接触 — CAE用語解説

接触は本質的に非線形制約問題で、「どの面とどの面が接触するか」がデフォルメとともに変化する。接触しているかどうかで剛性マトリクスのサイズと構造が変わるし、摩擦があるとさらに接線方向の拘束条件が加わる。変位が大きければ接触点が移動するため幾何非線形も考慮が必要だ。収束が難しく、よく「negative eigenvalue」や「excessive element distortion」が出て解析が止まる。経験を積んで設定を学ぶ必要がある。

ペナルティ法は接触面の食い込み量に比例した反力（罰則力）を加える方法で、実装が簡単で収束も比較的安定している。欠点はペナルティ剛性の設定が難しく、大きすぎると剛性マトリクスが悪条件になってイル条件化し、小さすぎると食い込みが許容以上になる。Lagrange乗数法は接触制約を厳密に満たして食い込みゼロにできるが、自由度が増えて計算コストが上がる。AugmentedLagrange法はその中間で、実際のソルバー（Abaqus/Standard）ではこれがデフォルトに近い。

プリテンション（軸力）の正確な導入が最重要だ。Abaqusなら*PRETENSIONセクション、Ansysなら bolt pretension要素を使って締付力を定義する。接触面の摩擦係数μは実測値を使うこと——μが少し変わるだけで接触圧力分布が変わる。摩擦はStatic/Kinetic/Exponential decay則で定義できる。さらに初期すきまの設定（Clearance）、接触面の粗さによる弾性接触コンプライアンス（Augmented Stiffness）なども精度に影響する。Abaqusの汎用接触（General Contact）は設定が簡便で多体接触に向いている。

まず収束履歴（force residualとdisplacement correction）を確認して、どこでつまずいているか特定する。よくある原因は①初期接触が適切に定義されていない（接触面が最初から重なっているか離れすぎ）、②摩擦係数が大きすぎてスティックスリップが激しい、③荷重ステップが大きすぎる。対処法はステップ数を増やす（Automatic Stabilizationも有効）、初期接触状態を「小さな隙間0.1mm」に設定する、摩擦係数を段階的に増やす（荷重増分で漸増）などだ。Abaqusのcontact controls設定も活用しよう。

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