Ansys帮助文档-接触分析
侯峰 整理
1. 接触分析overview
接触问题是高度非线性的，需要大量的计算机资源来解决这类问题。解决这类问题时，需要你对物理问题有足够的了解，花足够的时间建立模型，再用尽量好的计算资源进行求解。
接触问题有两个很明显的难点。第一，在对问题求解之前，我们是不知道接触区域的位置的。在不同的载荷、材料、边界条件以及其他一些因素的情况下，表面之间可能以不可预知的奇怪的方式在较大尺度上彼此侵入与分离接触面。第二，大多数接触问题需要考虑到摩擦。有几种摩擦准则与模型可供选择，他们都是非线性的。由摩擦产生的反应可能很复杂，导致求解的收敛困难。
除上述两种困难之外，在许多接触问题中，我们不得不强调多域情况下的影响，例如材料的导热率，电流强度以及在接触区域内的磁通量等。
如果在你的模型中不需要考虑摩擦的影响，且体之间的交互影响是确定的，那么，你就可以采用内部的多点约束来对模型进行约束。另外一个选择是使用约束等式或者成对的自由度约束来进行约束。这些外部约束方程或者耦合方程仅仅适用于小应变的情况。
除在这个guide中讨论的间接的接触问题外，ansys也能够提供采用ansys ls-dyna动态分析的系列产品进行分析。直接分析套件对于分析暂态问题非常有用。 1.1 一般的接触分类方法
接触问题分为两类：刚体-刚体与柔体-柔体问题。在刚体-柔体接触问题中，一个或多个的接触面被认为是刚性的。一般来说，任何时候，只要是分析一个硬质材料与一个较软材料的接触问题，都被假设为刚体-柔体问题。另外一类的问题，即柔体-柔体分析，是更加常见的一类问题。在这类问题中，两个接触面都被认为是可变形的。
1.2 接触分析的能力 1.3 面-面接触分析单元
Ansys提供刚体-柔体接触、柔体-柔体接触的面-面分析单元。这类分析单元采用一个“目标面”与一个“接触面”来组成一个接触对。
? 目标面用TARGE 169(2-D) 与TARGE 170(3-D)两类单元
? 接触面用CONTA 171、 CONTA 172、 CONTA 173 、CONTA 174四类单元。
为了创建一个接触对，需要为目标面与接触面的单元定义相同的材料序号。 这些面-面单元适合与分析过盈配合的接触或者entry contact、锻造以及deep-drawing 问题。相对于节点-节点接触对采用的单元CONTA 175，面-面接触有如下的优点： ? 支持更高阶或者更低阶的接触与目标表面
? 对于典型的工程问题如普通的压力与摩擦轮廓变形问题，能够提供更好的结果 ? 对于接触表面的形状没有要求。接触表面可以是物理上或者网格划分上不连续
的。
? 允许流体压力模型渗透
在一个刚性表面使用这些单元时，你可以直接建立模型并在二维或者三维模型上选取表面，通常采用简单的几何形状例如圆、抛物线、样条曲线、圆锥以及圆柱等。其他的特殊表面可有通过特殊方法构造。
面对面接触单元仅仅支持普通的静态与暂态、膨胀、谐波、模态或谱分析，以及子
结构分析。
1.2.2 节点-面的接触单元 1.2.3 3-D线-线接触 1.2.4 线-面接触
1.2.5 节点-节点接触单元
2. GUI Aids for Contact Analyses
Ansys提供了一些GUI Aids以帮助我们创建与管理接触对。接触管理器使得我们能够定义、观察以及编辑接触对。它给我们提供了一个便利的方法去管理整个模型中的接触对。通过接触管理器（contact manager）能够到达的contact wizard能够指导我们完成接触对的创建。
2.1 contact manager
在ansys的工具栏内，你可以单击
按钮到达contact manager，也可以通过gui模式下的
Preprocessor>Modeling>Create>Contact Pair 实现。Contact manager在Begin阶段与以下阶段都是可用的：preprocessor(PREP7)、solution(SOLU)以及general postprocessor(POST1) Contact Manager提供了一个直观的界面来构造与管理接触对，manager支持面-面接触对分析，节点-面接触对分析以及内部的多点约束接触。
如上图所示，从左到右的工具条分别为：
Contact wizard：access to Contact Wizard. 允许用于手动定义目标面与接触面，支持2—-D与3-D几何模型，支持刚体-刚体与柔体-柔体接触。这个wizard同样还支持基于面约束的接触对。
Contact properties：允许用户通过real constants设定接触对的属性，通过KEYOPTS设定需要使用的接触单元。
Delete contact pairs:删除在接触对列表中的接触对。
Contact selection Options:设定接触单元、目标单元以及两者的显示。
Plot elements/results:显示选中接触对的单元，或者在结果可以获取的情况下显示接触的结果。如果Model Context指定为“result-”，则显示结果，否则，显示单元。显示内容可以限定为仅显示接触或者目标面，抑或是在Contact Selection Options中指定的。 Show normals:指定是否在显示接触对时显示单元上的常量/法线。 Flip normals:翻转选定的接触区域的法线。
Switch contact and target:翻转接触对中的接触面与目标面，仅仅适用于柔性-柔性面的接触问题的面-面接触。
List elements/results:列出选中接触对中的单元，或者列出接触结果（在结果可以获取的情况下），指出选中接触对区域的接触结果。
Model context:用半透明的方式在环境中显示这个模型的接触对。或者仅仅显示接触对。 Check contact status：显示选中接触对的接触状态，有以下几个选项可选：
? 在每个接触对中显示详细的接触状态。 ? 运行初始接触状态的部分求解
? 为了达到关闭一个缺口或者减少渗透，物理上移动接触的节点到目标面上。 ? 重设单元与接触单元的关键选项以及常实数。 Contact results：通过Plot Elements/Results 与 List Elements/Results图标显示接触结果。 2.2 The Contact Wizard The Contact Wizard将会领着用户走完创建接触对的过程，这个向导支持刚体-柔体与柔体-柔体接触，支持面-面接触以及节点-面接触结构。接触向导支持基于面约束的接触对。
单击Contact Manager里的Contact Wizard图标就可以使用Contact Wizard，向导会带领用户一步一步进行接触分析的设定。如下所示是一个利用Contact Manager进行接触定义的一个实例。
如果你还没有对模型进行网格划分，那么Contact Wizard将是不可用的（dimmed） ，如果想创建刚性-柔性接触对，那么，只需要对模型中将被用作柔性接触表面的部分进行网格划分即可。如果想要创建柔性-柔性接触对，则需要在启动向导之前对所有会用到的接触面进行网格划分。
你可以通过线、面、体、以及选择一系列的节点来确定目标与接触表面。注意：接触向导允许选择布置一个区域作为目标与接触表面。如果你定义了一个刚性的目标面，你将可以定义一个pilot节点for the 接触对。
在确定目标面与接触面之后，你可以在创建接触对之前进行接触对性质的设定。在完成所有要求设定的数据之后，单击Create按钮即可完成对接触对接触与目标单元的创建。 2.3 Managing Contact Pairs
要注意在一开始就选取正确的接触单元对于适当的接触分析非常重要，因此接触管理器（contact manager）提供了以下工具来帮助你：