5.3.1 面─面的接触单元

ANSYS支持刚体─柔体和柔体─柔体的面─面的接触单元。这些单元应用“目标”面和“接触”面来形成接触对。

分别用TARGE169或TARGE170来模拟2D和3D目标面。 用CONTA171、CONTA172、CONTA173、CONTA174来模拟接触面。 为了建立一个“接触对”，给目标单元和接触单元指定相同的实常数号。参见§5.4。

这些面-面接触单元非常适合于过盈装配安装接触或嵌入接触，锻造，深拉问题。与点─面接触单元相比，面─面接触单元有许多优点:

支持面上的低阶和高阶单元(即角节点或有中节点的单元)；

支持有大滑动和摩擦的大变形。计算一致刚度阵，可用不对称刚度阵选项；

提供为工程目的需要的更好的接触结果，如法向压力和摩擦应力； 没有刚体表面形状的限制，刚体表面的光滑性不是必须的，允许有自然的或网格离散引起的表面不连续；

与点─面接触单元比，需要较少的接触单元，因而只需较小的磁盘空间和CPU时间，并具有高效的可视化；

允许多种建模控制，例如：

绑定接触，不分离接触，粗糙接触； 渐变初始穿透；

目标面自动移动到初始接触；

平移接触面(考虑梁和单元的厚度)，用户定义的接触偏移； 死活能力；

支持热-力耦合分析。

使用这些单元来做为刚性目标面，能模拟2D和3D中的直线(面)和曲线(面)，通常用简单的几何形状例如圆、抛物线、球、圆锥、圆柱来模拟曲面。更复杂的刚体形状或普通可变形体，可以应用特殊的前处理技巧来建模，参见§5.4。

面-面接触单元不能很好地应用于点-点或点-面接触问题，如管道或铆头装配。在这种情况下，应当应用点-点或点-面接触单元。用户也可以在大多数接触区域应用面-面接触单元，而在少数接触角点应用点-点接触单元。

面－面接触单元只支持一般的静态或瞬态分析，屈曲、模态、谱分析或子结构分析。不支持谐响应分析、缩减或模态叠加瞬态分析，或缩减或模态叠加谐响应分析。

本章后面将分别讨论ANSYS不同接触分析类型的能力。

5.3.2 点─面接触单元

点─面接触单元主要用于给点─面接触行为建模，例如两根梁的相互接触(梁端或尖角节点)，铆头装配部件的角点。

如果通过一组节点来定义接触面，生成多个单元，那么可以通过点─面接触单元来模拟面─面的接触问题。面既可以是刚性体也可以是柔性体。这类接触问题的一个典型例子是插头插到插座里。

使用这类接触单元，不需要预先知道确切的接触位置，接触面之间也不需要保持一致的网格。并且允许有大的变形和大的相对滑动，虽然这一功能也可以模拟小的滑动。

CONTACT48 和 CONTACT49单元是点─面的接触单元。这2种单元支持大滑动、大变形、以及接触部件间不同的网格。用户也可以用这2种单元来进行热-机械耦合分析，其中热在接触实体之间的传导非常重要。

应用 CONTACT26 单元用来模拟柔性点─刚性面的接触。对有不光滑刚性面的问题，不推荐采用 CONTACT26 单元，因为在这种环境下，可能导致接触的丢失。在这种情况下，CONTACT48 通过使用伪单元算法，能提供较好的建模能力(参见《ANSYS Theory Reference》)，但如果目标面严重不连续，依然可能失败。

5.3.3 点─点接触单元

点─点接触单元主要用于模拟点─点的接触行为。为了使用点─点接触单元，用户需要预先知道接触位置，这类接触问题只能适用于接触面之间有较小相对滑动的情况(即使在几何非线性情况下)。其中一个例子是传统的管道装配模型，其中接触点总是在管端和约束之间。

点─点接触单元也可以用于模拟面─面的接触问题，如果两个面上的节点一一对应，相对滑动又可以忽略不计，两个面位移(转动)保持小量，那么可以用点─点的接触单元来求解面─面的接触问题，过盈装配问题是一个用点─点的接触单元来模拟面─面接触问题的典型例子。

另一个点─点接触单元的应用是表面应力的精确分析，如透平机叶片的分析。

ANSYS的 CONTA178 单元是大多数点-点接触问题的最好选择。它比其他单元提供了范围更广的选项和求解类型。CONTAC12 和 CONTAC52 单元保留的理由，在很大程度上是为了与已有模型的向下兼容。

5.4 面─面的接触分析

用户可以应用面-面接触单元来模拟刚体-柔体或柔体之间的接触。从菜单(Preprocessor>Create>Contact Pair>Contact Wizard)进入接触向导，为大多数接触问题建立接触对提供了简单的方法。接触向导将指导用户建立接触对的整个过程。每个对话框中的HELP按钮对其应用及选项作了详细说明。

在用户未对模型的任何区域分网之前，接触向导不能应用。如果用户希望建立刚体-柔体模型，则在进入接触向导前，仅对用作柔体接触面的部分分网(不对刚体目标面分网)。如用户希望建立柔体-柔体接触模型，则应在进入接触向导前，对所有用作接触面的部件进行分网(包括目标面)。

下面诸节将论述不用接触向导来建立接触面和目标面的方法。

5.4.1 应用面-面接触单元

在涉及到两个边界的接触问题中，很自然把一个边界作为“目标”面，而把另一个作为“接触”面。对刚体─柔体的接触，目标面总是刚性面，接触面总是柔性面。对柔体─柔体的接触，目标面和接触面都与变形体关联。这两个面合起来叫作“接触对”。使用TARGE169与CONTA171(或CONTA172)单元来定义2-D接触对。使用TARGE170与CONTA173(或CONTA174)单元来定义3-D接触对。程序通过相同的实常数号来识别每一个接触对。

5.4.2 接触分析的步骤

典型面─面接触分析的基本步骤如下，后面将对每一步骤进行详细解释。 1、建立几何模型并划分网格； 2、识别接触对； 3、指定接触面和目标面； 4、定义目标面； 5、定义接触面；

6、设置单元关键选项和实常数；

7、定义／控制刚性目标面的运动(仅适用于刚体-柔体接触)； 8、施加必须的边界条件； 9、定义求解选项和载荷步； 10、求解接触问题； 11、查看结果。

5.4.3 建立几何模型并划分网格

在这一步，用户需要建立代表接触体的几何实体模型。与其它分析一样，需要设置单元类型、实常数、材料特性。用恰当的单元类型给接触体划分网格。参见《ANSYS Modeling and Meshing Guide》。

命令： AMESH VMESH

GUI：Main Menu>Preprocessor>Mesh

5.4.4 识别接触对

用户必须判断模型在变形期间哪些地方可能发生接触。一旦已经判断出潜在的接触面，就应该通过目标单元和接触单元来定义它们，目标和接触单元将跟踪变形阶段的运动。构成一个接触对的目标单元和接触单元通过共享的实常数号联系起来。

接触区域可以任意定义，然而为了更有效地进行计算(主要指CPU时间)，用户可能想定义更小的局部化的接触区域，但要保证它足以描述所需要的所有接触行为。不同的接触对必须通过不同的实常数号来定义，即使实常数没有变化。但不限制允许的面的数目。

图5-1 局部接触区域

由于几何模型和潜在变形的多样性，有时候一个接触面的同一区域可能与多个目标面产生接触关系。在这种情况下，应该定义多个接触对(使用多组覆盖接触单元)。每个接触对有不同的实常数号。见 图5-1 。

5.4.5 指定接触面和目标面

接触单元被限制不得穿透目标面。但是，目标单元可以穿透接触面。对于刚体-柔体接触，目标面总是刚体表面，而接触面总是柔体表面。对于柔体-柔体接触，选择那一个面作为接触面或目标面可能会引起穿透量的不同，从而影响求解结果。这可参照下面的论述：

如凸面预期与一个平面或凹面接触，则平面/凹面应当指定为目标面； 如一个面有较密的网格，而相比较之下，另一个面网格较粗，则较密网

格的面应当是接触面，而较粗网格的面则为目标面； 如一个面比另一个面刚，则较柔的面应当指定为接触面，而较刚的面则

为目标面； 如果高阶单元位于一个外表面，而低阶单元位于另一个面，则前者应指

定为接触面，后者则为目标面； 如果一个面明显地比另一个面大(如一个面包围其他面)，则较大的面应

指定为目标面。