【ANSYS Workbench仿真】非线性静力学分析(四)：接触非线性

接触非线性

接触状态分为远离（Far）、接近（Near）、黏接（Sticking）和滑动（Sliding），如下图所示。

接触探测（contact detection）

接触探测允许指定选择的位置用于接触探测，以获得良好的收敛效果。

纯罚函数和增广拉格朗日法默认基于高斯积分点的探测（On Gauss Points），一般较节点的探测更准确；
拉格朗日和MPC法默认基于节点的探测（On Nodes-Normal from Contact和On Nodes-Normal to Target），较高斯积分点的探测点要少。

• 接触探测原理基于高斯积分点的探测默认指向接触面的法向；
• 基于接触面节点的探测用于接触面比目标面光滑的情况；
• 基于目标面节点的探测用于目标面比接触面光滑的情况；
• 后两种由于在探测前要计算接触面的法线方向，所以计算时间较基于高斯积分点的探测要长，也就优先选用基于高斯积分点的探测，但是有时必须采用基于节点的探测，例如尖角与线的接触。

节点探测基于节点投影的接触（Nodal-Projection Normal from Contact）

• 接触面和目标面节点在法向投影的重叠区域强制定义接触约束，对高阶单元结合Normal Lagrange法可以提供更精确的接触压力，且在接触边缘的接触压力和应变分布更加平滑；
• 对Frictional接触求解时可以很好地满足力矩平衡；
• 但是不能与MPC接触匹配。

修剪接触（Trim Contact）

修剪接触用于自动减少接触对数量，从而加快求解速度。

• 系统默认是On（打开）；
• 但是如果有大挠度的滑移必须设置Off（关闭），否则在原始接触边缘外出现穿透现象，或者定义Trim Tolerance（修剪公差），以保证足够的接触区域

接触界面处理（Interface Treatment）

接触界面处理将接触面偏移一定量，以保证初始无间隙的接触状态，偏移表现为一种数学偏移，节点和单元都没有修改，其核心就是在初始间隙区建立一个刚性域以填补界面上的间隙，只适用非线性接触，尺寸依据球形域尺寸判定.

Detection Method选择Nodal Normal from Contact或Nodal Normal to Target依据，根据接触物或目标物哪一个模型更加圆滑。

• 接触界面处理可分为Adjusted to Touch、Add Offset, Ramped Effects、Add Offset, No Ramped。
  • Adjusted to Touch由软件自动设置。
  • Add Offset…由用户指定偏移数值，允许向正或负偏移接触面，正表示闭合间隙，甚至过盈；负表示加大间隙。
  • Ramped Effects表示逐渐加载载荷，有利于提高收敛；
  • No Ramped表示在第一步就全部加载载荷。

稳定阻尼系数（Stabilization Damping Factor）

• 稳定阻尼系数提供了一定的抵抗力来抑制接触面之间的相对运动，并防止刚体运动。

• 这种接触阻尼系数应用于非线性接触。只要接触状态处于开放状态，稳定阻尼系数就会被施加.

• 稳定阻尼系数的值既要足够大，以防止刚体运动，又要相当小，以确保正确求解，默认值为1

PS：穿透问题处理

在网格一定的情况下，接触面与目标面发生穿透，产生两条穿透线。
由穿透量太大引起的不收敛，可采用的方法如下¹：

1. 采用纯罚函数或增广拉格朗日算法，默认基于高斯积分点的探测（Detection Method-On Gauss Point），增大法向接触刚度（Normal Stiffness）或减小穿透公差（Penetrated Tolerance，其实质依然是增大法向接触刚度）可减小穿透，但是一直增加法向接触刚度也会导致不收敛，所以具体数值需多次调试才可保证收敛，同时还需要进一步加密网格以保证精度。
2. 采用MPC或法向拉格朗日算法，基于节点接触探测（Detection Method-Nodal Normal from Contact或Nodal Normal to Target）。
3. 两者相比，第一种方法更为精确，但需要调试参数进行试算；第二种方法则简单易行。

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1. 周炬 ANSYS Workbench有限元分析实例详解静力学 ↩︎