接触选项设置 | ANSYS非线性接触建模和诊断技巧

在多体装配时会大量用到接触，接触是常见的非线性源头，经常面临收敛困难问题。不恰当的接触定义会导致接触不稳定，求解收敛困难，会大大增加求解时间甚至收敛失败。本文将从接触的定义和核检、求解定义设置、不收敛诊断常用方法这些方面介绍ANSYS非线性接触。

接触选项设置建议

1、接触类型的选择

针对大部分接触问题，可以采用接触选项中“Program Control”得到较好的结果。程序自动创建的接触为“Bonded”类型线性接触，根据需要改变相应的接触类型。ANSYS接触支持的接触类型包括线性接触“Bonded”、“No Separation”；非线性接触“Frictionless”、“Frictional”、“Rough”。不同的接触类型推荐采用不同的接触算法：

• 线性接触建议首选“MPC”法；
• 非线性接触优先选用“Augmented Lagrange”算法；
• 如果接触只发生在边或角点接触推荐采用“Pure Penalty”算法；
• 如果接触部位求解精度要求极高，例如薄壳的接触建议采用“Normal Lagrange”算法，这种算法保证零穿透。

2、接触刚度系数的影响

接触刚度系数对非线性接触收敛性影响较大，默认值为1，一般在0.01~10之间变化。系数值越大，精度越高，但也增大了计算量。建议在满足收敛的条件下尽量用大的接触刚度系数。当输出信息提示由于大的穿透导致收敛困难，就应该增大刚度系数。特别对带有螺栓预应力的结构，刚度系数系数取大于1的值，因为会影响预紧力。刚度更新选项通常设置为“Each Iteration”有助于快速收敛。

3、接触探测方法的选择

对于“Pure Penalty”和“Augmented Lagrange”算法默认采用高斯积分点探测，这种探测方法优点在于有更多的点去探测穿透。但对于尖角或线接触会出现错误，在这种情况下推荐采用节点探测。节点探测是采用“Normal Lagrange”和 “MPC”算法的默认选项。还有一种新的强大的探测方法—投影面法，该方法针对面面接触，收敛性好，并且接触面间的接触压力分布更均匀，选用该探测方法时建议接触面和目标面网格大小近似。特别在模型中含有垫片层时，采用投影面法后应力和应变分布在接触边缘分布均匀。但在模型有初始几何穿透下，投影面探测不要在绑定接触“MPC”算法下选用。针对三维高阶单元高精度求解要求，推荐采用“Normal Lagrange”算法下选用投影面探测法，这样会得到高精度理想结果。

4、 “小滑移”与“大滑移”假设选择

通常认为接触对间相对滑动的距离小于接触长度的20%时为小滑移。在无法确认是否会发生大滑移情况下，建议关掉“小滑移”假设，这样程序会采用有限滑移选项，确保结果的精确，当然需要花更多的计算时间。

5、 “Pinball Radius”（影响球半径）

程序默认状态下会根据几何特征自定义其值。基于接触面与目标面间的距离与影响球半径的比较，程序会判断接触状态：“Far filed”、“Near field”、“Sliding”、“Sticking”。对于过盈问题一定要确保影响球半径大于穿透量；对于线性接触类型“Bonded”、“No Separation”，只要两接触面间距在影响球半径以内就认为其发生接触产生相应的关系。当然影响球半径也不能定义过大，假设两面的间隙为X，则PINB=X+X/10这样一个合理取值。如果取值过大，会增加接触探测时间，并可能会产生一些虚假接触。

6、接触界面调整选项

接触界面调整选项：“Adjust to Touch”、“Add Offset”。对于由于离散误差导致接触对间存在间隙或穿透，会导致收敛困难。可以很好的通过“Adjust to Touch”选项进行调整，将接触面上的节点虚拟移动到与目标面接触。另外也可以在Mechanical中通过插入命令：CNCHECK,MORPH来物理移动接触面上的节点到目标面来去除间隙和穿透。在过盈装配模拟中我们可以通过“Add Offset”来设定过盈量，一般推荐斜坡加载移动量。

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