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1、第 6 章 接觸界面,001322 10 JAN 2000 6-2,,,,本章目標,完成本章后, 學員應該該能夠定義和使用接觸面 1. 對 ANSYS/LS-DYNA中的接觸有一個初步了解 2. 描述了 ANSYS/LS-DYNA中3種不同的接觸算法 3. 描述了8種不同的接觸類型集合 4. 定義如何創(chuàng)建接觸面 5. 描述了 ANSYS/LS-DYNA中的高級接觸控制 6. 提出 ANSYS/LS-DYNA使用接觸的注意事項 7. 練習.,001322 10 JAN 2000 6-3,,,,,,,接觸面 概述,ANSYS/LS-DYNA 不使用單元定義接觸. 在 ANSYS/LS-DYNA 中

2、使用接觸面定義接觸. 通過多達 22 種不同的接觸描述, ANSYS/LS-DYNA 可以處理絕大多數(shù)會遇到的接觸問題 要 定義 ANSYS/LS-DYNA的接觸,用戶只需要指定接觸面，接觸類型和一些相關參數(shù)即可.,001322 10 JAN 2000 6-4,,接觸面 概述（續(xù)）,面對22 種不同的接觸類型, 要選擇合適的類型來描述實際物理系統(tǒng)往往比較困難. 為了選擇合適的接觸類型，往往需要對ANSYS/LS-DYNA中的接觸集合和算法有深入的理解. 接觸算法是程序用來處理接觸面的方法. 在 ANSYS/LS-DYNA中有3種算法: 1. Single Surface Contact 2.

3、Nodes to Surface Contact 3. Surface to Surface Contact 一個接觸集合為具有特別相似特性的接觸類型的集合. 在 ANSYS/LS-DYNA中有9種集合: 1. General5. Tied with Failure 9. Forming 2. Automatic6. Eroding 3. Rigid7. Edge 4. Tied8. Drawbead,001322 10 JAN 2000 6-5,接觸面 概述（續(xù)）,001322 10 JAN 2000 6-6,單面接觸,單面接觸用于當一個物體的外表面與自身接觸或和另一個物體的外表面接觸時使

4、用. 單面接觸是ANSYS/LS-DYNA中最通用的接觸類型，因為程序?qū)⑺阉髂Ｐ椭械乃型獗砻?，檢查其間是否相互發(fā)生穿透. 由于所有的外表面都在搜索范圍內(nèi), 不需要定義接觸面與目標面.,在預先不知接觸情況時，單面接觸非常有用.,001322 10 JAN 2000 6-7,單面接觸（續(xù)）,相對于ANSYS隱式分析 , ANSYS/LS-DYNA 的單面接觸不會非常耗時。 大多數(shù)沖擊與碰撞問題需要定義單面接觸 當接觸面之間的穿透超過接觸單元厚度的40%時，單面接觸自動釋放接觸，從而對下列問題造成潛在的問題 : 1. 超薄部分 2. 具有低剛度的軟體 3. 高速運動物體之間的接觸 單面接觸在 AS

5、CII rcforc 文件中不記錄所有的接觸反作用力. 如果需要接觸反力, 可以使用點到面或面到面接觸。 有效的接觸類型有 Single Surface, Automatic Single Surface, Automatic General, Eroding Single Surface 和 Single Edge,001322 10 JAN 2000 6-8,當一個接觸節(jié)點碰到目標面時，點面接觸發(fā)生. 由于它是非對稱的，所以是最快的算法. 只考慮沖擊目標面的節(jié)點。 對于點面接觸, 必須指定接觸面與目標面的節(jié)點組元或PART號。 對于預先已知非常小的接觸面 ，點面接觸十分有效. 對于節(jié)點接觸

6、剛體同樣可以使用它. 在使用點面接觸時，應注意以下幾點 : 點面接觸記錄所有的接觸反作用力，存在 ASCII 文件rcforc中. 有效的接觸類型為 NTS, ANTS, RNTR, TDNS, TNTS, ENTS, DRAW, FNTS,1. 平面與凹面為目標面，凸面為接觸面. 2. 粗網(wǎng)格為目標面，細網(wǎng)格為接觸面. 3. 對于Drawbead 接觸, 壓延筋總是節(jié)點接觸面 ，工件為目標面.,點面接觸,001322 10 JAN 2000 6-9,當一個物體的面穿透另一個物體的面時，使用面面接觸算法. 面面接觸是完全對稱的，因此接觸面與目標面的選擇是任意的. 對于面面接觸, 需要用節(jié)點組

7、元和PART號來定義接觸面和目標面.節(jié)點可以從屬于多個接觸面. 面面接觸是一種通用算法 ，通常用于在已知的接觸對象是較大的面時. 面面接觸算法自動記錄所有的接觸反作用力到 ASCII rcforc 文件中. 有效的接觸類型 有 STS, OSTS, ASTS, ROTR, TDSS, TSTS, ESTS, FSTS, FOSS,面面接觸,001322 10 JAN 2000 6-10,自動與普通接觸,自動接觸與普通接觸的區(qū)別在于對殼單元接觸力的處理方式不同 普通接觸在計算接觸力時不考慮殼的厚度. 自動接觸允許接觸出現(xiàn)在殼元的兩側 兩種接觸類型中的殼元接觸力按照如下方法計算:,001322

8、10 JAN 2000 6-11,侵蝕接觸,當單元可能失效時用這種接觸. 侵蝕接觸的目的是保證在模型外部的單元失效被刪除后，剩下的單元依然能夠考慮接觸。,001322 10 JAN 2000 6-12,Contact of the knees against the dashboard,剛體接觸,接觸 RNTR 和ROTR 與 NTS 和OSTS 類似，除了后者是用線性剛度來阻止穿透，后者是采用用戶定義的力-變形曲線來阻止穿透。這些通常用于多剛體動力學. 變形體與剛體之間的接觸必須用automatic 或 eroding contacts.,001322 10 JAN 2000 6-13,邊

9、- 邊接觸,edge contact 用于殼單元的法線與碰撞方向正交時。 用 EDCGEN,SE 自動選擇所有的邊線.,001322 10 JAN 2000 6-14,固連接觸,接觸被粘在一起. 當網(wǎng)格彼此不匹配時，可以使用 (TDNS, TDSS, TSTS, TNTS). 經(jīng)常用于銷栓連接. 當使用固連失效時 (TSTS, TNTS) ，達到以下條件時固連就失效:,tied,fn,fs,001322 10 JAN 2000 6-15,F = Ffriction+ Fbending,,,,,,,,Depth of drawbead,,,,,,,,,拉延筋（ Drawbead ） 接觸,Dra

10、wbead contact 通常用于板料成型，用于約束板料的運動. 在類似沖壓的板料成型過程中, 通常會出現(xiàn)工件與模具之間失去接觸（如起皺）. Drawbead contact 允許使用彎曲和摩擦阻力，用于確保工件在整個沖壓過程中與壓延筋始終保持接觸.,001322 10 JAN 2000 6-16,鈑金成形類 接觸,成型接觸選項： forming node to surface (FNTS), forming surface to surface (FSTS) 和forming one-way surface to surface (FOSS) 是鈑金成形分析中首選的類型. 對于這些接觸選項

11、, 沖頭與模具通常定義為目標面，而工件則定義為接觸面. 對于這些接觸類型中模具無需網(wǎng)格貫通, 因此減小接觸定義的復雜性. 模具網(wǎng)格的方向必須一致. 成型接觸選項基于自動接觸類型，因此功能十分強大.,001322 10 JAN 2000 6-17,接觸面定義,在ANSYS/LS-DYNA中用4個基本步驟來定義接觸 : Step 1: 選擇適合的接觸類型 Step 2: 標定接觸實體 (對于單面接觸不需要) Step 3: 指定需要的額外參數(shù) Step 4: 指定高級接觸控制,STEP 1: 決定接觸選項 在 ANSYS/LS-DYNA 中有大量的接觸類型來定義面面之間的相互作用. 要定義特定應用

12、的接觸選項, 參考 ANSYS/LS-DYNA 用戶指南與本章中的描述. 對于大多數(shù)分析, 建議使用automatic general (AG), nodes to surface (NTS),和surface to surface (STS) 接觸選項.,001322 10 JAN 2000 6-18,接觸面定義 - Step 2,STEP 2: 定義接觸實體 除了單面接觸 (ASSC, AG, SS, ESS, and SE), 所有的 ANSYS/LS-DYNA 接觸選項要求定義接觸和目標面. 定義接觸與目標面有兩種方法 : 1. 指定節(jié)點組元 (CM command) 2. 指定 Pa

13、rt IDs 1. 要常見接觸定義中需要的節(jié)點組元, 首先選擇接觸面. 然后將面上的節(jié)點定義為組元,Utility Menu : Select - Entities,Utility Menu: Select - Comp/Assembly ...-Create Component,001322 10 JAN 2000 6-19,接觸面定義 - Step 2（續(xù)）,2. 要創(chuàng)建接觸定義中使用的 Part IDs, 首先用EDPART, CREATE創(chuàng)建PART,在創(chuàng)建完節(jié)點組元和PART號后，用 EDCGEN 命令定義接觸.,Preprocessor:LS-DYNA Optns - Part

14、 Options,001322 10 JAN 2000 6-20,接觸面定義 - Step 2（續(xù)）,EDCGEN 命令自動在接觸面與目標面之間生成接觸.,Preprocessor: LS-DYNA Options - Contact - Define Contact,首先選擇接觸類型與相關選項 然后指定摩擦系數(shù) 對于面面接觸與節(jié)點-面接觸, 會出現(xiàn)另一個對話框，然后定義 CONTACT 和 TARGET 面.,對于單面接觸選項, 不會出現(xiàn)第二個對話框, 因為不需要定義接觸面與目標面.,,,,,001322 10 JAN 2000 6-21,接觸面定義 - Step 2（續(xù)）,STEP 2 (

15、續(xù)): 關于摩擦系數(shù)參數(shù) 與 ANSYS 隱式相比, ANSYS/LS-DYNA中摩擦的定義靈活地多，摩擦系數(shù)可以取決于速度 ，可以為總的摩擦力設置一個限制值. 在 ANSYS/LS-DYNA 中,摩擦系數(shù), mc 如下定義:,mc = md + (ms - md )e -(DC) (v),式中,m s = 靜態(tài)摩擦系數(shù),,m d = 動態(tài)摩擦系數(shù),,v = 接觸面之間的相對速度.,DC = 指數(shù)衰減系數(shù),,當 DC 或 v = 0, mc = ms 最大摩擦力, Flim, 可以通過粘性摩擦系數(shù) VC與接觸面的面積乘積進行限制: Flim = VC Asegment 摩擦系數(shù)限制經(jīng)常用于接觸

16、會引起塑性流動的應用中。建議 VC = 1.732 ss, ss 是接觸材料的剪切屈服應力,001322 10 JAN 2000 6-22,接觸面定義 - Step 2（續(xù)）,為了避免接觸中不必要的振蕩, 可以使用接觸阻尼系數(shù)VDC 在接觸面垂直方向施加阻尼. VDC 使實際頻率轉(zhuǎn)換為臨界頻率的百分比，如20%，則VDC 輸入值應為 20: x = VDC x crit = VDC (2m w) 其中 m 是接觸主面的質(zhì)量， w 自然頻率。 VDC 常用于鈑金成形分析中消除振蕩。,所有摩擦參數(shù) (m s , m d, DC, VC, and VDC) 可直接由 EDCGEN 命令輸入,,001

17、322 10 JAN 2000 6-23,接觸面定義 - Step 3,STEP 3: 指定其它參數(shù) 對于一些特殊的接觸種類，需要輸入EDCGEN中的V1-V4參數(shù). 下面的表總結了每種類別需要的額外輸入,每個額外值直接以接觸/目標組元或PART號輸入.,,001322 10 JAN 2000 6-24,列表與刪除接觸,由于不創(chuàng)建接觸單元, 在求解之前非常有必要列出定義的接觸面來確保接觸已經(jīng)正確地定義. 用EDCLIST命令列出接觸實體,Preprocessor: LS-DYNA Options - Contact - List Entities,所有定義的接觸實體連同指定的摩擦系數(shù)可以自動的

18、列出. 注意到每種接觸定義有一個參考號,,001322 10 JAN 2000 6-25,列表與刪除接觸（續(xù)）,如果確認接觸面的定義不正確，可以使用EDCDELE命令方便地刪除接觸 當使用 EDCDELE 命令時, 必須指定接觸選項和接觸/目標組元或PART.,Preprocessor: LS-DYNA Options - Contact - Delete Entities,Contact option Contact component Target component,001322 10 JAN 2000 6-26,Contact #1,Contact #2,Contact #3,畫接觸面

19、,使用接觸定義號以及EDPC命令畫接觸對 用 EDCLIST 命令列出接觸，然后用接觸參考號和EDPC命令畫出接觸對 指定接觸界面識別號,001322 10 JAN 2000 6-27,,高級接觸控制選項 - Step 4,一旦定義了模型中面與面之間的接觸，在 ANSYS/LS-DYNA中有幾個高級選項控制接觸. 幾乎所有的高級接觸選項由EDCONTACT命令控制. 主要有以下幾項: Option 1: Controlling the contact search method Option 2: Controlling contact depth Option 3: Controlling

20、contact stiffness Option 4: Contact surface birth and death times (EDCGEN command) Option 1: 控制接觸搜索方法 在 ANSYS/LS-DYNA中, 有2種接觸搜尋方式: a. 網(wǎng)格連貫性搜索 (default for NTS, OSTS, TSTS, TNTS, TDNS) b. 塊方法 (default for all other types) 在網(wǎng)格連貫搜索中,接觸算法使用相鄰單元共用的節(jié)點進行搜索. 當一個目標面與一個接觸節(jié)點脫離接觸后，相鄰的面被檢查.,001322 10 JAN 2000 6-

21、28,高級接觸控制 選項 1,mesh connectivity 方法非?？?，但要求接觸面的網(wǎng)格是連續(xù)的 在 bucket sort 方法中, 由接觸面所占據(jù)的三維空間被分為許多立方體（buckets). 節(jié)點可以接觸同一立方體中的任何部分或者相鄰的bucket. 接觸節(jié)點可接觸在相同的bucket中或相鄰的bucket中接觸任何目標面的部分 bucket sort 算法功能十分強大, 但是在某種程度上比mesh connectivity tracking要慢, 尤其針對大模型. 因為許多模型含有不連續(xù)的網(wǎng)格，因此最好使用EDCONTACT命令的SHTK域?qū)⒔佑|算法設置為bucket sort

22、 method :,Preprocessor: LS-DYNA Options - Contact - Advanced Controls,001322 10 JAN 2000 6-29,高級接觸控制選項 2,Option 2: 控制接觸深度 對于 STS, NTS,和 OSTS的普通選項, ANSYS/LS-DYNA假定搜索的接觸深度 為 1010. 當接觸節(jié)點穿過目標面時，就會產(chǎn)生一個與接觸深度成比例的接觸力. 當模型的組件處于連續(xù)的相對運動時由于產(chǎn)生假接觸，從而帶來不穩(wěn)定. 如果接觸深度很大, 偽接觸力會呈現(xiàn)無窮大. 如果節(jié)點出現(xiàn)（滑到）在目標面的后面 ，它會很快滑到物體外的空間中. 為

23、了控制接觸深度, 使用EDCONTACT命令中的PENCHK 域: Preprocessor: LS-DYNA Options -Contact - Advanced Controls,通過設置小穿透檢查為 ON,程序?qū)⒏鶕?jù)目標段的厚度搜索接觸深度.,,001322 10 JAN 2000 6-30,高級接觸控制選項 3,Option 3: 控制接觸剛度 在 ANSYS/LS-DYNA 中 penalty method 被用來計算接觸力. 在 penalty method中， 一個彈簧被防在兩個物體之間，其間的接觸力由下式給出:,理想情況下，在接觸過程中兩個面之間應該沒有穿透. 這意味著接觸面

24、剛度 k= , 從而導致數(shù)值不穩(wěn)定. ANSYS/LS-DYNA 在材料參數(shù)的基礎上自動計算接觸剛度和接觸段的大小. 由此提供的界面剛度一般會得到理想的接觸效果。,,,,,d,,F,,,001322 10 JAN 2000 6-31,高級接觸控制選項 3 (continued),但是，接觸剛度可以用一個比例因子 SFSI 進行改變,進一步調(diào)整 ANSYS/LS-DYNA 的計算剛度 (kcalc) ： k = SFSI kcalc SFSI 的缺省值為0.1. 為提高接觸剛度, 可以增加SFSI 。 但是同時應該防止收斂的不穩(wěn)定. 一般在侵蝕接觸分析中增加SFSI. 為了控制接觸剛度, EDC

25、ONTACT的 SFSI 域應該如下方式用: Preprocessor: LS-DYNA Options - Contact - Advanced Controls,建議 SFSI 不要超過 1.0.,,001322 10 JAN 2000 6-32,由于不匹配，有5種 不同的選項來控制接觸剛度: 1 使用接觸和目標剛度中的較小值 2 使用目標面值 3 使用接觸面值 4 使用面或質(zhì)量加權接觸值 5 使用與殼厚度成反比的從 屬值 (通常建議不使用),,高級接觸控制選項 3 (continued),當確定缺省接觸剛度時, ANSYS/LS-DYNA 使用材料參數(shù)和接觸面與目標面的單元尺寸. 如果模

26、型的接觸面之間的材料屬性相差太大 (如鋼撞擊泡沫） ，或單元尺寸相差太大, 會產(chǎn)生不穩(wěn)定性或非真實的響應. 當由于接觸剛度不匹配而產(chǎn)生問題時， 接觸與目標面的接觸剛度可以由 ANSYS/LS-DYNA調(diào)整到比較相近. 接觸剛度的調(diào)節(jié)可以用EDCONTACT命令的 PENO 完成: Preprocessor: LS-DYNA Options - Contact - Advanced Controls,001322 10 JAN 2000 6-33,高級接觸控制選項 4,Option 4: 接觸面生死（有效、失效）時間 在一些應用中，確定面面之間接觸發(fā)生的特定時間往往很重要. ANSYS/LS-

27、DYNA 允許用戶定義接觸的生死時間. 在指定的有效時間內(nèi), 定義的接觸面 處于有效狀態(tài)，直到失效時間 接觸面的生死用EDCGEN命令的 BTIME 和 DTIME 域進行控制,001322 10 JAN 2000 6-34,接觸使用注意事項,接觸面之間的初始穿透不允許. 如果 ANSYS/LS-DYNA 檢查到面之間有初始穿透, 將自動將重合的部分從接觸面中移走. 要使用真實的材料參數(shù)與殼單元厚度. 材料參數(shù)和接觸面的幾何尺寸用來確定 k. 不要在相同的PARTS之間定義多個接觸. 如果事先不知道具體接觸情況，可以使用單面接觸. 在求解之前列出定義的接觸面，從而確保正確定義. 如果一個分析在開始運行后很快地發(fā)散，下面的ASCII輸出文件可以用來檢查是否是接觸出現(xiàn)了問題: GLSTAT: 總能量分布 MATSUM: PARTID對應的能量 SLEOUT: 接觸能量輸出,001322 10 JAN 2000 6-35,練習 -具有初速度物體撞擊平板,此練習見卷II E6-1 頁. 一具有初速度的箱體撞擊剛性墻，采用LS-DYNA nodes-to-surface 接觸算法.,