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ANSYS
接触元素之使用与验证
作者：徐元展
(2000-08-1
1)
，核可：徐业良
(2000-08-11)
。
附注：本文为八十八学年度元智大学机械工程研究所徐元展硕士论文附录。
1. CONTACT 12: 2-D point-to-point
contact element
ANSYS
有
限
元
素
分
< br>析
软
件
中
的
“CONTACT
12”
为
二
维
点
对
点
的
接
触
元
素
(2-D
point-to-point contact element)
< br>，
是用来描述两个表面之间实际接触时，
可能有的干涉或
间隙，
以及可能发生的相互滑动。
此元素只能容许支撑在表面正
向方向的压缩力以及切线方向的剪
力（库伦摩擦力）
。此元素在
每个节点上有两个自由度，为节点本身的
x
与
< br>y
方向。以下就
对此元素的使用方式做说明。
1.1
输入数据与产生元素
本元素的几何系
统、
节点位置及坐标系统如图
A.1
所
示。
定义本元素需要两个节点
(I, J)
，
接口角度
(THETA)
，正向
接触刚性与附着刚性
(KN, KS)
，初始的干涉或间隙量<
/p>
(INTF)
，以及
初始的元素状态
(START)
。
在接触弹簧有限元素分析
模型中，
相邻两节点
I
、
J
的坐标位置相
同，我们藉由设定其接口角度、正向
刚性、以及初始的干涉或间隙量，来定义
I
、
< br>J
的关系，
各参数的设定与说明分述如下。
接口角度设定的单位是「度
(degrees)<
/p>
」
，由图
A.1
所示，其角度的定义为世界坐标的
X
轴与元素的
s
轴的夹角。在如图
A.2
所
示接触弹簧的分析中，
“gap”
和
“
interference”
以
CONTACT 12
元素仿真时，紧配接口的角度设定为
90
°。<
/p>
图
A.1
CONTACT 12
二维点对点接触元素
[ANSYS User’s
Manual Revision 5.0]
图
A.2
连接器接触弹簧构造
正向接触刚性<
/p>
KN
，应依据接触表面的刚性而定，但对大部分的问题而言区域平
面上的
变形并不是重点，因此通常都以相邻元素刚性一阶
(or
der)
或二阶的倍率来当作正向接触刚
性。在接触弹簧的分析
中，接触弹簧材料的弹性模数为
103,000MPa
，所以我
们将正向接触
刚性
KN
设为
1,000,000MPa
。
而附着刚性
(sticking stiffness)KS
则表示当我们选择有弹
性库伦
摩擦
(elastic
Coulomb
friction)
影响时，在接触平面切线方向的刚性，通常预设为
KN
。因此<
/p>
在设定材料性质时，除了材料的弹性模数
(EX)
与蒲松氏比
(NUXY)
外，摩擦系数也要加以设
定。
在接触弹簧的分析中，
接触弹簧与塑料
外罩的接触面的摩擦并不是分析的重点，
所以材
料的摩擦系数<
/p>
(MU)
都设定为
1
，而
KS
就不设定其值。
由图
A.1
所示，初始的干涉量或间隙量为<
/p>
?
，若
?
为正值
表示接触表面是相互干涉的，
若
?
为负
值则表示接触表面之间为间隙。
由图
A.2
所示在接触弹簧的分析中，
在接触平面上
在干涉位置上的节
点其干涉量为
0.065mm
，在有间隙位置上的节点其间隙量
为
-0.015mm
。
表
A.1
为
CONTACT
12
元素输入数据的摘要表，
在接触弹簧的分析的设定除上述之
外，
其它都采用
ANSYS
的预设条件
，若在其它应用上，须依需求做适当的调整。
在设定完接触元
素的参数后，
便是要在边界上产生接触元素。
接触元素的设定需
要接触
接口上相对的节点相互设定。以
CONTACT 12<
/p>
元素为例，在图
A.1
中
I
、
J
两点之间要产生
接触元素以定义两点间的关系，使用
ANSYS
产生元素的指令由
I
到
J
产生一接触元素，这
样只定义了
I
对
J
的关系，我们需要再由
J
到
I
产生一接触元素，如此一来在此两
点间的接
触关系定义才完整。
同样的，
在应用其它种类的接触元素时，
接触接口上的节点也必须相互
设
定产生接触元素。
表
A.1
CONTACT
12
输入摘要
[ANSYS User’s Manual
Revision 5.0]
Element name
Nodes
Degrees of Freedom
Real Constants
CONTACT12
I, J
UX, UY
THETA, KN, INTF, START, KS
A
negative INTF(interference) assumes an initially
open gap
If START = 0.0 or blank,
initial condition of gap determined from INTF
If START = 1.0, gap initially closed
and not sliding(if MU
?
0.0)
or sliding positive(if
MU = 0.0)
If START = 2.0, gap initially closed
and sliding positive
If START = -2.0,
gap initially closed and sliding negative
If START = 3.0, gap initially open
Material Properties
Surface
Loads
Body Loads
Special
Features
KEYOPT(1)
MU
None
Temperatures: T(I),
T(J)
Nonlinear
Used only
with MU>0.0
0 - Elastic coulomb
friction (KS used for sticking stiffness)
1
–
Rigid coulomb
friction (resisting force only)
KEYOPT(2)
0
–
Orientation determined by
theta real constant
1
–
circular
gap
option
(THETA
orientation
determined
from
direction
of
motion)
(ignore THETA real
constant)
KEYOPT(4)
0
–
Interference (or gap)
based on intf real constant
1
–
Interference (or gap)
based on initial node locations (ignore INTF real
constant)
KEYOPT(7)
Used
with automatic loading to control contact time
predictions
0
–
Predictions are made to achieve the minimum time
(or load) increment whenever a
change
in contact status occurs
1
–
Predictions
are
made
to
maintain
a
reasonable
time
(or
load)
increment
(recommended)
1.2
解答数据输出
要输出接触元素的数据
，
可使用
ANSYS
后处理中的
ETABLE
指令，
得到接触元素求解
后的解答数据。表
A.2
为
< br>CONTACT 12
元素解答数据各卷标所代表意义的解说。
表
A.2
CONTACT
12
元素输出说明
[ANSYS User’s Manual
Revision 5.0]
Label
EL
NODES
XC, YC
TEMP
USEP
FN
STA
T
Explanation
Element number
Nodes
－
I, J
Center X, Y Location (postdata only)
T(I), T(J)
Gap size or
interference
Normal force
Element status
1
－
Contact, no
sliding
2
－
Sliding
contact (node J moving to right of node I)
-2
－
Sliding
contact (node J moving to left of node I)
3
－
Gap open
OLDST
THETA
Stat
value of the previous time step
Orientation angle
(
Printed only if MU>0.0 and
KEYOPT(2)=0
):
MU
UT
Coefficient of friction
Relative displacement in tangential
direction (positive for node J moving to
right of node I)
FS
Tangential force
2. COMBIN
40
Combination Element
本章以塑料紧配扣件的差拔力分析实例，来说明
ANSYS
有限元素软件中，结合元素
“COMBIN 40”
的
使用，并将有限元素分析之结果与理论公式计算结果做一对照、验证。
2.1
塑料紧配扣件
(plastic press fit
fastener)
差拔力分析
◇基本紧配扣件
图
< br>A.3
为一基本紧配
(press fit)
扣件模型，要将柄杆
(shaft)
拉出的力量<
/p>
F
为
F
?
?
?
N
(A.1)
其中
?
< br>为静摩擦系数，
N
为紧配界面上的正向力
F
图
A.3
基本紧配扣件分析模型之尺寸规格
当
紧配扣件压入组合时，两零件之间的干涉造成紧配接口上的压力，式
(A.2)
、
(A.3)
为
计算紧
配界面上的压力的公式
[Mott,
1992]
，当柄杆与套壳
(hub)
的材料相同时紧配接口上
的
压力为
E
?
?
c
2
?<
/p>
b
2
b
2
?
a
2
p
?
?
2
b
?
2
b
2
c
2
?
a
2
?
?
??
?
?
?
?
?
(A.2)
若两个组件材质不同时则紧配接口上的压力为
p
?
?
?
1
2
b
?
?
E
0
?
?<
/p>
c
2
?
b
2
?
1
?
b
2
?
a
2
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
0
?<
/p>
?
c
2
?
b
2
?
b
2
?
a
2
?
i
?
E
?
?
?
i
?
?
(A.3)
其中
?
为直径的干涉量，
E
为内外组件材质相同时之弹性模数，
E
o
为套壳之弹性模数，
E
i
< br>为柄杆之弹性模数，
?
o
为套壳
之蒲松比，
?
i
为柄杆之蒲松比，而其
余尺寸参数如图
A.4
所
示。
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