第七讲abaqus接触分析资料.ppt

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。