1、 Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司 第七讲 接触非线性 王慎平 北京怡格明思软件技术有限公司 Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司概述 简介 主/从方法和隐含假设 定义双面接触概述 定义面的规则 局部表面行为 接触问题中点的相对滑动 接触问题中调整初始节点位置 接触输出 完全约束的接触行为 刚体 Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司简介 什么是接触?当两个实体接触时，力通过它们的接触表面传递。在某些情况下，只传递垂直接触表面的力。如果存在摩擦
2、，沿接触表面的切向传递切向力。一般目标：确定接触面积和传递的应力。接触是严重不连续形式的非线性行为,是一类特殊的不连续约束。或者施加约束（表面不可以互相穿透），或者忽略约束。Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司 为什么要定义接触？除非用户指定可能会接触的表面和/或节点，ABAQUS现在还不能检测接触。Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司“Detroit Edison pipe whip experiment,”ABAQUS例子手册2.1.2节接触例子-间隙接触用节点与节点接触的方式为点接触建模。
3、Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司赫兹接触 接触面之间的相对位移很小。分布表面的接触。例子选自“Coolant manifold cover gasketed joint,”ABAQUS例子手册5.1.3 节 Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司 变形体之间的有限滑动接触 这是最一般类型的接触。例子：螺纹连接。这些问题一般包含初始的过盈配合由于过盈精度引起的接触压力的分布 Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司自接触单个表面与它自身接触称为自接触
4、。在ABAQUS的二维和三维模型中可用。在分析过中，当表面严重变形时，使用自接触将非常方便。对于某些问题，在分析之前不可能确定单个的接触区域，或者确定接触区域是非常困难的。把单个接触表面作为接触对定义自接触，而不是通过两个不同的表面定义。最小主应力云图SURF1(刚体)SURF2例子：橡胶垫片的压缩(选自“Self-contact in rubber/foam components:rubber gasket,”ABAQUS例子手册1.1.17 节)Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司例子：金属成型模拟变形体与刚体的接触变形体与刚体的接触:l
5、表面之间的有限滑动（大位移）。l 变形组件之间的有限应变。典型例子：成型模拟(刚体砧/模具、可变形组件。)Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司使用刚体表面减少计算时间使用刚体表面减少计算时间 对于两个相互接触的物体，如果其中一个物体比另外的物体刚硬许多，可以将较为刚硬的物体指定为刚体；如，金属成型过程中的砧。l ABAQUS不需要求解刚体的变形。l在参考点，最多利用六个自由度就可以模拟刚体的运动。有三种方法，可以以几何的方式定义刚体表面有三种方法，可以以几何的方式定义刚体表面：l定义解析刚体表面。l使用单元类型组合定义刚体（包括刚体单元），并将
6、物体声明为刚体（一般刚体功能）。l写用户子程序(RSURFU)定义表面(只有ABAQUS/Standard可用)。Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司主/从方法和隐含假设 Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司 因为接触表面下面的实体被离散化，接触表面也必须被离散化。接触表面分为:主面从面 Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司 ABAQUS/Standard中使用的严格的主/从接触算法。从属表面的节点不能穿透到主控表面。主控表面的节点可以穿透到从属
7、表面。Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司在多数情况下，ABAQUS/Explicit使用平衡的主/从算法。两次应用单纯的主-从接触算法，并平均化。在第二次施加接触约束时，交换主/从表面。使接触物体之间的侵彻达到最小化。Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司接触方向总是与主控表面垂直。沿主控表面的法向检查接触条件。沿主控表面的法向传递接触力。沿接触表面的切向传递摩擦力。Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司定义双面接触概述 Innovating th
8、rough simulation北京怡格明思工程技术有限公司定义接触的三个步骤：定义接触表面。定义接触对。定义接触属性。123 Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司 输入文件中，完整定义接触句法的例子：*SURFACE,NAME=ASURFSLIDER,S1*SURFACE,NAME=BSURFBLOCK,S3*CONTACT PAIR,INTERACTION=FRIC1ASURF,BSURF*SURFACE INTERACTION,NAME=FRIC1 1.0,*FRICTION 0.4,Innovating through simulati
9、on北京怡格明思工程技术有限公司定义表面定义表面 利用*SURFACE选项定义表面。利用每个单元集的表面标识符指定面。可以用单元集的名字或单元号指定表面。*SURFACE,NAME=ASURFSLIDER,S1*SURFACE,NAME=BSURFBLOCK,S3接触发生在单元集SLIDER的底部(S1)接触发生在单元集的BLOCK顶部(S3)Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司定义表面接触属性定义表面接触属性*SURFACE INTERACTION选项定义表面接触属性。定义表面行为属性，比如摩擦。对于二维问题，定义接触面在垂直平面方向的厚度。
10、Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司*CONTACT PAIR,INTERACTION=FRIC1 ASURF,BSURF*SURFACE INTERACTION,NAME=FRIC1 1.0,*FRICTION 0.4,*SURFACE INTERACTION的子选项，列出表面的基本属性接触面在垂直平面方向的厚度 Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司 定义接触对定义接触对定义表面和接触属性之后，就可以定义“接触对”。在分析过程中，接触对指定了两个相互接触的表面。在ABAQUS/Standard
11、中，第一个表面为从属表面，第二个表面为主控表面。在ABAQUS/Explicit中，表面的顺序一般不影响接触计算。*CONTACT PAIR,INTERACTION=FRIC1ASURF,BSURF Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司定义面的规则 Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司定义面的规则 在变形体或划分网格的刚体上，使用*SURFACE,TYPE=ELEMENT选项定义表面。通过指定单元表面标识符定义表面。让ABAQUS自动确定连续体单元的“自由表面”。使用*SURFACE,TYPE=
12、SEGMENTS|CYLINDER|REVOLUTION 选项和*RIGID BODY选项定义解析刚体表面。使用*SURFACE,TYPE=NODE选项，定义可能接触的节点表面。Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司在实体单元上定义表面在实体单元上定义表面 使用表面标识符使用表面标识符例子：4-节点四面体单元(CPE4,CAX4,等等)*SURFACE,NAME=EXAMPLE11,S41,S12,S12,S2.Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司 使用自动的表面定义使用自动的表面定义*SURFA
13、CE,NAME=EXAMPLE2ELSET1,没有面标识符 Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司 在结构单元上定义表面在结构单元上定义表面(壳、薄膜、壳、薄膜、刚体、梁刚体、梁)结构单元的法向表示预期的接触方向。法向基于单元局部的节点编号。正的法线方向在=SPOS 表面。负的法线方向在=SNEG 表面。壳和薄膜(S4R,S8R,M3D4,等)2-D 桁架和梁(B21,T2D2,等)Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司在所定义的表面集之内，表面法向的定义必需一致。*ELEMENT,TYPE=B21
14、,ELSET=BOTTOM10,1,211,2,312,3,6*ELEMENT,TYPE=B21,ELSET=TOP20,4,521,5,6*ELSET,ELSET=BEAMSBOTTOM,TOP*SURFACE,NAME=SURF1BOTTOM,SPOSTOP,SNEG*SURFACE,NAME=SURF1BEAMS,SPOS Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司 解析刚体表面所有的刚体表面将被作为主控表面；刚体表面的自由度与刚体的参考节点相关联，而不是表面上的点。使用*SURFACE选项，有三种可用的解析表面：使用TYPE=SEGMENTS
15、定义二维刚体表面。使用TYPE=CYLINDER定义三维刚体表面，在垂直于平面方向无限延伸。使用TYPE=REVOLUTION定义旋转的三维表面。Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司 基于节点的表面基于节点的表面 与指定单元表面定义接触表面的方法不同，基于节点的表面只包含节点。基于节点的表面一般被用作从属表面。Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司 基于节点表面的例子：定义包含接触节点的表面前面定义的表面线：基于节点的表面球：基于单元的表面*SURFACE,TYPE=NODE,NAME=STRIN
16、GSSTRINGS,*CONTACT PAIR,INTERACTION=SMOOTHSTRINGS,BALL Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司 表面定义的限制接触表面下所有的单元必须协调。它们必须：维数相同（二维或三维）。对于二维表面：所有单元为平面的或轴对称的（不可以两种都有）。插值阶数相同（一阶或二阶）。所有单元为可变形的或所有单元为刚体（不可以两种都有）。对于ABAQUS/Standard中的主控表面和ABAQUS/Explicit中的所有表面，还有附加的限制：在不离开表面、穿过表面或通过单个点穿越表面的前提下，必须可以跨过表面中的两
17、个任意的点。Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司 对于三维情况，限制的例子。需要穿过或离开表面才能跨过。合法的、封闭的3-D主表面合法的、简单连接的3-D主表面不合法的3-D主表面不合法的3-D主表面不可以通过一个点跨过 Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司局部表面行为 Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司一般的接触建模包括不同方向的接触相互作用：主控表面的法向 表面的切向 Innovating through simulation北京怡格明思工
18、程技术有限公司接触法向行为接触法向行为 硬接触在所有接触问题中，“硬”接触是默认的局部行为。硬接触可以通过经典的拉格朗日乘子方法实施，或者通过增广拉格朗日方法实施：压力间距关系*surface interaction,name=.*surface behavior,augmented lagrange Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司 除硬接触外，其它的方法作为*SURFACE INTERACTION 选项的子选项*SURFACE BEHAVIOR选项用于指定：软接触（指数或表格方式表达的压力-间距关系）没有分离的接触其它选项：间距相关的粘
19、性阻尼(*CONTACT DAMPING)。带有过盈或拉伸接触力的接触(*CONTACT CONTROLS;只有ABAQUS/Standard可用)。Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司接触的切向行为接触的切向行为两个实体之间的接触面可能存在摩擦 剪切应力。如果剪切应力达到某个临界值，实体之间可能会发生相对滑动；否则它们粘在一起。Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司摩擦可以引起高度的非线性效应。很难获得解。除非物理上必要，尽量不要使用。摩擦是非保守的。在ABAQUS/Standard中，摩擦将导
20、致系统方程的不对称。对于较大的摩擦系数(0.2)，*STEP,UNSYMM=YES选项将自动启用。使用UNSYMM=NO将减缓收敛速度，但是解将是正确的（如果得到）。它可能会使用更少的磁盘空间。在ABAQUS/Explicit中，过大的摩擦系数将不会引起类似的问题，因为不需要求解系统方程组。Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司默认情况下，ABAQUS使用库伦摩擦模型。临界摩擦应力取决于接触压力：cr=p。基本句法：*FRICTION 摩擦系数可以是相对滑动速度、压力、温度和场变量的函数。出于计算的考虑，ABAQUS/Standard中默认的摩擦
21、模型对理想行为作一定的近似：在达到不可恢复滑动发生之前，允许小量的弹性滑动。,eqipf().Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司可以定义混合的静动摩擦模型。作为滑动速度 函数的摩擦系数，从s（静摩擦系数）到k（动摩擦系数）以指数方式衰退。还有其它可用的摩擦行为，包括用户自定义的摩擦模型。：(在ABAQUS/Standard中为FRIC 在ABAQUS/Explicit中为VFRIC)。,Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司接触问题中点的相对滑动 Innovating through simul
22、ation北京怡格明思工程技术有限公司 两种滑动距离选项：有限滑动：默认为有限滑动，有限滑动是最通用的滑动方式。在接触表面之间，允许任意大的滑动和旋转。小滑动：在接触表面之间，允许小的相对滑动。只要接触表面之间没有大的相对移动，允许接触表面 之间有大的转动。相比有限滑动，具有较小的计算费用。Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司 有限滑动在有限滑动问题中的主控表面，最好使用延伸到角点之外的定义。它们将防止从属节点“跌落”到主表面的后面或被主表面的后面捕获。对于ABAQUS/Standard中的接触模拟，这是尤为重要的。不合适的定义(修整过的)合适
23、的(未修整的)主控表面定义 Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司 小滑动*CONTACT PAIR,INTERACTION=FRIC1,SMALL SLIDING 小滑动问题不需要通用的有限滑动算法。在整个分析过程中，从属节点与主控表面上预先确定的、固定数量的节点相互作用。只是在分析开始时进行接触搜寻，所以不需要复杂的有限滑动搜寻算法。优点：相对有限滑动，有更低的计算费用，尤其是三维问题。Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司 小滑动接触约束在分析开始时，ABAQUS将确定哪些节点是相互接触的。右
24、图为小滑动选项基础之上，节点101和它的主控表面BSURF之间可能的接触演化方式。Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司主控表面上，以内插值方式得到节点201和202之间部分的法向量指向从属节点101。在分析过程中，节点101不可以穿过垂直于法向量的平面。因为接触线没有端点，所以从属节点不可能“滑出”接触线。在分析过程中，如果使用NLGEOM选项，平面的方向将基于节点201和202的变形而更新。Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司接触问题中调整初始节点位置 Innovating through s
25、imulation北京怡格明思工程技术有限公司在分析之前，可以调整接触面中节点的初始位置，并且不产生任何的应力和应变。ABAQUS/Standard允许用户通过指定绝对距离或节点集的方式调整节点位置。*CONTACT PAIR,ADJUST=distance|node set name Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司 指定需要调整的绝对距离：*CONTACT PAIR,INTERACTION=FRIC1,ADJUST=a在调整范围内，初始张开的从属节点将被移到主控表面上。调整距离沿主控表面的法向度量。所有初始过盈的从属节点被重新放在主控表
26、面上。Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司 指定需要调整的从属节点集：指定需要调整的从属节点集：在分析过程中，不在节点集中并带有初始过盈的从属节点将保持过盈，并产生应变。这些应变将被施加在接触面上。指定 ADJUST node set的例子：*NSET,NSET=CONNODE,GENERATE1,8,1*CONTACT PAIR,INTERACTION=RIG,ADJUST=CONNODE Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司ABAQUS/Explicit不允许接触表面的初始过盈。在分析之前，
27、接触面上的节点将被自动调整，以删除任何的初始过盈。在随后的分析步中，这样的调整将引起应变。大量的调整将引起初始单元形状的严重扭曲。如果发现这样的错误信息，最好需要运行datacheck分析，并利用ABAQUS/Viewer查找问题。Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司接触输出 Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司 在使用*CONTACT OUTPUT、*CONTACT FILE或*CONTACT PRINT选项之后，所有接触表面的接触信息都是可用的。对于ABAQUS/Standard和ABAQU
28、S/Explicit：接触应力：CSTRESS(接触压力CPRESS和摩擦剪切应力CSHEAR1和 CSHEAR2)对于ABAQUS/Standard，还可以得到：接触位移：CDISP(接触张开距离COPEN和相对切向运动CSLIP1和 CSLIP2)对于ABAQUS/Explicit，还可以得到：滑动速度：FSLIPR 累计的滑动距离：FSLIP Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司附加的可用输出变量包括：输出变量描述CAREA接触中从属表面的全部面积接触中从属表面的全部面积CFNCFS 由从属表面上的接触压力和摩擦剪应力各自引起的全部由从属
29、表面上的接触压力和摩擦剪应力各自引起的全部力向量力向量CMNCMS由从属表面上的接触压力和摩擦剪应力各自引起的、关由从属表面上的接触压力和摩擦剪应力各自引起的、关于原点的全部弯矩向量于原点的全部弯矩向量CFTCFN 和和 CFS的向量和的向量和CMTCMN 和和 CFS的向量和的向量和XN点的坐标，从属表面上的接触压力对该点的全部弯矩为点的坐标，从属表面上的接触压力对该点的全部弯矩为零零XS点的坐标，从属表面上的摩擦力对该点的全部弯矩为零点的坐标，从属表面上的摩擦力对该点的全部弯矩为零XT点的坐标，从属表面上的接触压力和摩擦力对该点的全点的坐标，从属表面上的接触压力和摩擦力对该点的全部弯矩为零
30、部弯矩为零 Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司与ABAQUS/Standard中接触分析相关的，用于生成与打印输出相关的两个其它选项为：*PREPRINT,CONTACT=YES:在前处理过程中，控制打印到输出文件的输出给出内部生成的接触单元的细节推荐用于小滑动接触问题，用于验证主-从节点的相互作用用于检测表面定义和相互接触的正确性*PRINT,CONTACT=YES:在分析过程中，用于控制信息文件的输出给出迭代过程的细节用于分析在接触计算过程中出现的数值问题 Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限
31、公司主/从方法中网格密度的考虑 Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司从属表面的网格应该比主控表面的网格更密。如果网格密度相同，从属表面所占的部分应该选择较软的材料。不正确主面的网格较密 穿透到从属表面的部分较多。正确主面的网格较稀 穿透到从属表面的部分较少。Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司ABAQUS/Standard中的接触逻辑 Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司接触算法检查平衡6进行迭代3确定接触状态1不施加约束2检查接触状态的变化4点
32、张开；严重不连续迭代5施加约束2点接触；严重不连续迭代5开始增量步张开接触p 0接触增量步没有变化不收敛7收敛8 Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司在ABAQUS/Explicit中定义接触 Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司通用接触 通用接触用于多组件，并具有复杂拓扑关系的模型建模 容易使用“自动接触”节省生成模型的时间 通用接触算法一般比双面接触算法快在在“ABAQUS/Explicit:Advanced Topics”课程中将详细讨论通用接触。课程中将详细讨论通用接触。Innovati
33、ng through simulation北京怡格明思工程技术有限公司 常用的、最简单的接触定义：*CONTACT*CONTACT INCLUSIONS,ALL ELEMENT BASED 整个模型的“自动接触”分析中的接触定义逐渐变得更加详细全局/局部摩擦系数和其它接触属性用户控制的接触厚度（尤其是壳）以接触对的方式制定接触域（而不是ALL ELEMENT BASED）Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司 可以为指定的接触区域独立的分配接触属性*CONTACT*CONTACT INCLUSIONS,ALL ELEMENT BASED*CONT
34、ACT PROPERTY ASSIGNMENT,prop_1(以全局的方式重新制定属性)alum_surf,steel_surf,prop_2(局部修改)alum_surf,alum_surf,prop_3(局部修改)Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司将接触对作为部分的历程数据 Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司在输入文件中，对于ABAQUS/Explicit，将接触对定义作为历程数据的一部分。*HEADING.*STEP*DYNAMIC,EXPLICIT,200E-3*CONTACT PA
35、IRASURF,BSURF.*END STEP可以根据需要，以分析步为基础，定义接触对、或删除接触对。Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司*CONTACT PAIR选项可以包含OP参数，OP参数可以的值为ADD或DELETE。例子：*STEP*DYNAMIC,EXPLICIT.*CONTACT PAIRASURF,BSURF*END STEP*STEP.*CONTACT PAIR,OP=DELETEASURF,BSURF*CONTACT PAIR,OP=ADDBSURF,CSURF*END STEP删除包含表面ASURF和BSURF的接触对。添
36、加包含表面BSURF和CSURF的接触对。Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司实施接触约束 Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司 可以用下面的算法之一实施接触约束：运动依从（只有接触对算法可用）罚函数 多数情况下，运动依从算法和罚函数算法将得到几乎一致的结果。然而，在某些情况下，一种方法可能比另一种方法更可取。Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司 运动依从接触l默认的运动接触公式达到的计算精度与接触条件相一致。在多数情况下，它工作得很好。但是在某
37、些情况下，如抖动接触，使用罚函数接触会更容易得到收敛的解。l不能为刚体-刚体接触建模。l只对接触对算法可用。Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司 罚函数接触l罚函数接触算法中接触约束的严格性低于运动学算法。l罚函数算法可以处理更一般类型的接触；比如，刚体之间的接触。因为罚函数算法在模型中引入附加刚度，该附加刚度将影响稳定时间增量。l通用接触算法中使用罚函数接触约束。l如果需要在接触对算法中使用罚函数接触约束：在*CONTACT PAIR选项中，设置MECHANICAL CONSTRAINT参数为 PENALTY。Innovating through simulation北京怡格明思工程技术有限公司ABAQUS/Explicit自动计算由侵彻距离引入的“弹簧”刚度或“罚”刚度。但是必须考虑相关的影响：应该尽量减少对稳定时间增量的影响。在所有的分析中，允许的侵彻不可以太大。对于接触对算法：通过在*CONTACT CONTROLS选项指定SCALE PENALTY参数。对于通用接触算法：可以使用*CONTACT CONTROLS ASSIGNMENT,TYPE=SCALE PENALTY 选项缩放罚刚度。
