5.4.7.5.1 建模和网格划分的一些诀窍

一个目标面可能由两个或多个不连续的区域组成。用户应该尽可能地通过定义多个目标面，来使接触区域限于局部(每个目标面有一个不同的实常数号)。刚性面上的形状不限制，不要求光滑。但是，要保证刚性目标面上曲面的离散足够。过粗的网格离散可能导致收敛问题。如果刚性面有一个尖锐的凸角，求解大的滑动问题时很难获得收敛结果。为了避免这些建模问题，在实体模型上使用线或面的倒角来使尖角光滑化，或者在曲率突变的区域使用更细的网格或使用高阶单元，见 图5-5 。

图5-5 凸角的光滑化

5.4.7.5.2 检验目标面的节点号顺序(接触方向)

目标面的节点号顺序是重要的，因为它定义了接触方向。对2D接触问题，当沿着目标线从第一个节点移向第二个节点时，变形体的接触单元必须位于目标面的右边。见 图5-6 。

图5-6 正确的节点顺序

对3D接触问题，目标三角形单元号应使刚性面的外法线方向指向接触面。外法线通过右手法则来定义。

为了检查法线方向，显示单元坐标系。

命令：/ PSYMB ，ESYS，1

GUI：Utility menu>PlotCtrls>symbols

如果单元法向不指向接触面，选择该单元，反转表面法线的方向。 命令： ESURF ,,REVE

GUI：main menu>preprocossor>create>Elements>Surf to Surf 或重新定向单元的法向： 命令： ENORM

GUI：Main Menu>Preprocessor>Create>Move/Modify>Shell Normals 注意 --在目标元素(如完整的圆、圆柱、圆锥、球)上的接触，只能在这些目标元素的外表面上出现。

5.4.8 定义柔体的接触面

为了建立柔体的接触面，对于2D接触必须使用接触单元 CONFA171 或

CONFA172 接触单元；对于3D接触必须使用 CONTA173 或 CONTA174 接触单元。 程序通过组成柔体表面的接触单元来定义接触面。接触单元与下伏柔体单元有同样的几何特性。接触单元与下伏柔体单元必须处于同一阶次(低阶或高阶)，以使在边上的节点协调。高阶接触单元可以通过消除中节点而与低阶下层单元匹配。下伏单元可能是实体单元、壳单元、2D梁单元。接触面可以在壳或梁单元任何一边。下伏单元也可以是超单元。但是，轴对称调和单元不能用作下伏单元。 与目标面单元一样，用户必须定义接触面的单元类型，然后选择正确的实常数号(在每个接触对中，实常数号必须与它所对应的目标面的实常数号相同)，最后生成接触单元。 5.4.8.1 单元类型

下面简单描述四种类型的接触单元。参见《ANSYS Elements Reference》。 CONTA171：这是2D、2个节点的低阶线单元，可位于2D实体、壳或梁单

元(如 BEAM3、PLANE42 或 SHELL51)的表面。 CONTA172：这是2D、3节点的高阶抛物线形单元，可位于有中节点的2D

实体或梁单元(如 PLANE82 或 VISCO88)的表面。

CONTA173：这是3D、4节点的低阶四边形单元，可位于3D实体或壳单元

(如 SOLID45 或 SHELL181)的表面。可退化成3节点的三角形单元。 CONTA174：这是3D、8节点的高阶四边形单元，可位于有中节点的3D实

体或壳单元(如 SOLID92、SOLID95 或 SHELL93)的表面。可退化成6节点的三角形单元。 命令： ET

GUI：main menu>preprocessor>Element type>Add/Edit/Delete 5.4.8.2 实常数和材料特性

在定义了单元类型之后，需要选择正确的实常数集。一个接触对中的接触面和目标面必须有相同的实常数号。每个接触对必须有不同的实常数号。 ANSYS 使用下伏单元的材料特性来计算一个合适的接触(或罚)刚度。在下层单元有用 TB 命令定义的塑性材料特性(不论激活与否)的情况下，接触的法向刚度可能按照系数100降低。ANSYS 自动为切向(滑动)刚度定义一个与 MU 和法向刚度成正比的缺省值。如果下伏单元是一个超单元，接触单元的材料必须与超单元形成时的原始结构单元相同。 5.4.8.3 生成接触单元

既可以通过直接生成法生成接触单元，也可以在下层单元的外表面上自动生成接触单元。推荐采用自动生成法，这种方法更为简单和可靠。可以通过下面三个步骤，来自动生成接触单元。

１、选择节点

选择已分网的柔体表面的节点。对每一个面，检查节点排列。如果用户确定某一部分节点永远不会接触到目标面，用户可以忽略它以便减少计算时间。然而用户必须保证设有漏掉可能会接触到目标面的节点。

命令： NSEL

GUI：Utility Menu>Select>Entities 2、生成接触单元 命令： ESURF

GUI：Main Menu>Preprocessor>Create>Elements>Surf to Surf

如果接触单元是附在已用实体单元划分网格的面或体上，程序会自动决定接触计算所需的外法向。如果下层单元是梁或壳单元，则必须指明哪个表面(上表面或下表面)是接触面。

命令： ESURF ,,TOP (或 BOTIOM)

GUI：Main Menu>Preprocessor>Create>Elements>Surf to Surf

使用 TOP(缺省)生成接触单元，它们的外法向与梁或壳单元的法向相同；使用 BOTIOM 生成接触单元，则它们的外法向与梁或壳单元的法向相反。必须确保梁上的单元或壳单元有一致的法向。如果下伏单元是实体单元，则 TOP 或 BOTTOM 选项不起作用

3、检查接触单元外法向。当程序进行是否接触的检查时，接触面的外法线方向至关重要。对于3D单元，按节点顺序号以右手法则来决定单元的外法向。接触面的外法向应该指向目标面。否则，在开始分析计算时，程序可能会认为是有过度穿透的面，而很难找到初始解。在这些情况下，程序一般会立即停止执行。 图5-7 说明正确和不正确的外法向。

命令：/ PSYMB ,ESYS

GUI：Utility menu>plotctrls>symbols

图5-7 定义接触单元的外法向

当发现单元的外法线方向不正确时，必须通过反转所选择的不正确单元的节点号来改变它们：

命令： ESURF ,,REVE

GUI：Main Menu>Preprocessor>Create>Elements>Surf to Surf 或重新定向单元法向： 命令： ENORM

GUI：Main Menu>Preprocessor>Create>Move/Modify>Shell Normals

5.4.9 设置实常数和单元关键选项

程序使用20个实常数和数个单元关键选项，来控制面─面接触单元的接触。参见《ANSYS Elements Reference》中对接触单元的描述。 5.4.9.1 实常数

在20个实常数中，两个(R1和R2)用来定义目标面单元的几何形状。剩下的用来控制接触面单元。

R1和R2 定义目标单元几何形状。 FKN 定义法向接触刚度因子。

FTOLN 是基于单元厚度的一个系数，用于计算允许的穿透。 ICONT 定义初始闭合因子。 PINB 定义“Pinball\

PMIN和PMAX 定义初始穿透的容许范围。 TAUMAR 指定最大的接触摩擦。

CNOF 指定施加于接触面的正或负的偏移值。 FKOP 指定在接触分开时施加的刚度系数。 FKT 指定切向接触刚度。 COHE 制定滑动抗力粘聚力。 TCC 指定热接触传导系数。 FHTG 指定摩擦耗散能量的热转换率。 SBCT 指定 Stefan-Boltzman 常数。 RDVF 指定辐射观察系数。

FWGT 指定在接触面和目标面之间热分布的权重系数。 FACT 静摩擦系数和动摩擦系数的比率。 DC 静、动摩擦衰减系数。