第七讲abaqus接触分析

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,*,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,*,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,*,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,*,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,*,*,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,*,*,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,*,*,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,定义面的规那么,局部外表行为,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，力通过它们的接触外表传递。,在某些情况下，只传递垂直接触外表的力。,如果存在摩擦，沿接触外表的切向传递切向力。,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。,或者施加约束外表不可以互相穿透，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外表和/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。,分布外表的接触。,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,单个外表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，当外表严重变形时，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。,把单个接触外表作为接触对定义自接触，而不是通过两个不同的外表定义。,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,例子：金属成型模拟,变形体与刚体的接触:,外表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。,),9,使用刚体外表减少计算时间,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外表：,定义解析刚体外表。,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)定义外表 (只有ABAQUS/Standard可用)。,10,主,/,从方法和隐含假设,11,因为接触外表下面的实体被离散化，接触外表也必须被离散化。,接触外表分为:,主面,从面,12,ABAQUS/Standard中使用的严格的主/从接触算法。,附属外表的节点不能穿透到主控外表。,主控外表的节点可以穿透到附属外表。,13,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/从外表。,使接触物体之间的侵彻到达最小化。,14,接触方向总是与主控外表垂直。,沿主控外表的法向检查接触条件。,沿主控外表的法向传递接触力。,沿接触外表的切向传递摩擦力。,15,定义双面接触概述,16,定义接触的三个步骤：,定义接触外表。,定义接触对。,定义接触属性。,1,2,3,17,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,0.4,18,定义外表,利用*SURFACE选项定义外表。,利用每个单元集的外表标识符指定面。,可以用单元集的名字或单元号指定外表。,*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),19,定义外表接触属性,*SURFACE INTERACTION选项定义外表接触属性。,定义外表行为属性，比方摩擦。,对于二维问题，定义接触面在垂直平面方向的厚度。,20,*CONTACT PAIR, INTERACTION=FRIC1,ASURF, BSURF,*SURFACE INTERACTION, NAME=FRIC1,1.0,*FRICTION,0.4,*SURFACE INTERACTION的子选项，列出外表的根本属性,接触面在垂直平面方向的厚度,21,定义接触对,定义外表和接触属性之后，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外表。,在ABAQUS/Standard中，第一个外表为附属外表，第二个外表为主控外表。,在ABAQUS/Explicit中，外表的顺序一般不影响接触计算。,*CONTACT PAIR, INTERACTION=FRIC1,ASURF,BSURF,22,定义面的规那么,23,定义面的规那么,在变形体或划分网格的刚体上，使用*SURFACE, TYPE=ELEMENT选项定义外表。,通过指定单元外表标识符定义外表。,让ABAQUS自动确定连续体单元的“自由外表。,使用*SURFACE, TYPE=SEGMENTS | CYLINDER | REVOLUTION 选项和*RIGID BODY选项定义解析刚体外表。,使用*SURFACE, TYPE=NODE选项，定义可能接触的节点外表。,24,在实体单元上定义外表,使用外表标识符,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,.,25,使用自动的外表定义,*SURFACE, NAME=EXAMPLE2,ELSET1,没有面标识符,26,在构造单元上定义外表 (壳、薄膜、刚体、梁),构造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 外表。,负的法线方向在 = SNEG 外表。,壳和薄膜,(S4R,S8R,M3D4,等,),2-D,桁架和梁,(B21,T2D2,等,),27,在所定义的外表集之内，外表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,28,解析刚体外表,所有的刚体外表将被作为主控外表；刚体外表的自由度与刚体的参考节点相关联，而不是外表上的点。,使用*SURFACE选项，有三种可用的解析外表：,使用TYPE=SEGMENTS定义二维刚体外表。,使用TYPE=CYLINDER定义三维刚体外表，在垂直于平面方向无限延伸。,使用TYPE=REVOLUTION定义旋转的三维外表。,29,基于节点的外表,与指定单元外表定义接触外表的方法不同，基于节点的外表只包含节点。,基于节点的外表一般被用作附属外表。,30,基于节点外表的例子：,定义包含接触节点的表面,前面定义的表面,线：基于节点的外表,球：基于单元的外表,*SURFACE, TYPE=NODE, NAME=STRINGS,STRINGS,*CONTACT PAIR, INTERACTION=SMOOTH,STRINGS,BALL,31,外表定义的限制,接触外表下所有的单元必须协调。它们必须：,维数一样二维或三维。,对于二维外表：所有单元为平面的或轴对称的不可以两种都有。,插值阶数一样一阶或二阶。,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中的主控外表和ABAQUS/Explicit中的所有外表，还有附加的限制：,在不离开外表、穿过外表或通过单个点穿越外表的前提下，必须可以跨过外表中的两个任意的点。,32,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,33,局部外表行为,34,一般的接触建模包括不同方向的接触相互作用：,主控外表的法向,外表的切向,35,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,36,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,没有别离的接触,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)。,37,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 。,如果剪切应力到达某个临界值，实体之间可能会发生相对滑动；否那么它们粘在一起。,38,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 ( ) ，*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。,39,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。,根本句法：,*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：在到达不可恢复滑动发生之前，允许小量的弹性滑动。,40,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)。,41,接触问题中点的相对滑动,42,两种滑动距离选项：,有限滑动： 默认为有限滑动，有限滑动是最通用的滑动方式。,在接触外表之间，允许任意大的滑动和旋转。,小滑动： 在接触外表之间，允许小的相对滑动。,只要接触外表之间没有大的相对移动，允许接触外表 之间有大的转动。,相比有限滑动，具有较小的计算费用。,43,有限滑动,在有限滑动问题中的主控外表，最好使用延伸到角点之外的定义。,它们将防止附属节点“跌落到主外表的后面或被主外表的后面捕获。,对于ABAQUS/Standard中的接触模拟，这是尤为重要的。,不适宜的定义 (修整过的),适宜的 (未修整的)主控外表定义,44,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，附属节点与主控外表上预先确定的、固定数量的节点相互作用。,只是在分析开场时进展接触搜寻，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。,45,小滑动接触约束,在分析开场时，ABAQUS将确定哪些节点是相互接触的。,右图为小滑动选项根底之上，节点101和它的主控外表BSURF之间可能的接触演化方式。,46,主控外表上，以内插值方式得到节点201和202之间局部的法向量指向附属节点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，所以附属节点不可能“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。,47,接触问题中调整初始节点位置,48,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,49,指定需要调整的绝对距离：,*CONTACT PAIR, INTERACTION=FRIC1, ADJUST=a,在调整范围内，初始张开的附属节点将被移到主控外表上。,调整距离沿主控外表的法向度量。,所有初始过盈的附属节点被重新放在主控外表上。,50,指定需要调整的附属节点集：,在分析过程中，不在节点集中并带有初始过盈的附属节点将保持过盈，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,51,ABAQUS/Explicit不允许接触外表的初始过盈。,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。,52,接触输出,53,在使用*CONTACT OUTPUT、 *CONTACT FILE或*CONTACT PRINT选项之后，所有接触外表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,54,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,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、关于原点的全部弯矩向量,CFT,CFN,和,CFS,的向量和,CMT,CMN,和,CFS,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,XT,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零,55,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,用于检测外表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,56,主,/,从方法中网格密度的考虑,57,附属外表的网格应该比主控外表的网格更密。,如果网格密度一样，附属外表所占的局部应该选择较软的材料。,不正确,主面的网格较密 穿透到附属外表的局部较多。,正确,主面的网格较稀 穿透到附属外表的局部较少。,58,ABAQUS/Standard,中的接触逻辑,59,接触算法,检查平衡,6,进展迭代,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,开场增量步,张开,接触,p ,0,接触增量步,没有变化,不收敛,7,收敛,8,60,在,ABAQUS/Explicit,中定义接触,61,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。,62,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,63,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,),64,将接触对作为局部的历程数据,65,在输入文件中，对于ABAQUS/Explicit，将接触对定义作为历程数据的一局部。,*HEADING,.,.,*STEP,*DYNAMIC, EXPLICIT, 200E-3,*CONTACT PAIR,ASURF, BSURF,.,.,.,*END STEP,可以根据需要，以分析步为根底，定义接触对、或删除接触对。,66,*,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。,67,实施接触约束,68,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。,69,运动依从接触,默认的运动接触公式到达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。,70,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；比方，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。,71,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。,72,谢谢欣赏,73,谢谢大家！,