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阿陽的 ANSYS 使用指南，本文僅用於個人學習，除此之外，無其他任何用途。
因個人能力有限，本文難免有所疏漏/錯誤，不妥之處還請各位批評指正。
一、前沿
ANSYS 支持三種接觸方式：點-點，點-面 和 面-面 接觸，每種接觸方式使用的接觸單元適用於某類問題。
有限元模型通過指定的接觸單元來識別可能的接觸配對，接觸單元是覆蓋在分析模型接觸面之上的一層單元。
ANSYS 支持剛體/柔體的面-面的接觸單元，剛性面被當做 目標面 (Abaqus中的主面，粗網格硬材料爲主面)，分別用 Target169 和 Target170 來模擬 2D 和 3D 的目標面，柔性體的表面被當做 接觸面 （Abaqus中的從面），用 Conta171，Target169，Conta173 和 Conta174 來模擬。
特別注意： 當高低階單元相接觸時，以下均不作爲主要因素考慮，此時高階單元一定是接觸面。
一個目標單元和一個接觸單元叫做一個 接觸對，程序通過一個共享的實常數來識別“接觸對”，給目標單元和接觸單元指定相同的實常的號。
在 ANSYS GUI 中，目標面顯示爲洋紅色，接觸面顯示爲綠色，如下所示：
Abaqus 使用單純的主-從接觸算法：從面上的節點不能侵入主面的任何部分。該算法對主面沒有做限制，主面可以在從面的節點之間侵入從面。
二、接觸單元類
ANSYS 中常見接觸單元如下：
三、接觸單元關鍵選項
3.1 CONTA174 KeyOption
- KEYOPT(2) —— Contact algorithm
| 0 | 1 | 2 | 3 | 4 |
|---|---|---|---|---|
| Augmented Lagrangian (default) | Penalty function | Multipoint constraint (MPC) | Lagrange multiplier on contact normal and penalty on tangent | Pure Lagrange multiplier on contact normal and tangent |
- KEYOPT(4) —— Location of contact detection point
| 0 | 1 | 2 | 3 |
|---|---|---|---|
| On Gauss point (for general cases) | On nodal point - normal from contact surface | On nodal point - normal to target surface | On nodal point - normal from contact surface (projection-based method) |
- KEYOPT(5) —— CNOF/ICONT Automated adjustment
| 0 | 1 | 2 | 3 | 4 |
|---|---|---|---|---|
| No automated adjustment | Close gap with auto CNOF | Reduce penetration with auto CNOF | Close gap/reduce penetration with auto CNOF | Auto ICONT |
- KEYOPT(9) —— Effect of initial penetration or gap
| 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
|---|---|---|---|---|---|
| Include both initial geometrical penetration or gap and offset | Exclude both initial geometrical penetration or gap and offset | Include both initial geometrical penetration or gap and offset, but with ramped effects | Include offset only (exclude initial geometrical penetration or gap) | Include offset only (exclude initial geometrical penetration or gap), but with ramped effects | Include offset only (exclude initial geometrical penetration or gap) regardless of the initial contact status (near-field or closed) |
- KEYOPT(10) —— Contact stiffness update
| 0 | 1 | 2 |
|---|---|---|
| Each iteration based on the current mean stress of underlying elements. The actual elastic slip does not to exceed the maximum allowable limit (SLTO) within a substep | Each load step if FKN is redefined during the load step. | Each iteration based on the current mean stress of underlying elements. The actual elastic slip never exceeds the maximum allowable limit (SLTO) during the entire solution. |
- KEYOPT(12) —— Behavior of contact surface
| 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Standard | Rough | No separation (sliding permitted) | Bonded | No separation (always) | Bonded (always) | Bonded (initial contact) |
3.2 TARGE170 KeyOption
- KEYOPT(2) —— Boundary conditions for rigid target nodes
| 0 | 1 |
|---|---|
| Automatically constrained by the program | Specified by user |
四、接觸分析標準步驟
創建接觸的標準步驟爲：定義實常數並設置接觸分析參數、定義接觸單元類型並設置單元關鍵項和創建接觸單元。
實常數用來建立主從接觸面間的聯繫，並定義某些關鍵參數。
單元 keyoption 用來定義接觸的種類及有關算法。
接觸單元依附於其他單元的表面。
4.1 定義實常數
- 定義實常數並設置實常數的值
*GET,rlmax,RCON,0,NUM,MAX ! 獲取當前定義的最大實常數編號並將其賦予變量rlmax。
R,rlmax+1 ! 定義新的實常數rlmax+1。
4.2 定義接觸和目標單元
- 定義目標單元類型並設置單元關鍵項 (Abaqus的主面)
*GET,etmax,ETYP,,NUM,MAX ! 獲取當前定義的最大單元類型編號並將其賦予變量etmax。
ET,etmax+1,TARGE170 ! 定義目標面單元類型，單元類型：TARGE170，編號：etmax+1。
/com,根據需要，隨其後設置單元關鍵選項。
- 定義接觸單元類型並設置單元關鍵項 (Abaqus的從面)
*GET,etmax,ETYP,,NUM,MAX ! 獲取當前定義的最大單元類型編號並將其賦予變量etmax。
ET,etmax+1,CONTA174 ! 定義接觸面單元類型，單元類型：CONTA174，編號：etmax+1。
KEYOPT,etmax+1,2,2 ! 將識別號爲etmax+1的接觸單元的關鍵項2設置爲2。
KEYOPT,etmax+1,4,1 ! 將識別號爲etmax+1的接觸單元的關鍵項4設置爲1。
......
4.3 創建接觸和目標單元
- 創建目標單元(依附於實體/殼單元表面的主面單元)
- 創建接觸單元(依附於於實體/殼單元表面的主面單元)
創建的接觸在GUI中，接觸管理器中查看。
- TSHAP
使用功能：爲目標單元 TARGE169 和 TARGE170 指定 2D 和 3D 幾何表面。
使用格式：TSHAP，shape。
其中：
shape：爲目標單元 TARGE169 和 TARGE170 指定幾何形狀。其有效的形狀有：PILO(2D 或3D 引導節點)。
使用提示：使用該命令可以生產面與面接觸時的剛性目標面，對於 2D 是 TARGE169 、CONTA171 和 CONTA172，對於 3D 是 TARGE170 、CONTA173 和 CONTA174 。執行該命令後，其後生成的單元具有同樣的形狀，直到用另一個形狀來代替。
五、接觸分析實例
5.1 MPC
MPC： Multi-point constraints / 多點約束，Ansys 中用於連接不同類型單元的一種接觸算法。
多點約束 MPC 允許在計算模型不同的自由度之間強加約束。簡單來說，MPC 定義的是一種節點自由度的耦合關係，即以一個節點的某幾個自由度爲標準值，然後令其他指定的節點的某幾個自由度與這個標準值建立某種關係。多點約束常用於表徵一些特定的物理現象，比如剛性連接、鉸接、滑動等。多點約束也可用於不相容單元間的載荷傳遞，是一項重要的有限元建模技術。
MPC 對於處理接觸連接時有幾點注意事項：
(1). 接觸面節點上不能施加 MPC 以外的位移邊界條件或者是其他約束耦合方程。因爲接觸點的一些自由度已在 MPC 約束刪除，單獨施加會產生約束過多現象。
(2). 約束面時不宜過多，否則會引起對內存需求峯值過高，內存較少時應以考慮。
- 示例
- 綁定約束/Tie約束
- 綁定約束/Tie約束
5.2 標準接觸
六、尾聲
以上，便是 ANSYS 接觸問題 部分的簡單介紹。
僅以此文爲我 ANSYS 的相關學習做一個備忘，同時也爲有需要的人提供多一點參考。
胸藏文墨懷若谷，腹有詩書氣自華，希望各位都能在知識的 pāo 子裏快樂徜徉。
因個人水平有限，文中難免有所疏漏，還請各位大神不吝批評指正。
最後，祝各位攻城獅們，珍愛生命，保護髮際線！
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七、參考文獻
[1]. ANSYS 15.0 有限元分析完全自學手冊. 郝勇 鍾禮東 等編著.
[2]. ANSYS 參數化編程與命令手冊. 龔曙光 謝桂蘭 黃雲清 編著.
[3]. ANSYS Mechanical APDL Command Reference. Release 18.2.
[4]. ANSYS Mechanical APDL Element Reference. Release 18.2.
[5]. Ansys中的接觸協調條件和多點約束MPC. 坐倚北風.