一场培训，十年仿真工程师发现了ANSYS接触算法的缺陷

    笔者最近在给一家大中型制造企业做结构仿真内部培训，对某款企业产品做仿真计算的结果和企业工程师的公式计算结果差别较大。和企业工程师一起经过几个小时的排查，明确了以下两点：

    1）企业工程师的公式计算结果符合力学原理，公式结果正确；

    2）ANSYS默认的接触设置导致了仿真结果出现了难以解释的错误；

    如果没有这次实际工业产品的仿真解和公式解的对比，也许笔者会一直发现不了ANSYS接触算法的这个缺陷。这真的太可怕了！所以要感谢这次企业工程师，也希望ANSYS原厂能解决这个接触算法缺陷。

    一直以来，业内有个观点，仿真算法的可靠性要靠用户充分验证，看来确实如此！

    ANSYS的绑定接触类型提供了多种接触算法。

    关于接触算法的详细介绍，可以查看笔者前作《接触算法详解》。

    出于客户保密原因，这里不可能展示原企业产品。笔者新建了一个类似模型用于研究。

    本文研究的问题对网格基本无要求，划分为粗疏的四面体网格。

    通过远程位移释放绕X轴的旋转自由度，实现铰接关系。

    绑定接触的所有属性均为默认设置，仿真分析结果。

    根据理论分析，第一阶模态为刚体模态，模态频率应该接近0Hz。但仿真分析的第一阶模态频率是20.035Hz，远大于0Hz。这个现象很多人都知道，一般会解释成：绑定算法默认是增强拉格朗日算法，该算法 会导致刚体模态频率不正确，但变形体模态频率是正确的，实际用户并不关心刚体模态，所以这样的结果无伤大雅。如果把绑定算法改为MPC，则刚体模态频率和变形体模态频率都正确。

    笔者对以上的解释提出质疑，或者说以上的解释并不严谨。

    仔细观察接触面和目标面，如下图所示。

    手动将多余的倒圆角面排除。

    其它属性均为默认设置。

    刚体模态频率和变形体模态频率都正确。增强拉格朗日算法(或纯罚算法)并没有导致刚体模态频率错误，或者说，当接触范围(接触面和目标面)中存在曲面时，增强拉格朗日算法(或纯罚算法)才会导致刚体模态频率错误。

    对于模态分析，总体来说，ANSYS默认的接触设置导致的错误勉强可以接受，不会导致大的问题。但对于静力分析，ANSYS默认的接触设置导致的错误是不能接受的，可能会导致很大的问题。

    铰接关系和模态分析一致，除此之外，施加垂直向下的远程力160N，通过远程位移约束圆孔的Z向自由度。

    理论分析，Z向的支座反力为：

160*315/160/2=315/2=157.5N

    当接触范围和接触属性均为默认设置。Z向支座反力的仿真解和理论分析解差别较大，即仿真解出现错误。这种错误是不可接受的。

    当接触范围为默认，绑定算法改为MPC。Z向支座反力的仿真解和理论分析解高度一致，即仿真解正确无误。

    绑定算法为默认，接触范围把曲面排除。Z向支座反力的仿真解和理论分析解高度一致，即仿真解正确无误。

    1）接触范围探测不仅仅探测平面之间的接触关系，也会探测和曲面之间的接触关系；

    2）当绑定接触算法为增强拉格朗日算法或纯罚算法时，并且接触范围包含曲面，会导致模态分析的刚体模态频率错误，会导致静力分析的支座反力错误。换言之，当接触范围包含曲面，绑定算法应该首选MPC；

    3）从本文案例来看，当接触范围都是平面，绑定算法为增强拉格朗日算法或纯罚算法时，模态分析和静力分析的结果也是正确的。

    4）因为默认的接触范围探测包含了曲面，默认的绑定算法为增强拉格朗日算法，静力分析也能正常求解不报错。所以对于一般用户来说，不会怀疑计算结果的正确性，所以这里存在巨大的误导性，所以笔者认为这种现象是ANSYS接触算法的缺陷。

    4）既然绑定接触算法选择MPC总是正确的！那为什么ANSYS默认的绑定接触算法却选择了增强拉格朗日算法呢？所以笔者再次强调，这真的非常具有误导性！

    默认的接触范围探测会包含曲面，可以通过改变Face-Face Angle Tolerance来排除曲面。当Face-Face Angle Tolerance=90°时，软件只会探测平面之间的接触关系。