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 TargetOn 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 Contact① 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Stabilization Damping Factor即稳定性阻尼因子选项。这个参数是一种用于收敛的的数值工具（Number Technical），提供一种阻力来阻止接触表面之间的相对运动，防止刚体运动。（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。注意：① 此选项只出现在无摩擦、粗糙、摩擦这三种类型接触中出现。Fd=C*（vB-vA）② C值的合理设置非常重要，如果C阻尼值太低，接触阻尼将无效，难以收敛；但C值太高，表示两个接触面之间存在黏流体。③ 建立的阻尼能量是一种人造能量，并不是真正存在的。④ Estabilization<<Estain。可以在Solution中插入Stabilization Energy，检查其数值是否远远小于Stiffness Energy。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！来源：认真的假装VS假装的认真
