度震荡

◆ 法向接触刚度高，几何穿透小，求解精确，解收敛困难

◆ 法向接触刚度低，收敛性好，几何穿透大

平均刚度

◆ 接触刚度=接触刚度系数×刚度基准值

◆ 基准刚度与接触单元包裹的实体单元特征尺度相关

◆ 缺省状态下，ANSYS采用接触对所有单元计算的平均刚度值

◆ 缺省刚度值与模型的几何形状有关

◆ 单元尺寸不一致，导致单元刚度不同

◆ 打开’Pair Base’选项，采用接触对平均值

刚度更新控制(面-面、点-面)

◆ ANSYS在求解中自动调节接触刚度

◆ 每个迭代步更新

◆ 每个迭代步更新接触刚度，搜索范围较宽

接触容差/穿透容差(FTOLN)

◆ 缺省值为接触单元包裹实体单元深度的0.1倍

◆ 对于Shell、Beam单元单元深度为其厚度的4倍

◆ 可改变接触刚度(FKN)或穿透容差(FTOLN)

◆ 两者不能同时改变

◆ 容差值不应设置过大

接触颤振控制

◆ 不需要定义FKN、FKT

◆ 需要定义颤振控制参数FTOLN(最大允许渗透量)/TNOP(最大允许拉伸接触压力)

◆ 接触状态闭合，接触压力为负

◆ 拉伸接触压力用以判断接触状态

◆ 颤振控制参数过小，求解需要更多迭代

◆ 颤振控制参数过大，求解准确性受到影响

控制接触对运动与受力形式

◆ 目标面与接触面完全粘合(默认设置)

◆ 允许相对滑动，禁止法向移动

◆ 接触对从初始状态开始就绑定，但允许切向小量滑移

◆ 真实结构不存在此类接触方式，算法稳定性差，很少使用

◆ 支持法向接触打开/关闭，无滑移

◆ 支持法向接触打开/关闭，切向允许滑移摩擦

接触球形区域(PinBall)

◆ 球形区域外部为远场接触

◆ 球形区域内部，且没发生接触区域定义为近场接触

◆ 球形区域内部，已发生接触，且无滑动区域，定义为粘结接触

◆ 球形区域内部，已发生接触，可发生滑动区域，定义为滑动接触

接触初始状态

◆ 导致计算误差，尽量避免，工程经验： 穿透量<1E-6

◆ KeyOpt, cid, 9, 4

◆ 过盈装配问题，尽量减小几何穿透，采用offset偏置进行设置

◆ 间隙(Gap)

◆ 导致刚体位移

初始状态对计算影响

间隙/穿透调整方法

摩擦产生原因

◆ 摩擦消耗能量，因此与路径相关

◆ 时间步越小，计算越精确

◆ 与塑性分析不同，自动时间步长不考虑摩擦响应增量

◆ 接触材料(包括润滑剂)

◆ 接触表面粗糙度

◆ 工作温度

◆ 接触摩擦物体间相对速度