1、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,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,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，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。,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
2、在还不能检测接触。,“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。,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,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,自接触 单个表面与它自身接触称为自接触。在ABAQUS的二维和三维模型中可用。 在分析过中，当表面
3、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),例子：金属成型模拟,变形体与刚体的接触:表面之间的有限滑动（大位移）。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。),使用刚体表面减少计算时间对于两个相
4、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。ABAQUS不需要求解刚体的变形。 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： 定义解析刚体表面。 使用单元类型组合定义刚体（包括刚体单元），并将物体声明为刚体（一般刚体功能）。 写用户子程序(RSURFU)定义表面 (只有ABAQUS/Standard可用)。,主/从方法和隐含假设,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,ABAQUS/Standard中使用的严格的主/从接触算法。 从属表
5、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表面。,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。,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。,定义双面接触概述,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。,1,2,3,输入文件中，完整定义接触句法的例子： *SURFACE, NAME=ASURF SLIDER, S1 *SURFACE, NAME=BS
6、URF BLOCK, S3 *CONTACT PAIR, INTERACTION=FRIC1 ASURF, BSURF *SURFACE INTERACTION, NAME=FRIC11.0, *FRICTION0.4,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=ASURF SLIDER, S1 *SURFACE, NAME=BSURF BLOCK, 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),定义表面接触属性*SURFACE INTERA
7、CTION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。,*CONTACT PAIR, INTERACTION=FRIC1ASURF, BSURF *SURFACE INTERACTION, NAME=FRIC11.0, *FRICTION0.4,*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,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中，第一个表面为从属表面，第二个表面为主控表面。 在ABAQ
8、US/Explicit中，表面的顺序一般不影响接触计算。,*CONTACT PAIR, INTERACTION=FRIC1 ASURF, BSURF,定义面的规则,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=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。,在实体单元上定义表面
9、 使用表面标识符 例子： 4-节点四面体单元 (CPE4, CAX4, 等等) *SURFACE, NAME=EXAMPLE1 1, S4 1, S1 2, S1 2, S2 .,使用自动的表面定义 *SURFACE, NAME=EXAMPLE2 ELSET1,没有面标识符,在结构单元上定义表面 (壳、薄膜、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),在所定义的表面集之内，表面法向的定义必需一致。 *
10、ELEMENT, TYPE=B21, ELSET=BOTTOM 10, 1, 2 11, 2, 3 12, 3, 6 *ELEMENT, TYPE=B21, ELSET=TOP 20, 4, 5 21, 5, 6 *ELSET, ELSET=BEAMS BOTTOM, TOP,*SURFACE, NAME=SURF1 BOTTOM, SPOS TOP, SNEG,*SURFACE, NAME=SURF1 BEAMS, SPOS,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
11、=SEGMENTS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。,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。,基于节点表面的例子：,线：基于节点的表面,球：基于单元的表面,*SURFACE, TYPE=NODE, NAME=STRINGS STRINGS, *CONTACT PAIR, INTERACTION=SMOOTH STRINGS, BALL,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（
12、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个任意的点。,对于三维情况，限制的例子。,局部表面行为,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,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
13、广拉格朗日方法实施：,压力间距关系,*surface interaction, name=. *surface behavior, augmented lagrange,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)。,接触的切向行为 两个实体之间的接触面可能存在摩擦
14、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。,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。,默认情况下，ABAQUS使用库伦摩擦模型。 临界摩擦应力取决于
15、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。,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m ，从ms（静摩擦系数）到mk（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)。,接触问题中点的相对滑动,两种滑动距离选项： 有限滑动： 默认为有限滑动，有
16、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。,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),合适的 (未修整的)主控表面定义,小滑动 *CONTACT PAIR, INTERACTION=FRIC1, SMALL SLIDING 小滑动问题不需要通用的
17、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。,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。,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NLGEO
18、M选项，平面的方向将基于节点201和202的变形而更新。,接触问题中调整初始节点位置,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,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面上。,指定需要调整的从属节
19、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, GENERATE 1, 8, 1 *CONTACT PAIR, INTERACTION=RIG, ADJUST=CONNODE,ABAQUS/Explicit不允许接触表面的初始过盈。 在分析之前，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
20、用ABAQUS/Viewer查找问题。,接触输出,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ABAQUS/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：FS
21、LIP,附加的可用输出变量包括：,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,主/从方法中网格密度的考虑,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
22、。,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。,ABAQUS/Standard中的接触逻辑,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,h 0,接触增量步,没有变化,不收敛,7,在ABAQUS/Explicit中定义接触,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“ABAQUS/Explici
23、t: Advanced Topics”课程中将详细讨论通用接触。,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）,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 *CONTACT PROPERTY ASSIGNMENT, , prop_1 (以全
24、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),将接触对作为部分的历程数据,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 PAIR ASURF, 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。,*CONTACT PAIR选项可以包含OP参数，OP参数可以的值为ADD或DE
25、LETE。 例子： *STEP *DYNAMIC, EXPLICIT . . *CONTACT PAIR ASURF, BSURF *END STEP *STEP . . *CONTACT PAIR, OP=DELETE ASURF, BSURF *CONTACT PAIR, OP=ADD BSURF, CSURF *END STEP,实施接触约束,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。,运动依从接触 默认的运动接触公式达到的计算精度与接触条件相一
26、致。 在多数情况下，它工作得很好。但是在某些情况下，如抖动接触，使用罚函数接触会更容易得到收敛的解。 不能为刚体-刚体接触建模。 只对接触对算法可用。,罚函数接触 罚函数接触算法中接触约束的严格性低于运动学算法。 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。 通用接触算法中使用罚函数接触约束。 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。,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。,
