有限元基礎-接觸非線性3

系列回顧
<接觸非線性1>-接觸算法
<接觸非線性2>-接觸類型

在接觸發生時,一般接觸面不能穿透目標面,但是目標面可以穿透到接觸面之中,為了更好地理解可以將之想象為網球與網球拍的接觸過程,網球視為目標體球拍視為接觸體,當擊球的瞬間網球表面會部分穿過球拍的網線,但是網線不會穿透到球內部的。

通過上面的描述可見目標體與接觸體在發生接觸的區域附件網格大小會影響計算結果的穿透量。

有限元基礎-接觸非線性3的圖1

有限元基礎-接觸非線性3的圖2

通過上面兩張示意圖能更清楚地表達接觸面與目標面之間的關系,上圖中接觸面的網格大,目標面的單元已經明顯穿透進入了接觸體,但是接觸體的節點node1和node2并不能穿透進入目標單元內,當下圖的接觸單元的網格尺寸減小一半后,在node1和node2之間有了新節點node3,那么就會減小目標單元進入接觸單元的量,所以穿透自然就變小了。依然以網球為例,當網球拍的線密度比較小時網球會明顯的部分穿透網線,極端情況下網線之間的距離大于網球直徑時網球會直接完全穿透球拍到球拍的另一側去,相反當網線很密時,不用說網球也更難穿透網球拍。
按照上述接觸面與目標面的穿透關系,還可以總結出以下關于如何選擇接觸面和目標面的規律:
1.當凸面與凹面或平面接觸時,凸面定義為接觸面;
2.細網格與粗網格發生接觸時,選擇細網格作為接觸面;
3.軟硬差距比較大物體接觸時,軟體的面定義為接觸面;
4.高階單元與低階單元發生接觸時,高階單元作為接觸面;
5.一個大面與一個較小的面發生接觸時,選擇小面作為接觸面。
實際在建立接觸關系時由于模型的復雜性有時候不容易一眼就可以確定如何定義接觸面和目標面,在考慮上述原則的基礎之外還可以從最原始的接觸面與目標面之間的穿透關系出發來定義接觸面和目標面,或者分別交換設置觀察計算結果來判斷如何設置更合理。
下面以一個實例說明:

有限元基礎-接觸非線性3的圖3

上圖是模擬橡膠圈的壓縮過程(軸對稱模型),中間圓形是模量為3MPa的橡膠材料,上下支撐和下壓件都是鋼,而且從網格上來看鋼的網格明顯粗于橡膠的網格,當壓板與橡膠圈接觸時如果選擇橡膠作為目標體壓板作為接觸體那么計算出的穿透量如下圖為0.02mm。

有限元基礎-接觸非線性3的圖4

當交換接觸面和目標面,將網格比較粗的壓板作為目標體,網格比較細的橡膠圈作為接觸體之后再重新計算,穿透量降低為下圖的0.011mm。

有限元基礎-接觸非線性3的圖5

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