第五章接觸分析
接觸問題是一種高度非線性行為，需要較多的計算機資源。為了進行切實有效的計算，理解問題的物理特性和建立合理的模型是很重要的。
接觸問題存在兩個較大的難點：其一，在使用者求解問題之前，使用者通常不知道接觸區域。隨載荷、材料、邊界條件和其它因素的不同，表面之間可以接觸或者分開，這往往在很大程度上是難以預料的，並且還可能是突然變化的。
其二，大多數的接觸問題需要考慮摩擦作用，有幾種摩擦定律和模型可供挑選，它們都是非線性的。摩擦效應可能是無序的，所以摩擦使問題的收斂性成為乙個難點。
注意 --如果在模型中，不考慮摩擦，且物體之間的總是保持接觸，則可以應用約束方程或自由度藕合來代替接觸。約束方程僅在小應變分析( nlgeom ，off)中可用。見《ansys modeling and meshing guide》中的§12，coupling and constraint equations。
除了上面兩個難點外，許多接觸問題還必須涉及到多物理場影響，如接觸區域的熱傳導、電流等。
除了本章討論的隱式接觸分析外，ansys還在ansys/ls-dyna中提供了顯式接觸分析功能。顯式接觸分析對於短時間接觸-碰撞問題比較理想。關於ansys/ls-dyna的更多的資訊參見《ansys/ls-dyna user"s guide》。
接觸問題分為兩種基本型別：剛體─柔體的接觸，柔體─柔體的接觸。在剛體─柔體的接觸問題中，接觸面的乙個或多個被當作剛體，(與它接觸的變形體相比，有大得多的剛度)。
一般情況下，一種軟材料和一種硬材料接觸時，可以假定為剛體─柔體的接觸，許多金屬成形問題歸為此類接觸。柔體─柔體的接觸是一種更普遍的型別，在這種情況下，兩個接觸體都是變形體(有相似的剛度)。柔體─柔體接觸的乙個例子是栓接法蘭。
ansys支援三種接觸方式：點─點，點─面，面─面接觸。每種接觸方式使用不同的接觸單元集，並適用於某一特定型別的問題。
為了給接觸問題建模，首先必須認識到模型中的哪些部分可能會相互接觸。如果相互作用的其中之一是一點，模型的對應組元是乙個節點。如果相互作用的其中之一是乙個面，模型的對應組元是單元，如梁單元、殼單元或實體單元。
有限元模型通過指定的接觸單元來識別可能的接觸對，接觸單元是覆蓋在分析模型接觸面之上的一層單元，至於ansys使用的接觸單元和使用它們的過程，後面會分類詳述，然後論述ansys接觸單元和他們的功能。參見《ansys elements reference》和《ansys theory reference》。
表5-1 ansys接觸分析功能
ansys支援剛體─柔體和柔體─柔體的面─面的接觸單元。這些單元應用「目標」面和「接觸」面來形成接觸對。
分別用targe169或targe170來模擬2d和3d目標面。
用conta171、conta172、conta173、conta174來模擬接觸面。
為了建立乙個「接觸對」，給目標單元和接觸單元指定相同的實常數號。參見§5.4。
這些面-面接觸單元非常適合於過盈裝配安裝接觸或嵌入接觸，鍛造，深拉問題。與點─面接觸單元相比，面─面接觸單元有許多優點:
支援面上的低階和高階單元(即角節點或有中節點的單元)；
支援有大滑動和摩擦的大變形。計算一致剛度陣，可用不對稱剛度陣選項；
提供為工程目的需要的更好的接觸結果，如法向壓力和摩擦應力；
沒有剛體表面形狀的限制，剛體表面的光滑性不是必須的，允許有自然的或網格離散引起的表面不連續；
與點─面接觸單元比，需要較少的接觸單元，因而只需較小的磁碟空間和cpu時間，並具有高效的視覺化；
允許多種建模控制，例如：
繫結接觸，不分離接觸，粗糙接觸；
漸變初始穿透；
目標面自動移動到初始接觸；
平移接觸面(考慮梁和單元的厚度)，使用者定義的接觸偏移；
死活能力；
支援熱-力耦合分析。
使用這些單元來做為剛性目標面，能模擬2d和3d中的直線(面)和曲線(面)，通常用簡單的幾何形狀例如圓、拋物線、球、圓錐、圓柱來模擬曲面。更複雜的剛體形狀或普通可變形體，可以應用特殊的前處理技巧來建模，參見§5.4。
面-面接觸單元不能很好地應用於點-點或點-面接觸問題，如管道或鉚頭裝配。在這種情況下，應當應用點-點或點-面接觸單元。使用者也可以在大多數接觸區域應用面-面接觸單元，而在少數接觸角點應用點-點接觸單元。
面－面接觸單元只支援一般的靜態或瞬態分析，屈曲、模態、譜分析或子結構分析。不支援諧響應分析、縮減或模態疊加瞬態分析，或縮減或模態疊加諧響應分析。
本章後面將分別討論ansys不同接觸分析型別的能力。
點─面接觸單元主要用於給點─面接觸行為建模，例如兩根梁的相互接觸(樑端或尖角節點)，鉚頭裝配部件的角點。
如果通過一組節點來定義接觸面，生成多個單元，那麼可以通過點─面接觸單元來模擬面─面的接觸問題。面既可以是剛性體也可以是柔性體。這類接觸問題的乙個典型例子是插頭插到插座裡。
使用這類接觸單元，不需要預先知道確切的接觸位置，接觸面之間也不需要保持一致的網格。並且允許有大的變形和大的相對滑動，雖然這一功能也可以模擬小的滑動。
contact48 和 contact49單元是點─面的接觸單元。這2種單元支援大滑動、大變形、以及接觸部件間不同的網格。使用者也可以用這2種單元來進行熱-機械耦合分析，其中熱在接觸實體之間的傳導非常重要。
應用 contact26 單元用來模擬柔性點─剛性面的接觸。對有不光滑剛性面的問題，不推薦採用 contact26 單元，因為在這種環境下，可能導致接觸的丟失。在這種情況下，contact48 通過使用偽單元演算法，能提供較好的建模能力(參見《ansys theory reference》)，但如果目標面嚴重不連續，依然可能失敗。
點─點接觸單元主要用於模擬點─點的接觸行為。為了使用點─點接觸單元，使用者需要預先知道接觸位置，這類接觸問題只能適用於接觸面之間有較小相對滑動的情況(即使在幾何非線性情況下)。其中乙個例子是傳統的管道裝配模型，其中接觸點總是在管端和約束之間。
點─點接觸單元也可以用於模擬面─面的接觸問題，如果兩個面上的節點一一對應，相對滑動又可以忽略不計，兩個面位移(轉動)保持小量，那麼可以用點─點的接觸單元來求解面─面的接觸問題，過盈裝配問題是乙個用點─點的接觸單元來模擬面─面接觸問題的典型例子。
另乙個點─點接觸單元的應用是表面應力的精確分析，如透平機葉片的分析。
ansys的 conta178 單元是大多數點-點接觸問題的最好選擇。它比其他單元提供了範圍更廣的選項和求解型別。contac12 和 contac52 單元保留的理由，在很大程度上是為了與已有模型的向下相容。
使用者可以應用面-面接觸單元來模擬剛體-柔體或柔體之間的接觸。從選單(preprocessor>create>contact pair>contact wizard)進入接觸嚮導，為大多數接觸問題建立接觸對提供了簡單的方法。接觸嚮導將指導使用者建立接觸對的整個過程。
每個對話方塊中的help按鈕對其應用及選項作了詳細說明。
在使用者未對模型的任何區域分網之前，接觸嚮導不能應用。如果使用者希望建立剛體-柔體模型，則在進入接觸嚮導前，僅對用作柔體接觸面的部分分網(不對剛體目標麵分網)。如使用者希望建立柔體-柔體接觸模型，則應在進入接觸嚮導前，對所有用作接觸面的部件進行分網(包括目標面)。
下面諸節將論述不用接觸嚮導來建立接觸面和目標面的方法。
在涉及到兩個邊界的接觸問題中，很自然把乙個邊界作為「目標」面，而把另乙個作為「接觸」面。對剛體─柔體的接觸，目標面總是剛性面，接觸面總是柔性面。對柔體─柔體的接觸，目標面和接觸面都與變形體關聯。
這兩個面合起來叫作「接觸對」。使用targe169與conta171(或conta172)單元來定義2-d接觸對。使用targe170與conta173(或conta174)單元來定義3-d接觸對。
程式通過相同的實常數號來識別每乙個接觸對。
典型面─面接觸分析的基本步驟如下，後面將對每一步驟進行詳細解釋。
1、建立幾何模型並劃分網格；
2、識別接觸對；
3、指定接觸面和目標面；
4、定義目標面；
5、定義接觸面；
6、設定單元關鍵選項和實常數；
7、定義／控制剛性目標面的運動(僅適用於剛體-柔體接觸)；
8、施加必須的邊界條件；
9、定義求解選項和載荷步；
10、求解接觸問題；
11、檢視結果。
在這一步，使用者需要建立代表接觸體的幾何實體模型。與其它分析一樣，需要設定單元型別、實常數、材料特性。用恰當的單元型別給接觸體劃分網格。
參見《ansys modeling and meshing guide》。
命令： amesh
vmesh
gui：main menu>preprocessor>mesh
使用者必須判斷模型在變形期間哪些地方可能發生接觸。一旦已經判斷出潛在的接觸面，就應該通過目標單元和接觸單元來定義它們，目標和接觸單元將跟蹤變形階段的運動。構成乙個接觸對的目標單元和接觸單元通過共享的實常數號聯絡起來。
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