Abaqus有限元接觸分析的基本概念

2016-11-24 by:CAE仿真在線來源:互聯網

16.1.1 點對面離散與面對面離散

【常見問題16-1】

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

『解答』

在點對面離散方法中,從面(slave surface)上的每個節點與該節點在主面(master surface)上的投影點建立接觸關系,每個接觸條件都包含一個從面節點和它的投影點附近的一組主面節點。

使用點對面離散方法時,從面節點不會穿透(penetrate)主面,但是主面節點可以穿透從面。

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。可能在某些節點上出現穿透現象,但是穿透的程度不會很嚴重。

在如圖16-l和圖16-2所示的實例中,比較了兩種情況。

1)從面網格比主面網格細:點對面離散(圖16-1a)和面對面離散(圖16-2a)的分析結果都很好,沒有發生穿透,從面和主面都發生了正常的變形。

2)從面網格比主面網格粗:點對面離散(圖16-1b)的分析結果很差,主面節點進入了從面,穿透現象很嚴重,從面和主面的變形都不正常;面對面離散(圖16-2b)的分析結果相對較好,盡管有輕微的穿透現象,從面和主面的變形仍比較正常。

從上面的例子可以看出,在為接觸面劃分網格時需要慎重,無論使用點對面離散還是面對面離散,都應盡量保證從面網格不能比主面網格粗。關于從面和主面的選擇方法,請參見《實例詳解》第5.2.2節“定義接觸對”。

選用離散方法時,還應考慮以下因素。

1)一般情況下,面對面離散得到的應力和壓強的結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 模型中的大部分區域都涉及到接觸問題。

② 主面的網格比從面的網格細化很多。

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。

相關內容的詳細介紹,請參見ABAQUS 6.7幫助文檔《ABAQUS Analysis User's Manual》第29.2.1節“Defining contact pairs in ABAQUS/Standard”。

【常見問題16-2】

提交ABAQUS/Standard分析作業后,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.(出現了嚴重的過盈接觸)

『解答』

可以從以下幾個方面查找原因:

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、梁單元或桁架單元上的面,則有可能是在定義此接觸面時沒有選擇正確的發生接觸的那一側,即接觸面的法線方向錯誤。

提示:對于可變形的實體單元,ABAQUS/CAE會自動選擇正確的法線方向(指向實體的外部)。

當接觸面的法線方向錯誤時,如果使用了點對面離散,會在MSG文件中看到上述提示信息,分析無法收斂。如果使用了面對面離散,不會出現上述提示信息,分析仍然可以完成,但分析結果是異常的(例如出現嚴重的穿透現象)。

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標簽頁下選中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。

一對接觸面的法向應該是互相指向對方的,第16.3.2節“接觸分析綜合實例2”提供了一個接觸面法線方向定義錯誤的實例。

2)如果接觸面的法線方向是正確的,但分析仍無法收斂,應檢查模型中的過盈量是否太大。如果存在此問題應修改模型,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《實例詳解》第5.2.4節“設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,而且出現此信息的分析步最終能夠收斂,分析結果也一切正常,就沒有問題。

在接觸分析的求解過程中,ABAQUS/Standard會迭代嘗試各種可能的位移狀態,如果某個位移狀態造成過盈量太大,ABAQUS/Standard就會顯示上述提示信息,然后嘗試另外一個位移狀態。換言之,這個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中間狀態,并不一定是模型本身存在錯誤。

在《實例詳解》第6.4節“實例3:彎曲成形過程模擬”的實例中,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 有限滑動和小滑動

【常見問題16-3】

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

『解答』

在ABAQU S/Standard分析中定義接觸時,有兩種判斷接觸狀態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動量較大(例如,大于接觸面上的單元尺寸),就應該選擇有限滑動,它允許接觸面之間出現任意大小的相對滑動和轉動。在分析過程中,ABAQUS將會不斷地判斷各個從面節點與主面的哪一部分發生了接觸,因此計算成本較高。

在使用有限滑動、點對面離散時,應盡量保證主面是光滑的,否則主面的法線方向會出現不連續的變化,容易出現收斂問題。在主面的拐角處應使用過渡圓弧,并在圓弧上劃分足夠數量的單元。

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點與主面是否接觸、與主面的哪個區域接觸,并在整個分析過程中保持這些關系不變,因此計算成本較低。

關于有限滑動和小滑動的詳細介紹,請參見《實例詳解》第5.2.3節“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“Contactformul- ation for ABAQUS/Standard contact pairs”。

【常見問題16-4】

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

『解答』

只有分析幾何非線性問題(大位移、大轉動、初始應力、幾何剛化或突然翻轉等)時才需要將Nlgeom設為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)如果接觸面之間會發生較大的相對位移或轉動,則定義接觸時應選擇有限滑動,并將Nlgeom設為ON。

2)如果接觸面之間的相對位移和轉動都很小,模型各處都不會發生大的位移或轉動,則定義接觸時應選擇小滑動,并將Nlgeom設為OFF。

3)如果接觸面之間的相對位移和轉動都很小,但模型出現了大的位移或轉動(例如剛體轉動),則定義接觸時應選擇小滑動,并將Nlgeom設為ON。

將Nlgeom設為ON可能會增加模型收斂的難度,增加計算成本。但如果模型發生了大的位移或轉動,而仍將Nlgeom設為OFF,也可能導致計算不收斂。

關于非線性問題的詳細介紹,請參見本書第15.1節“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,是否需要讓接觸面之間保留一定距離,以體現其厚度?

『解答』

有以下幾種可能的情況:

1)如果選擇了點對面離散的小滑動、面對面離散的小滑動或面對面離散的有限滑動,默認情況下ABAQUS/Standard會考慮殼或膜的厚度,在建模時應根據厚度讓接觸面之間保留相應的距離。如果希望忽略殼和膜的厚度,可以在定義接觸時選中Exclude shell/membrane element thickness。

提示:默認情況下,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,相關內容請參見ABAQUS6.7幫助文檔《ABAQUS Analysis User’s Manual》第23.6.3節“Defining the initial geometry of conventional shell elements”。

2)如果選擇了點對面離散的有限滑動,或者從面類型是基于節點的,則無法考慮殼或膜的厚度。

本節第16.3節“ABAQUS/Standard接觸分析綜合實例”中的【綜合實例16.21演示了一個具體的例子。

以上內容節選于機械工業出版社機械分社出版的:

《ABAQUS有限元分析常見問題解答》

作者:曹金鳳石亦平

書號:978-7-111-25379-2

定價:60.00元(含1CD)

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