LS-DYNA中的接觸問題:雙向接觸,綁定接觸

如果模型中的從節點有可能在實際情況中的確會最終停留于主面的后面,那么就要避免使用這些接觸類型。這些非自動接觸類型中可能會也可能不會考慮殼單元厚度的偏置(見  *CONT ROL_CONTACT中的SHLTHK)。如果殼厚度偏置選項未激活(這是默認設置),那么來自開放軟件DYNA3D的舊版本node-to-surface接觸就會利用接觸類型 types 5 和 10來實現,此時程序會對每一個從節點潛在的主面進行增量搜索。這一搜索技術是基于面段的連續性之上的,所以定義的面段必須是連續的。如果幾何模型中有非常尖銳的形狀,或者面段的形狀很差(也就是單元形狀很差–注),那么這一搜索算法將無法搜尋到合適的主面面段。如果殼厚度偏置選項被激活(也就是SHLTHK > 0),那么主面的投影方向就是節點的法線方向,面段所對應的從節點則根據基于面段的桶排序(bucket sorting)進行定位;這種情況下,主面就可以是連續的,尖銳的幾何形狀和形狀很差的單元也將不會在搜索過程中導致嚴重問題。利用節點法向矢量來投影主面的工作非常消耗CPU的計算時間,但是其優點是即使對于形狀非常“凸”的面,也可以保證投射出的面的連續性。在FORMING接觸類型引入之前,types 5 和 10接觸是薄金屬片成型模擬的常用選項。

如下接觸類型

*CONTACT_CONSTRAINT_NODES_TO_SURFACE (18)

與考慮殼單元偏置的*CONTACT_NODES_TO_SURFACE工作方式非常類似。

Type 18 接觸無法求解帶有剛性體的接觸,因為它是基于約束的接觸而不是基于罰函數的接觸。這種接觸下,約束力用來保證節點精確地依附于主面。通常情況下,我們不建議使用這一接觸,因為它并沒有基于罰函數的接觸那么穩定。

雙向接觸

本質上,雙向接觸的原理和上述單向接觸是一樣的,只不過單向接觸中只運行了一次的穿透檢查(檢查從節點是否穿透主面)在雙向接觸中運行了兩次(還會檢查主節點是否穿透了從面)。也就是說,雙向接觸是對稱的,主面和從面的定義就顯得不那么重要,因為兩種計算結果是一致的。由于額外進行了穿透檢查,雙向接觸的計算耗時大概是單向接觸的兩倍。

對于碰撞分析,我們推薦使用如下接觸類型:

*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE (a3)

這是由于大變形的存在,相互碰撞的兩個部件相互之間的方向并不總是同模型預想的一致。如上所述,自動接觸可以檢測殼單元兩側的穿透情況。

對于金屬成型模擬,如下接觸類型可用但是不常用。

*CONTACT_FORMING_SURFACE_TO_SURFACE (m3)

上述單向接觸類型types 5, 18 和 16對應的雙向接觸分別為:

*CONTACT_SURFACE_TO_SURFACE (3)

*CONTACT_CONSTRAINT_SURFACE_TO_SURFACE (17)

*CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE (14)

綁定接觸(只約束平動自由度,無失效,無偏置)

綁定接觸中,從節點被約束到了主面上一起運動。在計算的開始階段,程序會利用從節點到主面的正交投影(orthogonal projection)來對距離每一個從節點最近的主面進行定位,若根據預定的準則,某一從節點被認為距離主面很近,那么將會被直接移動到主面上。這種方法會導致不涉及應力的情況下輕微修改幾何模型。我們建議使用節點集合或面段集合而不是直接使用部件來定義綁定接觸。這種情況下,用戶可以直接控制某一物體直接綁定到另一物體上,而避免使用本不想使用的約束條件。隨著計算的運行,從節點以及其對應的主面的等參位置(isoparametric position)就通過運動約束方程固定下來了。以如下兩個接觸為例:

*CONTACT_TIED_NODES_TO_SURFACE (6)

*CONTACT_TIED_SURFACE_TO_SURFACE (2)

由于沒有約束從節點的轉動自由度,這兩個接觸只可用于體單元,若用于殼單元則會出現不合理的響應。同時這兩個接觸的區別僅僅在于輸入格式的不同(設置為從節點或者從面),工作原理是一致的。

通常情況下,由于這種接觸是不對稱式的,所以當綁定接觸面的兩側部件材料屬性一致時,主面應該設置在網格較粗的那一個部件上。但如果有一側材料表現地非常軟,那么主面應該設置到較硬的部件上。

這兩個接觸為基于約束的接觸,因此無法用來綁定剛體和變形體,或者綁定兩個剛體。若用戶想要將可變形體綁定到剛體上,可以利用關鍵字*CONSTRAINED_EXTRA_NODES將可變形體的節點設置為剛體的附加節點;此外還可以利用offset偏置選項實現綁定(如下)。

綁定接觸(只約束平動自由度,無失效,有偏置)

這一綁定接觸與上一節所述綁定接觸類似,只是允許增加一個主面段和從節點之間的偏置距離。有偏置的綁定接觸可以用于綁定剛體,這是由于它是基于罰函數的接觸類型。例如:

*CONTACT_TIED_NODES_TO_SURFACE_OFFSET (o6)

*CONTACT_TIED_SURFACE_TO_SURFACE_OFFSET (o2)

由于偏置的距離所產生的力矩傳遞會被忽略,所以當綁定的兩個面距離很近時,這類綁定接觸可以最好地實現;同時也會給結構施加一個轉動自由度的約束。在基于罰函數的接觸中這不算是一個大的問題,但是對于基于約束的接觸來說,可能會得出完全錯誤的結果。

如果想要不忽略力矩的傳遞,可以使用兩個辦法實現。首先,可以在使用罰函數的情況下,使用梁狀彈簧單元(beam-like spring elements )傳遞力矩:

*CONTACT_TIED_NODES_TO_SURFACE_BEAM_OFFSET (b6)

*CONTACT_TIED_SURFACE_TO_SURFACE_BEAM_OFFSET (b2)

其次還可以使用約束方程實現:

*CONTACT_TIED_NODES_TO_SURFACE_CONSTRAINED_OFFSET (c6)

*CONTACT_TIED_SURFACE_TO_SURFACE_CONSTRAINED_OFFSET (c2)

在使用了BEAM和CONSTRAINED選項時,偏置的距離可以適當地變大一點。但是由于此時轉動自由度就不會被約束住,因此這種帶偏置的接觸就不能用于梁單元和殼單元。用戶手冊出版之后,這種帶偏置的接觸被增加到了960版本之中。

綁定接觸(約束平動和轉動自由度,有失效,無偏置)

這種綁定接觸使用一種動態的約束方法,并且同時約束平動和轉動自由度。此外,在模擬點焊時,若聯合梁單元的材料模型*MAT SPOTWELD使用,還可以實現綁定接觸的失效。例如:

*CONTACT_TIED_SHELL_EDGE_TO_SURFACE (7)

*CONTACT_SPOTWELD (7)

*CONTACT_SPOTWELD_WITH_TORSION (s7)

上面這些接觸類型會將節點投影到主面之上,這對關鍵字*CONTACT_SPOTWELD是非常重要的,因為用于模擬點焊的梁要足夠長,以便使我們可以設置最小系數的質量縮放(質量縮放對于程序在計算過程獲取一個合理的時間步是必不可少的)。

TORSION 選項使得用來模擬點焊的梁能夠以等效力的形式將扭力轉遞給周圍的主面節點,而梁的軸向旋轉自由度則會被約束起來。在LS-DYNA中, 非線性的殼單元有零剛度的旋轉自由度(drilling degree-of-freedom),因此需要通過殼單元的薄膜響應(membrane behavior)來承受扭力。

綁定接觸(約束平動和旋轉自由度,有偏置)

這種接觸類型通過使用動態或罰函數方法將偏置后的節點綁定到主面上:

*CONTACT_TIED_SHELL_EDGE_TO_SURFACE_OFFSET (o7)

*CONTACT_TIED_SHELL_EDGE_TO_SURFACE_BEAM_OFFSET (b7)

*CONTACT_TIED_SHELL_EDGE_TO_SURFACE_CONSTRAINED_OFFSET (c7)

使用了BEAM 和 CONSTRAINED選項后,程序將會計算由于偏置而產生的轉矩,并用來更新主面。CONSTRAINED選項不能用于剛體,只能用于變形體。假如非要使用罰函數法來約束剛體,那么難點在于參與綁定接觸的剛體節點的質量:如果每一個節點的質量是精確的,那么罰函數法可以順利運行;但如果節點質量沒有意義(這種情況通常出現在剛體有精確的幾何模型,但是其慣性的屬性是獨立于網格定義的),那么罰函數將無法運行。這是因為罰函數使用節點質量計算約束旋轉的罰函數力。

綁定接觸(只約束平動自由度,有失效)

下面這些接觸類型可以設置失效參數。在這些接觸中,保證接觸面的方向對齊是很重要的,因為這決定了拉伸和壓縮的方向。我們可以沿法向(拉伸方向)和剪切方向設置失效力或失效應力。

*CONTACT_TIEBREAK_NODES_TO_SURFACE (8)

*CONTACT_TIEBREAK_NODES_ONLY (i8)

*CONTACT_TIEBREAK_SURFACE_TO_SURFACE (9)

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