接触问题分析

接触问题（参考ANSYS的中文帮助文件）

当两个分离的表面互相碰触并共切时，就称它们牌接触状态。在一般的物理意义中，牌接触状态的表面有下列特点：

1、不互相渗透；

2、能够互相传递法向压力和切向摩擦力；

3、通常不传递法向拉力。

接触分类：刚性体－柔性体、柔性体－柔性体

实际接触体相互不穿透，因此，程序必须在这两个面间建立一种关系，防止它们在有限元分析中相互穿过。

――罚函数法。接触刚度

――lagrange乘子法，增加一个附加自由度（接触压力），来满足不穿透条件

――将罚函数法和lagrange乘子法结合起来，称之为增广lagrange法。

三种接触单元：节点对节点、节点对面、面对面。

接触单元的实常数和单元选项设置：

FKN：法向接触刚度。这个值应该足够大，使接触穿透量小；同时也应该足够小，使问题没有病态矩阵。FKN值通常在0.1~10之间，对于体积变形问题，用值1.0（默认），对弯曲问题，用值0.1。

FTOLN：最大穿透容差。穿透超过此值将尝试新的迭代。这是一个与接触单元下面的实体单元深度（h）相乘的比例系数，缺省为0.1。此值太小，会引起收敛困难。

ICONT：初始接触调整带。它能用于围绕目标面给出一个“调整带”，调整带内任何接触点都被移到目标面上；如果不给出ICONT值，ANSYS 根据模型的大小提供一个较小的默认值（＜0.03＝

PINB：指定近区域接触范围（球形区）。当目标单元进入pinball区时，认为它处于近区域接触，pinball区是围绕接触单元接触检测点的圆（二维）或球（三维）。可以用实常数PINB调整球形区（此方法用于初始穿透大的问题是必要的）

CAE(计算机辅助工程)是一门复杂的工程科学，涉及仿真技术、软件、产品设计和力学等众多领域。世界上几大CAE公司各自以其独到的技术占领着相应的市场。ABAQUS有限元分析软件拥有世界上最大的非线性力学用户群，是国际上公认的最先进的大型通用非线性有限元分析软件之一。它广泛应用于机械制造、石油化工、航空航天、汽车交通、土木工程、国防军工、水利水电、生物医学、电子工程、能源、地矿、造船以及日用家电等工业和科学研究领域。ABAQUS在技术、品质和可靠性等方面具有卓越的声誉，可以对工程中各种复杂的线性和非线性问题进行分析计算。

《ABAQUS有限元分析常见问题解答》以问答的形式，详细介绍了使用ABAQUS建模分析过程中的各种常见问题，并以实例的形式教给读者如何分析问题、查找错误原因和尝试解决办法，帮助读者提高解决问题的能力。

《ABAQUS有限元分析常见问题解答》一书由机械工业出版社出版。

16.1.1点对面离散与面对面离散

【常见问题16-1】

在ABAQUS/Standard分析中定义接触时，可以选择点对面离散方法(node-to-surf ace-dis-cre-tization)和面对面离散方法(surface-to-surfacediscretization)，二者有何差别?

『解答』

在点对面离散方法中，从面(slavesurface)上的每个节点与该节点在主面(mastersu rface)上的投影点建立接触关系，每个接触条件都包含一个从面节点和它的投影点附近的一组主面节点。

使用点对面离散方法时，从面节点不会穿透(penetrate)主面，但是主面节点可以穿透从面。

Ansys帮助文档-接触分析

侯峰整理

1.接触分析overview

接触问题是高度非线性的，需要大量的计算机资源来解决这类问题。解决这类问题时，需要你对物理问题有足够的了解，花足够的时间建立模型，再用尽量好的计算资源进行求解。

接触问题有两个很明显的难点。第一，在对问题求解之前，我们是不知道接触区域的位置的。在不同的载荷、材料、边界条件以及其他一些因素的情况下，表面之间可能以不可预知的奇怪的方式在较大尺度上彼此侵入与分离接触面。第二，大多数接触问题需要考虑到摩擦。有几种摩擦准则与模型可供选择，他们都是非线性的。由摩擦产生的反应可能很复杂，导致求解的收敛困难。

除上述两种困难之外，在许多接触问题中，我们不得不强调多域情况下的影响，例如材料的导热率，电流强度以及在接触区域内的磁通量等。

如果在你的模型中不需要考虑摩擦的影响，且体之间的交互影响是确定的，那么，你就可以采用内部的多点约束来对模型进行约束。另外一个选择是使用约束等式或者成对的自由度约束来进行约束。这些外部约束方程或者耦合方程仅仅适用于小应变的情况。

除在这个guide中讨论的间接的接触问题外，ansys也能够提供采用ansys ls-dyna动态分析的系列产品进行分析。直接分析套件对于分析暂态问题非常有用。

1.1一般的接触分类方法

接触问题分为两类：刚体-刚体与柔体-柔体问题。在刚体-柔体接触问题中，一个或多个的接触面被认为是刚性的。一般来说，任何时候，只要是分析一个硬质材料与一个较软材料的接触问题，都被假设为刚体-柔体问题。另外一类的问题，即柔体-柔体分析，是更加常见的一类问题。在这类问题中，两个接触面都被认为是可变形的。

之邯郸勺丸创作

CAE(计算机辅助工程)是一门复杂的工程科学，涉及仿真技术、软件、产品设计和力学等众多领域。世界上几大CAE公司各自以其独到的技术占领着相应的市场。ABAQUS有限元分析软件拥有世界上最大的非线性力学用户群，是国际上公认的最先进的大型通用非线性有限元分析软件之一。它广泛应用于机械制造、石油化工、航空航天、汽车交通、土木工程、国防军工、水利水电、生物医学、电子工程、能源、地矿、造船以及日用家电等工业和科学研究领域。ABAQUS在技术、品质和可靠性等方面具有卓越的声誉，可以对工程中各种复杂的线性和非线性问题进行分析计算。

《ABAQUS有限元分析罕见问题解答》以问答的形式，详细介绍了使用ABAQUS建模分析过程中的各种罕见问题，并以实例的形式教给读者如何分析问题、查找错误原因和测验考试解决法子，帮忙读者提高解决问题的能力。

《ABAQUS有限元分析罕见问题解答》一书由机械工业出版社出版。

【罕见问题16-1】

在ABAQUS/Standard分析中定义接触时，可以选择点对面离散方法(node-to-surface-dis-cre-tization)和面对面离散方法(surface-to-surfacediscretization)，二者有何不同?

『解答』

在点对面离散方法中，从面(slavesurface)上的每个节点与该节点在主面(mastersurface)上的投影点建立接触关系，每个接触条件都包含一个从面节点和它的投影点附近的一组主面节点。

使用点对面离散方法时，从面节点不会穿透(penetrate)主面，但是主面节点可以穿透从面。

abaqus两个面之间的接触间隙

Abaqus是一款强大的有限元分析软件，广泛应用于各种工程领域。在实际工程应用中，经常需要对接触问题进行分析和计算，而接触间隙是一个重要的参数。本文将从Abaqus中的接触分析入手，介绍如何计算两个面之间的接触间隙。

一、接触分析

接触分析是指在有限元分析中考虑两个或多个物体之间的接触行为。在实际工程应用中，接触分析是非常重要的，例如在机械设计中，需要考虑零件之间的接触问题，以保证机械系统的正常运转；在土工工程中，需要考虑地基和地下水之间的接触问题，以评估土体的稳定性。

在Abaqus中，接触分析可以通过接触单元来实现。接触单元是一种特殊的有限元单元，用于模拟两个或多个物体之间的接触行为。常见的接触单元包括TIE、CONTAC、SURFACE TO SURFACE等。在接触分析中，需要定义接触面和接触参数。接触面是指两个物体之间接触的表面，接触参数是指接触行为的一些物理参数，例如摩擦系数、弹性模量等。

二、接触间隙

接触间隙是指两个接触面之间的距离，也可以理解为两个物体之间的间隔距离。在实际工程应用中，接触间隙是一个非常重要的参数。例如在机械设计中，如果两个零件之间的接触间隙过大，会导致机械系统的运转不稳定；如果接触间隙过小，会导致零件之间

的摩擦力过大，从而加速零件的磨损和损坏。

在Abaqus中，可以通过输出接触力和位移来计算接触间隙。接触力是指两个接触面之间的作用力，可以通过接触分析计算得到；位移是指两个接触面之间的相对位移，也可以通过接触分析计算得到。接触间隙可以通过位移来计算，即两个接触面之间的距离等于初始距离减去相对位移。

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）。

1、塑性材料和接触面上都不能用C3D20R和C3D20单元，这可能是

你收敛问题的主要原因。如果需要得到应力，可以使用C3D8I(在所

关心的部位要让单元角度尽量接近90度)，如果只关心应变和位移，可以使用C3D8R,几何形状复杂时，可以使用C3D10M。

2、接触对中的slave surface应该是材料较软，网格较细的面。

3、接触面之间有微小的距离，定义接触时要设定“Adjust=位置误

差限度“，此误差限度要大于接触面之间的距离，否则ABAQUS会认

为两个面没有接触：*Contact Pair,interaction="SOIL PILE SIDE CONTACT",small sliding,adjust=0.2.

4、定义tie时也应该设定类似的position tolerance:

*Tie,name=ShaftBottom,adjust=yes,position tolerance=0.1

5、msg文件中出现zero pivot说明ABAQUS无法自动解决过约束问题，例如在桩底部的最外一圈节点上即定义了tie，又定义了contact,出现过约束。解决方法是在选择tie或contact的slave surface时，将类型设为node region,然后选择区域时不要包含这

一圈节点（我附上的文件中没有做这样的修改）。

6、接触定义在哪个分析步取决于你模型的实际物理背景，如果从一

开始两个面就是相接触的，就定义在initial或你的第一个分析步中；

如果是后来才开始接触的，就定义在后面的分析步中。边界条件也是

ansys 接触分析详解

ansys是一种广泛使用的有限元分析软件，可用于许多工程领域，包括接触问题的解决。接触分析是模拟不同组件之间的接触和相互作用的过程，包括机械接触问题、磨损问

题和摩擦问题等。在这篇文章中，我们将深入探讨ansys接触分析的基础知识和应用。

首先，ansys的接触分析功能主要是基于两个主要的接触算法：拉格朗日法和欧拉法。拉格朗日法是一种基于位移的方法，它根据接触点的相对位移计算接触力，并将其应用于

固体上。欧拉法是一种基于速度的方法，它通过基于刚体动力学计算接触力。两种方法各

有优缺点，应根据具体问题选择合适的方法。

接下来，我们将介绍ansys中用于接触分析的工具和技术：

1. 接触配对：在模拟接触问题时，需要对参与接触的两个组件进行配对。ansys可以自动完成这个过程，并且用户可以通过手动指定匹配方式来进行更精确的模拟。

2. 接触条件：ansys支持多种接触条件，包括无摩擦、粘滞、线性弹簧和非线性弹簧。用户可以根据实际情况选择合适的接触条件，并根据需要进行调整。

3. 接触分析类型：ansys支持两种接触分析类型：静态接触分析和动态接触分析。静态接触分析用于研究静止状态下的接触问题，而动态接触分析用于模拟动态接触问题，例

如冲击和振动。

4. 接触网格：接触分析需要对网格进行紧密的划分，以准确地表示接触面的几何形状。为此，ansys提供了多种接触网格工具，包括自动网格划分、手动网格划分和基于接

触表面的划分。用户可以根据需要使用这些工具。

5. 接触后处理：完成接触分析后，还需要进行结果的后处理。ansys提供了多种接触后处理工具，例如接触力分布图、接触区域和应力分布。用户可以使用这些工具对结果进

abaqus—接触分析(转)

已有 264 次阅读2010-8-24 19:39|

1、塑性材料和接触面上都不能用C3D20R和C3D20单元，这可能是你收敛问题的主要原因。如果需要得到应力，可以使用C3D8I (在所关心的部位要让单元角度尽量接近90度)，如果只关心应变和位移，可以使用C3D8R, 几何形状复杂时，可以使用C3D10M。

2、接触对中的slave surface应该是材料较软，网格较细的面。

3、接触面之间有微小的距离，定义接触时要设定“Adjust=位置误差限度”，此误差限度要大于接触面之间的距离，否则ABAQUS会认为两个面没有接触：

*Contact Pair, interaction="SOIL PILE SIDE CONTACT", small sliding, adjust=0.2.

4、定义tie时也应该设定类似的position tolerance:

*Tie, name=ShaftBottom, adjust=yes, position tolerance=0.1

5、 msg文件中出现zero pivot说明ABAQUS无法自动解决过约束问题，例如在桩底部的最外一圈节点上即定义了tie，又定义了contact, 出现过约束。解决方法是在选择tie或contact的slave surface时，将类型设为node region, 然后选择区域时不要包含这一圈节点（我附上的文件中没有做这样的修改）。

6、接触定义在哪个分析步取决于你模型的实际物理背景，如果从一开始两个面就是相接触的，就定义在initial或你的第一个分析步中；如果是后来才开始接触的，就定义在后面的分析步中。边界条件也是这样。

基于Hertz 理论圆柱和平面之间的滑动接触分析

Hertz理论是针对弹性体之间的接触问题而提出的，有效地解

决了在研究实际工程和科学问题中普遍存在的接触问题。圆柱和平面之间的滑动接触是一种典型的接触形式，在机械、船舶、航空等领域中应用广泛。本文将重点探讨基于Hertz理论的圆

柱和平面之间的滑动接触分析方法。

1. Hertz理论简介

Hertz理论是对于两个弹性体之间的接触问题而提出的，主要

基于三个假设：1）接触部分小，2）接触部分的应力为线性分布，3）接触部分的变形是弹性的。根据这些假设，可以计算

出接触区的应力和变形分布情况。

2. 圆柱和平面之间的滑动接触分析

在分析圆柱和平面之间的滑动接触前，需要先计算出两者之间的法向力和切向力。对于圆柱和平面的接触，法向力可以通过压力分布求得，切向力则是由滑动引起的。在考虑滑动的情况下，需要使用Hertz理论中的Kelvin模型，该模型更适合于滑

动接触问题的分析。

接下来，需要计算接触区域内的表面应力和变形。为了简化计算，可以假设接触区域近似为一个平面，并通过数值模拟的方式求解该平面内的应力和变形。在模拟中，需要输入两个弹性体的材料参数、接触区域的几何形状和荷载信息等因素。通过求解该平面内的应力和变形，可以得出接触区域的表面应力和

变形分布情况。

3. 结论

通过基于Hertz理论的分析方法，可以计算出圆柱和平面之间

的滑动接触问题。在分析过程中，需要考虑接触区的几何形状、荷载信息以及材料的弹性性质等因素。通过计算，可以得出接触区的应力和变形分布情况，为解决滑动接触问题提供了理论上的基础和实际应用指导。

link appraisement

喻 琴 马咪娜 李 刚

庆安集团有限公司

；

最大接触应力：

坐标原点位于两圆柱体初始接触点处，X 半接触长度：，其中，，材料

图1 两圆柱体接触

图2 几何模型

图3 平面应变设置

图4 有限元模型

有限元模型

采用4节点四边形单元对两圆柱体接触模型进行网格划

分，由于本文的目的是为了研究两圆柱体之间的Hertz

应力分布情况，故为了提高计算效率并保证计算结果的精度，

对上、下两矩形面网格划分粗一些，对两圆柱体特别是接触

部位网格划分细一些。经过多次的试算确定计算结果收敛到

稳定的数值，此时单元数为79884，节点数为240960，两

圆柱体接触有限元模型如图4所示。

材料属性

两圆柱体的材料参数为：弹性模量为E1=4000N/

，E=4000N/mm2，泊松比为υ=0.3，υ=0.3。矩

图5 接触设置

图8 接触应力云图

图6 约束与载荷

图9 穿透量云图

的基础上，仅将两圆柱体之间的接触由无摩擦改为摩擦，并

分别取摩擦系数为0.2、0.5进行计算，其余设置均不变，

图7 约束反力

2.7×10－9mm，可以忽略，说明计算结果是合理的。

参数分析

（1）接触行为分为对称接触和非对称接触两种，确定

接触行为后，再选择支持此行为的接触算法。为了对两种接

触行为进行对比，在原计算文件的基础上，仅将非对称行

为改为对称行为，相应地将接触算法改为支撑对称行为的