abaqus第七講：abaqus接觸分析解析課件

1、 第七講 接觸非線性 王慎平 北京怡格明思軟件技術有限公司 概述簡介主/從方法和隱含假設定義雙面接觸概述定義面的規(guī)則局部表面行為接觸問題中點的相對滑動接觸問題中調整初始節(jié)點位置接觸輸出完全約束的接觸行為剛體簡介什么是接觸?當兩個實體接觸時，力通過它們的接觸表面?zhèn)鬟f。在某些情況下，只傳遞垂直接觸表面的力。如果存在摩擦，沿接觸表面的切向傳遞切向力。一般目標： 確定接觸面積和傳遞的應力。接觸是嚴重不連續(xù)形式的非線性行為,是一類特殊的不連續(xù)約束?；蛘呤┘蛹s束（表面不可以互相穿透），或者忽略約束。為什么要定義接觸？除非用戶指定可能會接觸的表面和/或節(jié)點，ABAQUS現(xiàn)在還不能檢測接觸?！癉etroit

2、Edison pipe whip experiment,” ABAQUS例子手冊2.1.2節(jié)接觸例子-間隙接觸用節(jié)點與節(jié)點接觸的方式為點接觸建模。赫茲接觸 接觸面之間的相對位移很小。 分布表面的接觸。例子選自 “Coolant manifold cover gasketed joint,” ABAQUS例子手冊5.1.3 節(jié) 變形體之間的有限滑動接觸 這是最一般類型的接觸。例子：螺紋連接。這些問題一般包含初始的過盈配合由于過盈精度引起的接觸壓力的分布自接觸單個表面與它自身接觸稱為自接觸。在ABAQUS的二維和三維模型中可用。在分析過中，當表面嚴重變形時，使用自接觸將非常方便。對于某些問題，在分

3、析之前不可能確定單個的接觸區(qū)域，或者確定接觸區(qū)域是非常困難的。把單個接觸表面作為接觸對定義自接觸，而不是通過兩個不同的表面定義。最小主應力云圖SURF1 (剛體)SURF2例子：橡膠墊片的壓縮 (選自 “Self-contact in rubber/foam components: rubber gasket,” ABAQUS例子手冊1.1.17 節(jié))例子：金屬成型模擬變形體與剛體的接觸: 表面之間的有限滑動（大位移）。 變形組件之間的有限應變。典型例子：成型模擬 (剛體砧/模具、可變形組件。)使用剛體表面減少計算時間 對于兩個相互接觸的物體，如果其中一個物體比另外的物體剛硬許多，可以將較為剛

4、硬的物體指定為剛體；如，金屬成型過程中的砧。 ABAQUS不需要求解剛體的變形。在參考點，最多利用六個自由度就可以模擬剛體的運動。有三種方法，可以以幾何的方式定義剛體表面：定義解析剛體表面。使用單元類型組合定義剛體（包括剛體單元），并將物體聲明為剛體（一般剛體功能）。寫用戶子程序(RSURFU)定義表面 (只有ABAQUS/Standard可用)。主/從方法和隱含假設因為接觸表面下面的實體被離散化，接觸表面也必須被離散化。接觸表面分為:主面從面ABAQUS/Standard中使用的嚴格的主/從接觸算法。從屬表面的節(jié)點不能穿透到主控表面。主控表面的節(jié)點可以穿透到從屬表面。在多數(shù)情況下，ABAQU

5、S/Explicit使用平衡的主/從算法。兩次應用單純的主-從接觸算法，并平均化。在第二次施加接觸約束時，交換主/從表面。使接觸物體之間的侵徹達到最小化。接觸方向總是與主控表面垂直。沿主控表面的法向檢查接觸條件。沿主控表面的法向傳遞接觸力。沿接觸表面的切向傳遞摩擦力。定義雙面接觸概述定義接觸的三個步驟： 定義接觸表面。 定義接觸對。 定義接觸屬性。123 輸入文件中，完整定義接觸句法的例子：*SURFACE, NAME=ASURFSLIDER, S1*SURFACE, NAME=BSURFBLOCK, S3*CONTACT PAIR, INTERACTION=FRIC1ASURF, BSURF

6、*SURFACE INTERACTION, NAME=FRIC1 1.0,*FRICTION 0.4,定義表面利用*SURFACE選項定義表面。利用每個單元集的表面標識符指定面?？梢杂脝卧拿只騿卧栔付ū砻?。 *SURFACE, NAME=ASURFSLIDER, S1*SURFACE, NAME=BSURFBLOCK, S3接觸發(fā)生在單元集SLIDER的底部 (S1)接觸發(fā)生在單元集的BLOCK頂部 (S3)定義表面接觸屬性 *SURFACE INTERACTION選項定義表面接觸屬性。定義表面行為屬性，比如摩擦。對于二維問題，定義接觸面在垂直平面方向的厚度。*CONTACT PAIR

7、, INTERACTION=FRIC1 ASURF, BSURF*SURFACE INTERACTION, NAME=FRIC1 1.0,*FRICTION 0.4,*SURFACE INTERACTION的子選項，列出表面的基本屬性接觸面在垂直平面方向的厚度 定義接觸對定義表面和接觸屬性之后，就可以定義“接觸對”。在分析過程中，接觸對指定了兩個相互接觸的表面。在ABAQUS/Standard中，第一個表面為從屬表面，第二個表面為主控表面。在ABAQUS/Explicit中，表面的順序一般不影響接觸計算。*CONTACT PAIR, INTERACTION=FRIC1ASURF, BSURF定

8、義面的規(guī)則定義面的規(guī)則 在變形體或劃分網格的剛體上，使用*SURFACE, TYPE=ELEMENT選項定義表面。通過指定單元表面標識符定義表面。讓ABAQUS自動確定連續(xù)體單元的“自由表面”。使用*SURFACE, TYPE=SEGMENTS | CYLINDER | REVOLUTION 選項和*RIGID BODY選項定義解析剛體表面。使用*SURFACE, TYPE=NODE選項，定義可能接觸的節(jié)點表面。在實體單元上定義表面使用表面標識符例子： 4-節(jié)點四面體單元 (CPE4, CAX4, 等等)*SURFACE, NAME=EXAMPLE11, S41, S12, S12, S2.使

9、用自動的表面定義*SURFACE, NAME=EXAMPLE2ELSET1,沒有面標識符在結構單元上定義表面 (殼、薄膜、剛體、梁) 結構單元的法向表示預期的接觸方向。法向基于單元局部的節(jié)點編號。正的法線方向在 = SPOS 表面。負的法線方向在 = SNEG 表面。殼和薄膜 (S4R,S8R,M3D4,等)2-D 桁架和梁 (B21,T2D2,等)在所定義的表面集之內，表面法向的定義必需一致。*ELEMENT, TYPE=B21, ELSET=BOTTOM10, 1, 211, 2, 312, 3, 6*ELEMENT, TYPE=B21, ELSET=TOP20, 4, 521, 5, 6

10、*ELSET, ELSET=BEAMSBOTTOM, TOP*SURFACE, NAME=SURF1BOTTOM, SPOSTOP, SNEG*SURFACE, NAME=SURF1BEAMS, SPOS解析剛體表面所有的剛體表面將被作為主控表面；剛體表面的自由度與剛體的參考節(jié)點相關聯(lián)，而不是表面上的點。使用*SURFACE選項，有三種可用的解析表面：使用TYPE=SEGMENTS定義二維剛體表面。使用TYPE=CYLINDER定義三維剛體表面，在垂直于平面方向無限延伸。使用TYPE=REVOLUTION定義旋轉的三維表面?；诠?jié)點的表面與指定單元表面定義接觸表面的方法不同，基于節(jié)點的表面只包

11、含節(jié)點?；诠?jié)點的表面一般被用作從屬表面。基于節(jié)點表面的例子：定義包含接觸節(jié)點的表面前面定義的表面線：基于節(jié)點的表面球：基于單元的表面*SURFACE, TYPE=NODE, NAME=STRINGSSTRINGS,*CONTACT PAIR, INTERACTION=SMOOTHSTRINGS, BALL表面定義的限制接觸表面下所有的單元必須協(xié)調。它們必須：維數(shù)相同（二維或三維）。對于二維表面：所有單元為平面的或軸對稱的（不可以兩種都有）。插值階數(shù)相同（一階或二階）。所有單元為可變形的或所有單元為剛體（不可以兩種都有）。對于ABAQUS/Standard中的主控表面和ABAQUS/Expli

12、cit中的所有表面，還有附加的限制：在不離開表面、穿過表面或通過單個點穿越表面的前提下，必須可以跨過表面中的兩個任意的點。對于三維情況，限制的例子。需要穿過或離開表面才能跨過。合法的、封閉的3-D主表面合法的、簡單連接的3-D主表面不合法的3-D主表面不合法的3-D主表面不可以通過一個點跨過局部表面行為一般的接觸建模包括不同方向的接觸相互作用：主控表面的法向表面的切向接觸法向行為硬接觸在所有接觸問題中，“硬” 接觸是默認的局部行為。硬接觸可以通過經典的拉格朗日乘子方法實施，或者通過增廣拉格朗日方法實施：壓力間距關系*surface interaction, name=.*surface beh

13、avior, augmented lagrange除硬接觸外，其它的方法作為*SURFACE INTERACTION 選項的子選項*SURFACE BEHAVIOR選項用于指定：軟接觸（指數(shù)或表格方式表達的壓力-間距關系）沒有分離的接觸其它選項：間距相關的粘性阻尼 (*CONTACT DAMPING)。帶有過盈或拉伸接觸力的接觸 (*CONTACT CONTROLS; 只有ABAQUS/Standard可用)。接觸的切向行為兩個實體之間的接觸面可能存在摩擦 剪切應力 。如果剪切應力達到某個臨界值，實體之間可能會發(fā)生相對滑動；否則它們粘在一起。摩擦可以引起高度的非線性效應。很難獲得解。除非物理上

14、必要，盡量不要使用。摩擦是非保守的。在ABAQUS/Standard中，摩擦將導致系統(tǒng)方程的不對稱。 對于較大的摩擦系數(shù) ( 0.2) ，*STEP, UNSYMM=YES選項將自動啟用。使用UNSYMM=NO將減緩收斂速度，但是解將是正確的（如果得到）。它可能會使用更少的磁盤空間。在ABAQUS/Explicit中，過大的摩擦系數(shù)將不會引起類似的問題，因為不需要求解系統(tǒng)方程組。默認情況下，ABAQUS使用庫倫摩擦模型。臨界摩擦應力取決于接觸壓力： cr = p?；揪浞ǎ?FRICTION摩擦系數(shù)可以是相對滑動速度、壓力、溫度和場變量的函數(shù)。出于計算的考慮， ABAQUS/Standard中

15、默認的摩擦模型對理想行為作一定的近似：在達到不可恢復滑動發(fā)生之前，允許小量的彈性滑動。可以定義混合的靜動摩擦模型。作為滑動速度 函數(shù)的摩擦系數(shù)m ，從ms（靜摩擦系數(shù)）到mk（動摩擦系數(shù)）以指數(shù)方式衰退。還有其它可用的摩擦行為，包括用戶自定義的摩擦模型。：(在ABAQUS/Standard中為FRIC 在ABAQUS/Explicit中為VFRIC)。接觸問題中點的相對滑動兩種滑動距離選項：有限滑動： 默認為有限滑動，有限滑動是最通用的滑動方式。 在接觸表面之間，允許任意大的滑動和旋轉。小滑動： 在接觸表面之間，允許小的相對滑動。 只要接觸表面之間沒有大的相對移動，允許接觸表面 之間有大的轉動

16、。 相比有限滑動，具有較小的計算費用。有限滑動在有限滑動問題中的主控表面，最好使用延伸到角點之外的定義。它們將防止從屬節(jié)點“跌落”到主表面的后面或被主表面的后面捕獲。對于ABAQUS/Standard中的接觸模擬，這是尤為重要的。不合適的定義 (修整過的)合適的 (未修整的)主控表面定義小滑動*CONTACT PAIR, INTERACTION=FRIC1, SMALL SLIDING 小滑動問題不需要通用的有限滑動算法。在整個分析過程中，從屬節(jié)點與主控表面上預先確定的、固定數(shù)量的節(jié)點相互作用。只是在分析開始時進行接觸搜尋，所以不需要復雜的有限滑動搜尋算法。優(yōu)點：相對有限滑動，有更低的計算費用

17、，尤其是三維問題。小滑動接觸約束在分析開始時，ABAQUS將確定哪些節(jié)點是相互接觸的。右圖為小滑動選項基礎之上，節(jié)點101和它的主控表面BSURF之間可能的接觸演化方式。主控表面上，以內插值方式得到節(jié)點201和202之間部分的法向量指向從屬節(jié)點101。在分析過程中，節(jié)點101不可以穿過垂直于法向量的平面。因為接觸線沒有端點，所以從屬節(jié)點不可能“滑出”接觸線。在分析過程中，如果使用NLGEOM選項，平面的方向將基于節(jié)點201和202的變形而更新。接觸問題中調整初始節(jié)點位置在分析之前，可以調整接觸面中節(jié)點的初始位置，并且不產生任何的應力和應變。ABAQUS/Standard允許用戶通過指定絕對距離

18、或節(jié)點集的方式調整節(jié)點位置。*CONTACT PAIR, ADJUST=distance | node set name指定需要調整的絕對距離： *CONTACT PAIR, INTERACTION=FRIC1, ADJUST=a在調整范圍內，初始張開的從屬節(jié)點將被移到主控表面上。調整距離沿主控表面的法向度量。所有初始過盈的從屬節(jié)點被重新放在主控表面上。指定需要調整的從屬節(jié)點集：在分析過程中，不在節(jié)點集中并帶有初始過盈的從屬節(jié)點將保持過盈，并產生應變。這些應變將被施加在接觸面上。指定 ADJUST node set的例子：*NSET, NSET=CONNODE, GENERATE1, 8, 1

19、*CONTACT PAIR, INTERACTION=RIG, ADJUST=CONNODEABAQUS/Explicit不允許接觸表面的初始過盈。在分析之前，接觸面上的節(jié)點將被自動調整，以刪除任何的初始過盈。在隨后的分析步中，這樣的調整將引起應變。大量的調整將引起初始單元形狀的嚴重扭曲。如果發(fā)現(xiàn)這樣的錯誤信息，最好需要運行datacheck分析，并利用ABAQUS/Viewer查找問題。接觸輸出在使用*CONTACT OUTPUT、 *CONTACT FILE或*CONTACT PRINT選項之后，所有接觸表面的接觸信息都是可用的。對于ABAQUS/Standard和ABAQUS/Expli

20、cit：接觸應力：CSTRESS (接觸壓力CPRESS和摩擦剪切應力CSHEAR1和 CSHEAR2)對于ABAQUS/Standard，還可以得到：接觸位移： CDISP (接觸張開距離COPEN和相對切向運動CSLIP1和 CSLIP2) 對于ABAQUS/Explicit，還可以得到：滑動速度： FSLIPR累計的滑動距離：FSLIP附加的可用輸出變量包括：輸出變量描述CAREA接觸中從屬表面的全部面積CFNCFS 由從屬表面上的接觸壓力和摩擦剪應力各自引起的全部力向量CMNCMS由從屬表面上的接觸壓力和摩擦剪應力各自引起的、關于原點的全部彎矩向量CFTCFN 和 CFS的向量和CMT

21、CMN 和 CFS的向量和XN點的坐標，從屬表面上的接觸壓力對該點的全部彎矩為零XS點的坐標，從屬表面上的摩擦力對該點的全部彎矩為零XT點的坐標，從屬表面上的接觸壓力和摩擦力對該點的全部彎矩為零與ABAQUS/Standard中接觸分析相關的，用于生成與打印輸出相關的兩個其它選項為：*PREPRINT, CONTACT=YES:在前處理過程中，控制打印到輸出文件的輸出給出內部生成的接觸單元的細節(jié)推薦用于小滑動接觸問題，用于驗證主-從節(jié)點的相互作用用于檢測表面定義和相互接觸的正確性*PRINT, CONTACT=YES:在分析過程中，用于控制信息文件的輸出給出迭代過程的細節(jié)用于分析在接觸計算過程

22、中出現(xiàn)的數(shù)值問題主/從方法中網格密度的考慮從屬表面的網格應該比主控表面的網格更密。如果網格密度相同，從屬表面所占的部分應該選擇較軟的材料。不正確主面的網格較密 穿透到從屬表面的部分較多。正確主面的網格較稀 穿透到從屬表面的部分較少。ABAQUS/Standard中的接觸邏輯接觸算法檢查平衡6進行迭代3確定接觸狀態(tài)1不施加約束2檢查接觸狀態(tài)的變化4點張開；嚴重不連續(xù)迭代5施加約束2點接觸；嚴重不連續(xù)迭代5開始增量步張開接觸p 0接觸增量步沒有變化不收斂7收斂8在ABAQUS/Explicit中定義接觸通用接觸通用接觸用于多組件，并具有復雜拓撲關系的模型建模容易使用“自動接觸”節(jié)省生成模型的時間通

23、用接觸算法一般比雙面接觸算法快在“ABAQUS/Explicit: Advanced Topics”課程中將詳細討論通用接觸。常用的、最簡單的接觸定義：*CONTACT*CONTACT INCLUSIONS, ALL ELEMENT BASED 整個模型的“自動接觸”分析中的接觸定義逐漸變得更加詳細全局/局部摩擦系數(shù)和其它接觸屬性用戶控制的接觸厚度（尤其是殼）以接觸對的方式制定接觸域（而不是ALL ELEMENT BASED）可以為指定的接觸區(qū)域獨立的分配接觸屬性*CONTACT *CONTACT INCLUSIONS, ALL ELEMENT BASED*CONTACT PROPERTY ASSIGNMENT , , prop_1(以全局的方式重新制定屬性)alum_surf, steel_surf, prop_2(局部修改)alum_surf, alum_surf, prop_3(局部修改)將接觸對作為部分的歷程數(shù)據在輸入文件中，對于ABAQUS/Explicit，將接觸對定義作為歷程數(shù)據的一部分。*HEADING.*STEP*DYNAMIC, EXPLICIT, 200E-3*CONTACT PAIRASURF, BSURF.*END STEP可以根據需要，以分析步為基礎，定義接觸對、或刪除接觸對。 *CONTACT PAIR選項可以包含OP