有限元分析丨接触（三）
接触设置特别重要，这篇文章没任何原创，只能学习过程中记录，以及对帮助文档内容的片面理解。
PS：文章中核心内容来自ANSYS Workbench帮助文档，翻译水平有限，语句可能有许多不通顺地方，请见谅。继续从ANSYS Workbench软件操作角度理解接触设置。
目录
3.2 裁剪设置
3.3 小滑移
3.4 探测方法
3.5 穿透容差和弹性滑移容差
3.6 法向刚度
3.7 稳定性因子阻尼
3.8 弹球区域
3.2 裁剪设置
Trim Contact即裁剪设置，用于自动减少接触对数量，提高求解速度。
可供选择包括：
（1）Program Controlled：仅对自动探测接触可用；
（2）On：一般情况选择为On；
（3）Off：当存在手工创建的接触区域时，设置为Off。
Trim Tolerance即裁剪容差。
注意：① 有大挠度滑动必须设置为Off，否则在原始接触边缘外出现穿透现象。
② 如果设置为On，一定要定义合理的Trim Tolerance，以保证足够的接触区域。
如上图所示，Trim Tolerance设置为10mm，Target Face Element和Target Face Element尺寸为5mm。棕色 区域为接触面元素，黑色 区域为目标面元素。
目标单元TE2和接触单元CE1有重叠（粉色 区域），因此目标单元TE2包含在分析中；
而目标单元TE4和接触单元CE3没有重叠，因此目标单元TE4不包含在分析中。
这种处理方式将减少分析中的元素数量，提高求解速度。
帮助文档对Trim Tolerance解释这段文字，我读了三四次才理解。
在周炬老师静力学那本书中P371的图5-3-10比较容易理解。
默认设置为On时，表示程序自动计算存在接触关系方块内的接触对，
如果需要计算到圆圈内的接触对，可以Off或者自定义接触容差。
3.3 小滑移
Small Sliding即小滑移，激活相对较小的滑移选项，滑动距离小于接触对接触单元平均尺寸的20%。
接触对在工况条件下如果发生小滑移，打开此选项可以提高求解计算能力，使分析更有效。
可供选择包括：
（1）Program Controlled：默认设置，自动选择小滑动/有限滑动；
（2）On：允许小滑动；
（3）Off：禁止小滑动，仅能有限滑动；
（4）Adaptive：激活自适应小滑动。
注意：在大变形为打开或绑定接触时，程序大多数情况会自动设置为On。
3.4 探测方法
Detection Method即探测方法，允许指定选择的位置用于接触探测，以获得良好的收敛性。
注意：① 适用于三维面对面接触和二维边边接触。
② 当模型中存在尖角、突变几何结构时，可能造成收敛困难，合理的Detection Mehtod设置尤为重要。
可供选择包括：
表 接触探测位置选项的说明
选项 | 说明 |
Program Controlled | 默认值，纯罚函数和增广拉格朗日算法采用On Gauss Point，MPC和法向拉格朗日算法采用Nodal-Normal to Target |
On Gauss Point | 积分点探测 |
Nodal-Normal From Contact | 探测位置在节点。接触的法向垂直于接触面 |
Nodal-Normal to Target | 探测位置在节点。接触的法向垂直于目标面 |
Nodal-Projected Normal From Contact | ① 探测位置在接触节点，接触面和目标面的重叠区域； ② 法向拉格朗日算法可以提供更精确的接触压力，且在接触边缘的接触压力和应变分布更加平滑； ③ 对Frictional 接触求解时可以很好地满足力矩平衡；但是不能与MPC接触匹配. |
（1）纯罚函数和增广拉格朗日法默认基于高斯积分点的探测（On Gauss Points），一般较节点的探测更准确；
（2）拉格朗日和MPC法默认基于节点的探测（On Nodes-Normal from Contact和On Nodes-Normal to Target），较高斯积分点的探测点要少。
注意：？！是不是没看明白！？与其设置不明白，还不如使用默认设置。3.5 穿透容差和弹性滑移容差
Penetration Tolerance即穿透容差，选项用于设置接触的法向穿透容差。
Elastic Slip Tolerance即弹性滑移容差，接触切向滑移容差选项。
可供选择包括：
（1）Program Controlled：默认设置，系统自动计算容差值；
（2）Value：直接手动输入容差值，数值为非零正整数；
（3）Factor：直接手动输入穿透公差，数值为0-1之间的数值。
定义公差是为了改善收敛性。
注意：① 其中穿透容差定义接触面法向，默认为0.1×接触单元下面实体单元的深度，如果定义太小，会大大浪费计算时间，难以收敛，应用于纯罚函数和增广拉格朗日法；
② 弹性滑移容差定义接触面切向，默认为0.01×单元长度，不用于Frictionless和No Separation接触类型。
3.6 法向刚度
Normal Stiffness即法向接触刚度，是影响接触精度和收敛的一个重要参数，控制触点和目标表面之间的穿透量，在0.01～10之间。
以弯曲变形为主，可以使用较小的值（0.1），较小的值更容易收敛，但穿透性更强，甚至可以为一个负值。
Normal Stiffness同前文提过的Kn法向刚度，只用于纯罚函数和增广拉格朗日算法。可以使用Value和Factor两种方式设置。
可供选项包括：
（1）Program Controlled：系统默认设置，求解器确定适当的法向刚度值；
（2）Factor：法向刚度因子，数值范围0.01-1.0；
注意：① 对于大块变形（bulk deformation）使用默认的1.0是合适的；
② 如果弯曲变形占主导地位，则使用较小的值(0.1)。
③ 较小的值提供更容易的收敛，但穿透性更强。
（3）Value，该数值为正数。
注意：对于面对面接触单位为N/m3，对于面对边或边对边接触，其单位是N/m。
通过Updata Stiffness 选项自动调整。
默认为Each Iteration选项，即表示每步平衡迭代之后自动调整接触刚度；
如果采用Each Iteration，Aggressive选项，软件将更积极地判定及调整接触刚度。
引用帮助文档内容：
“控制接触面与目标面之间穿透量。
“高刚度设置可以降低穿透力，提高精度。但可能会导致收敛困难的接触，可以通过尝试降低刚度改善收敛性。
而高穿透力导致收敛困难时，可能需要增加刚度。”
！？这话什么意思，这刚度是要来来回 回调一调？！
理想情况，足够高的法向刚度使穿透是可接受的小，但足够低的法向刚度，可以提高收敛性。
帮助文档中有个对比图，看到没有收敛不断重复的模式。↓
降低了刚度，收敛性很好。通过更少的迭代，这种接触分析满足收敛标准。
注意：！？是不是又读晕了？！
如果对接触算法都不理解，法向刚度定义都不清楚，与其瞎试，还不如一路Program Controlled。
3.7 稳定性因子阻尼
（1）默认值是0，仅在第一个加载步骤中激活阻尼；
求解器使用默认值1.0作为稳定性阻尼因子。
（2）非0值，则无论前一子步骤的接触状态如何，阻尼始终被激活；
求解器使用(KEYOPT(15) = 3)来施加稳定阻尼。
3.8 弹球区域
Pinball Region即弹球区域。球形域是以接触单元的积分点为圆心定制的一个球形（3D）或圆形（2D）区域，如果目标单元在球形域内，即使接触面与目标面有间隙（Gap），仍认为两者是接触。
可供选择包括：
（1）Program Controlled：系统默认设置，数值如下表所示；
（2）Auto Detection Value：数值大小为总体公差值（Global Contact Settings-Tolerance Value）；
（3）Radius：直接输入球区域半径。
表 默认球区域大小
柔-柔接触/大变形关 | 柔-柔接触/大变形开 | |
无摩擦/摩擦 | 1倍接触下层单元深度 | 2倍接触下层单元深度 |
绑定/不分离 | 1/4接触下层单元深度 | 1/2接触下层单元深度 |
注意：① 对于线性接触，指定球形域内即认为接触，不管间隙有多大；
② 对于非线性接触，是在指定球形域内进行计算判定，以确定是否存在接触。
③ 确定球形域的目的：
a.设置接触面与目标面的允许间隙量，以区分接触的远近区域，提高计算效率；
b.定义初始穿透大的接触。
④ 弹球区域选项设置，在结构分析中我用的比较少，在热分析考虑辐射换热时，强烈推荐这个功能！
参考文献：
1、ANSYS Workbench帮助文档
2、ANSYS Workbench有限元分析实例详解（静力学）
这个系列怎么这么难写...写了小一万字，怎么还是无法完结…
那就继续写，接下来会写。
接触（四）：摩擦
接触（五）：接触工具
接触（六）：小案例。
4月份写作目标完成，5月份见啦！
