Workbench接触设置基础
2019-10-12 08:46阅读：
Ansys
Workbench的接触设置面板由接触范围设置（Scope），基本参数定义（Definition），高级选项（Advanced）和几何修正（Geometric
Modification）共四项组成。在工具栏中通过Contact下面的菜单添加接触，不同的接触类型设置会略有差异，大致内容基本相同。下面以Frictional带摩擦的接触类型为例介绍下接触设置面板中这四个子面板各参数的含义。
1、接触范围设置（Scope）
接触范围设置（Scope）用来设置接触的部位和部件，该选项由对象选项方法（Scoping
Method），接触位置（Contact）和目标位置（Target）组成。
对于接触作用位置的选择，程序支持几何拾取（Geometry
Selection）和名称组件拾取（Named Selection）两种方法。
接触体（Contact Bodies）和目标体（Target
Bodies）这两个选项，用于选择信息的显示，用户不需要设置，程序会根据接触位置和目标位置的选择自动识别。
接触体和目标体的选择讨论。
应用Mechnical做接触分析时，需要区分哪个是接触面，哪个是目标面。因为
接触面单元不可穿透目标面，但目标面单元可以穿透接触面。对于刚对柔的接触形式，刚体面为目标面而可变形面为接触面。对于柔对柔的接触形式，选择哪个面为接触面，哪个面为目标面可以引起不同的穿透状态，并且会影响到求解的精度，甚至有可能导致求解收敛困难甚至不收敛。下面讲讲ANSYS做接触时目标面、接触面选择的一般原则：
1）平/凹面为目标面，凸面为接触面；
2）网格细密面为接触面，网格粗糙的面为目标面。这一点在做绑定接触的时候很重要，这个选择原则类似于CEINTF命令中网格粗糙面选单元，细密面选节点带来相似的效果；
3）较软的面为接触面，较硬的面为目标面；
4）接触对底下的实体单元如果阶数不同，则高阶单元表面作为接触面而低阶单元表面做目标面。不过，如果是3-D的点-面接触，则低阶单元面为接触面，高阶单元面应为目标面；
5）接触对中一个面显著大于另一个面，大的面作为目标面（PS：在平时的应用中，这一点基本上足够了）；
6）用CONTA176模拟三维的beam-beam内接触（一根梁/管在另一根中空的梁/管中滑动）时，里面的梁作为接触面，外面的管作为目标面。但是，如果里面的梁的刚度极大地大于外面管的刚度的话，则里面的梁作为目标面而外面的管作为接触面。
上面只是一般的选择标准，如果有的接触对实在难以区别目标面和接触面，可以先随便定某个面为接触面，另一个面为目标面，最终不能得到满意的结果再更换目标面与接触面。当然了，如果碰到这种情况，最省事的办法就是设定接触单元的KEYOPT(8)为“YES”，然后在这对接触面上做对称的两个接触对，即两个接触对互为目标面、接触面
接触中的体类型
(1)Workbench-Mechanical支持实体结构的表面、壳面、边与边、边与面之间建立接触行为。
(2)面体建立无摩擦或摩擦接触时，需要确定壳面体哪一侧(Top或Bottom)处于接触关系中，创建失误会导致无法识别接触，如图11所示处理过程。
(3)面体素之间建立接触时，能够设置面体厚度影响【shell thickness
effect】。
(4)接触对支持在刚体之间、刚体和柔体建立。
1)
刚体之间采用罚函数方法，需要手动设置反对称接触。
2)
刚体和柔体建立接触采用增广拉格朗日法，程序控制设置接触行为为反对称，接触面是柔性体，目标面体是刚性体。
2、基本参数定义（Definition）
基本参数定义（Definition）选项主要由接触类型（Type）、接触行为（Behavior）和接触剪裁（Trim
Contact）组成。
接触类型（Type）选项中，软件共提供了绑定接触（Bonded）、不分离接触（No
Separation）、无摩擦接触（Frictionless）、粗糙接触（Rough）、摩擦接触（Frictional）和强迫摩擦滑动接触（Forced
Frictional
Sliding）6种接触类型。常用的类型为绑定接触和摩擦接触，其中强迫滑动摩擦接触仅用于刚体-刚体接触。不同的接触类型对应不同的设置，再另外介绍。
接触行为（Behavior）选项提供了程序控制（Program
Controlled）、非对称接触（Asymmetric）、对称接触（Symmetric）和自动对称接触（Auto
Asymmetric）。非对称接触的含义就是在界面之间只存在一个接触对，即当一个面为接触面时，另一个面为目标面；对称接触的含义是在界面之间存在两个接触对，即一个面既为接触面又为目标面。使用对称接触在接触计算中有利于提高接触计算的收敛性。
接触剪裁（Trim Contact）选项提供了程序控制（Program
Controlled）、打开（On）和关闭（Off），该选项主要用来减少接触计算中的计算区域，提高计算效率，一般使用程序控制即可。
对称和非对称详介：非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，非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两组接触对(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(目的是为了减少穿透，提高计算收敛性)。要求对称接触的情况如下：
a. 接触面和目标面区分不十分清楚；
b.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。
修剪接触（Trim
Contact）能够自动减少接触单元的数量，从而加快计算速度。
a.当设置“Program Controlled”选项时，默认自动开启“Trim
Contact”。
b.手动创建接触对不进行修剪设置。
c.大变形滑移时，建议不开启修剪接触。
修剪容差Trim
Tolerance用来定义修剪操作的上限。
a.对于自动接触，这个选项显示了接触探测的值（只读格式）。
b.对于手动接触，需要用户输入大于零的值。
3、高级选项（Advanced）
高级选项（Advanced）对应于前面的接触类型设置，如果选择了其他接触类型，可能有些选项会消失。
1.
Formulaation选项为接触算法选项，用户可以选择程序控制（Program
Controlled）、增强的拉格朗日算法（Augmented Lagrange）、纯罚函数算法（Pure
Penalty）、MPC算法和法向拉格朗日乘子算法（Normal
Lagrange）。以上算法中，增强拉格朗日算法相对稳定，因此该算法作为程序的默认算法。
Tip.接触协调。实际接触体之间是不会相互穿透的。Workbench-Mechaniacal提供多个接触公式来建立接触面的强制协调性（当程序防止相互穿透时，称之为强制接触协调。），如图所示。
a.罚函数法（Pure Penalty）
罚函数法用一个接触“弹簧”在两个面间建立关系，弹簧刚度称为惩罚参数或接触刚度；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（穿透量）满足平衡方程。为保证平衡，偏移量必须大于零。实际接触体相互不穿透，理想接触刚度应该是非常大的值，为得到最高精度，接触界面的穿透量应该最小，但这会引起收敛困难。
b.Lagrange乘子法
Lagrange乘子法通过增加一个附加自由度
(接触压力)来满足不可穿透条件，不涉及接触刚度和穿透。用压力自由度得到0或者接近0的穿透量，不需要法向接触刚度，采用直接求解器，只对接触表面的法向施加力。Lagrange乘子法经常处于接触状态的开与关，容易引起收敛震荡。
c.增广 Lagrange法
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。
由于额外因子，增强拉格朗日法对于接触刚度的变化不敏感。当采用程序控制选项时，增广
Lagrange法为默认方法。
d.多点约束算法（MPC）
MPC通过添加约束方程来“联结”接触面之间的位移。采用MPC算法的绑定接触支持大变形分析。只能用于绑定和不分离类型的接触。
2.
Detection Method选项为接触侦测方法选项，有程序控制（Program
Controlled）、在高斯积分点侦测（On Gauss Point）、在接触面的节点法向侦测（Nodal-Normal From
Contact）、在目标面的节点法向侦测（Nodal-Normal To
Target）和在接触面的节点投影方向侦测（Nodal-Projected Normal From
Contact）五个选项可选。
Tip2.探测方法
探测方法（Detection Method）包括如下几项：
(1) On Gauss point
对于纯罚函数Pure Penalty和增广Lagrange公式，默认使用“On Gauss
point”进行探测。探测点更多，认为是比节点探索更准确的检测方法，示意如图4所示。但有时需要采用基于节点的探测方法，特别是用于楞尖形状与线面接触的情况。
(2) Nodal- Normal to Target
拉格朗日与MPC公式默认使用“Nodal- Normal to Target”方法，探测点更少。
(3) Normal from Contact or Normal to Target
垂直于接触面或者目标面方法，决定了应用在接触面上接触力的方向。这通常需要额外的计算来确定正确的“法向”的方向。
(4) Nodal-Projection Normal from Contact
Nodal-Projection Normal from
Contact在接触和目标表面的重叠区域强制作用一个接触约束。接触渗透/间隙计算是在重叠区域平均意义上计算的。
相比其他设置，Nodal-Projection Normal from Contact提供更精确的下层单元接触压力。
当有摩擦的接触面和目标面之间存在偏移时，更好的满足力矩平衡。
3.
Penetration Tolerance选项为法向穿透容差，用户可以设置为程序控制（Program
Controlled）、数值（Value）和因子（Factor）。
a.
该设置仅适用于罚函数法和增强拉格朗日法。
b. 可以通过定义一个数值，或者根据下层单元厚度定义一个因子。
c. 默认等于0.1*单元厚度。
4.
Elastic Slip Tolerance选项为切向滑动容差，用户可以设置为程序控制（Program
Controlled）、数值（Value）和因子（Factor）。
如果弹性滑移在许可的容差范围内，接触协调性在切向满足要求。
a.
通过定义一个数值，或者根据下层单元厚度的平均值定义一个因子。
b. 绑定、粗糙、摩擦接触等增强了切向的协调性。
c. 许可容差默认为平均单元长度的1%。
5. Normal Stiffness选项为接触法向刚度，用户可以设置为程序控制（Program
Controlled）和手动输入（Manual），该参数对于接触计算收敛具有较高的明感度，一般情况下，该值越小，越有利于收敛，但是接触计算精度会下降。
(a)法向接触刚度（Normal
Stiffness）是影响精度和收敛行为最重要的参数，适用于“Pure Penalty”或“Augmented
Lagrange”。
(b)法向接触刚度Normal
Stiffness是一个相对因子。一般变形问题建议使用1.0，弯曲支配情况下如若收敛困难情况，小于0.1的值对于收敛问题有益。
(c)接触刚度在求解中会自动调整，对于收敛困难问题，刚度自动减小。
(d)刚度越大，结果越精确，收敛变得越困难。但是接触刚度太大，模型会振动，接触面会相互弹开。
(e)系统默认自动设定法向刚度Normal Stiffness。可以输入法向刚度因子Normal
Stiffness Factor”，因子越小，接触刚度就越小。
