第五章  点－点接触单元

1 概述
      点一点接触单元是ANSYS早期开发的单元，但改进工作一直在进行，5.7版本中新增加的CONTA178单元更添加了新的特性。
      点一点接触单元是最简单也是最高效的接触单元。当模型可以使用此类单元时，它们可以高效地模拟广泛的接触问题。
1、常用的点一点接触单元(图1-1)

如果将Contac52和Contac178所有UZ自由度约束住，也可用于2D分析。
       三种点一点接触单元中CONTA178单元提供最强的功能：
       － 更多的接触算法
       － 精确的接触约束协调性（“0”穿透）
       － 更多的接触行为选项
       － 定义接触法向更灵活
2、点一点接触单元可以模拟面一面接触问题，如果：
       － 相对滑动变形量可以忽略
       － 两个面的偏移（转动）保持很小
3、点一点接触单元在节点处传递力，此特性限制它们只能用低能单元（角节点），因为带中间节点的单元节点上约束反力不均匀。
2 点一点接触单元的生成方法

有三种方法生成点—点接触单元:
   1、直接生成
   2、在重合节点（或接近重合）上生成单元
      Step 1.  在表面上选择节点
      Step 2.  为点一点接触单元设置单元属性
      Step 3.  生成单元
         Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Elements
                > Auto Numbered > At Coincid Nd

注意：此特性要求面间的分离必须小于重合容差，且必须小于每个面上节点间的距离。
3、在偏移节点上生成单元：
－对非重合节点很方便
Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Elements > Auto Numbered > offset Nodes

3 点一点接触单元选项

1、接触协调性
  CONTA178 提供不同的接触算法：        K2:
     － 纯拉格朗日乘子法
       几乎0穿透和滑移，不需要接触刚度
       更多的自由度出现震颤问题
       用PCG求解器时不要使用
    － 修正的拉格朗日方法，需要 FKN 和
        TOLN
    － 纯罚函数方法
    － 法向拉格朗日乘子法和切向罚函数法
  CONTAC12 和 ConTAC52 只限于罚函数法
    － 指定接触刚度，单位：力/长度
2、摩擦和接触行为
   三种单元都支持摩擦，可为MU指定非0值
   Conta178 支持与面一面接触单元同样类型的接触行为：
      －标准－粗糙－不分离（滑动）－绑定－不分离
      （永远）－绑定接触（永远）－绑定接触（初始接触）
   Contac12 和 Contac52 只限于标准摩擦行为
3、初始穿透
   Conta178 允许渐近化初始穿透
   Contac12 和 Contac52 支持初始间隙或初始穿透，但不能是渐进化的。
4、后处理
   这些单元接触结果后处理需要采用 ETABLE 操作
例：用点一点接触单元模拟面一面接触(图3-1)

目标：建立3D点一点接触单元并求解小变形接触问题。验证采用点一点接触单元模拟面一面接触。

模型：施加压力载荷、1/2对称

node-to-node.inp
FINI
/CLEAR
/PREP7
ET,1,PLANE182    ! 2D 4 node structural solid
ET,2,SOLID185    ! 2D 8 NODE structural solid
ET,3,SURF154     ! 表面效应单元
MP,EX,1,10E6
RECTNG,0,1.5,-1,0
RECTNG,0,1.0,0,0.25
ASEL,,,,1,,,1

!Asel,s,AREA,Comp,VMIN,VMAX,VINC,KSWP(与所选面相连的关键点、
!线、节点、单元)

LSEL,R,LOC,X,0LESIZE,ALL,,,10,2,,,,0
ASEL,,,,1,,,1
LSEL,R,LOC,X,1.5
LESIZE,ALL,,,10,0.5,,,,0
ASEL,,,,2,,,1
LSEL,U,LOC,X,0.5
LESIZE,ALL,,,4,,,,,0
ALLSEL,ALL
TYPE,1
REAL,2
ESIZE,0.1
AMESH,ALL
TYPE,2
EXTOPT,ESIZE,4
!Extopt,lab,val1,val2,val3  从面单元生成体单元有关的控制选项
！Lab = esize         Val1  设置单元分割组
！Main Menu > Preprocessor> Meshing > Mesh > Volume Sweep > Sweepopts
VOFFST,1,0.5
VOFFST,2,0.5
！VOFFST,NAREA,DIST,KING从给定的面移动生成体
！NAREA  面号
！DIST  给定面沿法线移动的距离
！Main Menu > Preprocessor > Modeling > Operate > Extrude > Along normal

TYPE,3                   ! 表面效应单元
ASEL,,LOC,Y,0.25    ! 选顶面
NSLA,,1             ! 和顶面相连的节点
ESURF               ! 生成表面效应单元
ASEL,,LOC,Z,0
ACLEAR,ALL
ETDELE,1          ! 删除单元类型1，
       ! 单元类型2→1,单元类型3→2
ALLSEL,ALL
NUMCMP,ALL            ! 压缩编号
/SOLUTION
NSEL,,LOC,X,0
D,ALL,UX,0
NSEL,,LOC,Y,-1        ! 选底面节点
D,ALL,UY,0
NSEL,,LOC,Z,0.25
   ! 固定中间面上的节点UZ = 0
D,ALL,UZ,0
ESEL,,ENAME,,SURF154
       ! 选表面效应单元
NSLE                  ! 与此单元相连的节点
*GET,NUMELEM,ELEM,,COUNT   ! 单元数
M=-5500
B=5500
*DO,I,1,NUMELEM            ! 顶面加载
  *GET,EID,ELEM,,NUM,MIN   ! 最小单元号
  PRESSURE=M*CENTRX(EID)+B
  SFE,EID,1,PRES,,PRESSURE
  ESEL,U,,,EID
*ENDDO
ALLSEL,ALL
EPLOT
FINISH
SAVE,node-to-node,db 

! 数据库文件包含有限元模型的几何、单元、材料、边界条件与载荷，不包含接触单元
以下接触分析用GUI与命令流做：

Step 1.恢复数据库文件
Utility Menu > File > Resume from
Node-to-node.db
Step 2.添加3D点—点接触单元
/prep7
et,3,conta178
Step 3.为接触单元定义实常数
Main Menu > preprocessor > Add/ Edit/Delete
Step 4. 设置单元属性
Type,3   ! Conta178
Mat,1
Real,1
Step 5. 在重合节点建立点-点接触单元
Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Elements > Auto Numbered > At Coincid Nd
Tolerance of Coincidence = 0.0001
Nodal number Ordering = “Low to high”
【OK】
【pick all】
或命令: EINTF, 0.0001

Step 6. 求解接触分析/Solusolve

注意：如果Conta178节点重合，则必须通过实常数 NX, NY, NZ（间隙方向矢量的全局笛卡尔坐标 X,Y,Z 的分量）指定间隙方向。对本模型、接触方向平行于 Y 轴，因此矢量坐标为 <NX,NY,NZ >  = <0,1,0 > 。

Step 7.指定接触法向方向矢量
    GUI: Main Menu > Preprocessor > Real Constants > Add/Edit/Delete
      选 set 1   
     【Edit】
        Type 3 CONTA 178 
     【OK】
        Defined gap normal_X comp.  NX = 0
        Defined gap normal_Y comp.  NY = 1
        Defined gap normal_Z comp.  NZ = 0
   或命令:
        RMODIF, 1, 6, 0, 1, 0
Step 8.求解小位移接触分析（注意：conta178单元不支持大变形）无论小变形还是大变形分析中单元保持其初始方向。
   /Solu
   solve
Step 9. 后处理
   Esel,s,Ename,,solid185
   /POST1
   PLNSOL,S,EQV
或 Main Menu > General Postproc > Plot Results > Contour Plot > Nodal Solu
      Stress
      Von Mises SEQV
  【OK】
Step 10. 选择接触单元进行后处理
   Utility Menu > Select > Entities
     Elements
     By Elem Name
        Element NAME = Conta178
或命令:
   ESEL, S, Ename,, Conta178

Step 11. 为接触法向力（FN）和间隙尺寸（USEP）定义单元表（ETABLE）
Conta178单元输出定义表
   命令：
      ETABLE,FN,SMISC,1
      ETABLE,GAP,NMISC,3
Step 12. 选择附于单元上的全部节点
   Utility Menu > Select > Entities
      Nodes
        Attached to
          Elements
       选 From Full
      【 Apply】  plot (画节点)
  或命令：
     NSLE
     NPLOT

Step 13.打开数值等值线标识
     Utility Menu> PlotCtrls > Numbering
        SVAL  numeric Contour Values = on
   【OK】
   或命令：
      /pnum, sval, 1
Step 14.画接触法向力
    Main Menu > General Postproc > Element Table
                    > Plot Elem Table
      Item to plotted = FN
      Average at common nodes = yes-average
     【OK】
或命令：
     PLETAB,FN,AVG
Step 15.列表显示接触法向力和间隙尺寸
   Main Menu > General Postproc > Element Table > List Elem Table
      选: FN
           GAP
     【OK】
   或命令：
      PRETAB,FN,GAP
      PRIN  ELEMENT  TABLE  ITEMS  PER  ELEMENT
*** POST1 ELEMENT TABLE LISTNG  ***
   STAT   CURRENT     CURRENT
   Elem     FN          GAP
   801      -30.216     -0.54210E-19
     …       …          …
   855      -0.41271    0.0000
               MINIMUM      VALUES
   Elem     806         811
   VALVE    -58.880     -0.43368E-18
   MAXIMUM      VALUES
   Elem     851         812
   Value    -0.40735    0.43368E-18 

注意：检查GAP的极限值，负值表示干涉和闭合的间隙，此处最大穿透值为0。

圆满结束。

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