面向初学者的 Ansys Mechanical 中的接触建模

接触概述

Ansys Mechanical 中的接触建模是仿真结构不同部分在各种条件下如何相互作用的关键方面。它涉及定义表面的接触方式，即它们是接触、滑动还是分离。Ansys Mechanical 提供了广泛的接触选项来准确建模这些交互，包括粘合、摩擦和无分离接触。每个选项都提供了对交互表面行为的独特控制，使工程师能够定制仿真以反映真实场景。接触类型的选择以及刚度、阻尼和接触检测方法等微调参数在确保准确可靠的仿真结果方面起着关键作用。正确实施这些选项需要深入了解材料的物理行为和仿真的特定要求，这使得接触建模成为设计和分析过程中复杂而强大的工具。

机械领域有几种不同类型的触头类型：

接合：在接合接触中，弹球区域内的面或边不会发生穿透、分离或滑动。这意味着连接的表面就像永久熔合一样，确保它们在整个分析过程中保持固定的关系，而不管施加的载荷或变形如何。弹球区域有助于定义强制执行此刚性粘合行为的区域。
无分离：在无分离接触中，与接合接触类似，接触面之间没有穿透或分离。然而，与粘合接触不同的是，允许在与表面相切的方向上进行无摩擦滑动。这意味着各面保持恒定接触，但可以无阻力地相互自由滑动，非常适合零件连续接触但未刚性固定的情况。
无摩擦：在无摩擦接触中，不允许穿透，但接触表面可以自由地相互滑动并在没有任何阻力的情况下分开。这种类型的接触非常适合表面在没有任何摩擦力的情况下相互作用的情况，允许不受限制的相对运动，同时确保它们不会相互穿过。它可用于模拟预计不会保持恒定接触的零件之间的平滑交互。
粗糙：在粗糙接触中，会阻止穿透，并且表面不会允许滑动，而是表现出粘附行为。这意味着一旦表面接触，它们就会锁定在一起，并且不能在任何方向上彼此相对移动或滑动。但是，它们仍然可以在需要时分开。这种粘附行为与滑动形成鲜明对比，在滑动中，表面可以不受限制地相互自由移动。粗接触在零件在接触时必须保持固定到位但在必要时允许分离的情况下非常有用。
摩擦：在摩擦接触中，允许滑动，阻力与用户定义的摩擦系数成正比，而表面可以自由分离，没有任何阻力。此选项通常提供最一般且具有物理代表性的行为。

接触区域一侧的表面称为接触侧（红色），另一侧的表面称为目标侧（蓝色）。这些 Contact 和 Target 表面都有自己的关联 Contact 和 Target 元素。

接触和目标元素使我们能够通过接触检测点的概念来加强接触。接触检测点不能穿过目标面。这些接触检测点可以是积分点，也可以是节点（可以由用户控制）。因此，更高的网格密度将产生更多的接触检测点。此外，为了进一步提高接触相互作用的准确性，引入了弹球半径的概念。

弹球半径用于定义每个接触检测点周围的球形区域，在该区域计算接触力和相互作用。该半径有助于平滑和近似接触力分布，从而确保更准确和稳定的接触相互作用。弹球半径是根据几何体的大小自动计算的。但是，也可以在每个接触定义的细节中手动调整它。通过调整弹球半径，您可以提高接触建模的精度，尤其是在复杂的几何体或详细的力分布很重要的情况下。

选择哪个表面为接触/目标表面的一些最佳做法是：

如果一个物体的几何形状比较复杂，而另一个物体相对平坦或简单，则应将复杂表面指定为接触面，而将更简单、更平坦的表面设置为目标。此设置有助于求解器更好地检测和管理交互点，因为复杂表面可能会在多个点接触，而更简单的表面则为接触检测提供了稳定的参考。
模拟具有不同材料的两个物体之间的接触时，应将较软的材料指定为“接触”侧，而将较硬的材料指定为目标侧。这种方法可确保更准确地表示接触，因为较软的材料会变形更多，从而可以更好地与较硬、不易变形的表面相互作用。
将目标侧设置为预计变形较少的表面，因为接触侧通常应分配给更灵活或可变形的主体以增强接触分辨率。

实际上，当两个物体发生物理接触时，它们不会相互穿透或相交。为了准确模拟这种物理相互作用，程序必须在表面之间建立清晰的关系，以防止它们在整个分析过程中相互穿透。这个过程称为强制接触兼容性，可确保物体之间的相互作用反映真实世界的行为。为了实现这一点，Mechanical 提供了各种接触公式来管理表面如何相互作用并在接触界面处保持兼容性，从而可以准确可靠地模拟复杂的接触场景。

Ansys Mechanical 中的接触算法

基于惩罚的方法

在非线性实体接触分析中，广泛使用基于惩罚的方法，例如纯惩罚和增广拉格朗日公式。这些方法将接触力 F Normal计算为接触刚度 k Normal和穿透 X Penetration的乘积。本质上，接触刚度越高，穿透越少，表明接触相互作用更刚硬且更具抵抗力。

虽然从理论上讲，无限的接触刚度 k Normal会消除所有穿透，但实现这一点在数值上是不切实际的。相反，基于惩罚的方法允许少量穿透，假设它可以忽略不计。这意味着虽然可能存在一些轻微的穿透，但会将其最小化到不会显著影响模拟准确性的程度。通过将刚度调整到足够高的值，这些方法可以确保以足够的精度计算接触力，尽管允许最小穿透，但仍能紧密近似于真实世界的相互作用。

法向刚度由因子 FKN 表示，用于调整前面解释的代码计算刚度。对于粘合和无分离行为，FKN 默认设置为 10.0，而对于所有其他行为，则为 1.0。在出现收敛问题的弯曲主导情况下，较小的值（例如 FKN = 0.01 或 0.1）可能会有所帮助。此因子仅适用于基于惩罚的公式，如纯惩罚或增强拉格朗日。

法向刚度会根据底层元素的当前平均应力和允许渗透在每次迭代中自动更新。如果在分析早期发生二分，则每次二分时法向接触刚度都会减少程序确定的因子。此外，根据当前接触压力、摩擦系数 (μ) 和允许滑移 (SLTO)，在每次迭代中调整切向接触刚度。

增强拉格朗日和纯惩罚接触算法的公式如下所示

纯惩罚：

F法线=k法线∗X渗透

增广拉格朗日

F法线=k法线*X穿透力+λ

请注意，由于额外的 λ 项，增强拉格朗日法对接触刚度的大小不太敏感。这种增加的稳健性使增强拉格朗日法成为 Ansys Mechanical 中的默认接触算法，因为它在各种接触场景中提供可靠的收敛性和准确性。

拉格朗日接触公式

另一个可用选项是标准拉格朗日公式，它与基于惩罚的方法不同，它以接触压力的形式引入了额外的自由度 (DOF)，以强制实现接触兼容性。该方法不是将接触力计算为接触刚度和穿透的函数，而是明确地将接触力（接触压力）作为额外的自由度求解。该公式确保零或几乎零穿透，而无需标准接触刚度，从而不会产生弹性滑动。但是，它需要使用直接求解器，这会增加计算需求。标准拉格朗日方法的一个常见问题是“颤动”，即由于不允许穿透，接触状态在打开和关闭状态之间振荡。这种阶跃函数行为会使收敛更具挑战性。允许轻微穿透可以通过平滑接触状态之间的过渡来缓解此问题，从而提高收敛性。

回顾一下，纯惩罚和增强拉格朗日都是 Ansys Mechanical 中用于接触建模的基于惩罚的公式。纯惩罚根据接触刚度和穿透力计算接触力，而增强拉格朗日通过添加拉格朗日乘数来增强此方法，以提高收敛性。但是，这两种方法都允许小穿透，只要不影响结果的准确性，这是可以接受的。另一方面，普通拉格朗日公式不是基于惩罚的；相反，它以接触压力的形式引入了额外的自由度，以强制零或几乎零穿透，从而无需接触刚度。虽然这种方法可以产生更准确的穿透结果，但它需要直接求解器，并且由于可能出现“抖动”，可能会面临收敛挑战。下表概述了 Ansys Mechanical 中每种方法的优缺点。

MPC 公式

处理粘合和无分离接触类型的另一种方法是多点约束 (MPC) 方法，它不同于基于惩罚或拉格朗日乘数的方法。MPC 通过使用内部约束方程将接触表面的位移“绑定”在一起，提供了一种直接有效的方法来模拟接触相互作用。这种方法避免了对惩罚或拉格朗日乘数方法的需求，有效地管理了大变形并在小变形情况下提供了线性接触行为。它在面临收敛问题时特别有利，可作为调整接触刚度的替代方案。此外，MPC 不会在曲面之间存在间隙的情况下引入人工刚度，尽管接头可以被视为替代方案。它非常适合壳与固体、壳与壳和梁与壳界面之间的接触。但是，必须小心谨慎，因为 MPC 对过度约束非常敏感，当其他接触区域或边界条件共享相同的拓扑时应避免使用。

接触工具

在有限元分析中，部件之间的接触是基于模型的网格来实施的，这通常会在预处理过程中引入复杂性。虽然 CAD 几何形状定义完美，但由于元素对连续表面的近似，网格离散化过程可能会导致接触表面之间出现小间隙或初始穿透。解决这些由网格引起的不准确性至关重要，因为它们会影响接触相互作用的建模方式，并会影响模拟的准确性和稳定性。Ansys Mechanical 中的接触工具提供了必要的预处理功能来应对这些挑战，确保在运行模拟之前接触区域正确对齐并且接触条件定义明确。

接触工具的预处理功能允许用户在求解模型之前评估和调整接触设置。它提供了所有接触对的概述，指示它们是否打开，并帮助识别与网格相关的问题，例如间隙或初始穿透。基于此信息，用户可以调整关键接触属性，如刚度、摩擦系数和允许的穿透公差，以确保准确的接触实施并提高解决方案的收敛性。此外，该工具还提供接触稳定选项，以处理小间隙并减少模型中的不稳定性。这些预处理功能对于微调接触行为至关重要，尤其是在复杂的装配中，否则网格错位可能会导致收敛困难或结果不准确。

此外，接触工具对于后处理也非常有用。在后处理阶段，接触工具提供强大的可视化和分析功能，帮助用户解释接触行为。通过提供一系列详细的指标，它使用户能够更深入地了解接触对在负载下如何相互作用以及它们的条件在整个模拟过程中如何演变。

主要指标之一是间隙，用于测量接触对中最近节点之间的距离。这对于了解接触区域是否正确接合或是否存在意外分离至关重要。

穿透度是另一个重要指标，它量化了接触对中节点之间的重叠，让用户了解表面可能无意中相互侵入的区域，这通常是由于网格不准确或物理变形造成的。与局部位移相比，将接触穿透保持在最低水平至关重要，因为穿透在物理上是不现实的。如果穿透太高，潜在的解决方案包括增加接触刚度、降低穿透公差或将接触公式切换为正态拉格朗日。这些调整有助于通过减少不切实际的穿透来提高模拟的准确性和可靠性。

压力是一个指标，表示法向载荷与实际接触面积之比，可以清楚地表明载荷在接触表面上的分布情况。这对于确保接触力在可接受的范围内以及模型按预期运行至关重要。

摩擦应力对接触对内的面内应力分量进行求和，可以详细了解作用于界面的剪切力，这在涉及摩擦接触的模型中尤为重要。

其中一个更复杂的指标是滑动距离，它跟踪接触面之间的累积滑动位移。该值同时考虑了弹性滑移和摩擦滑移。弹性滑移发生在两个压在一起的表面在完全滑动开始之前经历轻微的可逆运动，因为表面最初会因摩擦而抵抗滑动。这种行为受接触对的切向刚度的影响 - 材料越硬，滑动发生前的弹性滑移越小。弹性滑移对于了解在发生滑动之前系统中暂时存储了多少能量非常重要，可以使用接触结果跟踪器对其进行监控以进行精确分析。

流体压力指标测量接触表面之间的渗透压力，这在涉及流体或润滑剂的表面对表面接触模型中特别有用。

最后，可以监控接触对的状态，以了解表面之间的整体相互作用。当节点之间的距离大于弹球半径时，该工具将接触状态分类为“远”，表示没有接触；当节点在弹球半径内时，该工具将接触状态分类为“近”，表示潜在的接触接合；当切向力的总和超过摩擦力时，该工具将接触状态分类为“滑动”，表示表面之间存在相对运动；当切向力小于摩擦力时，该工具将接触状态分类为“粘着”，表示没有相对运动并且表面相互粘附。

这些指标可以全面了解模拟中的接触行为，有助于改进模型以确保实际应用中的准确性和可靠性。