O形環接觸表面初始過盈的幾種處理方法

本文以O形環為例，介紹Abaqus接觸表面初始過盈的幾種處理方法

初始過盈原因

接觸定義中，接觸面可能在分析開始時就有部分干涉，即初始過盈。其由不同原因引起，CAD模型較差導致零件之間的重疊，或離散誤差導致，如圖中2兩個圓，同樣半徑的接觸幾何圖形被不同單元尺寸離散，它們以不同的方式偏離原來的圓形邊。

初始過盈還有一個原因是干涉。在實際中，干涉部分在初始位置時就會變形，產生應力和應變。

初始過盈解決方法

Abaqus中，主要有2種方法解決初始過盈問題：無應變調整、設置過盈配合。

無應變調整

無應變調整即移動從面上的節點，以消除初始過盈，不會產生任何應力或應變。這種方法適用于非預期的過盈，模型在第一個分析步0位置時移動節點，改變了網格，如果干涉部分過大，會產生網格扭曲。

設置過盈配合

設置過盈配合后，在從面節點移動到非干涉位置的過程中，有對應的應力和應變產生。這個方法適用于預期過盈。在第1個分析步0位置時，接觸從面的節點不進行調整，在第1個增量步中開始進行過盈求解。

ABAQUS設置

上述兩種方法在不同接觸屬性中的處理方式不同。

通用接觸

一般情況下，通用接觸中使用無應變調整處理小的初始過盈。Abaqus自動判斷主面和從面，確定一個限定值來調整小過盈量，超過此限定值的過盈部分不會被調整。例如，圖3中使用通用接觸的默認設置，只調整了一個節點。

圖3 使用默認設置的通用接觸

可通過定義和指定接觸初始化任務，更改限定值。在“Edit Interaction”對話框中，指定初始化任務，如圖4所示。

圖4  通用接觸初始化任務

點擊“Edit Interaction”對話框的初始化任務后面的鉛筆圖標，將新創建的接觸初始化任務分配給一對表面。選擇所需的表面和接觸初始化任務，并按圖5所示創建任務，可根據需要對多個面集批量處理。

圖5 將通用接觸初始化分配給一對表面

本例中，定義兩個面集用于O形環的邊接觸。如果在從面中超過一個單元與主面發生干涉，那么過盈單元就會變成內部單元，無法參與分析。

圖6 增加限定值后設定的通用接觸

無應變調整是通過定義通用接觸的初始化任務完成，類似于忽略過盈的方式。

當設置過盈配合時，在第一個增量步中逐步消除過盈，變形部分會逐步產生應力和應變 (如圖7)。

圖7 指定過盈配合的通用接觸

接觸對

定義接觸對接觸時，通常采用設置過盈配合量來消除過盈量，但當O形環發生偏移（圖8）， Abaqus就不能再定義過盈配合。

圖8 偏移O形環

這種情況下，可以在第一個分析步中逐步解決過盈的問題。在第一個分析步中，打開“Edit Interaction”對話框，點擊選項“Interferencefit”(圖9)。

圖9  過盈量設置

在Interference Fit Options對話框中，不能用默認設置。選擇“Gradually remove slave node overclosure during the step”，然后，Abaqus自動調整干涉部分，不用指定過盈量。

圖10  分析步中逐步調整重疊部分

以上設置可以使Abaqus解決初始過盈問題。

圖11 逐漸解決初始過盈的問題

還可以使用無應變調整來解決過盈問題，使用“Edit”對話框。“SlaveAdjustment”選項卡中， 默認設置為“No adjustment”(圖12)。

圖12 接觸對的無應變調整

選擇“Adjust only to remove overclosures”，刪除過盈點，但保留小間隙。還可選擇"Specify tolerance for adjustment zone”設置一個調整公差，在公差范圍內的所有從屬節點將被移到主面上。最后一個選項是“Adjust slave nodes in set”，在從面上的指定集合中的有節點都被移動到主面上，沒有在該集合中的節點不會移動，因此初始過盈仍然可能存在。

檢查模型的受壓情況

不僅要知道O形環在調整初始過盈時是如何變形的，還要知道其受壓情況。要做到這一點，需要使用Abaqus中的壓力滲透選項。對于一個面對面接觸，壓力滲透只在接觸壓力為0的接觸面上定義。如果壓力使接觸點分離，接觸壓力在另一個節點上變成零，壓力就會滲透，也會被應用到那個節點上。

在本例中，為了承受壓力引起的大變形，O形環需要更精細的網格。O形環的每一面都有一個面對面接觸。在分析的第一步中，設置如上文所述的過盈配合并且增加了一個分析步設置壓力滲透。對于每個接觸對，都需要設置壓力滲透選項。

圖13 壓力滲透的選項

在已經明確主面和從面的情況下，在最初施加壓力的地方選擇一個區域。在本例中，選擇圖14中箭頭所示的區域，壓力會自動滲透到O形環接觸的點，此時必須指定流體壓力，即在非接觸區域施加壓力，本例中選擇5 MPa的流體壓力

圖14 壓力滲透接觸定義

在此例中，需要定義場輸出PRESS，它是由壓力滲透而施加在表面上的壓力。可以顯示壓力的位置以及流場大小。

結果

如圖15所示，設置過盈配合后的模型變形形狀如圖15所示。

圖15 設置過盈配合后的模型應變情況

當施加壓力時，O形環被推到角落里。PPRESS很好地顯示了施加壓力的區域，但是在一開始時很難確定接觸情況。

圖16 壓力應用于未變形區域(左)和變形(右)的PPRESS結果圖

總結

1. Abaqus可以用無應變調整或設置過盈配合的方法來解決初始過盈；

2. 通用接觸和接觸對接觸采取不同的處理方法；

3. 在兩種情況中，當壓力只作用在部分接觸表面，但是不作用于整個接觸中時，有必要設置壓力滲透選項。