工程实例 液压阀接触有限元分析

红色 接触面

蓝色目标面

10-6 =1微米

接触类型

绑定（MPC算法） 不分离 无摩擦 粗糙 

摩擦5种接触行为

绑定接触 法向无间隙  切向不能滑移

不分离 法向无间隙 切向允许滑移

无摩擦  法向允许有间隙 切向允许滑移

粗糙    法向允许有间隙 切向不能滑移

摩擦   法向允许有间隙 切向允许滑移

 强制接触协调   罚函数法 、 language法  、 增广language 法  、mpc法

对称/非对称行为   

接触面 和目标面  

罚函数法和增广lagrange 支持对称行为

lagrange 法和MPC非对称

非线性求解的设置术语。

动力学相较于静力学多引入了一个参数——时间。

万一出现不收敛可以提高子步数量，这个能解决大部分不收敛问题。

模型中设置过盈配合。

导入模型厚重新画圆轴，（原来半径是0.2m现在变成0.20001m，0.00001m是过盈量）。注意，拉伸时要选择frozen！

分析中右键connectings，插入接触工具（Ccontact Tool），右键insert查看穿透量。网格改成fine，穿透量变得一样了。

没有约束的情况都要激活弱弹簧。

这个是重点！！！

 pinball  区域

影响接触状态和一些其他接触参数的确定

  闭合 近场 远场 （接触）

提高接触状态的计算

影响收索接触区域的计算量 

孔是接触面，轴是目标面！摩擦接触！关注接触压力的用非对称接触，不关注接触压力只关注等效应力的用对称接触！！！

公式选择：法向（Normal）拉格让日乘子算法（使穿透量很小）。

一般工程中乘以系数原因是担心软件没有100%精确（没有把所有情况计算进去，只是一个预估）。

过盈配合问题。过盈配合：轴比孔稍大一些，使之产生装配应力。数以自平恒情况因此用弱弹簧。（因为模型是对称的所以选取四分之一模型进行计算）。

过盈量添加：interface Treatment（界面处理）施加偏移量（正值是接触面偏向目标面，负值是接触面远离目标面）。

设置修改为线性施加偏移量，这样可以提高收敛性！！！

穿透量与过盈量比较！

Symmetrt（对称面）！！！

载荷就是过盈量。

单元对求解精度影响。

接触面网格要细！

对于装配体，先看应力位置对不对，再看数值准不准！！！

接触问题的难点就是解除压力的大小会依赖于网格的尺寸！网格尺寸又会关系到静压力，静压力又关系到外载荷，外载荷一变状态应力利就要变，状态应力一变会影响到强度评估！

计算时，首先保证收敛！在接触面上进行网格细化！

网格细化后最大应力位置发生变化了，那在加密网格，再细化，直到最大应力位置不发生变化。

绑定约束（Bonded）：约束接触面的法向和切向移动。

摩擦约束（Frictional）：有相对摩擦的运动。

选择哪种接触类型是根据工况的！

接触属性基本选项

1.接触三特征：传递力、不穿透（计算时允许少量穿透）、分开中断传递。也称为接触面的协调性。

2、接触算法

• 增强拉格朗日算法和纯罚函数算法：第一，适用于法向和切向，都是基于罚函数方程，适应强，但有穿透，第二，罚函数反方程：F=K*X，K（法向或切向接触刚度），X（法向为穿透量，切向为滑移量），X 的范围0~Pc（穿透容差），在这个范围的都算接触，第三，一般调整K的值，K 的值适当大些好，但太大收敛难，第四，切向接触刚度是由法向接触刚度间接算来的，所以一般调整法向接触刚度K。
• 多点约束法：第一，适用于法向和切向，不需接触刚度，能防止穿透（或穿透量非常小），但接触后，无法分开，支持绑定和不分离接触，第二，对MPC方程迭代校正，支持大变形，第三，常用于连接不同自由度模型的连接（如壳体、梁与实体的连接，壳体和梁六个自由度，实体只要三个自由度）。
• 纯拉格朗日算法：第一，适用于法向和切向，会增加额外自由度（接触压力）来满足协调，第二，通过压力自由度保证接触无穿透，或穿透很小，第三，不需要法向接触刚度，计算消耗大，收敛难，第四，能获得准确的法向的接触压力。
• 法向使用纯拉格朗日算法，切向使用纯罚函数法：第一，适用于法向和切向，强迫零渗透，对粘接接触允许少量滑动，第二，需要颤振控制参数FTOLN(穿透容差)和TNOP（最大允许拉伸接触压力）。

3.对于增强型拉格朗日算法和罚函数法，需要法向（简称FKN，但这个FKN是接触刚度系数，这个系数乘以基准刚度（通过节点计算）为接触刚度）和切向接触刚度（简称FKT，同法向接触刚度），穿透量（FTOLN）取决于法向接触刚度，滑动量（SLTD）取决于切向接触刚度，刚度大，精度好，但难收敛，一般不需要定义这些刚度，推荐使用keyopt（10）=2允许程序自动更改，

4.第一，接触单元不但可以传递法向接触压力，还可以传递切向摩擦力，第二，接触单元使用FKT确保切向的接触协调，第三，切向刚度好法向刚度一样影响精度和收敛。

5.FKT=Mu*PRES/SLTO,Mu为摩擦系数，PRES为接触法向压力，SLTO为最大的允许弹性滑动量。

6.workbench根据模型的几何特征、材料和法向刚度来计算接触刚度。

7.开始分析时KFN的推荐值：FKN=1.0（对于较大物体的接触，为默认设置）；FKN=0.01-0.1（对于柔体接触，以弯曲为主）；另外可以用（force/length）/area确定刚度值，但不易控制，

8.接触分析比单体分析困难原因：考虑因素对，收敛准则多，

9.面面接触和点面接触：接触刚度为程序根据接触对上所有基体单元计算出来的平均值。

10.推荐分析策略：开始分时使用一个较小的刚度值——检查穿透和每一个子步的迭代次数（第一，将模型调为真实尺寸，如果能观察到穿透现象，则穿透过度，第二，若需要较多的迭代次数或不收敛，则减小刚度值重新分析，第三，使用keyopt（10）来调整刚度，在精度和收敛之间能得到较好的平衡）。

11.应对结果的有效性进行判断，通过改变刚度值进行参数敏感性研究（逐渐减小刚度值，直到重要项，如接触压力和最大等效应力等开始显著改变为止）。

12.穿透容差默认为基体单元厚度的0.1倍，对shell和beam单元，为厚度的4倍，从这可以看出：若接触区域附近的网格越密，则穿透容差FTOLN越小，也即穿透量越小，则越难收敛，同时，FTOLN变了，若不改变刚度值，可能引起不收敛，

13,。对于增强拉格朗日算法，如果最大允许穿透超出，则程序将校对接触压力，计算并继续平衡迭代直到满足条件为止。

14.当为FTOLN何TNPOP提供数值时，正直为比例因子，负值为绝对值。

15.第一，Pinball区域用来判断接触状态，第二，可以使接触对可视化，第三，多点约束的生成区域是由Pinball区域决定的，第四，对于目标面有多个凸起的情况，Pinball对于克服错误的接触定义很有效。

接触容差

穿透容差控制指定接触对的允许穿透量

FTLON 

f=kx x为穿透量  穿透容差控制穿透量

接触刚度

颤振 控制参数

使穿透最小以保证求解精度

刚度太大

ansys workbench 如何

接触刚度系数

接触刚度增强拉格朗日法和惩罚法法向和切向接触刚度 

接触面和目标面之间的渗透量取决于法向刚度

渗透量和滑动量

FKN 法向接触刚度

FKT 切向接触刚度

FTOLN 允许渗入量

SLTO 允许滑动量

接触刚度

交大的刚度可以提高求解精度，但使得收敛更加困难

接触行为：绑定接触（约束了两个体的法向和切向运动，主要应用于连接不同网格的结构；连接具有不同自由度结构的模型）、不分离接触(约束法向，不约束切向运动）、无摩擦接触（法向是依据外部载荷可开可闭，切向自由）、粗糙接触（约束切向，法向则是依据外部载荷可开可闭）、摩擦接触（法向依据外部载荷可开可闭，切向符合库伦摩擦定理，这个最常用！）、强迫摩擦滑动。

摩擦约束比无摩擦约束更容易收敛！！！

正值：比例因子，负值：绝对值!

球形区域的作用是提高效率！

接触容差：法向容差、切向容差。

实际接触不存在穿透的！但是算法是有穿透的！

法向、切向穿透小于法向、切向容差！

穿透容差是控制穿透量的。

接触区域网格越密越不容易收敛！

建议：如果收敛要求提高了（网格画秘了）那么刚度系数也要相应增加，否则无法收敛！（通过调节刚度研究接触压力，提高精度，使接触压力达到一个较为准确的值）。

接触分析概述

1. 典型接触：动态冲击、金属成型、摩擦、螺栓连接、零件装配、紧配合、受压边界条件、密封装置。
2. 接触行为是高度状态非线性问题，需要较大的计算资源，接触分析有两大难点：第一，求解前不知道接触区域（接触区域是变化的）；第二，大多接触问题需要计算摩擦，摩擦都是非线性的，使收敛困难。
3. 接触对有目标面（目标单元）和接触面（接触单元）组成，在目标面和接触面上相当于附了一层表皮单元，接触对作用是：第一，防止接触面相互穿透；第二，转换接触面间的力；第三，对接触面的相对位置进行跟踪。
4. 三大非线性：几何、材料、状态非线性。
5. 接触类型：第一，刚柔接触（一个接触面的刚度明显大于其他表面的刚度，且我们对前者的应力不感兴趣）；柔柔接触（两接触面都是由柔性有限元单元组成）；面面接触（任意形状的两个面接触）。
6. 面面接触特点：事先不知道确切的接触位置，两接触面可以使用不同的网格，允许较大的相对滑动，支持大应变和大转动，支持材料非线性。
7. 对于结构分析，workbench支持Ux、Uy、Uz三个自由度。
   
8. workbench自动检测接触是以part为单元进行检测的。
9. 关键字PINB(pinball region，球形区域)：用来判断接触状态，程序自动搜索接触区域内的接触状态，区域外的不搜索，
10. 在ansys经典中，接触关键字和实常数多些，而在workbench中，把一些不重要的实常数和关键字去掉了，但可以通过命令流来输入，
11. 2D模型只能在XY平面上建立，要进行对称的简化，必须以Y轴为对称轴。
12. 进行接触分析前，应该右击contact---contact tool 来自动检测初始接触状态，检测是以有限元模型为对象，不是以3D模型为对象，检查结果其穿透值应该为0，间隙值最好也为零。
13. convergence（自适应检测）：在关键部位自动加密网格，在单体零件中效果好些，在装配体中效果差些。
14. 当设置接触对后，仍发生穿透，解决办法：第一，吧载荷设置为多子步，第二，加稳态阻尼系数（stabilization damping factor）