装配体结构力学分析 —— 接触分析的基本参数

引言

前文讨论了装配体结构力学分析中基于几何、自由度、运动副和接触等几种处理方式。

装配体结构力学分析(1) —— 装配体的几种处理方式

装配体结构力学分析(2) —— 几何 / 自由度 / 运动副的处理

装配体结构力学分析(3) —— 接触分析基础

本篇主要讨论接触分析的一些基本分析参数。

接触分析

以 Workbench 为例，介绍基本的参数设置。一个通用的基础设置如下，不同版本的 ANSYS 可能布局略有不同。

接触面(ContactSurface)和目标面(TargetSurface)：

如采用对称形式，即接触面和目标面等价，可随意设置，但一般还是应尽量注意；

如采用非对称形式，即接触面和目标面应遵循一定的原则；

通常总的原则是：目标面是刚性的或刚度大的，区域大的，作为“背景”的；

目标面刚度较大，接触面刚度较小；

目标面单元尺寸较粗，接触面单元尺寸较细；

目标面区域较大，接触面区域较小，即基础法线上，目标面区域完全覆盖接触面区域。

接触行为模式(Type):

接触行为模式是最重要的设置，直接决定了仿真的准确性和收敛性；

线性分析中，非线性接触会自动转化为线性接触，即保持初始状态；

接触行为模式具体可见前文。

装配体结构力学分析(3) —— 接触分析基础

接触表现形式(Behavior)

前文已有讨论，本篇不详述；

接触修剪(TrimContact)：

通过接触修剪可以通过程序判断减少接触单元，提高求解效率；

在程序控制下，对于手动添加的接触，以及在大变形时会被关闭；

通常选择程序控制，不做修改即可。

接触算法(Formulation)：

不同的接触行为模式可选择不同的算法；

当收敛困难时，可调整不同算法尝试收敛；

前文已有讨论，本篇不展开。

接触探测方法(DetectionMethod)：

主要区别是通过高斯点接触还是节点接触；

MPC 和 NormalLagrange 无法通过高斯点接触。

穿透容差和弹性滑动容差(PenetrationTolerance、ElasticSlip Tolerance):

可通过真实值(设置为负值)或系数控制(设置为正值)；

通常选择程序控制，不做修改。

约束类型(ConstraintType)：

当选择 MPC 时，可选择约束类型；

主要设置自由度如何匹配。

法向接触刚度(NormalStiffness)：

法向接触刚度对于接触问题的收敛是决定性的，也是最重要的；

自动形成接触刚度或手动输入接触刚度，如输入比例通常为 0.01-10；

较大的接触刚度可使穿透量减小，获取相对较准确的结果，但容易引起求解过程震荡或发散；

当收敛困难时，应从较小的接触刚度开始，调整不同数值进行尝试，同时应兼顾精度和效率。

法向接触刚度更新(UpdateStiffness)：

法向接触刚度更新设置允许在迭代过程中不断更新接触刚度；

接触刚度会根据迭代状态自动更新刚度，可同时提高精度和收敛性；

设置分为不更新(默认值)、等效迭代步更新和载荷子步更新；

当收敛困难时，可调整不同选项进行尝试。

稳定化数值阻尼系数(StabilizationDamping Factor)：

当接触面存在一个小空隙时，添加阻尼增强收敛性；

应设置一个合适大小的阻尼，阻止刚体运动，同时防止引入的阻尼过大影响结果；

通常设置为 1.0；

当设置为 0.0 时，系统在第一个载荷步时仍然会使用这种阻尼，当设置大于 0 时则每个载荷步都会应用此阻尼系数。

接触半径(PinballRegion)：

通过圆形(2D)球形(3D)邻域设置接触搜索范围；

当接触面存在一个小空隙时，可通过接触半径设置，确保其处于接触状态；

需要注意的是，过大空隙通过接触半径设置强行连接，可能会传递一些不存在的虚假载荷。

时间步长控制(TimeStep Controls)：

设置是否主动调整子步时长，默认为不调节；

当在分析过程中，出现过大的穿透或显著的接触状态变化，开启 AutomaticBisection 则会自动减半时间步长；

Predictfor Impact 选项与 Automatic Bisection 类似，不仅如此，该选项还会通过接触状态预测最小的时间步长，当接触状态变化剧烈或复杂时，推荐视同该设置；

时间步长控制对结果收敛影响较大，当收敛困难时，调整不同选项进行尝试。

接触面处理(InterfaceTreatment)：

当接触面存在小的空隙时，可通过该选项调整

默认为通过手动输入偏移实现(AddOffset, No Ramping)；

手动输入偏移可通过渐变实现(AddOffset, Ramped Effects)；

通过自动调整接触(Adjustto Touch)可消除接触模型中的小缝隙。

接触的相关设置大致如上所述，随着版本的更新也在不断增加和调整，APDL 中可以设置更多，如一些容差、最大值、摩擦生热等，在 Workbench 中可通过插入命令实现。

需要说明的是，以上介绍大多针对非线性接触，线性接触通常不存在收敛问题。另外，非线性接触相对难度较大，收敛困难，复杂程度较一般分析高很多，在不确定应该如何设置时，采用程序控制的方式是第一值得推荐的方法，在不能收敛或结果不理想时，可逐步尝试一些选项，以实现满意的分析。

收敛判断

一般非线性分析中，可以设置一些参数调整收敛性，如自动步长、Newton-Raphson 方法选项、收敛准则、线性搜索、弧长法等，具体的分析介绍不在此列出。

在接触分析中特殊的是，需要足够小的接触穿透，过大的接触穿透不符合实际，即使计算结果收敛了，我们仍然认为该结果是不可靠的，但是穿透要小到什么程度，没有一个具体的数值，通常可与接触面的变形比较，通常需要小好几个数量级，此时接触模型的参数不会过多影响真实结果。

最后

本篇主要讨论了接触分析的基本参数设置，下文将讨论整个接触分析的流程以及前后处理。