第15章 接触分析23.doc

第15章 接触问题分析 15.1 接触问题概论 接触问题存在以下两个较大的难点。 （1）在求解问题之前，不知道接触区域， 表面之间的接触状态是未知的、突然变化的， 这些随载荷、材料、边界条件和其他因素而定。 （2）大多数接触问题需要计算摩擦，有几种摩擦和模型可供挑选，它们都是非线性的，摩擦使问题的收敛性变得困难。 15.1.1接触问题分类 接触问题分为两种基本类型：刚体-柔体的接触和柔体-柔体的接触。在刚体-柔体的接触问题中，一个或多个接触面被当作刚体（与和它接触的变形体相比，有大得多的刚度）。一般情况下，一种软材料和一种硬材料接触时，问题可以被假定为刚体-柔体的接触，许多金属成形问题归为此类接触。另一类柔体-柔体的接触是一种更普遍的类型，在这种情况下，两个接触体都是变形体（有近似的刚度）。 ANSYS支持三种接触方式：点-点接触、点-面接触、面-面接触，每种接触方式使用的接触单元适用于某类问题。 15.1.2接触单元 为了给接触问题建模，首先必须认识到模型中的哪些部分可能会相互接触，如果相互作用发生在一点上，那么模型的对应组元是一个节点。如果相互作用发生在一个面上，模型的对应组元是单元，如梁单元、壳单元或实体单元。有限元模型通过指定的接触单元来识别可能的接触匹对，接触单元是覆盖在分析模型接触面之上的一层单元，在ANSYS中使用的接触单元详述如下。 1. 点-点接触单元 点-点接触单元主要用于模拟点一点的接触行为。为了使用点一点的接触单元，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）。 如果两个面上的节点一一对应，相对滑动可以忽略不计，两个面保持小量挠度（转动）， 那么可以用点-点接触单元来求解面-面接触问题，过盈装配问题就是一个典型的例子。 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，如两根梁的相互接触。如果通过一组节点来定义接触面，生成多个接触单元，那么可以通过点-面接触单元来模拟面一面接触问题。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。 CONTACT48和CONTACT49都是点-面接触单元，CONTACT 26用来模拟柔性点-刚性面的接触。对有不连续的刚性面的问题，不推荐采用CONTACT 26，因为可能导致接触的丢失。在这种情况下，CONTACT 48通过使用伪单元算法能提供较好的建模能力。 3. 面—面接触单元 ANSYS支持刚体-柔体的面-面接触单元，刚性面被当做“目标”面，分别用TARGET169 和TARGET170来模拟2D和3D的“目标”面。柔性体的表面被当做“接触”面，用CONTACT 171、CONTACT 172、 CONTACT 173 和CONTACT 174来模拟。一个目标单元和一个接触单元叫做一个“接触对”， 程序通过一个共享的实常数号来识别“接触对”。为了建立一个“接触对”，应给目标单元和接触单元指定相同的实常数号。 与点—面接触单元相比，面—面接触单元有以下几个优点。 （1）支持低阶和高阶单元。 （2）支持有大滑动和摩擦的大变形、协调刚度阵计算，以及不对称单元刚度阵的计算。（3）为工程目的采用更好的接触结果， 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需的，允许有自然的或网格离散引起的表面不连续。 与点—面接触单元相比，面—面接触需要更多的接触单元，因而需要较小的磁盘空间和CPU时间。另外，面—面接触单元允许多种建模控制，如绑定接触、渐变初始渗透、目标面自动移动到初始接触、平移接触面（老虎梁和单元的厚度）、支持死活单元、支持耦合场分析、支持磁场接触分析等。 15.2 接触分析的基本设置 在涉及两个边界的接触问题中，很自然地把一个边界作为“目标”面，而把另一个边界作为“接触”面。对刚体-柔体接触，“目标”面总是刚性的，“接触”面总是柔性的，这两个面合起来叫做“接触对”。使用了TARGE169和CONTA 171 或CONTA172来定义2D接触对，使用了TARGE170 和CONTA 173或CONTA174来定义3D接触对，程序通过相同的实常数号来识别“接触对”。 15.2.1建立模型并划分网格 在建立模型并划分网格过程中，需要建立代表接触体几何形状的实体模型。与其他分析过程一样，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。 命令方式：AMESH,MESH GUI 方式：1）Main Menu Preprocessor Meshing Mesh Mapped 3 or 4 S