接触非线性难题攻克：ANSYS接触不收敛问题的实用解决方法

根据ANSYS的使用者反馈，针对非线性接触问题上的求解，经常会有客户出现不收敛的情况，在调试收敛性上花费大量的时间。本文主要针对ANSYS 接触不收敛问题进行方法上的技巧总结，希望通过本文使大家在ANSYS软件的使用上有更好的体验。

ANSYS接触不收敛的原因有非常多的原因，针对每一种不收敛问题，选择正确的方法都能使不收敛问题解决变得容易起来。在使用软件中，ANSYS接触不收敛原因主要有下面这些原因：

1、接触算法的不正确选择；

2、遗漏了相关的接触对；

3、物体之间接触刚度过大；

4、求解的载荷步较少；

5、奇异；

6、结构发生了刚体位移；

7、结构发生振荡现象；

下面针对这些原因的解决办法进行详细的讲解：

1接触算法的选取原则

ANSYS内部大体上包括5种算法，Pure Penalty，Augmented Lagrange，MPC，Pure Lagrange，Beam。

算法	应用范围
Pure Penalty	Workbench默认算法，计算速度快
Augmented Lagrange	ANSYS 经典界面默认算法，计算精度较高，收敛性好
Multipoint Constraint （MPC）	经常和Bonded联合使用，用于大模型的装配定义，可大大降低计算时间，还或用于不同类型单元之间的连接
Lagrange	常用于模拟接触面之间零穿透并且存在摩擦的情况，例如模拟橡胶——金属之间的接触
Beam	主要计算梁与梁之间的接触（使用较少）

在大多数情况下，针对非线性接触问题时候，Augmented Lagrange是最好的收敛算法；当需要研究结构的振荡问题时，由于考虑零渗透问题，选择使用Lagrange方法能更好的提高精度，同时由于零渗透的原因使得计算时间变得更长。

针对非线性接触问题，方法的正确选择，可以使得收敛困难的问题变得容易收敛。

2遗漏接触对

图1、挤压变形示意图

如图1所示，挤压一个塑性材料结构，结构在外力的作用中，中端出现了褶皱，形成了自接触现象。很多时候工程师由于对工程问题的不够了解，使得相关的接触对发生了遗漏。这一部分遗漏的接触对，使得结构发生变形后单元发生了畸变，不仅影响仿真计算结果精度，在很大程度上使得单元发生扭曲造成结构的不收敛现象。

图2、解除对的正确建立

除了保证接触对的正确生成，在另外一个层面上，还需要建立正确的接触对形式，如图2所示，第一种法法将每一个面与对应的面生成接触对，第二种方法将接触对进行整合，作为一个接触对。两种方法虽然在形式上都是正确的，然而使用第一种方法时，结构在两个接触对交接处会数值由于偏差，往往使得接触的收敛变的困难；而第二种方法将接触的面作为一个单一接触能避免这种问题的出现，使得接触的收敛性更好。

3接触刚度大

ANSYS求解接触问题的时候，接触刚度对收敛性影响显著。大多数情况下缺省设置有效，但对于以弯曲为主的接触问题，这种缺省设置往往是不能解决问题的。当接触不好收敛的情况下，通过查看收敛曲线，会发现收敛曲线会平行于收敛准则。如下图所示，分别使用FKN=0.1和FKN=0.01两种情况下的接触对收敛曲线，发现选择较小的罚刚度值（FKN），可以是接触收敛更容易。

当调整接触刚度后，虽然可以调节结构的收敛性，然而接触由于刚度的变化使得渗透量变大，因此需要查看结果中结构之间的渗透量，对结果精度进行判断。

4载荷步少

在求解非线性问题的时候，初始时间步必须不断的调试，使得结构的收敛曲线会在收敛半径以内。

如果对于大变形问题，通常需要更多的子步，用以捕捉模型受力过程，复杂的载荷则需要使用重启动来多次条件时间步长。

5奇异

结构发生奇异，收敛困难的原因，很多情况都是在物理意义上，有限元模型不准确造成的。例如：如果使用点载荷去做塑性分析，将没有办法获得收敛结果。因为节点上产生了奇异，局部的奇异会使得整个结构不收敛。这个对于接触分析也是一样的。如果使用简化的结果或者使用太粗的网格，造成的接触区域是点接触，那么很有可能使问题不收敛。