01接触算法概述

●接触算法分类●

●接触协调●

• 协调准则

        - 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

• 现实接触体之间不产生几何穿透
• 程序接触协调，避免几何穿透

         - 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,

●多点约束(MPC)●

• 施加约束方程，实现接触面-目标面强制协调

       - 不需要设置接触刚度

       - 计算模型不加入额外自由度- 支持大变形效应

       - 接触对始终处于接触状态

       - 绑定接触、不分离接触

       - 线性接触算法

●拉格朗日乘子算法●

• 增加额外自由度(接触压力)，实现强制协调

       - 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

02 常用关键术语及其设置

• 法向接触刚度与切向接触刚度

       - 罚函数法与增强拉格朗日法需要设置接触刚度

       - 接触对之间产生小穿透量

       - 一般情况切向刚度约等于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，计算精度，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

       - 设定合适的法向接触刚度

       - 合适的法相接触刚度可增加收敛性

       - 减少接触震荡

• 法向刚度震荡

       - 设置合理的法向刚度

       - 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

       - 面-面接触、点-面接触

       - 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，导致单元刚度同

       - 打开“Pair Base”选项，采用接触对于平均值

• 刚度更新控制(面-面、点-面)

- 程序控制更新(Program Controlled)- ANSYS在求解中自动调节接触刚度- 迭代步更新(Each Iteration)- 每个迭代步更新- 增强迭代步更新(Each Iteration Aggressive)- 每个迭代步更新接触刚度，搜索范围较宽- 子步更新(Each Substep)

• 接触容差/穿透容差(FTOLN)

       - 控制指定接触对的最大允许穿透量

        - 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

       - 对于接触刚度，基于接触对方法可获得平均容差

       - 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

       - 拉格朗日乘子法

       - 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

       - 绑定接触(Bounded)

       - 目标面与接触面完全粘合(默认设置)

       - 不分离接触

       - 允许相对滑动，禁止法向移动

       - 无摩擦接触

       - 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

       - 粗糙接触

       - 支持法向接触打开/关闭，无滑移

        - 摩擦接触

       - 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)

       - ANSYS确定接触状态

       - 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

        - 穿透(Penetration)

        - 导致计算误差，尽量避免，工程经验：穿透量<1E-6KeyOpt, 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

03  摩擦接触

• 摩擦产生原因

        - 接触物体产生切向相对运动

        - 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

• 摩擦影响因素

       - 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