Abaqus中接觸分析問題介紹

2017-03-13 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

CAE(計算機輔助工程)是一門復(fù)雜的工程科學(xué),涉及仿真技術(shù)、軟件、產(chǎn)品設(shè)計和力學(xué)等眾多領(lǐng)域。世界上幾大CAE公司各自以其獨到的技術(shù)占領(lǐng)著相應(yīng)的市場。ABAQUS有限元分析軟件擁有世界上最大的非線性力學(xué)用戶群,是國際上公認的最先進的大型通用非線性有限元分析軟件之一。它廣泛應(yīng)用于機械制造、石油化工、航空航天、汽車交通、土木工程、國防軍工、水利水電、生物醫(yī)學(xué)、電子工程、能源、地礦、造船以及日用家電等工業(yè)和科學(xué)研究領(lǐng)域。ABAQUS在技術(shù)、品質(zhì)和可靠性等方面具有卓越的聲譽,可以對工程中各種復(fù)雜的線性和非線性問題進行分析計算。

一、點對面離散與面對面離散

在點對面離散方法中,從面(slave surface)上的每個節(jié)點與該節(jié)點在主面(master surface)上的投影點建立接觸關(guān)系,每個接觸條件都包含一個從面節(jié)點和它的投影點附近的一組主面節(jié)點。使用點對面離散方法時,從面節(jié)點不會穿透(penetrate)主面,但是主面節(jié)點可以穿透從面。面對面離散方法會為整個從面(而不是單個節(jié)點)建立接觸條件,在接觸分析過程中同時考慮主面和從面的形狀變化?？赡茉谀承┕?jié)點上出現(xiàn)穿透現(xiàn)象,但是穿透的程度不會很嚴重。

在如圖l和圖2所示的實例中,比較了兩種情況。

a)從面網(wǎng)格比主面網(wǎng)格細:沒有發(fā)生穿透,從面和主面都發(fā)生了正常的變形。

b)從面網(wǎng)格比主面網(wǎng)格粗:從面節(jié)點沒有進入主面,但主面節(jié)點進入了從面,穿透現(xiàn)象和嚴重,從面和主面的變形都不正常。

a)從面網(wǎng)格比主面網(wǎng)格細:沒有發(fā)生穿透,從面和主面都發(fā)生了正常的變形。

b)從面網(wǎng)格比主面網(wǎng)格粗:從面節(jié)點沒有進入主面,但有少量主面節(jié)點進。

入了從面,出現(xiàn)了輕微的穿透現(xiàn)象,從面和主面的變形比較正常

1)從面網(wǎng)格比主面網(wǎng)格細:點對面離散(圖1a)和面對面離散(圖2)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:點對面離散(圖1b)的分析結(jié)果很差,主面節(jié)點進入了從面,穿透現(xiàn)象很嚴重,從面和主面的變形都不正常;面對面離散(圖2b)的分析結(jié)果相對較好,盡管有輕微的穿透現(xiàn)象,從面和主面的變形仍比較正常。

從上面可以看出,在為接觸面劃分網(wǎng)格時需要慎重,無論使用點對面離散還是面對面離散,都應(yīng)盡量保證從面網(wǎng)格不能比主面網(wǎng)格粗。

選用離散方法時,還應(yīng)考慮以下因素。

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

2)面對面離散需要分析整個接觸面上的接觸行為,其計算代價要高于點對面離散。一般情況下,二者的計算代價相差不是很懸殊,但在以下情況中,面對面離散的計算代價將會大很多:

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)格細化很多。

③ 接觸對中包含了多層殼,一個接觸對中的主面是另一接觸對中的從面。

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

二、有限滑動和小滑動

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

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

在使用有限滑動、點對面離散時,應(yīng)盡量保證主面是光滑的,否則主面的法線方向會出現(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。

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

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

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