03 接触设置Definition(含No Separation实例)

专注于仿真分析和振动分析

00 导读

    接触设置是结构有限元分析的重点和难点。在ANSYS软件中，接触设置选项多，也复杂。不过，对于大部分问题来说，接触设置保持默认即可，这在很大程度上降低了接触设置的难度。不过总存在一些特殊的问题和场景，要求对接触设置有较全面和深入的了解。

    接触设置主要分为四个大类别。

    本文主要介绍Definition的设置。并包含一个No Separation接触案例，以展示No Separation和Bonded的区别和联系。

01 研究背景

    接触设置散见于各种文章和书籍，但往往不够系统和全面。本文主要内容来自ANSYS软件自带的帮助文档，内容位置如下。

02 Definition设置

   01Type(接触类型)

    选择合适的接触类型取决于要解决的问题，使用非线性接触类型通常会导致更长的求解时间，有可能导致求解收敛困难。如果出现收敛困，或者如果确定准确的接触面积至关重要，请考虑在接触对上使用更精细的网格。

    接触类型如下所示。

    Bonded: 默认类型，适用于所有接触对象(面、体、线)；不允许接触对发生滑动或分离；因为在求解期间接触长度/面积不会改变，属于线性；任何间隙都被关闭，任何初始穿透都被忽略。[不支持刚性动力学，可以使用固定关节代替.]

    No Separation: 和Bonded相似，仅适用于面(对于 3D)或边(对于2D);不允许接触对象发生分离。

    Frictionless: 接触对可发生分离，此时压力为零；因为在求解期间接触长度/面积可能会改变，属于非线性；假设摩擦系数为零，因此允许自由滑动；使用此接触类型时，模型应该受到很好的约束；打开弱弹簧可以帮助求解过程稳定和结果合理。

    Rough: 与Frictionless类似；假设摩擦系数无限大，此类型可完美模拟无滑动的粗糙摩擦接触；仅适用于面(对于3D)或边(对于2D)；默认情况下，不会自动关闭间隙。[不支持显式动力学分析。]

    Frictional: 在接触对相对滑动之前，接触界面上会存在一定大小的剪切应力，这种状态被称为"sticking”；当接触界面上的等效剪切应力大于接触压力的某比例时，接触对象发生滑移；摩擦系数可以是任何非负值。 [不支持刚性动力学，应改为使用Forced Frictional Sliding。]

    Forced Frictional Sliding: 在每个接触点上存在一个切向阻力，切向阻力与法向接触力成正比；类似于 Frictional，只是没有“sticking”状态。[仅支持刚体动力学]

    默认情况下，碰撞期间不考虑摩擦。无论摩擦系数如何，碰撞都被视为无摩擦接触。(详细信息，请参阅《Mechanical User's Guide》中的Rigid Dynamics Command Objects Library）。

    模拟不同接触面行为的更多信息，请参阅《Mechanical APDL Contact Technology Guide》中的 KEYOPT(12)。

    02Scope Mode

    只读属性，说明接触对是如何生成的。

    03Behavior(接触行为)

    此属性选择仅支持 3D面/面或2D边/边接触。对于3D边/边或面/边接触，接触行为为非对称。刚体动力学分析不支持此属性。

    Program Controlled：程序默认

    Asymmetric(非对称)：接触结果在接触对象上；

    Auto Asymmetric(自动非对称)：接触结果在接触对象或目标对象上；

    Symmetric(对称)：接触结果为接触对象和目标对象上结果之和；

    非对称算法求解效率高于对称算法，Asymmetric适用于刚柔体接触。

    04Trim Contact(修剪接触)

    修剪接触可以通过减少求解器考虑的接触单元数量来加快求解时间。刚体动力学分析不支持此功能。

    Program Controlled: 默认设置。通常，修剪接触默认为开。但如果接触对为手动创建，修剪接触默认为关。

    On: 创建求解器输入文件时，检查接触单元和目标单元的靠近程度。不靠近(根据Trim Tolerance判定)的接触单元和目标单元在求解过程中不进行接触探测。

    Off: 不进行接触修剪

    05Trim Tolerance(修剪容差)

    对于自动接触，Trim Tolerance为接触探测的Tolerance Value；对于手动接触，输入一个正值。注意，Trim Tolerance在接触单元和目标单元上都起作用，所以可能会产生双倍效果。

    06Suppressed(抑制)

03 几何模型

    几何如下所示。

04 材料模型

    本文使用到的材料参数如下。

    线弹性。

05 网格划分

    网格如下图所示。

06 边界条件

    约束底板一侧，顶板施加1000N垂直向上的分布力。

07 仿真分析

    No Separation设置。

    位移结果。(弱弹簧关闭)

    位移结果。(弱弹簧打开)

    如果载荷存在很小的切向分量，位移结果。(弱弹簧打开)

    如果载荷存在很小的切向分量，求解失败。(弱弹簧关闭)

    Bonded设置。

    位移结果。(载荷无切向分量)

    位移结果。(载荷有切向分量)

08 附录

    对于Bonded和No Separation，可以使用Contact Debonding功能模拟接触对的分离（当达到了预定义的打开准则）。

    Interface Delamination and Contact Debonding(界面分层和接触脱粘)

    粘合剂通常用于将结构部件粘合成组件或将材料层粘合成复合层，通常假设粘合层具有无限强度。但如果希望模拟粘合剂在达到某失效准则(例如应力极限)时发生逐渐分离，在定义这些失效准则的现有理论中，Mechanical 支持Cohesive-Zone Model (CZM) 方法和Virtual Crack Closure Technique (VCCT) 方法。这两种方法中，分离都会沿着预定义的界面发生，并且不能在任意方向扩展。(有关这些方法的更多信息，请参见《Theory Reference》中的 Cohesive Zone Material Model (CZM)和 《Fracture Analysis Guide》中的 VCCT-Based Crack-Growth Simulation。)

    Mechanical 支持以下功能：

    界面分层-利用MAPDL界面单元(INTER202 -INTER205)，支持 CZM 和 VCCT 方法，这两种方法都不支持低阶三角形网格的界面，具体来说，不支持四面体单元和三角形面在界面上的棱柱单元。VCCT 不支持高阶单元。

    接触脱粘-利用MAPDL接触单元(CONTA171 - CONTA177)，支持 CZM 方法。

    界面分层的更多技术信息，请参阅《Fracture Analysis Guide》中的使用界面单元模拟界面分层。接触脱粘的更多信息，请参阅《Fracture Analysis Guide》中的使用接触单元(脱粘)模拟界面分层。如果您将 Ansys Composite PrepPost (ACP)与界面分层结合使用，请参阅 Interface Delamination 和 Ansys Composite PrepPost (ACP) 部分。

    界面分层仅支持静态结构分析和瞬态结构分析。任何分析类型都支持接触脱粘，但只有静态结构和瞬态结构分析支持界面的渐进分离。接触脱粘支持线性扰动[允许模拟部分分层结构的振动(预应力模态)或稳定性(特征值屈曲)特性]，支持在预应力模型中提取模态结果进行模态叠加分析(例如谐波响应、响应谱和随机振动)。