小技巧 | 关于ANSYS Workbench接触刚度的简单分享
在ANSYS有限元模型中，如果不同构件之间没有相互结合为一体，有时候还需要考虑摩擦力的问题，就有必要在模型之间定义接触。接触实质就是零件之间的一种干涉行为，需要通过设置参数来控制这种行为。
与经典版本定义接触的方式不同，Workbench中定义接触较为方便快捷，不需要定义接触单元及相关的实常数设置，只需要选取相应的接触面即可实现。
接触刚度是影响精度和收敛行为的最重要的参数，较大的刚度精度高, 但收敛困难；如果接触刚度太大，模型会振动，接触面会相互弹开。因此，必须仔细地确定一个适当的接触刚度值。
“最好的”值经常是与问题相关的，程序提供的缺省值可能不适合，可能要求做一些试验去确定一个适当的值, 使产生的收敛解具有可以接受的精度。对于某些接触协调的面-面接触，用一个系数 (FKN)给出接触刚度。也就是说，程序通过对下层单元的刚度乘以该系数来确定接触刚度：
接触刚度的一个较好值经常通过使接触刚度等于下层单元的刚度获得。作为起始估计, 尝试：
对于接触中的大块实体, FKN = 1.0.
对于柔性较大(弯曲为主)的部件, FKN = 0.1.
有时, 一个模型的不同区域可能需要有不同的接触刚度，如图1所示。
图1 不同区域需要有不同的接触刚度
选择一个好的刚度值可能需要一些试验,下面的步骤可以用于静态相关分析的指南。
1、改变接触单元选项, 允许接触刚度在重启动期间可以修改；
2、开始时采用一个“软的” FKN 可以帮助克服收敛困难；
3、运行此分析, 直到最终载荷；
4、检查对分析比较重要的一些结果(等效应力，接触压力等)；
5、增大 FKN 并重启动求解；
6、再检查结果；
7、重复步骤 5和6, 直到达到所预期的收敛。
作为一个例子, 对于一个轴上套环的过盈配合分析, FKN 是变化的，等效von Mises应力的最大值被监控。这种特殊情况下, FKN＝1.0 经证明可以给出足够的精度，见图2。
图2 FKN值与等效应力的分布
在ANSYS WB-Mechanical中，接触刚度系统默认自动设定。用户可以输入“接触刚度因子Normal Stiffness Factor” (FKN) 它是计算刚度代码的乘子。因子越小，接触刚度就越小。
默认FKN =10 (对于绑定和不分离的接触)
默认 FKN=1.0 (其他形式接触)
接触问题法向接触刚度选择一般准则:体积为主的问题，用“Program Controlled” 或手动输入“Normal Stiffness Factor” 为“1.0”；弯曲为主的问题，手动输入“Normal Stiffness Factor” 为“0.01” 到“0.1”之间的数值，设置界面见图3。
图3 接触刚度设置
对绑定接触，WB-Mechanical 默认使用罚函数(Pure Penalty)公式和大接触刚度，因为接触刚度高导致很小或可忽略的穿透，可得到精确的结果。
对无摩擦或摩擦接触, 考虑使用增广拉格朗日法(Augmented Lagrange) 或拉格朗日法(Normal Lagrange)法。如果用户不想考虑法向刚度同时要求零穿透，可以使用 Normal Lagrange 方法。但必须使用直接求解器(Direct Solver) ，这也许会限制求解模型大小。
上海艾羽信息科技有限公司是一个以CAE软件销售、技术咨询及服务，仿真咨询及规划布局为一体的高科技公司。
作为ANSYS的合作伙伴，艾羽致力于将ANSYS推出的产品，通过业界性能颇佳、颇丰富的工程仿真软件产品组合帮助客户解决复杂的仿真难题。力求与ANSYS一起，共同为中国制造业提供先进的仿真技术，通过仿真技术支撑中国2025。
