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LS-DYNA使用指南第六章發(fā)表時間：2007-7-30 作者: 安世亞太來源: e-works關(guān)鍵字:顯式有限元LS-DYNAANSYS第六章接觸表面ANSYS/LS-DYNA中的接觸表面可以使用戶在模型中諸Component之間定義多種接觸類型，本章將概要地講述一下顯式動態(tài)分析中定義物理上的真實接觸。必須注意的是顯式動態(tài)分析中的接觸與其它類型的ANSYS分析中的接觸類型不同，在其它分析中，接觸是由實際接觸單元表示。而在顯式動態(tài)分析中沒有接觸單元。只需定義接觸表面，它們之間的接觸類型以及相應(yīng)的參數(shù)。6.1接觸的定義因為在顯式動態(tài)分析中會發(fā)生復(fù)雜的大變形，所以確定模型內(nèi)component之間的接觸是非常困難的?；诖嗽?，ANSYS/LS-DYNA程序中包含許多功能以使接觸表面間的接觸定義更容易些。在ANSYS/LS-DYNA中采用EDCGEN命令來定義所有接觸表面。使用EDCGEN命令時遵循下列步驟：第一步；確定哪種接觸類型最適合你的物理模型。第二步：定義接觸實體。第三步：定義摩擦系數(shù)參數(shù)。第四步：為給定的接觸類型給定一些附加輸入。第五步：定義接觸的殺死和激活時間。第一步：定義接觸類型為了充分地描述在大變形接觸和動態(tài)撞擊中的復(fù)雜幾何體之間的相互作用，在ANSYS/LS-DYNA中引入了許多種接觸類型。這些接觸類型，包括節(jié)點-表面，表面-表面，單面，單邊，侵蝕，固連，固連斷開，壓延筋和剛性體接觸，將在本章標(biāo)題為“接觸選項”中詳細(xì)討論，對于一般的分析而言，建議使用自動單面（ASSC），自動原則（AG），節(jié)點-表面（NTS），表面-表面（STS）接觸選項。第二步：定義接觸實體除單面接觸（ASSC，SS和ESS）、自動通用（AG）和單邊接觸（SE）外，所有的接觸類型都必須在發(fā)生接觸的地方定義contact表面和target表面，這可用節(jié)點components, PART ID 或部件集合ID定義。當(dāng)使用contact component和target component 時，使用選擇項并用CM命令把節(jié)點組合在一起（僅節(jié)點component有效），然后用下面的輸入列表，說明如何使用EDCGEN命令在component之間定義接觸，如第四章例題的球和球棒表面間的component.NSEL，S，NODE，！在球面上選擇節(jié)點CM，BALLSURF，NODE！把被選的節(jié)點放在component BALLSURF中NSEL，S，NODE，！選擇球面上的節(jié)點CM，BATSURF，NODE！把被選節(jié)點放在component BATSURF中EDCGEN，NTS，BALLSURF，BATSURF，25，23！在組元component BALLSURF和component BATSURF間定義為節(jié)點-表面接觸。此外，還可以用有限元模型內(nèi)當(dāng)前定義的部件號或部件集合號來定義接觸表面。部件集合號可以用EDASMP命令定義。下面的命令行說明了怎樣使用EDCGEN命令在模型中定義不同部件或部件集合間的接觸；EDCGEN，STS，1，2，25，23！在部件1和部件2間生成面面接觸另外，結(jié)合PART/部件集合和組元定義，也可以定義接觸和目標(biāo)表面間的接觸，表述如下：EDCGEN，NTS，N1，2，3，28！在組元N1和PART2間生成點面接觸EDCGEN，ESTS，1，N2，15，15！在PART1和組元N2間生成侵蝕面面接觸EDCGEN，STS，1，1，1，1！在PART1間生成面面接觸如下例所述，也可以用EDCGEN命令定義部件集合間的接觸：EDCGEN，STS，5，6，3，28！在部件集合5和6間生成面面接觸在一些特定的單面接觸類型（ASCC，AG，ESS，和SS）中無需定義contact和target表面，在本章后面將提及到，單面接觸時最常用的接觸類型，模型的全部外表面在整個分析中任一點都可能發(fā)生接觸。程序在單面接觸中將忽略任何contact和target表面的定義，并在執(zhí)行EDCGEN命令時發(fā)出一個警告信息，一個典型單面接觸命令如下：EDCGEN，ASSC，34，34！在整個模型中生成自動單面接觸注-在顯式分析中定義接觸實體時，不允許有初始穿透。因此，定義接觸組元時要注意。第三步：定義摩擦系數(shù)參數(shù)接觸摩擦系數(shù)是由靜態(tài)摩擦系數(shù)（FS），動摩擦系數(shù)（FD），和指數(shù)衰減系數(shù)（DC）來確定的。（FS，F(xiàn)D和DC可以用EDCGEN命令輸入）假設(shè)摩擦系數(shù)與接觸表面的相對速度有關(guān)：粘性摩擦系數(shù)，VC（用EDCGEN命令輸入），可以限制最大摩擦力。公式表述如下：這里是接觸時節(jié)點接觸部分的接觸面面積，VC值建議使用剪切屈服應(yīng)力：這里是接觸材料的屈服應(yīng)力。為了避免在接觸中產(chǎn)生不真實的震蕩，對于薄板成形模擬，可使用垂直于接觸表面的接觸阻尼，接觸阻尼系數(shù)計算如下：阻尼系數(shù)VDC粘性阻尼系數(shù)（EDCGEN命令輸入）。這里；K是界面剛度第四步：給定附加輸入對于侵蝕，剛性體，固連斷開和壓延筋接觸，還需輸入一些其它數(shù)據(jù)（EDCGEN的V1-V4選項），這些數(shù)據(jù)因接觸類型不同而各異，將分別簡述如下：采用侵蝕表面接觸（ENTS，ESS和ESTS）時，當(dāng)表面實體單元發(fā)生失效時，需要在內(nèi)部剩余單元重新定義接觸。對于侵蝕接觸，V1-V3定義如下：邊界條件對稱選項（V1）決定當(dāng)單元表面失效時沿一個表面是否仍然保持對稱性；內(nèi)部侵蝕選項（V2）決定當(dāng)外表面發(fā)生失效時沿內(nèi)表面是否接著發(fā)生侵蝕；相鄰材料選項（V3）決定當(dāng)沿著自由表面發(fā)生失效時是否包括實體單元面。剛性體接觸（RNTR和ROTR）通常用于多剛體動力學(xué)，在剛性體接觸中，采用一條用戶定義防止貫穿的力-撓度曲線，而不用線性剛度。因此，對于剛性體接觸，數(shù)據(jù)曲線號（V1），用于給定剛性體接觸的力計算方法類型選項（V2）和卸載剛度值（V3）必須輸入。固連斷開接觸（TSTS和TNTS）用于表面膠合在一起時定義接觸表面失效。對于所有固連斷開接觸類型，需輸入拉伸失效應(yīng)力（V1）和剪切失效應(yīng)力（V2）定義失效準(zhǔn)則。對于節(jié)點-表面固連斷開接觸。法向力指數(shù)項（V3）和剪切力指數(shù)項（V4）也需輸入以定義失效準(zhǔn)則。壓延筋接觸（DRAWBEAD）用于模擬壓延筋的特殊情況，壓延筋在深拉作業(yè)時有助于約束坯料。在壓延筋接觸中，必須輸入一條載荷曲線號（V1），它給出作為壓延筋位移函數(shù)的約束力彎曲分量，可以任選一條曲線號（V2），它給出作為壓延筋位移函數(shù)的法向約束力以及沿壓延筋的等距積分點數(shù)（V4）。第五步：定義激活或殺死時間對于每個接觸定義，都可以用EDCGEN命令的BTIME域和DTIME域來定義殺死和激活時間。這允許在瞬態(tài)分析的任意時刻都激活接觸，然后在稍后時間內(nèi)殺死。6.1.1列表，顯示和刪除接觸實體用EDCGEN命令定義接觸后，就可以列表、顯示或刪除接觸實體。用EDCLIST命令列出所有當(dāng)前定義的接觸實體。定義的每個接觸都給定一個參考號用于顯示接觸實體，當(dāng)前顯式動態(tài)接觸實體1一般的面面接觸：節(jié)點接觸實體N1，結(jié)點目標(biāo)實體N2FS=010000FD=008000DC=000000VC=000000VDC=000002 自動單面接觸定義：模型的所有外表面FS=020000FD=015000DC=000000VC=000000VDC=00000用戶可以采用EDPC命令選擇和顯示接觸實體。顯示將包括節(jié)點和單元，它與定義接觸表面的方法有關(guān)（也就是說，部件或組元）。采用EDPC命令的MIN，MAX，和INC域來給定最小接觸實體號，最大接觸實體號和接觸實體號增量。因此，對于上述說明執(zhí)行EDPC，1，2，1，就可以選擇顯示STS和ASSC接觸定義的實體。值得注意的是，對于單面接觸定義，模型中所有外部表面都將被選擇和顯示出來。注-EDPC選擇了給定接觸實體的節(jié)點和單元。因此，在顯示接觸實體后，必須重新選擇下步操作所需的所有節(jié)點和單元（SOLVE）。采用NSEL，ALL和ESEL，ALL命令（或其他命令的合適形式）。如果接觸定義不正確，可以用EDDC命令刪除它。為了刪除指定的接觸實體，可執(zhí)行EDDC，DELE，Ctype,Cont,Targ,這里Ctype是接觸類型，Cont和Targ表示已定義接觸的接觸和目標(biāo)部件或組元。刪除當(dāng)前接觸實體，執(zhí)行EDDC，DELE，ALL。在小型重啟動分析中不能刪除接觸實體（EDSTART，2）。但是，可以用EDDC命令激活（EDDC，DACT，Ctype,Cont,Targ）或殺死接觸。當(dāng)知道在什么階段發(fā)生什么類型接觸時，這個特點是非常有用的。使用此特征，必須在新分析中定義所有的接觸實體（EDCGEN），并且必須至少執(zhí)行一次小型啟動，一旦定義了接觸類型，就可以在不必要時殺死它，而在需要時重新激活。需要時才考慮接觸，這樣顯著節(jié)省了CPU時間。（注意，如果在新分析中用EDDC，DELE刪除接觸，它的定義將從數(shù)據(jù)庫中去除，那么就不能在后來的分析中激活它。）顯式動態(tài)全啟動分析不支持EDDC命令（EDSTART，3）。也就是說，在前面分析已定義的全啟動中不能刪除，殺死和激活接觸定義。分頁6.2接觸選項為了充分定義在顯式動態(tài)分析中表面間的復(fù)雜相互作用，在ANSYS/LS-DYNA中有24種接觸類型（見下表）。在大量的接觸類型中，需要用戶對每一種接觸類型都很了解，以便能正確地選用接觸類型。因此，下面我們將討論一下ANSYS/LS-DYNA中所有的接觸類型。61 接觸類型Single surfaceNodes to surfaceSurface to surfaceNormalSSNTSSTS, OSTSAutomaticASSC, AG, ASS2DANTSASTSRigidRNTRROTRTiedTDNSTDSS, TSESTied with failureTNTSTSTSErodingESSENTSESTSEdgeSEDrawbeadDRAWBEADFormingFNTSFSTS, FOSS6.2.1定義接觸類型從表6.1中看出，在ANSYS/LS-DYNA程序中主要有三種基本接觸類型：單面接觸，節(jié)點-表面接觸，表面-表面接觸。1單面接觸（SS，ASSC，AG，ASS2D，ESS）單面接觸用在一個物體表面的自身接觸或它與另一個物體表面接觸，在單面接觸中，ANSYS/LS-DYNA程序?qū)⒆詣优卸Ｐ椭心奶幈砻姘l(fā)生接觸。因此，單面接觸的定義是最簡單的，無需定義contact和target表面，當(dāng)定義好單面接觸時，它允許一個模型的所有外表面都可能接觸，這對于預(yù)先不知道接觸表面的自身接觸或大變形問題很有用處。與隱式模型過多定義接觸面將大大增加CPU時間不同，在顯式模型中定義單面接觸只會較少的增加CPU時間，許多碰撞和撞動態(tài)碰撞問題都需定義單面接觸。由于自動通用接觸（AG）很有效，它包括殼邊接觸（SE）和改進(jìn)的梁接觸，因此，推薦你在難以預(yù)測接觸條件時，對于自身接觸和大變形問題優(yōu)先選擇此種接觸類型。2點-面接觸（NTS，ANTS，RNTR，TDNS，TNTS，ENTS，DRAWBEAD，F(xiàn)NTS）點面接觸類型是接觸節(jié)點將穿透target表面。這種接觸類型通常用于一般兩個表面間的接觸。采用ANSYS隱式程序中同樣的規(guī)則，需要定義target表面及contact表面。平面或凹面為target表面，凸面為contact表面粗網(wǎng)格所在面作為target面，細(xì)網(wǎng)格所在面為contact面在定義壓延筋接觸時，筋總為contact表面，而板料為target表面。3面-面接觸（STS，OSTS，ASTS，ROTR，TDSS，TSTS，ESTS，SE，F(xiàn)STS，F(xiàn)OSS，TSES）當(dāng)一個物體的表面穿透另一個物體的表面時需使用面-面接觸，面-面接觸類型是最常用的，并且常用于任意形狀且存在較大接觸面積的物體接觸。這種接觸類型對于物體間有大量相對滑移時很有效，例如塊在平板上滑動，球在槽內(nèi)滑動等。6.2.2定義接觸選項對于以上三種接觸類型的每一種又含有多個接觸類型選項，在ANSYS/LS-DYNA中，可用以下幾個選項：1.通用接觸（SS，NTS，STS，OSTS）雖然通用接觸的算法最簡單，但它的使用范圍仍很廣。實際上，ANSYS/LS-DYNA三種接觸選項中有兩種是NTS和STS選項。使用通用接觸最大的優(yōu)點在于它們的速度很快并且很可靠。使用該種類型時，只需關(guān)心接觸表面的取向，接觸表面方向是指定義一個面的哪一邊是實體和哪一邊是“空氣”。當(dāng)使用實體單元時，程序自動為通用接觸類型正確定向，而對于殼單元的接觸，用戶必須自己定義表面方向，在EDCONTACT命令中把ORIE域設(shè)為2，它將激活接觸表面自動重新定向。特別要注意，只有殼表面沒有初始貫穿時才會重新定向。2.自動接觸（ASSC，AG，ASS2D，ANTS，ASTS）與通用接觸類型一樣，自動接觸也是使用最廣泛的接觸。自動接觸和通用接觸間的主要差別就是它能通過自動接觸算法自動確定殼單元的接觸表面方向。在該選項中，將會檢查殼單元每個面的接觸，因此，通常會限制搜索深度。如果考慮到接觸表面的穿透，可以使用無限或者大搜索深度的普通接觸。參見本章后面的6.5節(jié)，Controlling Contact Depth。3.侵蝕接觸（ESS,ENTS,ESTS）侵蝕接觸用于一個或兩個表面的單元在接觸時發(fā)生材料失效。接觸依然可在剩余單元中進(jìn)行。它用于實體單元穿透或是表面產(chǎn)生失效貫穿問題等。使用此選項，必須在EDCGEN命令中指定對稱平面選項（V1）、內(nèi)外節(jié)點侵蝕選項（V2）以及臨近材料處理選項（V3）。4.剛性接觸（RNTR,ROTR）剛性體接觸和通用接觸中的NTS和OSTS相類似，區(qū)別在于它采用一條用戶自定義的力-撓度曲線而不是線性剛度來防止穿透。這種類型的接觸最典型的應(yīng)用是多個剛體間的相互接觸。剛性體接觸的最大優(yōu)點在于它們可以包括能量吸收而無需用變形單元建模。但是，剛性體接觸（RNTR，ROTR）不能用于變形體。剛性體和變形體間的接觸必須用通用、自動或侵蝕選項來定義。對于剛性體接觸選項，必須用EDCGEN命令來指定數(shù)據(jù)曲線ID（V1）力的計算方法（V2）和卸載選項（V3）。5.固連接觸（TDNS，TDSS，TSES）固連接觸選項實際上是把接觸節(jié)點（表面）和目標(biāo)表面“粘合”起來，接觸和目標(biāo)表面開始必須共面，于是初始化時，程序會計算contact節(jié)點（表面）在target部分內(nèi)的等參數(shù)位置。然后，在載荷或初始速度的作用下，contact節(jié)點（表面）須在目標(biāo)表面內(nèi)保持它們的等參數(shù)位置。固連接觸的效果就是target表面可以變形，而contact節(jié)點將追隨其變形。定義固連接觸時，較粗網(wǎng)格的物體需定義為target表面。只有平移自由度（UX，UY，UZ）才會受固連接觸的影響。6.斷開接觸（固連失效）（TNTS，TSTS）固連斷開接觸與固連接觸的區(qū)別在于contact節(jié)點（表面）僅在達(dá)到失效準(zhǔn)則前和target表面固連在一起。利用一個罰剛度使得contact節(jié)點（表面）與target表面實現(xiàn)“銷連接“；在達(dá)到失效準(zhǔn)則后，接觸節(jié)點（表面）可以相對于目標(biāo)表面滑動或與之分離。固連斷開接觸的典型應(yīng)用是焊點和螺栓連接。TNTS和TSTS間的主要區(qū)別就是TSTS失效與失效應(yīng)力有關(guān)而TNTS則與失效力有關(guān)。使用TSTS時，需用EDCGEN命令來定義法向（V1）和切向（V2）失效應(yīng)力；對于TNTS，需用EDCGEN命令來定義法向（V1）和切向（V2）失效力以及法向（V3）和切向（V4）力的指數(shù)。固連失效準(zhǔn)則如下式：7.邊接觸（SE）單邊接觸用于發(fā)生在垂直于殼表面法線方向的接觸中。該接觸選項不需要定義接觸或目標(biāo)表面，常用于表面法向垂直于撞擊方向的薄板成形工藝中。8.壓延筋接觸（DRAWBEAD）壓延筋接觸用于金屬成形工藝中，它需特別注意坯料的約束。在拉延和沖壓模擬時，板料與成形表面脫離的現(xiàn)象是很常見的。壓延筋接觸要求使用彎曲和摩擦約束力，用來保證板料在整個壓延筋厚度尺寸上保持接觸。9.成形接觸（FNTS，F(xiàn)STS，F(xiàn)OSS）成形接觸主要用于金屬成形工藝。對這些接觸類型來說，工具和模具定義為目標(biāo)面（master），而工作部分定義為接觸面（slave）。這個選項不需用網(wǎng)格連接，但工具的網(wǎng)格必須在同一方向。由于該選項基于自動接觸類型，因此在金屬成形應(yīng)用中非常有效。6.3接觸搜索方法在ANSYS/LS-DYNA中，有兩種接觸算法用來確定發(fā)生接觸的接觸面和目標(biāo)面，簡述如下：6.3.1網(wǎng)格連接跟蹤在網(wǎng)格連接跟蹤中，接觸搜索算法用相鄰單元片的共享節(jié)點去識別可能出現(xiàn)的接觸域。因此，當(dāng)一個目標(biāo)片不再和接觸表面節(jié)點接觸時，就可以檢驗相鄰的單元片。網(wǎng)格連接跟蹤方法是非常有益的，因為它速度快；但也有缺點，它要求網(wǎng)格連續(xù)，以確保算法正確。因此，對不同的區(qū)域，必須設(shè)置不同的接觸。NTS，OSTS，TSTS，TNTS和TDNS接觸選項使用網(wǎng)格連接方法。但是，通過設(shè)置EDCONTACT命令的SHTK域為正值，接觸選項NTS，OSTS和TDNS須使用批處理方法。6.3.2批處理方法除了上述提及到的接觸類型外，所有的接觸都使用批處理方法，就是把target表面按區(qū)域分成很多批。Contact節(jié)點可以和同一批或相鄰批中任意的target接觸。批處理方法很可靠，但是當(dāng)target表面的單元數(shù)較多時，它要比網(wǎng)格連接跟蹤法慢。6.3.3限制接觸搜索域通過定義一個接觸箱區(qū)域，用戶可以把整個區(qū)域限制在一個接觸搜索域內(nèi)。定義一個接觸箱后，接觸搜索就會在箱體坐標(biāo)指定的范圍內(nèi)執(zhí)行。它的一個優(yōu)點就是當(dāng)預(yù)先知道兩個物體的潛在接觸面積時，可以使CPU時間消耗降到最少。當(dāng)用部件或部件集合定義接觸時，此選項才有效。接觸箱用EDBX命令定義。EDBX，Option,BOXID,XMIN,XMAX,YMIN,YMAX,ZMIN,ZMAXOption增加，刪除，列表BOXID用戶定義的ID號XMIN最小x坐標(biāo)XMAX最大 x坐標(biāo)YMIN最小y坐標(biāo)YMAX最大y坐標(biāo)ZMIN最小z坐標(biāo)ZMAX最大z坐標(biāo)一旦定義后，一個BOXID可以在EDCGEN命令的BOXID1和BOXID2域使用。BOXID1和接觸箱相對應(yīng)而BOXID2與目標(biāo)接觸箱對應(yīng)。分頁6.4殼單元的特殊處理用殼單元對剛性體建模時必須很小心。自動點-面接觸（ANTS）、自動單面接觸（ASSC）、自動面-面接觸（ASTS）和單面接觸的定義，都必須考慮確定接觸表面和搜索深度接觸算法的殼體厚度。因此，剛性體殼單元的厚度要符合實際，厚度太小將導(dǎo)致接觸丟失，厚度太大將導(dǎo)致批處理算法速度的降低。對上述接觸類型來說，EDCONTACT命令的殼體厚度接觸選項SHTK域?qū)⒑雎圆挥?。EDCONTACT中SHTK項置為1或2對NTS，STS，OSTS型接觸有多種影響。第一就是直接計算接觸深度（見6.5，Controlling Contact Depth）,它由殼單元厚度和實體單元邊長決定，而不由用戶控制。第二，正如上面所說的一樣，接觸搜索算法變?yōu)榕幚硭惴ǎW(wǎng)格連續(xù)就不必要了。6.5接觸深度控制對于通用接觸類型STS，NTS，OSTS，TNTS和TSTS，用戶必須保證在模型中未定義虛假接觸。對于這些接觸類型，ANSYS/LS-DYNA假設(shè)接觸深度為（接近無限）。因此，任何時候一個接觸節(jié)點貫穿到target表面的后面（或vice-versa），就會發(fā)生接觸并產(chǎn)生一個與接觸深度成比例的力。在顯式動態(tài)分析中，由于幾何體之間發(fā)生相對移動，定義多余的虛假接觸是很常見的。在接觸不真實的情況下，接觸深度相對來說就很大，相應(yīng)的接觸力也會變大從而導(dǎo)致模型不穩(wěn)?；谏鲜鲈?，ANSYS/LS-DYNA程序允許用戶定義一個最大接觸深度值，接觸穿透超過該值，可認(rèn)為是虛假的并且對它忽略不計。要控制接觸穿透距離，可將EDCONTACT命令中的PENCHK域值為1或2。在STS，NTS，OSTS，TNTS和TSTS類型的模型中，上面所說的PENCHK域控制所有接觸定義的穿透檢測。用EDSP命令可以改變同種類型每個單獨接觸定義的穿透檢測。除STS，NTS，OSTS，TNTS和TSTS外的所有其他類型的接觸，其穿透深度由單元厚度自動限制，而不能由用戶自動調(diào)整。殼單元和實體單元接觸深度的表達(dá)式為：殼單元：接觸深度=min殼厚度，0.4最短邊長,0.5實體單元：接觸深度=min體積/面積，0.56.6接觸剛度6.6.1罰因子的選擇兩個物體間發(fā)生接觸時必須建立剛度的關(guān)系。如果沒有接觸剛度，物體之間將會互相穿透。通過兩個物體間的“彈性彈簧”可以建立這種關(guān)系，這里接觸力等于接觸剛度（k）與穿透量()的乘積。因此，兩個物體間的穿透量()或不相容性與剛度k有關(guān)。理想情況下，應(yīng)沒有穿透，但這意味著k=從而將導(dǎo)致數(shù)值不穩(wěn)。k值與接觸物體的相對剛度有關(guān)。在ANSYS/LS-DYNA程序中，接觸剛度由下