abaqus第七讲：abaqus接触分析

第七讲 接触非线性,王慎平 北京怡格明思软件技术有限公司,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,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。,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。,“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。,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,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,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),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。),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)。,主/从方法和隐含假设,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,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。,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。,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。,定义双面接触概述,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,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,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),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。,*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,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,定义面的规则,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。,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 .,使用自动的表面定义 *SURFACE, NAME=EXAMPLE2 ELSET1,没有面标识符,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),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,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。,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。,基于节点表面的例子：,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,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。,对于三维情况，限制的例子。,局部表面行为,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,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,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)。,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。,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。,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。,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)。,接触问题中点的相对滑动,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。,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,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。,小滑动接触约束 在分析开始时，ABAQUS将确定哪些节点是相