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LS-DYNA 中的接触界面模拟 (2)  

2011-03-04 07:08:25|  分类: Ls-Dyna 资料 |  标签: |举报 |字号 订阅

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4.4  Tied Contact (Translational DOF only, No Failure, No Offset)
    固-连接触用来将从节点约束、限定在主面上。这种接触类型一般是非对称的,因此定义主、从时需要符合 §2  中描述的一般规则。在这种类型的接触中,主、从接触面最好不要以 Parts ID 形式输入,应采用 node/segment  的形式。
    固-连接触类型丰富,采用的接触算法也不一致,下面分别介绍。
? (1)   Translational DOF only, No Failure, No Offset
    这种接触仅约束从节点的平动自由度,且不考虑接触的失效,不允许从节点的偏置。如果从节点与对应的主段间有微小的距离存在,则采用正交投影的方法将从节点移动到主面上。因此,初始几何构形可能有微小的改变。
    这种类型接触采用动态约束算法,因此不能将刚体约束到可变形体或刚体。
   如下两个命令是常用的固连接触。这两种接触在数值处理上是完全一样的,所不同的仅是输入数据格式。
        *Contact_Tied_Nodes_To_Surface(6)
        *Contact_Tied_Surface_To_Surface(2)
?(2)   Translational DOF only, No Failure, With Offset
    这种接触采用罚函数算法,允许从节点与主面间偏移(主、从面间存在微小的距离)存在,可以用于刚体相应的约束。
    与上述接触类型 2、6 对应的为
        *Contact_Tied_Nodes_To_Surface_OFFSET(O6)
        *Contact_Tied_Surface_To_Surface_OFFSET(O2)
    由于从节点的偏置,可能会引起附加的动量矩。但在这种类型的接触中,不考虑偏置引起的动量矩。因此,主、从面必须相当的接近。
?(3)   Translational DOF & Rotational DOF, With Failure, No Offset
    采用动态约束算法。
?(4)   Translational DOF & Rotational DOF, With Failure, With Offset
    罚函数法。
?(5)   Translational DOF Only, With Failure, With Offset
    动态约束算法。

 

5   接触刚度的计算
    在基于罚函数算法的接触类型中,目前 LS-DYNA  有两种计算主、从面间接触刚度的方法。
5.1   Penalty-base Approach (SOFT = 0)
    该算法是 LS-DYNA  计算接触刚度的缺省方法。它利用接触段的尺寸与其材料特性来确定接触刚度。当两个接触面的材料刚度参数相差不大时,该方法是很有效的。但当两个接触面的材料刚度相差很大时,由于接触刚度采用主、从面中较小的刚度,而使接触失效。
    对于 Crash 分析,除非先验证明没有问题,否则一般不使用 SOFT=0。


5.2   Soft Constraint-based Approach (SOFT = 1 & 2)
    计算接触刚度时,综合考虑了发生接触的节点之质量与整体时间步长,以保证接触的稳定性。这样的处理,对于材料性质相差悬殊的接触问题是非常合适的。
    Soft =1 与 Soft = 0  算法除刚度计算外,其它考虑是完全一致的。当 Soft =1 时,采用下式计算接触刚度 k(单向接触):
            k  = max (SLSFAC*SFS*k0, SOFSCL*k1)
    其中:k0 ~ 根据材料弹性模量与单元尺寸确定的接触刚度;
               k1 ~ 根据节点之质量与整体时间步长来确定接触刚度。
    对于 Two-Way  型接触,用 SFM 代替上式中的 SFS。


5.3   Segment-based Contact VS. Standard Contact
    与 Soft = 0、1(以下简称“标准算法”)不同,Soft = 2 是一种基于段(Segment based)的接触算法。在标准算法中,检查从点穿透主段与否而施加罚力于从点及相应的主点;而在段接触算法中,直接检查段是否发生相互穿透而施加罚力于相应段的节点。

 

6   接触控制参数
    LS-DYNA  提供了多个与接触相关的控制参数。根据不同接触问题的具体特点,设置不同的控制参数,对提高“接触模型”的精确性是非常必要的。
    LS-DYNA  中的接触控制参数可以在 *Control_Contact、*Contact  或 *Part_Contact  中设置,而有些参数也可以同时在多个命令中设定。如果一个参数在多个命令中设置,则这样的设置有一定的优先次序。*Control_Contact  对整个模型中的接触提供一种“全局性”的“缺省”参数设置;*Contact  对每个具体的接触提供“局部”的参数设置,优先权较高;*Part_Contact 则为某个具体的 Part  涉及的接触提供最高级别的参数控制。


6.1   Thickness offset: Automatic, SLTHK (Card 1,*Control_Contact, Option Card A)
    LS-DYNA 中非自动接触类型:
?     *CONTACT_SURFACE_TO_SURFACE
    ? *CONTACT_NODES_TO_SURFACE
    ? *CONTACT_ONE_WAY_SURFACE_TO_SURFACE
    利用参数 SHLTHK  确定是否考虑“ 厚度偏置” ( 见下图) , 该参数可以在 *CONTROL_CONTACT  中全局定义,也可以在 Optional Card B  中局部定义。

        如果 SHLTHK=0,不考虑厚度偏置,采用 incremental search  方法来确定从节点最接近的主段;

        如果 SHLTHK=1,考虑变形体的厚度偏置,但不考虑刚体厚度偏置;

        如果 SHLTHK=2,变形体、刚体的厚度偏置都考虑。

    如 SHLTHK 为 1 或 2,程序采用 global bucket search  来确定接触对。     

                 LS-DYNA 中的接触界面模拟 (2) - htbbzzg - htbbzzg的博客

 
    接触建立以后,采用 incremental searching  来跟踪从节点在主面上的位置。采用 global bucket searching 的优点是主、从面可以不连续(这对 incremental search 是不可能的)。
    在非自动接触类型中,接触段的法线方向(符合右手法则,指向接触面)是非常重要的,必须保证所有接触段的法向一致指向接触面,这就是所谓的“oriented contact”。一个简单的方向自动定位方法是激活 *CONTROL_CONTACT 中的参数 ORIEN(必须在两个中面间有一定的距离)。

    自动接触和单面接触总是考虑“壳厚偏置”。在这些类型的接触中,采用整体块搜索和局部增量搜索方法确定接触,对方向等基本没有限制,具有教强的适应能力。


6.2   Contact Sliding Friction: FS&FD (Card 2)
    LS-DYNA 中的摩擦采用 Coulcomb  摩擦列式与等效弹塑性弹簧模型。摩擦通过设置 *Contact  或 *Part_Contact  中非零的静(FS)、动(FD)系数来激活。
    如静、动摩擦系数不同,则 FD  应小于 FS,同时必须指定非零的衰减系数 DC。对于伴有数值噪声的问题(如 Crash Analysis),FS、FD 通常设为相同的值,以避免额外噪声产生。
    为限制过大、不真实的摩擦力产生,通常设置 VC = σ y 3 。
    不同类型的问题对摩擦系数的敏感性是不同的,有时可能存在很大的差异。在具体问题分析时,可以通过极限分析(设置 FS 和 FD 的上、下限)的方法确定摩擦的敏感性。


6.3   Penalty Scale Factors: SFS&SFM (Card 3)
    罚因子(SFS、SFM)用来增大或减小接触刚度。在 Soft = 0、2  时,真正的主、从罚因子是 SFS、SFM 分别与 SLSFAC(*Control_ Contact  中定义)的乘积。
    对于材料刚度相当、网格尺寸相差不大的两面间的接触问题,SFS、SFM、SLSFAC  的缺省设置是可行的。但相接触的两个面的材料、网格相差很远时,对于 Soft = 0 的接触算法可能存在问题,此时一个简单的办法就是设置 Soft = 1,而不必考虑(或试算)罚因子的选择。


6.4 Contact Thickness: SST&MST(Card 3)
    SST、MST 可以直接指定期望的“接触厚度”。如SST=MST=0(缺省值),则接触厚度等于*Section_Shell 中定义的单元厚度。

    有时通过设置非零的SST、MST 值来消除“初始穿透”(尽量避免这样做)。 SST 和 MST 一般不应小于0.6~0.7。
    Contact Thickness Scaling(SFST&SFMT )同SST、MST 作用相同。


6.5   Viscous Damping: VDC(Card 2)
    粘性接触阻尼用来降低(高速)碰撞过程中接触力的高频振荡。对于存在软材料(如泡沫材料)的接触问题,VDC 设为 40~60(临界阻尼的40~60%),通常能提高模型的稳定性。
    对于金属间的碰撞接触问题,VDC 一般可设为 20。


6.6   Bucket-Sort Frequency: BSORT (Optional Card A, *Contact) & NSBCS (Card 2,*Control_Contact)
    Bucket Sort 是一种非常有效的接触搜索算法。如果考虑“厚度偏置”,则在所有的接触类型(自动、非自动接触)中,对于任一从节点均使用 Bucket Sort  方法搜索可能与之接触的主段。由于接触搜索是“接触模拟”中非常耗时的一个步骤,因此应尽量减少搜索的次数。
    BSORT 用来指定两次搜索间的迭代时间步数,Bucket Sort  的间隔一般为 10~100(与具体的接触类型有关)。

    对于不连续面间的接触、高速碰撞等问题,应增加搜索的次数,即减小 BSORT(或 BSBCS),但一般不应小于 10。在这些问题中,如搜索间隔过大,一些从点就会在接触处理中被漏掉。但对于相对平滑的面间接触问题,可以适当增加 BSORT 或 NSBCS。


6.7   Maximum Penetration: PENMAX  (Optional card B, *Control Contact) &  XPENE (Card 2, *Control_Contact)
    为避免由于从节点穿透深度过大(罚力与穿透深度成正比)而引起的数值不稳定,当从节点穿透到一定的深度(Maximum Penetration),该节点从接触中自动释放(但依然参与其他的计算)。在对壳元的穿透中,为防止当从节点穿透壳的中面而引起的接触力方向的突然翻转,“壳厚偏置”的考虑也是非常必要的。
    在非自动接触中,如 SHLTHK = 0,则缺省的最大穿透深度为 1.0e20,就是说不考虑从节点的释放。如 SHLTHK = 1 or 2,则参数 XPENE 确定节点释放准则:
?     Max Distance(Solids)=XPENE(default=4.0)*(thickness of the solid element),SHLTHK=1
?     Max Distance(Solids)=0.05*(thickness of the solid element),SHLTHK=2
?     Max Distance(Shells)=XPENE(default=4.0)*(thickness of the shell element),SHLTHK=1
    ? Max Distance(Shells)=0.05*(minimum diagonal length),SHLTHK=2
    在自动接触、单面接触中(Automatic_General  除外),最大穿透深度由 PENMAX(缺省值为0.4)确定:
?     Max Distance=PENMAX*(thickness of the solid)
?     Max Distance=PENMAX*(slave thickness+master thickness)

    对于 Automatic_General  接触,PENMAX  的缺省值为 200(几乎不考虑节点的释放)。
    对于控制最大穿透深度的参数一般不要改动(使用缺省设置)。如果节点穿透过大而需要释放,可以采用增大接触刚度、改变罚函数算法(SOFT),或增加接触厚度等方法来实现。


7    接触输出
    在 LS-DYNA 中,最常用的接触输出文件是 RCFORC,它是包含主、从面每一个节点的接触力(Global Cartesian Coordinate System)的ASCII  文件。为输出 RCFORC, 必须在 k 文件中包含关键字 *Database_FCFORC,同时必须激活接触控制中的参数 SPR、MPR(Card 1)。注意:
    对于单面接触, RCFORC  无效。此时要输出接触节点力, 必须通过关键字 *Contact_Force_Transducer_Penalty  定义力传感器(force transducers)。力传感器仅用来输出接触力,对数值分析结果毫无影响。
    接触面的能量通过关键字 *Database_Sleout  输出到 ASCII  文件 SLEOUT 中。该文件对于分析每个接触定义的可靠性是很有帮助的。
    在某些情况下,有时需要接触界面的可视化(如应力云图等),这时必须通过以下控制输出二进制的接触界面文件:
        1)  *Database_Binary_Intfor;
        2)  设置接触面的输出标志 SPR、MPR;
        3)  在执行计算任务时,包含选项“s=filename”。


8   结束语

    本文对 Ls-Dyna 的接触界面做了较为详尽的介绍,可供初学者参考。

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