第七讲-abaqus接触分析.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,*,Innovating through simulation,北京怡格明思工程技术有限公司,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第七讲 abaqus接触分析,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,2,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,。,3,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,。,4,“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。,5,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,6,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,7,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,),8,大家有疑问的，可以询问和交流,可以互相讨论下，但要小声点,9,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。,),10,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。,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,),。,11,主,/,从方法和隐含假设,12,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,13,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表面。,14,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。,15,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。,16,定义双面接触概述,17,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。,1,2,3,18,输入文件中，完整定义接触句法的例子：,*SURFACE,NAME=ASURF,SLIDER,S1,*SURFACE,NAME=BSURF,BLOCK,S3,*CONTACT PAIR,INTERACTION=FRIC1,ASURF,BSURF,*SURFACE INTERACTION,NAME=FRIC1,1.0,*FRICTION,0.4,19,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),20,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。,21,*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,22,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,ABAQUS/Explicit,中，表面的顺序一般不影响接触计算。,*CONTACT PAIR,INTERACTION=FRIC1,ASURF,BSURF,23,定义面的规则,24,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。,25,在实体单元上定义表面,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,.,26,使用自动的表面定义,*SURFACE,NAME=EXAMPLE2,ELSET1,没有面标识符,27,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,),28,在所定义的表面集之内，表面法向的定义必需一致。,*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,29,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,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。,30,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。,31,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=STRINGS,STRINGS,*CONTACT PAIR,INTERACTION=SMOOTH,STRINGS,BALL,32,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个任意的点。,33,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,34,局部表面行为,35,一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,36,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,37,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,),。,38,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。,39,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。,40,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。,41,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,m,s,（静摩擦系数）到,m,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,),。,42,接触问题中点的相对滑动,43,两种滑动距离选项：,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,。,44,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,45,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。,46,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,。,47,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。,48,接触问题中调整初始节点位置,49,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,50,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。,51,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,GENERATE,1,8,1,*CONTACT PAIR,INTERACTION=RIG,ADJUST=,CONNODE,52,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，并利用,ABAQUS/Viewer,查找问题。,53,接触输出,54,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：,FSLIP,55,附加的可用输出变量包括：,56,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,57,主,/,从方法中网格密度的考虑,58,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。,59,ABAQUS/Standard,中的接触逻辑,60,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,接触增量步,没有变化,不收敛,7,收敛,8,61,在,ABAQUS/Explicit,中定义接触,62,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/Explicit:Advanced Topics”,课程中将详细讨论通用接触。,63,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,）,64,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,),65,将接触对作为部分的历程数据,66,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。,67,*,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 PAIR,ASURF,BSURF,*END STEP,*STEP,.,.,*CONTACT PAIR,OP=DELETE,ASURF,BSURF,*CONTACT PAIR,OP=ADD,BSURF,CSURF,*END STEP,删除包含表面,ASURF,和,BSURF,的接触对。,添加包含表面,BSURF,和,CSURF,的接触对。,68,实施接触约束,69,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。,70,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。,71,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,。,72,