ANSYS16.1结构分析工程应用实例

1.接触分析概述

接触问题是一种高度非线性行为，需要较大的计算资源，为了进行切实有效的计算，理解问题的特性和建立合理的模型非常重要。

接触问题存在两个难点：其一，无法在求解问题之前确定接触区域，而接触区域随载荷、材料、边界条件和其他因素而变；其二，大多的接触问题需要计算摩擦，而摩擦使问题的收敛变得困难。

（1）一般接触分类

接触问题分为两种基本类型：刚体-柔体的接触和柔体-柔体的接触。在刚体-柔体的接触问题中，接触面的一个或多个被当作刚体（与它接触的变形体相比，有大得多的刚度），一般情况下，一种软材料和一种硬材料接触时，问题可以被假定为刚体-柔体的接触，许多金属成形问题可归为此类接触；另一类为柔体-柔体的接触，是一种更普遍的类型，在这种情况下，两个接触体都是变形体（有近似的刚度）。

（2）ANSYS接触方式

ANSYS 16.1支持5种接触方式：点-点、点-面、线-线、线-面、面-面、每种接触方式都使用相应的接触单元。

1）点-点接触单元

点-点接触单元主要用于模拟点-点的接触行为，为了使用点-点的接触单元，需要预先知道接触位置，这类接触问题只适用于接触面之间有较小相对滑动的情况，如果两个面上的节点一一对应，相对滑动可以忽略不计，两个面挠度（转动）保持小量，那么可以用点-点的接触单元来求解面-面的接触问题。过盈装配问题是一个用点-点的接触单元来模拟面面接触问题的典型例子。在ANSYS 16.1中，CONTA178是一种典型的点-点接触单元。

2）点-面接触单元

CONTA175是一种典型的点-面接触单元，主要用于对点-面的接触行为进行建模。该单元支持大的相对滑动和大变形。

如果通过一组节点来定义接触面，生成多个单元，那么可以通过点-面的接触单元来模拟面-面的接触问题，面既可以是刚性体也可以是柔性体，这类接触问题的一个典型例子是插头插到插座里。

使用这类接触单元，不需要预先知道确切的接触位置，接触面之间也不需要保持一致的网格。

ANSYS程序的点-面接触单元允许下列非线性行为：有大变形的面-面接触分析；接触和分开；库仑摩擦滑动；热传递。

3）线-线接触单元

线-线接触单元主要用于3D线-线的接触行为建模，例如两根梁的相互接触（包括平行接触和交叉接触）。在ANSYS 16.1中，CONTA176是一种典型的3D线-线接触单元，它可以附着于梁单元或管单元的表面并支持低阶或高阶的接触面单元，允许接触部位出现大的位移或滑动。

4）线-面接触单元

线-面接触单元主要用于线-面的接触行为建模，可以模拟3D梁或壳边界与实体单元或壳单元的接触行为。在ANSYS 16.1中，CONTA177是一种典型的3D线-面接触单元，它支持低阶或高阶的接触面单元，允许接触部位出现大的位移或滑动。

5）面-面接触单元

ANSYS支持刚体-柔体的面-面接触，刚性面被当作“目标”面，分别用TARGE169和TARGE170单元来模拟2D和3D的“目标”面，柔性体的表面被当作“接触”面，用CONTA171、CONTA172、CONTA173、CONTA174单元来模拟。一个目标单元和一个接触单元称作一个“接触对”，程序通过一个共享的实常数号来识别“接触对”。

面-面接触单元有如下优点：支持低阶和高阶单元；支持有大滑动和摩擦的大变形；提供工程需要的更好的接触结果，例如法向压力和摩擦应力；没有刚体表面形状的限制；与点-面接触单元比，需要较多的接触单元；允许多种建模控制，如绑定接触；渐变初始渗透；目标面自动移动到初始接触位置；平移接触面；支持“死活”单元。

下面针对应用较为广泛的面-面接触分析过程进行介绍。

2.面-面接触分析

在涉及两个边界的接触问题中，需要把一个边界作为目标面而把另一个作为接触面，对刚体-柔体的接触，目标面总是刚性的，接触面总是柔性面。

面-面接触分析的一般步骤：

●建立模型，划分网格

●识别接触对

●指定目标面和接触面

●定义目标面

●定义接触面

●设置单元关键字和实常数

●定义/控制刚性目标面的运动

●给定边界条件

●定义求解选项和载荷步

●求解接触问题

●查看求解结果

步骤1：建立模型，划分网格

与其他分析过程一样，包括设置单元类型、实常数、材料特性等。可使用适当的单元类型给接触体划分网格。

步骤2：识别接触对

通过定义目标单元和接触单元生成接触对。目标单元和接触单元通过共享的实常数号联系起来。

由于几何模型和潜在变形的多样性，有时候一个接触面的同一区域可能和多个目标面产生接触关系，在这种情况下，应该定义多个接触对。每个接触对有不同的实常数号。

步骤3：指定目标面和接触面

接触单元被限制不得穿透目标面。但是，目标单元可以穿透接触面。对于刚体-柔体接触，目标面总是刚体表面，而接触面总是柔体表面。对于柔体-柔体接触，选择哪一个面作为接触面或目标面可能会引起穿透量的不同，从而影响求解结果。这可参照下面的论述：

①如凸面预期与一个平面或凹面接触，则平面/凹面应当指定为目标面。

②如一个面有较密的网格，而相比之下，另一个面网格较疏，则较密网格的面应当是接触面，而较疏网格的面则为目标面。

③如一个面比另一个面刚度大，则较柔的面应当指定为接触面，而较刚的面则为目标面。

④如果高阶单元位于一个外表面，而低阶单元位于另一个面，则前者应指定为接触面，后者则为目标面。

⑤如果一个面明显比另一个面大（如一个面包围其他面），则较大的面应指定为目标面。

不对称接触定义为所有的接触单元在一个面上，而所有的目标单元在另一个面上的情况，有时候也称为“单向接触”，这在模拟面-面接触时最为有效。但是，在某些环境下，不对称接触不能满足要求。在这些情况下，可以把任一个面指定为目标面和接触面，然后在接触的面之间生成两组接触对（或仅是一个接触对，如自接触情况），这就称为对称接触，有时也称为“双向接触”。显然，对称接触不如非对称接触效率高。但是，许多分析要求应用对称接触（典型的情况是为了减少穿透）。要求对称接触的情况如下：

①接触面和目标面区分不太清楚。

②两个面都有十分稀疏的网格。对称接触算法比非对称接触算法在更多的面上施加了接触约束条件。

如果两个面上的网格相同并且足够密，则对称接触算法可能不会显著改变运行效果，而事实上可能更费CPU时间。在这种情况下，拾取一个面为目标面，而另一个面为接触面。在任何接触模型中，可以混合不同的接触对：刚体-柔体或柔体-柔体接触对；对称接触或非对称接触。但在一个接触对中只能有一种类型。

步骤4：定义目标面

目标面可以是2D或3D的刚体或柔体的面。对于柔体目标面，一般应用 ESURF 命令沿现有网格的边界生成目标单元。也可以按相同的方法生成柔体接触面。用户不应当应用下列刚性目标面作为柔体接触面：ARC、CARC、CIRC、CYL1、CONE、SPHE或PILO。对于刚体目标面的情况论述如下：

在2D情况下，目标面的形状可以通过一系列直线、圆弧和抛物线来描述，所有这些都可以用TARGE169来表示。另外，可以使用它们的任意组合来描述复杂的目标面。在3D情况下，目标面的形状可以通过三角面、圆柱面、圆锥面和球面来推述，所有这些都可以用TARGE170来表示，对于一个复杂的、任意形状的目标面，应该使用三角面来建模。

一个目标面可能由两个或多个不连续的区域组成。用户应该尽可能地通过定义多个目标面，来使接触区域限于局部（每个目标面有一个不同的实常数号）。刚性面上的形状不限制，不要求光滑。但是，要保证刚性目标面上曲面的离散足够。过粗的网格离散可能导致收敛问题。如果刚性面有一个尖锐的凸角，求解大的滑动问题时很难获得收敛结果。为了避免这些建模问题，可在实体模型上使用线或面的倒角来使尖角光滑化，或者在曲率突变的区域使用更细的网格或使用高阶单元。

在定义目标面时应注意：

① 使用线或面的倒角使实际接触区域的尖角光滑化，或者在曲率突然变化的区域使用更细的网格。

② 不能使用镜面对称技术来映射圆、圆柱、圆锥或球面到对称平面的另一边。对于2D接触问题，当沿着目标面从第一个节点移向第二个节点时，变形体的接触单元必须位于目标面的右边。对于3D接触问题，目标三角形单元号应该使目标面的外法线方向指向接触面，外法线通过右手原则来定义。

采用下列命令检查法线方向，显示单元坐标系：

COMMAND：/PSYMS，ESYS，1

GUI：Utility Menu︱Plotctrls︱Symbols

如果单元法向不指向接触面，采用下列命令反转单元表面法线方向：

COMMAND：ESURF，，REVE

GUI：Main Menu︱Preprocossor︱Create︱Element︱On free surf

步骤5：定义柔性体的接触面

ANSYS程序使用2D接触单元CONTA171、CONTA172或3D接触单元CONTA173、CONTA174定义柔性体的接触面。

程序通过在变形体表面生成接触单元来定义接触表面，接触单元与下面覆盖的变形体单元具有相同的几何特性，二者必须处于同一阶次（低阶或高阶）。

与目标面单元一样，必须定义接触面的单元类型，然后选择正确的实常数号，最后生成接触单元。

步骤6：设置实常数和单元关键字

程序使用多达35个实常数和多个单元关键字来控制面-面接触单元的接触行为。下面针

对比较常用的实常数及单元关键字进行简要介绍。

（1）实常数

R1和R2用于定义目标单元几何形状。

FKN用于定义法向接触刚度因子。

FTOLN是基于单元厚度的一个系数，用于计算允许的穿透。

ICONT用于定义初始闭合因子。

PINB用于定义“Pinball”区域。

PMIN和PMAX用于定义初始穿透的容许范围。

TAUMAX用于指定最大接触摩擦应力。

CNOF用于指定施加于接触面的正或负的偏移值。

FKOP用于定义在接触分开时施加的刚度系数。

FKT用于定义切向接触刚度。

COHE用于定义滑动抗力粘聚力。

FACT用于定义静摩擦系数和动摩擦系数的比率。

DC用于定义摩擦幂衰减系数。

PPCN用于定义压力渗透准则。

FPAT用于定义流体渗透时间。

COR用于定义恢复系数。

FDMN用于定义正常稳定阻尼因子。

FDMT用于定义次要稳定阻尼因子。

TMND用于定义结合温度。

FHTG用于指定摩擦耗散能量的热转换率。

SBCT用于指定Stefan-Boltzman常数。

RDVF用于指定辐射观察系数。

FWGT用于指定在接触面和目标面之间热分布的权重系数。

实常数FKN、FTOLN、ICONT、PINB、PMAX、PMIN、FKOP、FKT及FPAT的取值可以为正也可以为负，程序将正值作为比例因子，将负值作为真实值，例如ICONT=0.1表明初始间隙是0.1倍的下面覆盖层单元的厚度。-0.1表明真实间隙是0.1，如果下面覆盖层单元是超单元，则将接触单元的最小长度作为厚度。

在模型中，如果单元尺寸变化很大，而且在实常数如ICONT、FTOLN、PINB、PMAX、PMIN 中应用比例系数，则可能会出现问题。因为从比例系数得到的实际结果，取决于下层单元的厚度，这就可能引起大、小单元之间的重大变化。如果出现这一问题，需用绝对值代替比例系数。

（2）单元关键字

每种接触单元都有相应的关键字，对于大多的接触问题，默认的关键字是合适的，而在某些情况下，可能需要改变默认值，来控制接触行为。下面是可以控制接触行为的一些关键选项：

自由度 KEYOPT（1）

接触算法（罚函数+拉格朗日乘子或罚函数） KEYOPT（2）

存在超单元时的应力状态（仅2D） KEYOPT（3）

接触检测点的位置（仅低阶接触单元） KEYOPT（4）

CNOF自动调整 KEYOPT（5）

时间步控制 KEYOPT（7）

伪接触预防 KEYOPT（8）

初始穿透或间隙的影响 KEYOPT（9）

法向和切向接触刚度修正方法控制 KEYOPT（10）

壳的厚度影响 KEYOPT（11）

接触面行为（粗糙、绑定等） KEYOPT（12）

●选择接触算法

对于面-面接触单元，程序可以使用扩张的拉格朗日算法或罚函数方法，通过使用单元关键字KEYOPT（2）来指定。扩张的拉格朗日算法是为了找到精确的拉格朗日乘子而对罚函数修正项进行反复迭代，与罚函数的方法相比，拉格朗日方法不易引起“病态”条件，对接触刚度的敏感度较小，然而，在有些分析中，扩张的拉格朗日方法可能需要更多的迭代，特别是在变形后网格变得太扭曲时。使用拉格朗日算法的同时应使用实常数FTOLN。FTOLN为拉格朗日算法指定容许的最大渗透，如果程序发现渗透大于此值时，即使不平衡力和位移增量已经满足了收敛准则，总的求解仍被当作不收敛处理，FTLON的默认值为0.1，可以改变这个值，但要注意，如果此值太小，可能会造成太多的迭代次数或者不收敛。

●决定接触刚度(www.xing528.com)

所有的接触问题都需要定义接触刚度，两个表面之间穿透量的大小取决于接触刚度。过大的接触刚度可能会引起总刚矩阵的“病态”，从而造成收敛困难。一般来说，应该选取足够大的接触刚度以保证接触穿透小到可以接受，但同时又应该让接触刚度足够小，不致引起总刚矩阵的“病态”而保证收敛性。

ANSYS 程序根据下伏柔体单元的材料特性，来估计一个默认的接触刚度值。用户可用实常数 FKN 来为接触刚度指定一个比例因子或指定一个绝对值。比例因子一般在0.01和10之间；对于大变形问题，选1是比较好的；而对于弯曲为主的问题，通常为0.01～0.1。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。

提示：FTOLN 和 FKN 从一个荷载步到另一个荷载步中，都可以修改，也可以在重启动中修改。这时，必须定义KEYOPT（10）=1，2。

为了确定一个较好的接触刚度值，可能需要一些经验。用户可以按下面的步骤来进行尝试：

开始时取一个较低的值。低估值要比高估值好，因为由一个较低的接触刚度导致的穿透问题比过高的接触刚度导致的收敛性困难，低估值要容易解决。

对前几个子步进行计算分析，直到最终荷载的一个比例（刚好完全建立接触）。

检查每一子步中的穿透量和平衡迭代次数。如果总体收敛困难是由过大的穿透引起的（而不是由不平衡力和位移增量引起的），那么可能低估了FKN 的值，或者是将 FTOLN 的值取得太小。如果总体的收敛困难是由于不平衡力和位移增量达到收敛值时需要过多的迭代次数，而不是由于过大的穿透量引起的，那么 FKN 的值可能被高估。

按需要调整 FKN 或 FTOLN的值，重新进行完整的分析。

提示：如果穿透控制变成总体平衡迭代中的主因（如果为使问题收敛到穿透容差内，比收敛到不平衡力的容差内，需要更多的迭代），用户应该增大FTOLN值，以允许更多的穿透，或增大FKN。

●选择摩擦类型

在基本的库仑摩擦模型中，两个接触面在开始相互滑动之前，在它们的界面上会有相应的剪应力产生，一旦剪应力超过此值后，两个表面之间将开始相互滑动，摩擦系数可以是任一非负值。程序默认值为表面之间无摩擦，对rough或bonded接触（KEYOPT（2）=1或3），程序将不管给定的摩擦系数值而认为摩擦阻力无限大。

程序提供了一个不考虑接触压力的大小而人为指定最大等效剪应力的选项，如果等效剪应力达到此值时，滑动发生，如图5-15所示，通过设置常数TAUMAX（默认为1.0E20）指定接触界面上最大许可剪应力，这种限制剪应力的情况一般用于接触压力非常大的时候，以至于用库仑理论计算出的界面剪应力超过了材料的屈服极限。TAUMAX的一个合理上限估值为 （σ_y是接触表面附近材料的Von Mises屈服应力）。

图5-15 摩擦模式

下面介绍静、动摩擦系数。

摩擦系数依赖于接触面的相对滑动速度，通常静摩擦系数高于动摩擦系数。

ANSYS提供了如下表示的指数衰减摩擦模型：

μ=M_U×(1+(FACT-1)exp(-D_C×V_rel)

其中：

μ为摩擦系数；

M_U为动摩擦系数，用MP命令输入；

FACT是静摩擦系数与动摩擦系数之比，默认为最小值1.0；

D_C为衰减系数，默认为0.0，单位为time/length；

V_rel是ANSYS计算的滑动速度。

如果知道静、动摩擦系数和至少一个数据点（μ1，Vrel），则可以确定摩擦衰减系数为：

如果不指定衰减系数，且FACT大于1.0，当接触进入滑动状态时，摩擦系数会从静摩擦系数突变到动摩擦系数，这种行为会导致收敛困难，所以不建议采用。

下面介绍对称、不对称求解器。

对无摩擦、粗糙和绑定接触，接触单元刚度矩阵是对称的。而涉及摩擦的接触问题产生一个不对称的刚度。在每次迭代使用不对称的求解器，比对称的求解器需要更多的计算时间，因此ANSYS程序采用对称化算法，通过采用这种算法求解大多数摩擦接触问题，能够使用对称系统的求解器来求解。如果摩擦应力在整个位移场内有相当大的影响，并且摩擦应力的大小高度依赖于求解过程，则对刚度阵的任何对称近似都可能导致收敛性降低。在这种情况下，选择不对称求解选项（NROPT，UNSYM）来改善收敛性。

●选择检查接触与否的位置

接触检查点位于接触单元的积分点上，在积分点上，接触单元不渗透进入目标面，然而，目标面能渗透进入接触面，如图5-16所示。

图5-16 接触检查点位于高斯积分点上

ANSYS面-面接触单元使用GAUSS积分点作为默认值，GAUSS积分点通常会比Newton-Cotes/robotto节点积分项产生更精确的结果，Newton-Cotes/robotto使用节点本身作为积分点，通过KEYOPT（4）来选择。

●调整初始接触条件

在动态分析中，刚体运动一般不会引起问题，然而在静力分析中，当物体没有足够的约束时会产生刚体运动，有可能引起错误而终止计算。在仅仅通过接触的出现来约束刚体运动时，必须保证在初始几何体中，接触对是接触的，然而这可能会遇到以下问题：刚体外形常常是复杂的，很难决定第一个接触点发生的位置；即使实体模型是在初始接触状态，在网格划分后由于数值舍入误差，两个面的单元网格之间也可能会产生小的缝隙；接触单元的积分点和目标单元之间可能有小的缝隙。同理，在目标面和接触面之间可能发生过大的初始渗透，在这种情况下，接触单元可能会高估接触力，导致不收敛或接触面之间脱离开接触关系。定义初始接触也许是建立接触分析模型时最重要的方面，因此，程序提供了几种方法来调整接触对的初始接触条件。

使用实常数ICONT来指定一个好的初始接触环。初始接触环是指沿着目标面的“调整环”的深度，如果没有人为指定ICONT的值，程序会根据几何尺寸来给ICONT提供一个较小值，任何落在“调整环”区域内的接触检查点将被自动移到目标面上，（如图5-17a所示）建议使用一个小的ICONT值，否则，可能会发生大的不连续（如图5-17b所示）。

使用实常数PMIN和PMAX来指定初始容许的渗透范围。当指定PMAX或PMIN后，在开始分析时，程序会将目标面移到初始接触状态，如果初始渗透大于PMAX，程序会调整目标面的初始渗透，接触状态的初始调节仅仅通过平移来实现。

初始状态调整是一个迭代过程，程序最多进行20次迭代，如果目标面不能进入可接受的渗透范围，程序会给出一个警告信息，此时需要调整初始几何模型。

图5-17 用ICONT进行接触面的调整

图5-18给出了一个初始接触调整迭代失败的例子。目标面的UY被约束住，因此，初始接触唯一允许的调整是在X方向，然而，在这个问题中，刚性目标面在X方向的任何运动都不会引起初始接触。

图5-18 一个初始调整失败的例子

可以通过设置KEYOPT（9）=1来消除初始渗透，如图5-19所示。

图5-19 消除初始渗透

在某些情况下，例如过盈装配问题，希望有过度的渗透，为了缓解收敛性困难，在第一个载荷步中设置KEYOPT（9）=2来使过度渗透渐进到0，如图5-20所示。当使用这种方法时，在第一个载荷步中不要给定其他任何载荷。

图5-20 渐进初始渗透

● 选择表面作用模式

通过设置KEYOPT（12）来选择作用模式。

KEYOPT（12）=0：法向单边接触。

KEYOPT（12）=1：粗糙接触，用来模拟无滑动的、表面相当粗糙的摩擦接触问题，这种设置对应于摩擦系数无限大。

KEYOPT（12）=2：不分开的接触，用来模拟那种一旦接触就再不分开的问题，这种不分开是对于法向接触而言，切向允许有相对滑动。

KEYOPT（12）=3：绑定接触，用来模拟那种接触一旦发生，在所有方向都被绑定的问题，一旦接触就再也不能脱开也不允许有相对滑动。

● 考虑厚度影响

ANSYS程序可以用KEYOPT（11）来考虑壳（2D和3D）和梁（2D）的厚度。默认情况下，程序不考虑单元厚度；当KEYOPT（11）=1时，则考虑梁或壳的厚度，从底面或顶面来计算接触距离，建模时要考虑到厚度，记住刚性目标面会向任一边移动半个梁或壳单元的厚度，当使用SHELL181单元时，在变形期间厚度的变化也将被考虑。

● 使用时间步长控制

时间步长控制是一个自动时间步长特征，这个特征用于预测接触单元的状态。使用KEYOPT（7）来控制时间步长。KEYOPT（7）=0时，不提供控制；KEYOPT（7）=1时， 如果一次迭代期间有太大的渗透发生或者接触状态突然变化，则进行时间步长二分；KEYOPT（7）=2时，对下一个子步预测一个合理的时间增量；KEYOPT（7）=3时，对下一个子步预测一个最小的时间增量。 

●使用“死活”单元选项 

面-面接触单元允许激活或“杀死”单元，即可以在分析的某一阶段中“杀死”某个单元而在以后的阶段再激活它，这个特征对于模拟复杂的金属成形过程非常有用，例如回弹模拟常常需要在成形过程的后期移走刚性工具。 

步骤7：控制刚性目标面的运动 

通过“pilot”节点来定义整个刚性目标面的运动。 

“pilot”节点的厚度代表整个刚性面的运动，可以在“pilot”节点上给定边界条件（位移、初速度）、集中载荷等，为了考虑刚体的质量，可以在“pilot”节点上定义一个质量单元。 

步骤8：施加边界条件 

加载过程与其他的分析类型相同。 

步骤9：定义求解载荷步选项 

接触问题的收敛性随具体问题的不同而不同，下面列出了一些典型的在大多数面-面的接触分析中推荐使用的选项： 

●时间步长必须足够小以描述适当的接触。如果时间步长太大，则接触力的光滑传递会被破坏，设置精确时间步长可信赖的方法是打开自动时间步长。 

●如果在迭代期间接触状态变化，可能发生不连续，为了避免收敛太慢，使用修改的刚度矩阵，将牛顿-拉普森选项设置成FULL，不要使用自适应下降因子。 

●设置合理的平衡迭代次数，一个合理的平衡迭代次数通常在25和50之间。 

●因为大的时间增量会使迭代趋向于不稳定，可使用线性搜索选项来使计算稳定化。 

●打开时间步长预测器选项，大转动和动态分析中需关闭。 

步骤10：求解 

求解过程设置与一般的非线性问题求解过程相同。 

步骤11：检查结果 

后处理过程设置与一般的非线问题后处理过程相同。可以在通用后处理器（POST1）或时间历程后处理器（POST26）中查看结果。 

3.热接触模拟 

可以应用面-面接触单元，结合热-结构耦合场实体单元，来模拟在接触面之间的热传导。为了激活结构自由度和热自由度，要设置KEYOPT（1）=1。支持下面的热接触特性： 

●两个接触面之间的热接触传导。 

●从一个“自由面”到周围，或两个小间隙分离面之间的热对流（“近场”对流）。 

●从一个“自由面”到周围，或两个小间隙分离面之间的热辐射（“近场”辐射）。 

●由摩擦耗散而产生的热。 

●热通量输入。 

（1）热接触行为与接触状态 

每个接触对可覆盖一个或多个热接触特性。激活哪个特性取决于接触状态。 

●闭合接触：热接触传导在两个接触面间传热。 

●摩擦滑动：摩擦耗散能量，在接触面和目标面上生成热。 

●近场接触：考虑了接触面和目标面之间的热对流和热辐射。 

●自由面接触：考虑了接触面和周围之间的热对流和热辐射。

（2）自由热表面

如果要模拟自由表面热对流、自由表面热辐射或施加了热流值的表面，用户可定义自由热表面。自由热表面可以是一个接触面而无相应的目标面（即无目标单元的接触对）。也可以设置目标单元类型定义的 KEYOPT（3）=1来定义一个自由热表面。在设置了这个 KEYOPT 时，只要检测到接触张开，就要考虑自由表面辐射和对流。这种情况下，在接触面和目标面之间无对流或辐射热传递。

（3）目标面上的温度

对于界面热传导、近场热传导或近场辐射，需要求解接触面和目标面的温度。在目标表面和接触检测点法线之间的交点上的温度代表目标温度。控制节点上的温度代表整个刚性目标面上的温度（如果存在控制节点）。

（4）传导模拟

为了考虑接触面与目标面之间的热交换，用户需要通过一个实常数表来指定热接触传导系数 TCC。用户可以用表格输入把 TCC 定义为接触压力（压力表）、接触检测点温度（温度表）、时间和接触检测点位置（X、Y、Z表）的函数。为了模拟存在小间隙的两个面之间的接触传导，应用 KEYOPT（12）=4或5来定义“绑定接触”或“不分开接触”选项。

（5）对流模拟

为了模拟对流热交换，用户必须应用 SFE 命令指定热对流系数 CONV。CONV可以是一常数（只允许均匀的）或是通过表格输入的作为温度、时间、位置的函数。对于自由面对流，用户必须通过 SFE 命令指定体积温度。

（6）辐射模拟

为了模拟辐射热交换，用户必须指定下列条件之一：

1）通过材料特性定义热辐射系数 EMIS。

2）通过实常数定义 Stefan-Boltzman 常数。如果这个值未定义，将不包括辐射效应。

3）偏量温度 TOFFST。如按华氏度或摄氏度来定义数据，必须用 TOFFST 命令指定一个温度偏量值。

4）辐射观察系数 RDVF，通过实常数定义，仅用于近场辐射，默认为1。它可定义为温度、间隙距离、时间、位置的函数。对于远场辐射，RDVF 设置为0，并忽略用户指定的值。其他自由表面条件使用用户指定的RDVF。

5）环境（外界）温度，它仅用于自由辐射，以 KVAL=2 和 CONV 为表格参数，用 SFE 命令输入（这与自由表面对流模拟中的体积温度相同）。

（7）摩擦生热的模拟

为了模拟摩擦耗散能量的热生成，用户应当执行瞬态热-结构耦合分析。如果用户希望的话，可以应用 TIMINT，STRUC，OFF 命令关闭结构自由度上的瞬态效应。但是，必须包括热自由度上的瞬态效应。需要两个实常数：

1）FHTG 是转换成热的摩擦耗散能量（默认为1.0）。

2）FWGT 是接触面和目标面之间热分布的权重系数（默认为0.5）。

（8）外部热通量模拟

用户可以通过 SFE 命令给接触单元施加热通量，注意只能施加均匀热通量。热通量不能施加于目标单元。然而，对于近场接触，外部热通量施加于接触面，将贡献到目标单元。

对于自由热表面，如目标单元的KEYOPT（3）=1，则外热通量仅施加于接触面。对于一个给定的接触单元，必须指定CONV和HFLUX二者之一。然而，用户可以定义两个不同的接触对：一个模拟对流，另一个模拟热通量。