接触

接触#

关键字：

  • *SURFACE INTERACTION

  • *SURFACE BEHAVIOR

  • *CONTACT PAIR

  • *CHANGE CONTACT TYPE

  • *TIE

参考示例：

接触模型#

*SURFACE INTERACTION, NAME = EXAMPLE
*SURFACE BEHAVIOR, PRESSURE-OVERCLOSURE = LINEAR
10000,0.1,0.01

Pressure-Overclosure 是指在有限元接触分析中，接触压力和接触面重叠量之间的关系。在实际仿真过程中，由于网格划分和接触算法的影响，接触面往往会出现微小的穿透现象。通过定义 Pressure-Overclosure 关系，可以规定当两个表面发生微小穿透时，系统应如何施加反作用力（压力），从而实现：

  • 更真实地模拟材料和接触行为

  • 避免数值不稳定

  • 控制接触刚度，防止收敛困难

在 CCX 中，PRESSURE-OVERCLOSURE 是一个必需参数，它可以取为

  • EXPONENTIAL（指数型）

  • LINEAR（线性型）

  • TABULAR（表格型）

  • TIED（绑定型）

  • HARD（刚性型）

EXPONENTIAL#

适用于软接触，精细接触分析

优点：

  • 能较好地模拟实际接触中压力随穿透距离的非线性变化

  • 压力随距离变化平滑，因此在数值计算中表现出较好的稳定性，能够有效减少由于刚性突变带来的震荡和收敛问题

缺点：

  • 参数缺乏直接物理意义，调参难度较大

LINEAR#

适用于刚性或硬质材料接触，初步分析

优点：

  • 线性型参数物理意义较为明确，易于理解和设定，实现简单，计算效率高

缺点：

  • 实际接触多为非线性，线性模型可能低估或高估实际接触刚度

TABULAR#

复杂材料、实验数据拟合

优点：

  • 可自定义任意（压力,重叠量）关系，适合实验获得的数据拟合

  • 可以精确模拟特殊材料或多阶段接触行为

缺点：

  • 需要大量实验数据或前期分析

  • 分段线性在转折点处可能引入数值不连续，导致计算收敛性下降

TIED#

粘结、焊接、不匹配网格

通过接触算法实现两个面之间的绑定，适用于表面间不分离、不滑移的情形

优点：

  • 能够考虑接触表面之间的间隙、压力、摩擦力

  • 对网格不匹配的情况更宽容，适合复杂装配

缺点：

  • 绑定效果依赖于参数设置

  • 理论上不是绝对刚性，可能存在极微小的“渗透”或“松弛”

HARD#

刚性边界、硬接触

优点：

  • 模拟刚性接触，零穿透，适用于刚性体或刚性边界

  • 无需调参，直接应用

缺点：

  • 接触刚度极高，容易导致收敛困难，尤其在复杂模型中

接触类型#

*CONTACT PAIR, INTERACTION = EXAMPLE, TYPE = NODE TO SURFACE, SMALL SLIDING, ADJUST = 0.01,
Sslave, Smaster

在 CCX 中

  • 从面可以基于节点或单元定义，若使用二次单元或面面接触，则需基于单元定义

  • 主面必须基于单元定义

TYPE#

TYPE 用于指定接触的类型：

  • NODE TO SURFACE：节点-面罚方法

  • SURFACE TO SURFACE：面-面罚方法

  • MORTAR：标准对偶形函数的拉格朗日乘子法

  • LINMORTAR：线性对偶形函数的拉格朗日乘子法

  • PGLINMORTAR：Petrov-Galerkin 标准形函数的拉格朗日乘子法

  • MASSLES：触发无质量接触显式动力学过程

虽然在同一输入文件中可以使用多个 *CONTACT PAIR 卡，但它们必须属于同一类型

如果要使用 MORTAR 类接触法，建议先从标准 MORTAR 法开始，失败后再考虑 LINMORTAR 或 PGLINMORTAR

NODE TO SURFACE#

点-面接触法是一种早期且简单的接触算法，适用于简单模型、点接触或对精度要求不高的场合，现代复杂接触分析已较少使用

程序需检查每个从节点是否“穿透”到主面，并据此施加接触约束

优点：

  • 实现简单，计算速度快

  • 适合点-面、小范围接触

缺点：

  • 接触力只在节点上施加，主面上接触力分布不均匀，容易出现“锯齿”状

  • 主面网格过粗或从节点分布不均会导致接触漏检或数值误差，因此对网格依赖性强

  • 主面与从面网格不匹配时，节点可能“穿透”主面

SURFACE TO SURFACE#

大多数现代力学分析软件默认推荐方式，适用于复杂接触、非匹配网格、需要高精度接触力分布的场合

面-面接触是一种改进型接触算法，它将两个接触表面都视为连续面，接触力在整个面上分布，通过积分方法施加约束，程序需检查从面上的每个点（通常是高斯积分点）到主面的最近距离，判断是否接触

优点：

  • 接触力分布更平滑，数值精度高

  • 能更好地处理主从面网格不匹配的情况，更适合大变形、复杂接触

  • 物理意义更清晰，更符合实际接触状态

缺点：

  • 需要在面上积分，计算量较大

  • 实现复杂

MORTAR#

适用于高精度接触分析、复杂几何、非匹配网格、大变形问题

MORTAR 法是一种基于变分法的高精度面-面接触算法，通过引入拉格朗日乘子来施加接触约束，允许主从表面网格完全不匹配，通过 Mortar 空间来进行耦合，接触力分布更准确

优点：

  • 主从面网格可以完全不匹配

  • 数值性能优异，适合高精度需求

  • 适合大变形、复杂几何

缺点：

  • 需要特殊的数值积分和拉格朗日乘子插值，实现复杂

  • 计算量较高

LINMORTAR#

线性化的 MORTAR 法，兼顾速度和精度

拉格朗日乘子采用线性插值

优点：

  • 计算速度相较于 MORTAR 法更快

  • 实现更为简便

缺点：

  • 精度不如标准 MORTAR 法

PGLINMORTAR#

采用 Petrov-Galerkin 方法的特殊 MORTAR 法，适用于特殊单元类型、特殊边界条件或需要数值稳定性的复杂接触问题

进一步简化拉格朗日乘子的插值，兼容性和数值稳定性增强

优点：

  • 具有更好的数值稳定性，特别适合某些特殊单元类型或边界条件

  • 计算效率高

缺点：

  • 适用范围有限

MASSLES#

无质量接触是一种特殊的接触表面定义：接触表面（通常是点、线、面）没有实际质量，仅用于施加接触约束或边界条件，常用于刚体接触、参考面接触等

优点：

  • 不引入额外惯性，不会影响系统质量矩阵

  • 方便定义刚性边界、工具等

缺点：

  • 仅适用于无质量或刚性边界

SMALL SLIDING#

SMALL SLIDING（小滑移）是有限元接触分析中的一种简化接触处理方法，主要用于物体之间相对滑动较小的接触问题

SMALL SLIDING 参数仅适用于点-面接触罚方法，在 SMALL SLIDING 模式下，程序假定接触过程中接触面之间的相对滑移非常小，这意味着一旦初始时刻建立了主从面之间的配对关系，在整个分析过程中，这种关系不会改变，即程序只需在初始时刻找到从面节点最近的主面单元，后续分析中始终保持这一配对

优点：

  • 计算效率高，无需每步重新搜索接触对

  • 对于微小滑动、微小变形的接触问题，能给出准确且高效的结果

缺点：

  • 如果接触面之间发生较大相对滑移，原有配对会失效，导致接触漏检、穿透等数值误差

  • 仅适用于滑移量非常小的场合，如局部压痕、点接触等

如果预计接触面之间的滑移量小于主从面单元尺寸的 \(10\%\sim20\%\)，可考虑 SMALL SLIDING

如果未激活，则默认为（LARGE SLIDING）大滑移

ADJUST#

ADJUST 是有限元接触分析中常见的一个辅助功能，主要用于自动修正初始接触状态，确保主从面在分析初始时刻处于合理的物理接触关系

在有限元建模过程中，由于建模误差、网格划分、几何近似等原因，主从面在初始状态下可能存在初始穿透，初始间隙等影响接触分析收敛性和精度的问题

ADJUST 功能会在分析开始前（通常在第一个增量步之前）

  • 检测主从面之间的初始间隙或穿透

  • 自动移动从面或主面节点（沿法向移动），使其与主面正好贴合，消除初始间隙或穿透

ADJUST 功能能够有效

  • 消除初始穿透/间隙：避免因初始几何关系不合理导致的非物理接触力、分析不收敛或错误

  • 提高计算稳定性与收敛性：初始贴合有助于接触算法更快收敛

  • 简化前处理工作：用户无需手动精确调整几何，只需开启 ADJUST 功能即可自动修正

ADJUST 功能能够高效适用于初始接触状态不理想，复杂装配，自动化建模流程等情景，但在使用该功能时，需

  • 合理设置最大调整距离，超过该距离的不做调整

  • 谨慎对待有预应力、预紧力、特殊初始接触状态的分析

多点约束绑定#

不同于 *SURFACE BEHAVIOR 中通过接触算法实现粘结，还可通过单点约束（SPC）/多点约束（MPC）等算法实现强约束的绑定粘结，这通过关键字 *TIE 设置，例如

*TIE, NAME=seam_web, POSITION TOLERANCE=0.01
Sslave, Smaster

该选项只能用于三维单元（不可用于平面应力、平面应变、轴对称、梁或壳单元），从属面可以是节点或单元面表面，而主面必须由单元面组成。属于从面的节点不能在其他 SPC 或 MPC 中用作从属节点，只有位于循环对称轴上的节点可以同时属于从属面和主面。为了生成将从属面与主面连接的多点约束，主面会被三角剖分（仅用于多点约束）

*TIE 有四个可选参数，分别是

  • POSITION TOLERANCE：求解开始建立约束时生效，超出该距离的节点不会被绑定；未指定或指定值小于 \(10^{-10}\) 时，采用典型单元尺寸的 \(2.5\%\)

  • ADJUST：是否使从属节点精确落在主面上，默认开启，若设为 NO 则不调整

  • CYCLIC SYMMETRY：用于绑定圆周方向上相邻扇区的边界，实现环向周期性约束（例如，涡轮、圆盘的相邻扇区）

  • MULTISTAGE：用于绑定轴向上相邻分段的端面，实现多阶段结构连接，仅适用于节点表面（例如，转子，圆柱的相邻段）

对比#

条目

TIE（完全绑定，MPC）

绑定型接触（接触算法）

其它接触算法

连接刚性

绝对刚性，节点严格锁死              

近似刚性，数值上接近“粘死”                 

非刚性，允许分离/滑移/摩擦

物理行为

不可分离、不可滑移

不可分离、不可滑移

可分离、可滑移、可摩擦

网格要求

主从面节点需合理对应，网格不匹配时有局限

支持不匹配网格，灵活性更高

支持不匹配网格

计算效率

极高，约束方程简单，收敛性好

较高，但涉及接触搜索和罚函数迭代，效率略低

较低，接触检测和摩擦等增加计算量

收敛性

最好，几乎无收敛问题

较好，极个别极端情况可能有小收敛问题

一般，摩擦、分离时收敛性最差

应力分布

节点处应力可能尖锐，主从面选择影响大

应力分布更平滑，接触面平均分配

真实反映接触力分布，受摩擦、间隙影响大

参数设置

简单，无需额外参数

需设置容忍度、罚系数等

需设置摩擦系数、硬度、间隙等

适用场景

焊接、胶接、完全刚性连接

焊缝、复杂装配、网格不匹配的粘结

运动副、螺栓、齿轮、碰撞、分离等

物理性

仅适合“焊死”场合，不适合分离/滑移

适合“粘死”但更接近实际，适应大变形

适合所有真实接触行为
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