接触工具是Workbench中很有效的工具，但是很多工程师却不常使用，这不得不说是一种遗憾，作为用爱发电不嫌累的一线工程师，图惜将在本文详细介绍接触工具与接触处理的相关技术。

在有限元技术中，几何模型并不是单纯的指CAD模型，而是指经过网格离散化后的模型，这对于理解有限元中的穿透与间隙很重要。

在建立CAD模型时，工程师应避免干涉，除非零件配合为过盈配合。在CAD模型中，零件之间没有相互干涉或者间隙，并不代表在有限元软件中的几何无穿透或无间隙，因为在网格划分过程中会出现偏差。

顺便提一下，几何模型的间隙与穿透值并不是接触表面到目标表面的距离，因为探测方法是基于接触面网格的积分点（或节点）到目标表面的，几何间隙与穿透的值自然也是接触面网格的积分点（或节点）到目标表面的距离。

比例圆柱面与平面的接触，在CAD模型中它们相互之间是0间隙，但是网格离散化后会出现微小间隙，网格粗大时更为明显。

又比例轴孔配合，在CAD模型中它们相互之间是0间隙，但是网格离散化后会出现微小穿透与间隙，同样网格越大穿透与间隙越大。

所以配合面的网格不能太粗狂，需要适当细化以解决模型网格离散化后的穿透与间隙。

比如下图的轴孔0间隙配合的2D模型，网格均采用线性，采用粗狂网格与精细网格后的几何穿透与几何间隙量如下图。

有限元软件最终计算的模型并不是网格离散化后的几何模型，而是经过软件数值处理后的模型，虽然划分网格后的模型存在几何穿透或间隙，但是经过软件的数值化处理后，不一定有穿透或间隙。同样以轴孔配合下较粗网格模型为例，不经过任何几何修正的情况下，几何渗透为0.37776mm，几何间隙为2.86e-2mm，但是经过软件的数值化自动处理后，渗透依然为0.37776mm，间隙却变为0，说明微小的渗透或间隙可以被软件自动处理，超过一定值的渗透与间隙量软件无法自动处理，需要用户手动处理。

数值处理并不会改变几何网格模型的形状与尺寸，但是却可以通过数字补偿的方法消除穿透或间隙。对于线性接触，用户可通过加大接触球半径来屏蔽穿透或间隙；对于非线性接触，用户可以在接触对设置属性——几何修正属性下修改数字修正量。

接触界面处理可分为无增量的偏移（Add Offset，No Ramping）, 线性增量偏移（Add Offset，Ramped Effects）, 调整接触（Adjust To Touch）。每项含义在接触基础一文中已经介绍，此处针对应用稍作介绍。

还是以轴孔配合下较粗网格模型为例，几何穿透为0.37776mm，最推荐的消除它的办法是通过调整接触Adjust To Touch，软件将自动计算与数字补偿以消除几何穿透与间隙，如下图，处理后的穿透与间隙显示0或微小值，此处的微小值是因为数字误差产生，其实就是0，用户不必纠结。

当然用户也可以通过Add Offset，No Ramping或Add Offset，Ramped Effects来处理数值补偿，正表示闭合间隙甚至过盈，负表示加大间隙。这两项的区别在于No Ramping表示载荷在一个子步内全部加载，用于简单的易收敛的问题；Ramped Effects表示载荷在每个子步逐步加载，用于复杂的难收敛的问题。

接触工具是Workbench中很有效的工具，可在连接分支下添加，也可在求解结果下添加。包含了以下工具

在连接目录下，可以添加接触工具——初始信息，初始信息显示了模型的初始接触情况，这里的模型是指划分了网格的模型，所以当接触设置更改或者网格更改后，需要对初始接触信息更新。在接触工具的设置中，可以选择”所有接触“，也可指定线性接触、非线性接触，设置后点击添加。在接触侧可以设置同时检测接触面与目标面，也可设置为仅接触面、仅目标面，设置后点击应用。以上设置我们一般选择默认的”所有接触“和”同时“就行。

需要注意的是，对于非对称或者自动非对称接触，接触面与目标表面是相对的，相互接触的两面一方为接触面，另一方为目标面。而对于对称接触，两面都为接触面。

设置完成后右击——生成初始接触结果，软件将开始计算，如果计算之前我们没有划分网格，软件将按默认设置先生成网格，然后计算初始接触信息。

不同颜色表示了不同的初始接触状态，由于WB自带的颜色图例的解释过于晦涩难懂，导致很多工程师不明觉厉，此处图惜按照自己理解的进行解释：

红色：表示程序检测到线性接触(绑定或无分离)中接触对状态为打开（远开放或接近打开），即间隙或穿透超过了接触球半径导致无法接触，需要用户检查与处理。如果状态是远开放的，穿透和间隙将显示为零，如上图。

这种情况经常出现在大型装配体分析中，特别是程序自动生成的绑定接触。如下图，程序默认的接触属性——自动检测容差值为0.824mm，也就是两个零件的面相距≤0.824，便会在它们之间自动生成绑定接触，但是图中的上下垫板厚度为0.5mm，导致方块的上下边与外框的上下边相距为0.5＜0.824，所以自动在它们之间生成了绑定接触，很明显这一对接触是错误的，需要删除。我们也可以将接触属性中的容差值修改为<0.5的值，然后删除之前的所有接触，再重新自动生成。

黄色：表示程序检测到非线性接触(粗糙、摩擦或无摩擦)中接触对状态为打开（远开放或接近打开），也许可以被接收（比如故意设置的过盈或间隙配合），需要用户检查。如果状态是远开放的，穿透和间隙将显示为零。

橙色：接触状态是关闭的，但是相比搜索球半径或接触深度，有很大的间隙或穿透，此处很大是指超过搜索球半径或接触深度的1/2。这种情况一般出现在平面与曲面接触、直线与曲线接触等情况，这时无需处理，如下示意图。

灰色：接触不活跃。这可能发生在MPC和正态拉格朗日公式中，也会发生在自动不对称行为中（如程序自动生成的接触对），往往无需处理。

除颜色意外，初始接触信息表还显示了以下信息：

显示接触对名称、接触侧、接触类型、接触数量等。

显示几何穿透与几何间隙，显示数值处理后的穿透和间隙。

显示自动计算的接触球半径值，如果是用户指定的球半径，则此格显示用户设置的值。

如果要显示接触深度、法向刚度、切向刚度等，只需右击信息表，勾选相应项目即可。

（1）接触状态

接触状态以云图的形式定性地显示接触的远离、接近、粘接、滑动等状态，这里的接触状态都是指几何模型经过数值处理后的接触状态。

（2）穿透与间隙

穿透与间隙以云图的形式定量地显示接触对的穿透距离与间隙距离。

（3）接触应力、压力、滑移距离等

可在计算结构中插入接触应力、压力、滑移距离等选项，将以云图形式定量显示相应结构。

实例：一轴套支架如下图，由轴套、垫圈、三角架、上杆、下杆、上筋板、下筋板组成，固定下杆端面，对上杆端面施加竖直向下100N的力，求轴套的相关结果。

Step1 接触生成。

建立静态结构算例，将Stp模型导入后，进入Mechanical，分别对各零件按上图命名。

右击连接目录下的接触——基于定义重命名，默认的接触名称将根据接触类型与几何名称自动修改。

选中所有接触，设置搜索区域为因数，因数设置为0.1，即接触对的搜索球半径为接触侧网格深度的0.1倍，其余默认。

网格划分设置为自适应网格，分辨率为7，即最细，其余默认。

材料按默认设置。

Step2 边界条件。

固定下杆端面，对上杆端面施加100N向下的力，其余设置按默认。

Step3 初次求解。

求解结果显示错误。

Step4 接触检查。

再连接目录下插入接触工具。

在接触工具中默认生成了初始接触信息，默认选中了所有接触，默认选中了接触 目标两者。

右击接触工具——生成初始接触结果。

如上文所述，红色为线性接触中打开的接触，必须处理。右击其中其中一栏红色——转到模型树选中结果，即可跳转到相应接触。

以”绑定—轴套至下杆“为例，跳转到结果。可以发现，轴套和下杆之间还相隔了垫圈零件，轴套与下杆之间不应该创建相应的接触，此处的接触是错误的。

生成这种错误接触的原因在于程序自动创建的接触容差过大，超过了垫圈厚度，致使程序认为轴套与下杆之间应该生成接触对。查看接触的设置可以看到容差为1.53mm，超过了垫圈厚度1.5mm。

处理这种错误接触的方法有很多，最简单的方法就是直接删除。

第二种方法就是删除自动生成的所有接触对，修改接触容差，然后重新生成。

第三种方法是修改接触半径，适用于几何模型有错误间隙情况，比如垫圈与三角架之间本应无间隙，但是CAD模型错误，导致产生错误间隙，在初始接触信息中显示红色并且显示几何间隙1mm。

此时只需要将接触球半径设置为大于模型间隙的值，或者设置为自动检测值，自动检测值即为接触的容差值。(此种情况下，如果是非线性接触，可以使用几何修正功能。）

至此，初始接触信息中不再有开放的接触，但是还有棕色的，表示虽然接触正确闭合，但是局部开放。

以”绑定—垫圈至上筋板“为例，接触如下图，可见这是典型的平面——曲面接触，曲面的一部分超过了接触球半径，此种情况不用处理。

最后，为例与实际工况更贴合，将轴套至垫圈的接触修改为摩擦0.2。

Step5 重新求解与后处理。

再次求解，能顺利计算出结果。

插入轴套与垫圈之间的接触结果如下图。

接触应力如下

压力如下

本文主要介绍了接触工具，特别是初始接触信息，读者不必拘泥于本文案例，因为工程应用上一定会经常遇到初始接触问题，图惜也只是抛砖引玉，所以就不贴出模型链接了。

由于图惜实践经验实在有限，文中也难免纰漏百出，敬请批评指正。

[1] ANSYS 2022帮助文件