第七讲 abaqus接触分析

Innovatingthroughsimulation北京怡格明思工程技术有限公司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Innovatingthroughsimulation北京怡格明思工程技术有限公司概述•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Innovatingthroughsimulation北京怡格明思工程技术有限公司简介•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。Innovatingthroughsimulation北京怡格明思工程技术有限公司•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。Innovatingthroughsimulation北京怡格明思工程技术有限公司“DetroitEdisonpipewhipexperiment,”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。Innovatingthroughsimulation北京怡格明思工程技术有限公司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“Coolantmanifoldcovergasketedjoint,”ABAQUS例子手册5.1.3节Innovatingthroughsimulation北京怡格明思工程技术有限公司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Innovatingthroughsimulation北京怡格明思工程技术有限公司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-contactinrubber/foamcomponents:rubbergasket,”ABAQUS例子手册1.1.17节)Innovatingthroughsimulation北京怡格明思工程技术有限公司例子：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。)Innovatingthroughsimulation北京怡格明思工程技术有限公司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)。Innovatingthroughsimulation北京怡格明思工程技术有限公司主/从方法和隐含假设Innovatingthroughsimulation北京怡格明思工程技术有限公司•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Innovatingthroughsimulation北京怡格明思工程技术有限公司•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。Innovatingthroughsimulation北京怡格明思工程技术有限公司在多数情况下，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。Innovatingthroughsimulation北京怡格明思工程技术有限公司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。Innovatingthroughsimulation北京怡格明思工程技术有限公司定义双面接触概述Innovatingthroughsimulation北京怡格明思工程技术有限公司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。123Innovatingthroughsimulation北京怡格明思工程技术有限公司输入文件中，完整定义接触句法的例子：*SURFACE,NAME=ASURFSLIDER,S1*SURFACE,NAME=BSURFBLOCK,S3*CONTACTPAIR,INTERACTION=FRIC1ASURF,BSURF*SURFACEINTERACTION,NAME=FRIC11.0,*FRICTION0.4,Innovatingthroughsimulation北京怡格明思工程技术有限公司定义表面•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=ASURFSLIDER,S1*SURFACE,NAME=BSURFBLOCK,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)Innovatingthroughsimulation北京怡格明思工程技术有限公司定义表面接触属性*SURFACEINTERACTION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。Innovatingthroughsimulation北京怡格明思工程技术有限公司*CONTACTPAIR,INTERACTION=FRIC1ASURF,BSURF*SURFACEINTERACTION,NAME=FRIC11.0,*FRICTION0.4,*SURFACEINTERACTION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Innovatingthroughsimulation北京怡格明思工程技术有限公司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。*CONTACTPAIR,INTERACTION=FRIC1ASURF,BSURFInnovatingthroughsimulation北京怡格明思工程技术有限公司定义面的规则Innovatingthroughsimulation北京怡格明思工程技术有限公司定义面的规则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*RIGIDBODY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。Innovatingthroughsimulation北京怡格明思工程技术有限公司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=EXAMPLE11,S41,S12,S12,S2...Innovatingthroughsimulation北京怡格明思工程技术有限公司•使用自动的表面定义*SURFACE,NAME=EXAMPLE2ELSET1,没有面标识符Innovatingthroughsimulation北京怡格明思工程技术有限公司•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)Innovatingthroughsimulation北京怡格明思工程技术有限公司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=BOTTOM10,1,211,2,312,3,6*ELEMENT,TYPE=B21,ELSET=TOP20,4,521,5,6*ELSET,ELSET=BEAMSBOTTOM,TOP*SURFACE,NAME=SURF1BOTTOM,SPOSTOP,SNEG*SURFACE,NAME=SURF1BEAMS,SPOSInnovatingthroughsimulation北京怡格明思工程技术有限公司•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。Innovatingthroughsimulation北京怡格明思工程技术有限公司•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。Innovatingthroughsimulation北京怡格明思工程技术有限公司•基于节点表面的例子：定义包含接触节点的表面前面定义的表面线：基于节点的表面球：基于单元的表面*SURFACE,TYPE=NODE,NAME=STRINGSSTRINGS,*CONTACTPAIR,INTERACTION=SMOOTHSTRINGS,BALLInnovatingthroughsimulation北京怡格明思工程技术有限公司•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。Innovatingthroughsimulation北京怡格明思工程技术有限公司•对于三维情况，限制的例子。需要穿过或离开表面才能跨过。合法的、封闭的3-D主表面合法的、简单连接的3-D主表面不合法的3-D主表面不合法的3-D主表面不可以通过一个点跨过Innovatingthroughsimulation北京怡格明思工程技术有限公司局部表面行为Innovatingthroughsimulation北京怡格明思工程技术有限公司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Innovatingthroughsimulation北京怡格明思工程技术有限公司•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*surfaceinteraction,na