Abaqus有限元接觸分析的基本概念

2016-11-24 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

16.1.1 點(diǎn)對(duì)面離散與面對(duì)面離散

【常見問題16-1】

在ABAQUS/Standard分析中定義接觸時(shí),可以選擇點(diǎn)對(duì)面離散方法(node-to-surface-dis- cre-tization)和面對(duì)面離散方法(surface-to-surface discretization),二者有何差別?

『解答』

在點(diǎn)對(duì)面離散方法中,從面(slave surface)上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)與該節(jié)點(diǎn)在主面(master surface)上的投影點(diǎn)建立接觸關(guān)系,每個(gè)接觸條件都包含一個(gè)從面節(jié)點(diǎn)和它的投影點(diǎn)附近的一組主面節(jié)點(diǎn)。

使用點(diǎn)對(duì)面離散方法時(shí),從面節(jié)點(diǎn)不會(huì)穿透(penetrate)主面,但是主面節(jié)點(diǎn)可以穿透從面。

面對(duì)面離散方法會(huì)為整個(gè)從面(而不是單個(gè)節(jié)點(diǎn))建立接觸條件,在接觸分析過程中同時(shí)考慮主面和從面的形狀變化?？赡茉谀承┕?jié)點(diǎn)上出現(xiàn)穿透現(xiàn)象,但是穿透的程度不會(huì)很嚴(yán)重。

在如圖16-l和圖16-2所示的實(shí)例中,比較了兩種情況。

1)從面網(wǎng)格比主面網(wǎng)格細(xì):點(diǎn)對(duì)面離散(圖16-1a)和面對(duì)面離散(圖16-2a)的分析結(jié)果都很好,沒有發(fā)生穿透,從面和主面都發(fā)生了正常的變形。

2)從面網(wǎng)格比主面網(wǎng)格粗:點(diǎn)對(duì)面離散(圖16-1b)的分析結(jié)果很差,主面節(jié)點(diǎn)進(jìn)入了從面,穿透現(xiàn)象很嚴(yán)重,從面和主面的變形都不正常;面對(duì)面離散(圖16-2b)的分析結(jié)果相對(duì)較好,盡管有輕微的穿透現(xiàn)象,從面和主面的變形仍比較正常。

從上面的例子可以看出,在為接觸面劃分網(wǎng)格時(shí)需要慎重,無論使用點(diǎn)對(duì)面離散還是面對(duì)面離散,都應(yīng)盡量保證從面網(wǎng)格不能比主面網(wǎng)格粗。關(guān)于從面和主面的選擇方法,請(qǐng)參見《實(shí)例詳解》第5.2.2節(jié)“定義接觸對(duì)”。

選用離散方法時(shí),還應(yīng)考慮以下因素。

1)一般情況下,面對(duì)面離散得到的應(yīng)力和壓強(qiáng)的結(jié)果精度要高于點(diǎn)對(duì)面離散。

2)面對(duì)面離散需要分析整個(gè)接觸面上的接觸行為,其計(jì)算代價(jià)要高于點(diǎn)對(duì)面離散。一般情況下,二者的計(jì)算代價(jià)相差不是很懸殊,但在以下情況中,面對(duì)面離散的計(jì)算代價(jià)將會(huì)大很多:

① 模型中的大部分區(qū)域都涉及到接觸問題。

② 主面的網(wǎng)格比從面的網(wǎng)格細(xì)化很多。

③ 接觸對(duì)中包含了多層殼,一個(gè)接觸對(duì)中的主面是另一接觸對(duì)中的從面。

3)如果從面是基于節(jié)點(diǎn)的(即從面類型為Node Region,而不是Surface),則不能使用面對(duì)面離散化方法。

相關(guān)內(nèi)容的詳細(xì)介紹,請(qǐng)參見ABAQUS 6.7幫助文檔《ABAQUS Analysis User's Manual》第29.2.1節(jié)“Defining contact pairs in ABAQUS/Standard”。

【常見問題16-2】

提交ABAQUS/Standard分析作業(yè)后,為何在MSG文件中看到以下提示信息:

CONTACT PAIR(ASSEMBLY-BLANKBO T,ASSEMBLY_TIE-1_DIEDURF)NODE BLANK- 1.5IS

OVERCLOSED BY 0.0512228 WHICH IS TOO SEVERE.(出現(xiàn)了嚴(yán)重的過盈接觸)

『解答』

可以從以下幾個(gè)方面查找原因:

1)如果上述提示信息中所提到的接觸面是剛體、殼單元、膜單元、梁?jiǎn)卧蜩旒軉卧系拿?則有可能是在定義此接觸面時(shí)沒有選擇正確的發(fā)生接觸的那一側(cè),即接觸面的法線方向錯(cuò)誤。

提示:對(duì)于可變形的實(shí)體單元,ABAQUS/CAE會(huì)自動(dòng)選擇正確的法線方向(指向?qū)嶓w的外部)。

當(dāng)接觸面的法線方向錯(cuò)誤時(shí),如果使用了點(diǎn)對(duì)面離散,會(huì)在MSG文件中看到上述提示信息,分析無法收斂。如果使用了面對(duì)面離散,不會(huì)出現(xiàn)上述提示信息,分析仍然可以完成,但分析結(jié)果是異常的(例如出現(xiàn)嚴(yán)重的穿透現(xiàn)象)。

在Visualization功能模塊中可以顯示接觸面的法線方向,方法是單擊 (Common Options)按鈕,在Normals標(biāo)簽頁(yè)下選中Show normals(如圖16-3所示),并且要注意選擇Onsurfaces(面的法向),而不是On elements(單元的方向)。另外,在云紋圖的模式下不能顯示解析剛體表面的法向,只有在未變形圖或變形圖的模式下才可以顯示。

一對(duì)接觸面的法向應(yīng)該是互相指向?qū)Ψ降?第16.3.2節(jié)“接觸分析綜合實(shí)例2”提供了一個(gè)接觸面法線方向定義錯(cuò)誤的實(shí)例。

2)如果接觸面的法線方向是正確的,但分析仍無法收斂,應(yīng)檢查模型中的過盈量是否太大。如果存在此問題應(yīng)修改模型,令過盈量從O開始逐漸增大,例如,可以使用,CONTACT INTERFERENCE和線性遞增的幅值曲線定義過盈接觸,詳見《實(shí)例詳解》第5.2.4節(jié)“設(shè)定接觸面之間的距離或過盈量”。

3)如果接觸面的法線方向是正確的,這種“過盈量太大”的信息只是在MSG文件中偶爾出現(xiàn),而且出現(xiàn)此信息的分析步最終能夠收斂,分析結(jié)果也一切正常,就沒有問題。

在接觸分析的求解過程中,ABAQUS/Standard會(huì)迭代嘗試各種可能的位移狀態(tài),如果某個(gè)位移狀態(tài)造成過盈量太大,ABAQUS/Standard就會(huì)顯示上述提示信息,然后嘗試另外一個(gè)位移狀態(tài)。換言之,這個(gè)太大的過盈量有可能僅僅是ABAQUS/Standard在嘗試求解過程中的一個(gè)中間狀態(tài),并不一定是模型本身存在錯(cuò)誤。

在《實(shí)例詳解》第6.4節(jié)“實(shí)例3:彎曲成形過程模擬”的實(shí)例中,就可以在隨書光盤的以下MSG文件中看到類似的“過盈量太大”的提示信息:\Dem06-Forming\Analysis Results\ Forming.msg。

16.1.2 有限滑動(dòng)和小滑動(dòng)

【常見問題16-3】

什么是有限滑動(dòng)(finite sliding)和小滑動(dòng)(small sliding)?

『解答』

在ABAQU S/Standard分析中定義接觸時(shí),有兩種判斷接觸狀態(tài)的跟蹤方法可供選擇:

1)有限滑動(dòng)。如果兩個(gè)接觸面之間的相對(duì)滑動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)量較大(例如,大于接觸面上的單元尺寸),就應(yīng)該選擇有限滑動(dòng),它允許接觸面之間出現(xiàn)任意大小的相對(duì)滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。在分析過程中,ABAQUS將會(huì)不斷地判斷各個(gè)從面節(jié)點(diǎn)與主面的哪一部分發(fā)生了接觸,因此計(jì)算成本較高。

在使用有限滑動(dòng)、點(diǎn)對(duì)面離散時(shí),應(yīng)盡量保證主面是光滑的,否則主面的法線方向會(huì)出現(xiàn)不連續(xù)的變化,容易出現(xiàn)收斂問題。在主面的拐角處應(yīng)使用過渡圓弧,并在圓弧上劃分足夠數(shù)量的單元。

在使用點(diǎn)對(duì)面離散時(shí),如果主面是變形體或離散剛體的表面,ABAQUS/Standard會(huì)自動(dòng)對(duì)不光滑的主面做平滑(Smoothing)處理,默認(rèn)的平滑系數(shù)為0.2。面對(duì)面離散則沒有這種平滑功能,因此如果工程實(shí)際要求主面必須有尖角,使用點(diǎn)對(duì)面離散可能會(huì)比面對(duì)面離散更容易收斂。

2)小滑動(dòng)。如果兩個(gè)接觸面之間的相對(duì)滑動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)量很小(例如,小于接觸面上單元尺寸的20%),就可以選擇小滑動(dòng)。在分析開始時(shí)刻,ABAQUS就確定了各個(gè)從面節(jié)點(diǎn)與主面是否接觸、與主面的哪個(gè)區(qū)域接觸,并在整個(gè)分析過程中保持這些關(guān)系不變,因此計(jì)算成本較低。

關(guān)于有限滑動(dòng)和小滑動(dòng)的詳細(xì)介紹,請(qǐng)參見《實(shí)例詳解》第5.2.3節(jié)“有限滑移和小滑移”和ABAQUS6.7幫助文檔《ABAQUS Analysis User's Manual》第29.2.2節(jié)“Contactformul- ation for ABAQUS/Standard contact pairs”。

【常見問題16-4】

分析接觸問題時(shí),是否必須在Step功能模塊中打開幾何非線性開關(guān)(將Nlgeom設(shè)為ON)?

『解答』

只有分析幾何非線性問題(大位移、大轉(zhuǎn)動(dòng)、初始應(yīng)力、幾何剛化或突然翻轉(zhuǎn)等)時(shí)才需要將Nlgeom設(shè)為ON。接觸分析是非線性問題,但不一定是幾何非線性問題,常見的情況有以下幾種:

1)如果接觸面之間會(huì)發(fā)生較大的相對(duì)位移或轉(zhuǎn)動(dòng),則定義接觸時(shí)應(yīng)選擇有限滑動(dòng),并將Nlgeom設(shè)為ON。

2)如果接觸面之間的相對(duì)位移和轉(zhuǎn)動(dòng)都很小,模型各處都不會(huì)發(fā)生大的位移或轉(zhuǎn)動(dòng),則定義接觸時(shí)應(yīng)選擇小滑動(dòng),并將Nlgeom設(shè)為OFF。

3)如果接觸面之間的相對(duì)位移和轉(zhuǎn)動(dòng)都很小,但模型出現(xiàn)了大的位移或轉(zhuǎn)動(dòng)(例如剛體轉(zhuǎn)動(dòng)),則定義接觸時(shí)應(yīng)選擇小滑動(dòng),并將Nlgeom設(shè)為ON。

將Nlgeom設(shè)為ON可能會(huì)增加模型收斂的難度,增加計(jì)算成本。但如果模型發(fā)生了大的位移或轉(zhuǎn)動(dòng),而仍將Nlgeom設(shè)為OFF,也可能導(dǎo)致計(jì)算不收斂。

關(guān)于非線性問題的詳細(xì)介紹,請(qǐng)參見本書第15.1節(jié)“線性分析與非線性分析”。

【常見問題16-5】

殼或膜單元都是有厚度的,但在ABAQUS/CAE中它們被顯示為無厚度的面。在ABAQUS/Standard中為它們定義接觸時(shí),是否需要讓接觸面之間保留一定距離,以體現(xiàn)其厚度?

『解答』

有以下幾種可能的情況:

1)如果選擇了點(diǎn)對(duì)面離散的小滑動(dòng)、面對(duì)面離散的小滑動(dòng)或面對(duì)面離散的有限滑動(dòng),默認(rèn)情況下ABAQUS/Standard會(huì)考慮殼或膜的厚度,在建模時(shí)應(yīng)根據(jù)厚度讓接觸面之間保留相應(yīng)的距離。如果希望忽略殼和膜的厚度,可以在定義接觸時(shí)選中Exclude shell/membrane element thickness。

提示:默認(rèn)情況下,殼或膜在ABAQUS/CAE中的面是它們的中性面。如果需要,可以偏置此面,相關(guān)內(nèi)容請(qǐng)參見ABAQUS6.7幫助文檔《ABAQUS Analysis User’s Manual》第23.6.3節(jié)“Defining the initial geometry of conventional shell elements”。

2)如果選擇了點(diǎn)對(duì)面離散的有限滑動(dòng),或者從面類型是基于節(jié)點(diǎn)的,則無法考慮殼或膜的厚度。

本節(jié)第16.3節(jié)“ABAQUS/Standard接觸分析綜合實(shí)例”中的【綜合實(shí)例16.21演示了一個(gè)具體的例子。

以上內(nèi)容節(jié)選于機(jī)械工業(yè)出版社機(jī)械分社出版的:

《ABAQUS有限元分析常見問題解答》

作者:曹金鳳石亦平

書號(hào):978-7-111-25379-2

定價(jià):60.00元(含1CD)

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