DYNA接触分析

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,001322,10,JAN 2000,6-,*,Explicit Dynamics with ANSYS/LS-DYNA,Training Manual,第 6 章 接触界面,本章目标,完成本章后, 学员应该该能够定义和使用接触面,1.,对,ANSYS/LS-DYNA,中的接触有一个初步了解,2.,描述了,ANSYS/LS-DYNA,中3种不同的接触算法,3.,描述了8种不同的接触类型集合,4.,定义如何创建接触面,5.,描述了,ANSYS/LS-DYNA,中的高级接触控制,6.,提出,ANSYS/LS-DYNA,使用接触的注意事项,7.,练习.,001322,10,JAN 2000,6-,2,接触面 概述,ANSYS/LS-DYNA,不使用单元定义接触.,在,ANSYS/LS-DYNA,中使用接触面定义接触,.,通过多达 22 种不同的接触描述,ANSYS/LS-DYNA,可以处理绝大多数会遇到的接触问题,要 定义,ANSYS/LS-DYNA,的接触,用户只需要指定接触面，接触类型和一些相关参数即可,.,001322,10,JAN 2000,6-,3,接触面 概述（续）,面对22 种不同的接触类型, 要选择合适的类型来描述实际物理系统往往比较困难.,为了选择合适的接触类型，往往需要对,ANSYS/LS-DYNA,中的接触集合和算法有深入的理解,.,接触算法是程序用来处理接触面的方法. 在,ANSYS/LS-DYNA,中有3种算法:,1.,Single Surface Contact,2. Nodes to Surface Contact,3. Surface to Surface Contact,一个接触集合为具有特别相似特性的接触类型的集合,.,在,ANSYS/LS-DYNA,中有9种集合:,1.,General5. Tied with Failure 9. Forming,2. Automatic6. Eroding,3. Rigid7. Edge,4. Tied8.,Drawbead,001322,10,JAN 2000,6-,4,接触面 概述（续）,001322,10,JAN 2000,6-,5,单面接触,单面接触用于当一个物体的外表面与自身接触或和另一个物体的外表面接触时使用,.,单面接触是,ANSYS/LS-DYNA,中最通用的接触类型，因为程序将搜索模型中的所有外表面，检查其间是否相互发生穿透,.,由于所有的外表面都在搜索范围内, 不需要定义接触面与目标面.,在预先不知接触情况时，单面接触非常有用.,001322,10,JAN 2000,6-,6,单面接触（续）,相对于,ANSYS,隐式分析 ,ANSYS/LS-DYNA,的单面接触不会非常耗时,。,大多数冲击与碰撞问题需要定义单面接触,当接触面之间的穿透超过接触单元厚度的40%时，单面接触自动释放接触，从而对下列问题造成潜在的问题,:,1.,超薄部分,2.,具有低刚度的软体,3.,高速运动物体之间的接触,单面接触在,ASCII,rcforc,文件中不记录所有的接触反作用力,.,如果需要接触反力, 可以使用点到面或面到面接触。,有效的接触类型有,Single Surface, Automatic Single Surface, Automatic General, Eroding Single Surface,和,Single Edge,001322,10,JAN 2000,6-,7,当一个接触节点碰到目标面时，点面接触发生,.,由于它是非对称的，所以是最快的算法. 只考虑冲击目标面的节点。,对于点面接触, 必须指定接触面与目标面的节点组元或,PART,号,。,对于预先已知非常小的接触面 ，点面接触十分有效,.,对于节点接触刚体同样可以使用它,.,在使用点面接触时，应注意以下几点,:,点面接触记录所有的接触反作用力，存在,ASCII,文件,rcforc,中.,有效的接触类型为,NTS, ANTS, RNTR, TDNS, TNTS, ENTS,DRAW, FNTS,TARGET SURFACE,CONTACT NODES,1. 平面与凹面为目标面，凸面为接触面,.,2.,粗网格为目标面，细网格为接触面,.,3.,对于,Drawbead,接触, 压延筋总是节点接触面 ，工件为目标面,.,点面接触,001322,10,JAN 2000,6-,8,当一个物体的面穿透另一个物体的面时，使用面面接触算法,.,面面接触是完全对称的，因此接触面与目标面的选择是任意的,.,对于面面接触, 需要用节点组元和,PART,号来定义接触面和目标面,.,节点可以从属于多个接触面,.,面面接触是一种通用算法,，,通常用于在已知的接触对象是较大的面时,.,面面接触算法自动记录所有的接触反作用力到,ASCII,rcforc,文件中.,有效的接触类型 有,STS, OSTS, ASTS, ROTR, TDSS, TSTS, ESTS, FSTS, FOSS,CONTACT AND TARGET DEFINITIONS ARBITRARY,V,面面接触,001322,10,JAN 2000,6-,9,penetrating node,Shell TOP surface,Shell BOTTOM surface,penetrating node,Automatic Contact,General Contact,Contact,Restoring Force,Contact,Restoring Force,自动与普通接触,自动接触与普通接触的区别在于对壳单元接触力的处理方式不同,普通接触在计算接触力时不考虑壳的厚度,.,自动接触允许接触出现在壳元的两侧,两种接触类型中的壳元接触力按照如下方法计算:,001322,10,JAN 2000,6-,10,侵蚀接触,当单元可能失效时用这种接触. 侵蚀接触的目的是保证在模型外部的单元失效被删除后，剩下的单元依然能够考虑接触。,001322,10,JAN 2000,6-,11,Contact of the knees,against the dashboard,刚体接触,接触,RNTR,和,ROTR,与,NTS,和,OSTS,类似，除了后者是用线性刚度来阻止穿透，后者是采用用户定义的力-变形曲线来阻止穿透。这些通常用于多刚体动力学.,变形体与刚体之间的接触必须用,automatic,或,eroding contacts.,001322,10,JAN 2000,6-,12,边 - 边接触,edge contact,用于壳单元的法线与碰撞方向正交时。,用,EDCGEN,SE,自动选择所有的边线.,001322,10,JAN 2000,6-,13,固连接触,接触被粘在一起,.,当网格彼此不匹配时，可以使用,(,TDNS, TDSS, TSTS, TNTS).,经常用于销栓连接.,当使用固连失效时 (,TSTS, TNTS) ，,达到以下条件时固连就失效:,tied,f,n,f,s,f,f,f,f,n,n,fail,m,s,s,fail,m,+,1,2,1,001322,10,JAN 2000,6-,14,F,=,F,friction,+,F,bending,Depth of,drawbead,拉延筋,（,Drawbead,） 接触,Drawbead,contact,通常用于板料成型，用于约束板料的运动,.,在类似冲压的板料成型过程中,通常会出现工件与模具之间失去接触（如起皱）,.,Drawbead,contact,允许使用弯曲和摩擦阻力，用于确保工件在整个冲压过程中与压延筋始终保持接触,.,001322,10,JAN 2000,6-,15,钣金成形类 接触,成型接触选项：,forming node to surface (FNTS), forming surface to surface (FSTS),和,forming one-way surface to surface (FOSS),是钣金成形分析中首选的类型.,对于这些接触选项, 冲头与模具通常定义为目标面，而工件则定义为接触面,.,对于这些接触类型中模具无需网格贯通,因此减小接触定义的复杂性.,模具网格的方向必须一致,.,成型接触选项基于自动接触类型，因此功能十分强大,.,001322,10,JAN 2000,6-,16,接触面定义,在,ANSYS/LS-DYNA,中用4个基本步骤来定义接触,:,Step 1:,选择适合的接触类型,Step 2:,标定接触实体 (对于单面接触不需要),Step 3:,指定需要的额外参数,Step 4:,指定高级接触控制,STEP 1:,决定接触选项,在,ANSYS/LS-DYNA,中有大量的接触类型来定义面面之间的相互作用,.,要定义特定应用的接触选项,参考,ANSYS/LS-DYNA,用户指南与本章中的描述,.,对于大多数分析, 建议使用,automatic general (AG), nodes to surface (NTS),和,surface to surface (STS),接触选项.,001322,10,JAN 2000,6-,17,接触面定义 -,Step 2,STEP 2:,定义接触实体,除了单面接触 (,ASSC, AG, SS, ESS, and SE),所有的,ANSYS/LS-DYNA,接触选项要求定义接触和目标面,.,定义接触与目标面有两种方法,:,1.,指定节点组元 (,CM command),2.,指定,Part IDs,1.,要常见接触定义中需要的节点组元, 首先选择接触面. 然后将面上的节点定义为组元,Utility Menu : Select - Entities,Utility Menu: Select - Comp/Assembly .-Create Component,001322,10,JAN 2000,6-,18,接触面定义,-,Step 2（,续）,2. 要创建接触定义中使用的,Part IDs,首先用,EDPART, CREATE,创建,PART,在创建完节点组元和,PART,号后，用,EDCGEN,命令定义接触.,Preprocessor:LS-DYNA,Optns,- Part Options,001322,10,JAN 2000,6-,19,接触面定义,-,Step 2（,续）,EDCGEN,命令自动在接触面与目标面之间生成接触,.,Preprocessor: LS-DYNA Options - Contact - Define Contact,首先选择接触类型与相关选项,然后指定摩擦系数,对于面面接触与节点-面接触,会出现另一个对话框，然后定义,CONTACT,和,TARGET,面.,对于单面接触选项,不会出现第二个对话框,因为不需要定义接触面与目标面.,001322,10,JAN 2000,6-,20,接触面定义,-,Step 2（,续）,STEP 2 (,续): 关于摩擦系数参数,与,ANSYS,隐式相比,ANSYS/LS-DYNA,中摩擦的定义灵活地多，摩擦系数可以取决于速度,，,可以为总的摩擦力设置一个限制值,.,在,ANSYS/LS-DYNA,中,摩擦系数,m,c,如下定义,:,m,c,=,m,d,+ (,m,s,-,m,d,)e,-(DC) (v),式中,m,s,=,静态摩擦系数,m,d,=,动态摩擦系数,v =,接触面之间的相对速度.,DC =,指数衰减系数,当,DC,或,v = 0,m,c,=,m,s,最大摩擦力,F,lim,可以通过粘性摩擦系数,VC,与接触面的面积乘积进行限制:,F,lim,= VC,A,segment,摩擦系数限制经常用于接触会引起塑性流动的应用中。建议,VC = 1.732,s,s,s,s,是接触材料的剪切屈服应力,001322,10,JAN 2000,6-,21,接触面定义,-,Step 2（,续）,为了避免接触中不必要的振荡,可以使用接触阻尼系数,VDC,在接触面垂直方向施加阻尼,.,VDC,使实际频率转换为临界频率的百分比，如20%，则,VDC,输入值应为 20:,x,= VDC,x,crit,= VDC (2m,w,),其中,m,是接触主面的质量，,w,自然频率。,VDC,常用于钣金成形分析中消除振荡。,所有摩擦参数,(,m,s,m,d, DC, VC,and,VDC),可直接由,EDCGEN,命令输入,001322,10,JAN 2000,6-,22,接触面定义,-,Step 3,STEP 3:,指定其它参数,对于一些特殊的接触种类，需要输入,EDCGEN,中的,V1-V4,参数,.,下面的表总结了每种类别需要的额外输入,每个额外值直接以接触/目标组元或,PART,号输入,.,001322,10,JAN 2000,6-,23,列表与删除接触,由于不创建接触单元, 在求解之前非常有必要列出定义的接触面来确保接触已经正确地定义,.,用,EDCLIST,命令列出接触实体,Preprocessor: LS-DYNA Options - Contact - List Entities,所有定义的接触实体连同指定的摩擦系数可以自动的列出,.,注意到每种接触定义有一个参考号,001322,10,JAN 2000,6-,24,列表与删除接触（续）,如果确认接触面的定义不正确，可以使用,EDCDELE,命令方便地删除接触,当使用,EDCDELE,命令时,必须指定接触选项和接触/目标组元或,PART.,Preprocessor: LS-DYNA Options - Contact - Delete Entities,Contact option,Contact component,Target component,001322,10,JAN 2000,6-,25,Contact #1,Contact #2,Contact #3,画接触面,使用接触定义号以及,EDPC,命令画接触对,用,EDCLIST,命令列出接触，然后用接触参考号和,EDPC,命令画出接触对,指定接触界面识别号,001322,10,JAN 2000,6-,26,高级接触控制选项 -,Step 4,一旦定义了模型中面与面之间的接触，在,ANSYS/LS-DYNA,中有几个高级选项控制接触,.,几乎所有的高级接触选项由,EDCONTACT,命令控制,.,主要有以下几项:,Option 1: Controlling the contact search method,Option 2: Controlling contact depth,Option 3: Controlling contact stiffness,Option 4: Contact surface birth and death times (EDCGEN command),Option 1:,控制接触搜索方法,在,ANSYS/LS-DYNA,中, 有2种接触搜寻方式:,a.,网格连贯性搜索 (,default for NTS, OSTS, TSTS, TNTS, TDNS),b.,块方法 (,default for all other types),在网格连贯搜索中,接触算法使用相邻单元共用的节点进行搜索,.,当一个目标面与一个接触节点脱离接触后，相邻的面被检查,.,001322,10,JAN 2000,6-,27,高级接触控制 选项,1,mesh connectivity,方法非常快，但要求接触面的网格是连续的,在,bucket sort,方法中,由接触面所占据的三维空间被分为许多立方体（,buckets).,节点可以接触同一立方体中的任何部分或者相邻的,bucket.,接触节点可接触在相同的,bucket,中或相邻的,bucket,中接触任何目标面的部分,bucket sort,算法功能十分强大,但是在某种程度上比,mesh connectivity tracking,要慢, 尤其针对大模型,.,因为许多模型含有不连续的网格，因此最好使用,EDCONTACT,命令的,SHTK,域将接触算法设置为,bucket sort method :,Preprocessor: LS-DYNA Options - Contact - Advanced Controls,001322,10,JAN 2000,6-,28,高级接触控制选项,2,Option 2:,控制接触深度,对于,STS, NTS,和,OSTS,的普通选项,ANSYS/LS-DYNA,假定搜索的接触深度 为 10,10,.,当接触节点穿过目标面时，就会产生一个与接触深度成比例的接触力,.,当模型的组件处于连续的相对运动时由于产生假接触，从而带来不稳定,.,如果接触深度很大, 伪接触力会呈现无穷大. 如果节点出现（滑到）在目标面的后面 ，它会很快滑到物体外的空间中,.,为了控制接触深度, 使用,EDCONTACT,命令中的,PENCHK,域:,Preprocessor: LS-DYNA Options -Contact - Advanced Controls,通过设置小穿透检查为,ON,程序将根据目标段的厚度搜索接触深度,.,001322,10,JAN 2000,6-,29,高级接触控制选项,3,Option 3:,控制接触刚度,在,ANSYS/LS-DYNA,中,penalty method,被用来计算接触力. 在,penalty method,中， 一个弹簧被防在两个物体之间，其间的接触力由下式给出,:,理想情况下，在接触过程中两个面之间应该没有穿透,.,这意味着接触面刚度,k=,从而导致数值不稳定.,ANSYS/LS-DYNA,在材料参数的基础上自动计算接触刚度和接触段的大小,.,由此提供的界面刚度一般会得到理想的接触效果。,d,F,k,d,=,界面穿透量.,F = k,d,其中,k =,接触界面刚度,001322,10,JAN 2000,6-,30,高级接触控制选项,3 (,continued),但是，接触刚度可以用一个比例因子,SFSI,进行改变,进一步调整,ANSYS/LS-DYNA,的计算刚度 (,k,calc,) ：,k = SFSI,k,calc,SFSI,的缺省值为,0.1.,为提高接触刚度, 可以增加,SFSI 。,但是同时应该防止收敛的不稳定,.,一般在侵蚀接触分析中增加,SFSI.,为了控制接触刚度,EDCONTACT,的,SFSI,域应该如下方式用:,Preprocessor: LS-DYNA Options - Contact - Advanced Controls,建议,SFSI,不要超过 1.0.,001322,10,JAN 2000,6-,31,由于不匹配，有5种 不同的选项来控制接触刚度,:,1 ,使用接触和目标刚度中的较小值,2 ,使用目标面值,3 ,使用接触面值,4 ,使用面或质量加权接触值,5 ,使用与壳厚度成反比的从 属值,(,通常建议不使用),高级接触控制选项,3,(,continued),当确定缺省接触刚度时,ANSYS/LS-DYNA,使用材料参数和接触面与目标面的单元尺寸,.,如果模型的接触面之间的材料属性相差太大,(,如钢撞击泡沫）,，,或单元尺寸相差太大,会产生不稳定性或非真实的响应,.,当由于接触刚度不匹配而产生问题时， 接触与目标面的接触刚度可以由,ANSYS/LS-DYNA,调整到比较相近.,接触刚度的调节可以用,EDCONTACT,命令的,PENO,完成:,Preprocessor: LS-DYNA Options - Contact - Advanced Controls,001322,10,JAN 2000,6-,32,高级接触控制选项,4,Option 4:,接触面生死（有效、失效）时间,在一些应用中，确定面面之间接触发生的特定时间往往很重要,.,ANSYS/LS-DYNA,允许用户定义接触的生死时间,.,在指定的有效时间内, 定义的接触面 处于有效状态，直到失效时间,接触面的生死用,EDCGEN,命令的,BTIME,和,DTIME,域进行控制,001322,10,JAN 2000,6-,33,接触使用注意事项,接触面之间的初始穿透不允许,.,如果,ANSYS/LS-DYNA,检查到面之间有初始穿透,将自动将重合的部分从接触面中移走.,要使用真实的材料参数与壳单元厚度. 材料参数和接触面的几何尺寸用来确定,k.,不要在相同的,PARTS,之间定义多个接触,.,如果事先不知道具体接触情况，可以使用单面接触,.,在求解之前列出定义的接触面，从而确保正确定义,.,如果一个分析在开始运行后很快地发散，下面的,ASCII,输出文件可以用来检查是否是接触出现了问题,:,GLSTAT:,总能量分布,MATSUM: PARTID,对应的能量,SLEOUT:,接触能量输出,001322,10,JAN 2000,6-,34,练习 -具有初速度物体撞击平板,此练习见卷,II,E6-1,页.,一具有初速度的箱体撞击刚性墙，采用,LS-DYNA nodes-to-surface,接触算法.,001322,10,JAN 2000,6-,35,