1.接触刚度概念
接触刚度在ANSYS中是指在接触分析中，用于模拟两个接触表面之间相互作用的刚度。它是一个关键参数，用于控制接触面之间的穿透量和接触压力的计算精度。接触刚度包括法向接触刚度和切向接触刚度，分别影响接触面之间的法向和切向行为。
法向接触刚度（Normal Stiffness）主要控制两个接触体在法向方向上的接触压力和穿透量。切向接触刚度（Tangential Stiffness）则影响接触面之间的摩擦和滑动行为。在ANSYS中，接触刚度通常通过实常数FKN来定义，它是一个比例因子，用于乘以基于单元特性计算出的基准刚度，从而得到实际的接触刚度值。
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2.接触刚度的产生原理
接触刚度这个参数，主要应用于基于罚刚度的接触算法，包括纯罚刚度和增强拉格朗日方法
罚刚度算法基于胡克定律，即接触力与穿透量成正比，公式表示为
FNormal=KNormal×penetration，其中 KNormal 是法向接触刚度，penetration 是接触面之间的穿透量。该算法通过调整接触刚度来控制穿透量，从而影响接触压力的计算。3.接触刚度的设置
在ANSYS中，接触刚度可以通过比例系数或绝对刚度的方式来设置。比例系数：比例系数是一个介于0.01到10之间的值，用于乘以ANSYS计算的基准刚度，从而得到实际的接触刚度。对于大变形问题，选择比例系数为1是比较好的；而对于弯曲为主的问题，通常选择0.01到0.1之间的比例系数。用户应当总是检验以使穿透到达极小值，而又避免过多的迭代次数。绝对刚度：绝对刚度是用户直接指定的一个固定值，不依赖于ANSYS计算的基准刚度。使用绝对刚度时，需要确保指定的值能够保证接触穿透小到可以接受，同时又不致引起总刚矩阵的病态而保证收敛性。如果接触刚度太大，机器精度可能不能保证总体刚度矩阵的良好条件，这时可以使用用户自定义的绝对刚度。在实际应用中，选择比例系数还是绝对刚度取决于具体问题的需求和用户的偏好。通常，比例系数提供了一种更为灵活的方式来调整接触刚度，而绝对刚度则在某些情况下可以提供更直接的控制。用户应根据模型的具体情况和分析目标来选择最合适的方法，并进行相应的参数调整和敏感性分析。![]()
4.接触刚度对接触的影响
接触刚度对分析结果的准确性和收敛性有着显著影响。以下是接触刚度对分析的几个主要影响：4.1计算精度与穿透量：接触刚度越大，接触面之间的穿透量越小，计算结果越接近实际物理情况，但同时可能导致计算收敛困难。相反，接触刚度越小，虽然计算容易收敛，但接触面的穿透量增加，计算精度降低。4.2收敛性：在罚函数法中，接触刚度的大小直接影响计算的收敛性。过高的接触刚度可能导致刚度矩阵病态，增加迭代次数，甚至导致计算不收敛。而过低的接触刚度虽然有助于收敛，但会增加接触面的穿透，影响计算结果的准确性。4.3计算效率：接触刚度的选择也会影响计算效率。较高的接触刚度可能需要更多的计算资源和时间来达到收敛，而较低的接触刚度可能加快计算速度，但以牺牲精度为代价。4.4接触压力分布：接触刚度对接触压力的分布也有影响。在高接触刚度下，接触压力分布可能更加集中，而在低接触刚度下，压力分布可能更加分散。4.5摩擦和滑动行为：切向接触刚度影响接触面的摩擦和滑动行为。较高的切向刚度可以更准确地模拟摩擦效应，但也可能增加计算的复杂性。5.1 接触刚度对收敛性的影响
在ANSYS的接触分析中，接触刚度对计算收敛性具有决定性的影响。以下是接触刚度如何影响收敛性的详细分析：刚度与穿透量的关系：根据罚函数法，接触力与穿透量成正比，即 FNormal=KNormal×penetration。接触刚度 KNormal 越大，穿透量越小，这有助于提高计算精度，但同时可能导致收敛困难。相反，较小的接触刚度虽然有助于计算收敛，但会增加穿透量，从而降低计算精度。刚度矩阵条件：过高的接触刚度可能导致刚度矩阵病态，增加迭代次数，甚至导致计算不收敛。根据ANSYS用户手册，接触刚度过大时，如 16E16，可能影响机器精度和总体刚度矩阵的条件，这时需要调整接触刚度或使用用户自定义刚度。收敛性与计算效率的平衡：在实际应用中，需要平衡计算精度和收敛性。较高的接触刚度可能需要更多的计算资源和时间来达到收敛，而较低的接触刚度可能加快计算速度，但以牺牲精度为代价。因此，选择适当的接触刚度对于确保计算效率和结果准确性至关重要。5.2 调整接触刚度以优化收敛
为了优化收敛性，可以采取以下措施调整接触刚度：
初始刚度的选择：根据ANSYS的建议，初始刚度的选择应基于体积变形或弯曲变形的特点。对于体积变形问题，初始刚度比例系数建议为1；而对于弯曲变形问题，建议使用0.1或更小的值。刚度系数的调整：如果默认的刚度系数不能满足收敛要求，可以通过调整刚度系数来优化收敛。根据ANSYS的实践，可以通过减少刚度系数来降低穿透量，从而提高收敛性。用户自定义刚度：当默认的接触刚度设置不能满足分析需求时，用户可以自定义接触刚度。通过命令 RMODIF,CID,3,VALUE，用户可以输入比例系数或绝对刚度值，以实现更精确的控制。敏感性分析：在确定最佳接触刚度值时，进行敏感性分析是必要的。通过改变接触刚度值，并观察对计算收敛性和结果精度的影响，可以找到最佳的接触刚度设置。穿透容差和弹性滑移容差：除了调整接触刚度，还可以通过调整穿透容差和弹性滑移容差来优化收敛。这些参数允许一定程度的穿透和滑移，从而在保持计算精度的同时提高收敛性。通过上述措施，可以在保证计算结果准确性的同时，优化计算收敛性，提高ANSYS接触分析的效率和可靠性。
