ANSYS Workbench-Mechanical接触与非线性接触设置用法概述
软件: ANSYS
ANSYS WorkbenchMechanical 接触与非线性接触设置深度解析
接触是一种强非线性的物理现象，在工程分析中至关重要，尤其在仿真和设计工程结构时。本文章针对ANSYS Workbench平台内的Mechanical模块中涉及到的接触设置选项进行深度梳理与编写，依托ANSYS官方教程、帮助文档以及《ANSYS Workbench17.0数值模拟与实例精解》一书的相关帮助与插图，旨在为初学者提供一个清晰的学习路径。
1. 接触的基本概念
接触被定义为两个分离表面相互剪切时的状态。接触表面应满足以下特点：不互相穿透、能够传递法向压力和切向摩擦力、通常不传递法向拉力。接触是高度非线性的，接触表面的刚性在状态改变时会发生显著变化。面对接触时较大的刚度突变、接触区域的不确定性、摩擦和接触区域边缘的约束缺失，共同导致了接触问题的复杂性。
接触问题可大致分为两类：刚性体柔性体和柔性体柔性体接触。其中，刚性体不做应力分析。
接触类型与接触行为
Mechanical提供了一系列接触类型以及相应的接触行为，包括：
绑定（Bonded）：确保无穿透，且两个接触面连在一起，允许小量无摩擦滑动。
无分离（No Separation）：法向面无分离现象，接触面上可发生有限无摩擦滑动。
无摩擦（Frictionless）：没有穿透，表面间自由滑动，分离不受阻碍。
摩擦（Frictional）：滑动阻力与摩擦系数成正比，自由分离仍受限制。
粗糙（Rough）：类比无摩擦，但不允许滑移。
表1列出了不同接触行为与迭代次数的关系，反映了接触面在计算过程中的行为特性。接触行为对收敛性有着直接的影响，尤其是法向刚度因子在问题解决中尤为重要。
接触协调
接触体间的相互穿透问题是通过接触公式处理的。ANSYS WorkbenchMechanical提供了几种接触公式的应用：
罚函数法（Pure Penalty）：在两个面间建立类似弹簧的关系，用惩罚参数（接触刚度）处理。当面分开时，弹簧导致的力量减缓分离趋势，这种关系的关键在于维持偏移量的平衡。
Lagrange乘子法：通过增加附加变量（接触压力），限制接触面无法穿透目标面，不涉及接触刚度，仅对接触表面的法向应用力。
增广Lagrange法：结合了罚函数法与Lagrange乘子法，旨在提高接触刚度的变化鲁棒性，适用于程序控制下的接触问题。
多点约束算法（MPC）：通过约束地面位置来连接接触表面，特别适用于大变形情况和捆绑接触，仅支持绑定和无分离类型。
接触探测方法与Pinball区域
接触面的探测可使用几种策略，如On Gauss point、Nodal Normal to Target、Normal from Contact或NodalProjection Normal from Contact。每个策略旨在提高探测的准确度和效率。Pinball区域作为一种策略，通过球形边界区分接触面与目标面，对初始接触状态进行智能优化，减少不必要接触探测点的数量，从而提高计算速度。
对称/非对称行为与接触关系定义
接触关系支持对称接触、非对称接触以及自动非对称原则。接触体的选择和定义依赖于表面的几何特性，如凸面与平面、网格密度、材料硬度、元件类型（高阶与低阶）以及相对大小等因素。
接触中的体类型与几何修正
接触场景涵盖实体结构、壳面、边与边、边与面等多种接触形式，以及刚体与柔体接触。对于接触几何，包括螺栓连接等特殊场景的支持与修正，涉及方向设置、坐标系建立和基元参数（如螺纹直径、螺距、牙型角度等）的定义。
接触工具与界面处理
联系到检查、验证界面设置与初始状态的Contact Tool工具，其操作流程为请求视觉辅助，如间隙探测、接触关系验证、接触偏移量调节等，这些操作有助于在求解前优化接触设置，减少潜在的计算风险。
接触是一种强非线性的物理现象，在工程分析中至关重要，尤其在仿真和设计工程结构时。本文章针对ANSYS Workbench平台内的Mechanical模块中涉及到的接触设置选项进行深度梳理与编写，依托ANSYS官方教程、帮助文档以及《ANSYS Workbench17.0数值模拟与实例精解》一书的相关帮助与插图，旨在为初学者提供一个清晰的学习路径。
1. 接触的基本概念
接触被定义为两个分离表面相互剪切时的状态。接触表面应满足以下特点：不互相穿透、能够传递法向压力和切向摩擦力、通常不传递法向拉力。接触是高度非线性的，接触表面的刚性在状态改变时会发生显著变化。面对接触时较大的刚度突变、接触区域的不确定性、摩擦和接触区域边缘的约束缺失，共同导致了接触问题的复杂性。
接触问题可大致分为两类：刚性体柔性体和柔性体柔性体接触。其中，刚性体不做应力分析。
接触类型与接触行为
Mechanical提供了一系列接触类型以及相应的接触行为，包括：
绑定（Bonded）：确保无穿透，且两个接触面连在一起，允许小量无摩擦滑动。
无分离（No Separation）：法向面无分离现象，接触面上可发生有限无摩擦滑动。
无摩擦（Frictionless）：没有穿透，表面间自由滑动，分离不受阻碍。
摩擦（Frictional）：滑动阻力与摩擦系数成正比，自由分离仍受限制。
粗糙（Rough）：类比无摩擦，但不允许滑移。
表1列出了不同接触行为与迭代次数的关系，反映了接触面在计算过程中的行为特性。接触行为对收敛性有着直接的影响，尤其是法向刚度因子在问题解决中尤为重要。
接触协调
接触体间的相互穿透问题是通过接触公式处理的。ANSYS WorkbenchMechanical提供了几种接触公式的应用：
罚函数法（Pure Penalty）：在两个面间建立类似弹簧的关系，用惩罚参数（接触刚度）处理。当面分开时，弹簧导致的力量减缓分离趋势，这种关系的关键在于维持偏移量的平衡。
Lagrange乘子法：通过增加附加变量（接触压力），限制接触面无法穿透目标面，不涉及接触刚度，仅对接触表面的法向应用力。
增广Lagrange法：结合了罚函数法与Lagrange乘子法，旨在提高接触刚度的变化鲁棒性，适用于程序控制下的接触问题。
多点约束算法（MPC）：通过约束地面位置来连接接触表面，特别适用于大变形情况和捆绑接触，仅支持绑定和无分离类型。
接触探测方法与Pinball区域
接触面的探测可使用几种策略，如On Gauss point、Nodal Normal to Target、Normal from Contact或NodalProjection Normal from Contact。每个策略旨在提高探测的准确度和效率。Pinball区域作为一种策略，通过球形边界区分接触面与目标面，对初始接触状态进行智能优化，减少不必要接触探测点的数量，从而提高计算速度。
对称/非对称行为与接触关系定义
接触关系支持对称接触、非对称接触以及自动非对称原则。接触体的选择和定义依赖于表面的几何特性，如凸面与平面、网格密度、材料硬度、元件类型（高阶与低阶）以及相对大小等因素。
接触中的体类型与几何修正
接触场景涵盖实体结构、壳面、边与边、边与面等多种接触形式，以及刚体与柔体接触。对于接触几何，包括螺栓连接等特殊场景的支持与修正，涉及方向设置、坐标系建立和基元参数（如螺纹直径、螺距、牙型角度等）的定义。
接触工具与界面处理
联系到检查、验证界面设置与初始状态的Contact Tool工具，其操作流程为请求视觉辅助，如间隙探测、接触关系验证、接触偏移量调节等，这些操作有助于在求解前优化接触设置，减少潜在的计算风险。
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