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(shù)有限公司 概述簡(jiǎn)介主/從方法和隱含假設(shè)定義雙面接觸概述定義面的規(guī)則局部表面行為接觸問(wèn)題中點(diǎn)的相對(duì)滑動(dòng)接觸問(wèn)題中調(diào)整初始節(jié)點(diǎn)位置接觸輸出完全約束的接觸行為剛體簡(jiǎn)介什么是接觸?當(dāng)兩個(gè)實(shí)體接觸時(shí)，力通過(guò)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(biāo)： 確定接觸面積和傳遞的應(yīng)力。接觸是嚴(yán)重不連續(xù)形式的非線性行為,是一類(lèi)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(huì)接觸的表面和/或節(jié)點(diǎn)，ABAQUS現(xiàn)在還不能檢測(cè)接觸?！癉etroit

2、Edison pipe whip experiment,” ABAQUS例子手冊(cè)2.1.2節(jié)接觸例子-間隙接觸用節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)接觸的方式為點(diǎn)接觸建模。赫茲接觸 接觸面之間的相對(duì)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(cè)5.1.3 節(jié) 變形體之間的有限滑動(dòng)接觸 這是最一般類(lèi)型的接觸。例子：螺紋連接。這些問(wèn)題一般包含初始的過(guò)盈配合由于過(guò)盈精度引起的接觸壓力的分布自接觸單個(gè)表面與它自身接觸稱(chēng)為自接觸。在ABAQUS的二維和三維模型中可用。在分析過(guò)中，當(dāng)表面嚴(yán)重變形時(shí)，使用自接觸將非常方便。對(duì)于某些問(wèn)題，在分

3、析之前不可能確定單個(gè)的接觸區(qū)域，或者確定接觸區(qū)域是非常困難的。把單個(gè)接觸表面作為接觸對(duì)定義自接觸，而不是通過(guò)兩個(gè)不同的表面定義。最小主應(yīng)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(cè)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(dòng)（大位移）。 變形組件之間的有限應(yīng)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(jì)算時(shí)間 對(duì)于兩個(gè)相互接觸的物體，如果其中一個(gè)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(guò)程中的砧。 ABAQUS不需要求解剛體的變形。在參考點(diǎn)，最多利用六個(gè)自由度就可以模擬剛體的運(yùn)動(dòng)。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(lèi)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(xiě)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(shè)因?yàn)榻佑|表面下面的實(shí)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(yán)格的主/從接觸算法。從屬表面的節(jié)點(diǎn)不能穿透到主控表面。主控表面的節(jié)點(diǎn)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(yīng)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(shí)，交換主/從表面。使接觸物體之間的侵徹達(dá)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(gè)步驟： 定義接觸表面。 定義接觸對(duì)。 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(xiàng)定義表面。利用每個(gè)單元集的表面標(biāo)識(shí)符指定面?？梢杂脝卧拿只騿卧?hào)指定表面。 *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(xiàng)定義表面接觸屬性。定義表面行為屬性，比如摩擦。對(duì)于二維問(wèn)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(xiàng)，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(duì)定義表面和接觸屬性之后，就可以定義“接觸對(duì)”。在分析過(guò)程中，接觸對(duì)指定了兩個(gè)相互接觸的表面。在ABAQUS/Standard中，第一個(gè)表面為從屬表面，第二個(gè)表面為主控表面。在ABAQUS/Explicit中，表面的順序一般不影響接觸計(jì)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(wǎng)格的剛體上，使用*SURFACE, TYPE=ELEMENT選項(xiàng)定義表面。通過(guò)指定單元表面標(biāo)識(shí)符定義表面。讓ABAQUS自動(dòng)確定連續(xù)體單元的“自由表面”。使用*SURFACE, TYPE=SEGMENTS | CYLINDER | REVOLUTION 選項(xiàng)和*RIGID BODY選項(xiàng)定義解析剛體表面。使用*SURFACE, TYPE=NODE選項(xiàng)，定義可能接觸的節(jié)點(diǎn)表面。在實(shí)體單元上定義表面使用表面標(biāo)識(shí)符例子： 4-節(jié)點(diǎn)四面體單元 (CPE4, CAX4, 等等)*SURFACE, NAME=EXAMPLE11, S41, S12, S12, S2.使

9、用自動(dòng)的表面定義*SURFACE, NAME=EXAMPLE2ELSET1,沒(méi)有面標(biāo)識(shí)符在結(jié)構(gòu)單元上定義表面 (殼、薄膜、剛體、梁) 結(jié)構(gòu)單元的法向表示預(yù)期的接觸方向。法向基于單元局部的節(jié)點(diǎn)編號(hào)。正的法線方向在 = SPOS 表面。負(fù)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(nèi)，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(diǎn)相關(guān)聯(lián)，而不是表面上的點(diǎn)。使用*SURFACE選項(xiàng)，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(wú)限延伸。使用TYPE=REVOLUTION定義旋轉(zhuǎn)的三維表面?；诠?jié)點(diǎn)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(diǎn)的表面只包

11、含節(jié)點(diǎn)?；诠?jié)點(diǎn)的表面一般被用作從屬表面。基于節(jié)點(diǎn)表面的例子：定義包含接觸節(jié)點(diǎn)的表面前面定義的表面線：基于節(jié)點(diǎn)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(diào)。它們必須：維數(shù)相同（二維或三維）。對(duì)于二維表面：所有單元為平面的或軸對(duì)稱(chēng)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(duì)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(kāi)表面、穿過(guò)表面或通過(guò)單個(gè)點(diǎn)穿越表面的前提下，必須可以跨過(guò)表面中的兩個(gè)任意的點(diǎn)。對(duì)于三維情況，限制的例子。需要穿過(guò)或離開(kāi)表面才能跨過(guò)。合法的、封閉的3-D主表面合法的、簡(jiǎn)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(guò)一個(gè)點(diǎn)跨過(guò)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(wèn)題中，“硬” 接觸是默認(rèn)的局部行為。硬接觸可以通過(guò)經(jīng)典的拉格朗日乘子方法實(shí)施，或者通過(guò)增廣拉格朗日方法實(shí)施：壓力間距關(guān)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(xiàng)的子選項(xiàng)*SURFACE BEHAVIOR選項(xiàng)用于指定：軟接觸（指數(shù)或表格方式表達(dá)的壓力-間距關(guān)系）沒(méi)有分離的接觸其它選項(xiàng)：間距相關(guān)的粘性阻尼 (*CONTACT DAMPING)。帶有過(guò)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(gè)實(shí)體之間的接觸面可能存在摩擦 剪切應(yīng)力 。如果剪切應(yīng)力達(dá)到某個(gè)臨界值，實(shí)體之間可能會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)；否則它們粘在一起。摩擦可以引起高度的非線性效應(yīng)。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(dǎo)致系統(tǒng)方程的不對(duì)稱(chēng)。 對(duì)于較大的摩擦系數(shù) ( 0.2) ，*STEP, UNSYMM=YES選項(xiàng)將自動(dòng)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(huì)使用更少的磁盤(pán)空間。在ABAQUS/Explicit中，過(guò)大的摩擦系數(shù)將不會(huì)引起類(lèi)似的問(wèn)題，因?yàn)椴恍枰蠼庀到y(tǒng)方程組。默認(rèn)情況下，ABAQUS使用庫(kù)倫摩擦模型。臨界摩擦應(yīng)力取決于接觸壓力： cr = p?；揪浞ǎ?FRICTION摩擦系數(shù)可以是相對(duì)滑動(dòng)速度、壓力、溫度和場(chǎng)變量的函數(shù)。出于計(jì)算的考慮， ABAQUS/Standard中

15、默認(rèn)的摩擦模型對(duì)理想行為作一定的近似：在達(dá)到不可恢復(fù)滑動(dòng)發(fā)生之前，允許小量的彈性滑動(dòng)?？梢远x混合的靜動(dòng)摩擦模型。作為滑動(dòng)速度 函數(shù)的摩擦系數(shù)m ，從ms（靜摩擦系數(shù)）到mk（動(dòng)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(wèn)題中點(diǎn)的相對(duì)滑動(dòng)兩種滑動(dòng)距離選項(xiàng)：有限滑動(dòng)： 默認(rèn)為有限滑動(dòng)，有限滑動(dòng)是最通用的滑動(dòng)方式。 在接觸表面之間，允許任意大的滑動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。小滑動(dòng)： 在接觸表面之間，允許小的相對(duì)滑動(dòng)。 只要接觸表面之間沒(méi)有大的相對(duì)移動(dòng)，允許接觸表面 之間有大的轉(zhuǎn)動(dòng)

16、。 相比有限滑動(dòng)，具有較小的計(jì)算費(fèi)用。有限滑動(dòng)在有限滑動(dòng)問(wèn)題中的主控表面，最好使用延伸到角點(diǎn)之外的定義。它們將防止從屬節(jié)點(diǎn)“跌落”到主表面的后面或被主表面的后面捕獲。對(duì)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(guò)的)合適的 (未修整的)主控表面定義小滑動(dòng)*CONTACT PAIR, INTERACTION=FRIC1, SMALL SLIDING 小滑動(dòng)問(wèn)題不需要通用的有限滑動(dòng)算法。在整個(gè)分析過(guò)程中，從屬節(jié)點(diǎn)與主控表面上預(yù)先確定的、固定數(shù)量的節(jié)點(diǎn)相互作用。只是在分析開(kāi)始時(shí)進(jìn)行接觸搜尋，所以不需要復(fù)雜的有限滑動(dòng)搜尋算法。優(yōu)點(diǎn)：相對(duì)有限滑動(dòng)，有更低的計(jì)算費(fèi)用

17、，尤其是三維問(wèn)題。小滑動(dòng)接觸約束在分析開(kāi)始時(shí)，ABAQUS將確定哪些節(jié)點(diǎn)是相互接觸的。右圖為小滑動(dòng)選項(xiàng)基礎(chǔ)之上，節(jié)點(diǎn)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(nèi)插值方式得到節(jié)點(diǎn)201和202之間部分的法向量指向從屬節(jié)點(diǎn)101。在分析過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)101不可以穿過(guò)垂直于法向量的平面。因?yàn)榻佑|線沒(méi)有端點(diǎn)，所以從屬節(jié)點(diǎn)不可能“滑出”接觸線。在分析過(guò)程中，如果使用NLGEOM選項(xiàng)，平面的方向?qū)⒒诠?jié)點(diǎn)201和202的變形而更新。接觸問(wèn)題中調(diào)整初始節(jié)點(diǎn)位置在分析之前，可以調(diào)整接觸面中節(jié)點(diǎn)的初始位置，并且不產(chǎn)生任何的應(yīng)力和應(yīng)變。ABAQUS/Standard允許用戶通過(guò)指定絕對(duì)距離

18、或節(jié)點(diǎn)集的方式調(diào)整節(jié)點(diǎn)位置。*CONTACT PAIR, ADJUST=distance | node set name指定需要調(diào)整的絕對(duì)距離： *CONTACT PAIR, INTERACTION=FRIC1, ADJUST=a在調(diào)整范圍內(nèi)，初始張開(kāi)的從屬節(jié)點(diǎn)將被移到主控表面上。調(diào)整距離沿主控表面的法向度量。所有初始過(guò)盈的從屬節(jié)點(diǎn)被重新放在主控表面上。指定需要調(diào)整的從屬節(jié)點(diǎn)集：在分析過(guò)程中，不在節(jié)點(diǎn)集中并帶有初始過(guò)盈的從屬節(jié)點(diǎn)將保持過(guò)盈，并產(chǎn)生應(yīng)變。這些應(yīng)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(guò)盈。在分析之前，接觸面上的節(jié)點(diǎn)將被自動(dòng)調(diào)整，以刪除任何的初始過(guò)盈。在隨后的分析步中，這樣的調(diào)整將引起應(yīng)變。大量的調(diào)整將引起初始單元形狀的嚴(yán)重扭曲。如果發(fā)現(xiàn)這樣的錯(cuò)誤信息，最好需要運(yùn)行datacheck分析，并利用ABAQUS/Viewer查找問(wèn)題。接觸輸出在使用*CONTACT OUTPUT、 *CONTACT FILE或*CONTACT PRINT選項(xiàng)之后，所有接觸表面的接觸信息都是可用的。對(duì)于ABAQUS/Standard和ABAQUS/Expli

20、cit：接觸應(yīng)力：CSTRESS (接觸壓力CPRESS和摩擦剪切應(yīng)力CSHEAR1和 CSHEAR2)對(duì)于ABAQUS/Standard，還可以得到：接觸位移： CDISP (接觸張開(kāi)距離COPEN和相對(duì)切向運(yùn)動(dòng)CSLIP1和 CSLIP2) 對(duì)于ABAQUS/Explicit，還可以得到：滑動(dòng)速度： FSLIPR累計(jì)的滑動(dòng)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(yīng)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(yīng)力各自引起的、關(guān)于原點(diǎn)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(diǎn)的坐標(biāo)，從屬表面上的接觸壓力對(duì)該點(diǎn)的全部彎矩為零XS點(diǎn)的坐標(biāo)，從屬表面上的摩擦力對(duì)該點(diǎn)的全部彎矩為零XT點(diǎn)的坐標(biāo)，從屬表面上的接觸壓力和摩擦力對(duì)該點(diǎn)的全部彎矩為零與ABAQUS/Standard中接觸分析相關(guān)的，用于生成與打印輸出相關(guān)的兩個(gè)其它選項(xiàng)為：*PREPRINT, CONTACT=YES:在前處理過(guò)程中，控制打印到輸出文件的輸出給出內(nèi)部生成的接觸單元的細(xì)節(jié)推薦用于小滑動(dòng)接觸問(wèn)題，用于驗(yàn)證主-從節(jié)點(diǎn)的相互作用用于檢測(cè)表面定義和相互接觸的正確性*PRINT, CONTACT=YES:在分析過(guò)程中，用于控制信息文件的輸出給出迭代過(guò)程的細(xì)節(jié)用于分析在接觸計(jì)算過(guò)程

22、中出現(xiàn)的數(shù)值問(wèn)題主/從方法中網(wǎng)格密度的考慮從屬表面的網(wǎng)格應(yīng)該比主控表面的網(wǎng)格更密。如果網(wǎng)格密度相同，從屬表面所占的部分應(yīng)該選擇較軟的材料。不正確主面的網(wǎng)格較密 穿透到從屬表面的部分較多。正確主面的網(wǎng)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(jìn)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(diǎn)張開(kāi)；嚴(yán)重不連續(xù)迭代5施加約束2點(diǎn)接觸；嚴(yán)重不連續(xù)迭代5開(kāi)始增量步張開(kāi)接觸p 0接觸增量步?jīng)]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(fù)雜拓?fù)潢P(guān)系的模型建模容易使用“自動(dòng)接觸”節(jié)省生成模型的時(shí)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(xì)討論通用接觸。常用的、最簡(jiǎn)單的接觸定義：*CONTACT*CONTACT INCLUSIONS, ALL ELEMENT BASED 整個(gè)模型的“自動(dòng)接觸”分析中的接觸定義逐漸變得更加詳細(xì)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(duì)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(dú)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(duì)作為部分的歷程數(shù)據(jù)在輸入文件中，對(duì)于ABAQUS/Explicit，將接觸對(duì)定義作為歷程數(shù)據(jù)的一部分。*HEADING.*STEP*DYNAMIC, EXPLICIT, 200E-3*CONTACT PAIRASURF, BSURF.*END STEP可以根據(jù)需要，以分析步為基礎(chǔ)，定義接觸對(duì)、或刪除接觸對(duì)。 *CONTACT PAIR選項(xiàng)可以包含OP