---

本文翻譯自官方文檔，原文鏈接：

https://www.dynasupport.com/tutorial/ls-dyna-users-guide/contact-modeling-in-ls-dyna

---

       接觸問題的處理是許多大變形問題中的基本環節，不同體之間精確接觸模型的建立對于提高有限元模型的預測能力是至關重要的。LS-DYNA擁有大量的接觸類型，其中，一些類型專門用于特殊問題，而其他類型則適用于更多的常見問題。此外，LS-DYNA中還有許多舊版本的接觸類型。盡管它們目前很少用到，但還是被保留了下來，以保證順利計算那些建立在舊版本上的有限元模型。用戶在進行有限元前處理時，會發現有非常多的接觸類型可供選擇，而這份文檔則將對LS-DYNA中的接觸類型進行相關的概述，以便作為用戶選擇接觸類型和接觸參數的一份參考手冊。

接觸是如何工作的

        在LS-DYNA中，接觸是通過給定需要程序檢查的，可能發生從節點穿透主面段的位置（location）來定義的，這里的“位置”可以來自部件、部件集合、面段集合以及節點集合。在計算中的每一個時間步，程序會利用多個算法中的某一種來查找可能發生的穿透。例如在基于罰函數的接觸中，當程序檢測到穿透發生，就會對穿透的節點施加穿透深度成比例的力以便抵抗穿透的繼續進行，并最大可能地消除已經出現的穿透現象。除非另行聲明，否則這里討論的接觸均是基于罰函數的接觸類型，而不是基于約束的接觸類型。在罰函數接觸中，可能會出現剛性體，為了使接觸力可以如實分布到接觸面上，我們建議對剛性體的網格劃分密度要和變形體的密度一致。

       盡管我們可以很方便，很高效地在一個模型中定義某一中接觸，以處理可能發生的接觸問題，但是請不要在同一個接觸面上定義多個接觸。通常，在同一個接觸面上定義的多個接觸會產生多個接觸力，這會導致計算不穩定。

       為了使用戶可以靈活地處理各種接觸問題，LS-DYNA提供了多種接觸類型和接觸參數，用來控制接觸問題處理過程中的不同設置。在下面的幾節中，我們首先介紹了不同的接觸類型并給出可用于哪些應用問題的建議，然后給出了一些可用的接觸參數。

接觸類型

Type 1：*CONTACT_SLIDING_ONLY

                                                        只發生相對滑移，無穿透

Type 2：*CONTACT_TIED_SURFACE_TO_SURFACE

                            接觸面綁定，平動自由度被約束；節點和面之間的距離存于OFFSET選項中

Type 3：*CONTACT_SURFACE_TO_SURFACE

                              檢查每一個從節點是否穿透主面；對于殼單元面，法向的取向是很重要的

Type 4： *CONTACT_SINGLE_SURFACE

Type 13： *CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE

Type a13： *CONTACT_AIRBAG_SINGLE_SURFACE

Type 26： *CONTACT_AUTOMATIC_GENERAL

Type i26： *CONTACT_AUTOMATIC_GENERAL_INTERIOR

在預定義的接觸范圍內生效的通用接觸；可用于屈曲，折疊的情況；接觸面可能是不連續的；非常耗費CPU計算時間

Type 5： *CONTACT_NODES_TO_SURFACE

                                     檢查每一個從節點是否穿透主面  ；優點為這一接觸的定義很簡單

Type 6： *CONTACT_TIED_NODES_TO_SURFACE

Type 7： *CONTACT_TIED_SHELL_EDGE_TO_SURFACE

節點和面之間的橫向和轉動自由度都被約束；節點和面之間的距離存于CONSTRAINED_OFFSET和BEAM_OFFSET中

Type 8: *CONTACT_TIEBREAK_NODES_TO_SURFACE

Type i8: *CONTACT_TIEBREAK_NODES_ONLY

                                                 與type6類似，但是增加了失效準則

 

Type 9： *CONTACT_TIEBREAK_SURFACE_TO_SURFACE

                                              與Type8類似；使用應力而不是力；m=n=2

Type 10： *CONTACT_ONE_WAY_SURFACE_TO_SURFACE

                                                                 只檢查從節點是否穿透主面

Type 22： *CONTACT SINGLE EDGE

*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE (with SOFT=2, SBOPT=3 and DEPTH=5)

*CONTACT_AUTOMATIC_GENERAL_INTERIOR

       在撞擊分析中，可能會發生非常大的變形，同時預判接觸將會在哪里以及如何發生是非常難甚至不可能的。所以這種情況下我們建議使用自動接觸，因為這種接觸無需給定取向，也就是可以檢測來自殼單元每一側的接觸。在LS-DYNA中，如果*CONTACT關鍵字中存在AUTOMATIC字樣，這說明該接觸為自動接觸。與舊版本的接觸相比，自動接觸中使用的算法使其更適合于不連貫的網格。對于殼單元，自動接觸給定的接觸面平行于殼單元的中面，距離為接觸厚度的一半；同時在殼單元面的邊界上，接觸面以接觸面厚度的一半為半徑繞邊界翻轉，從而形成一個連續的接觸面。我們一般以殼單元的厚度為參考選定接觸面到殼中面的距離（此句存疑）。接觸定義過程中有許多可選參數供使用，用戶可以據此直接定義或者通過縮放來定義接觸厚度。若用戶沒有定義接觸厚度，則接觸厚度等于殼厚度（在單面接觸中，接觸厚度等于橋厚度和單元邊長中的最小值）。同樣的，在考慮梁的接觸是，梁單元的接觸面與梁中軸線的距離為梁橫截面的等效半徑。正是因為接觸面是由殼的中面和梁的中性軸偏置而來，所以在有限元建模中，為了表示殼的厚度和梁的橫截面尺寸而留下的殼部件之間與梁部件之間的間隙尺寸就顯得至關重要。不合適的間隙尺寸則會導致接觸面上出現初始穿透的現象。LS-DYNA將通過移動穿透的從節點到主面的方式消除初始穿透。并不是所有的初始穿透都需要消除，否則可能會導致不符合物理規則的接觸行為的發生。設置一個精確地初始幾何模型總是會花費很大時間。

       在從節點開始被釋放，其接觸力設為0之前，LS-DYNA中的大部分接觸類型會針對最大穿透深度給定一個上限。這主要發生于自動接觸中，用于避免從節點穿過殼的中面時在反方向產生較大的接觸力。不同接觸類型對應的最大接觸深度以表格的形式列在了用戶手冊v.960的表6.1中。有時自動接觸并未起到作用，這是因為早在計算的開始就達到了接觸的起始點，這主要發生于接觸面中存在有非常薄的殼單元的情況下。此時利用縮放系數放大接觸厚度或者直接設置一個大于殼單元厚度的接觸厚度可以避免接觸失效的發生。或者設置soft=1也可以解決這個問題。

單向接觸

       單相接觸允許壓縮載荷在從節點和主面之間進行傳遞；如果接觸中有設置摩擦系數，那么同樣可以傳遞在相對滑移時出現的剪切載荷。靜摩擦到動摩擦的轉換由庫倫摩擦和指數插值函數實現，這就需要設置一個衰減系數，使得靜摩擦系數大于動摩擦系數。單向接觸中的“單向”一詞的意思是只針對用戶定義的從節點進行是否穿透主面的檢查，單相接觸主要適用于主面是剛體的情況，例如成型模擬中的沖頭和模具。當一個有較細網格的從面撞擊另一個有較粗網格的主面，同時兩者均為變形體，則單相接觸不適合使用。另外常見的應用為梁-面或殼邊界-面的接觸，此種情況下梁的節點和殼邊界上的節點應設置成從節點的集合。激活單相接觸有多種選擇：

       對于氣囊（從）和人體模型（主）之間的接觸，主要使用如下兩種接觸之一：

       *CONTACT_AUTOMATIC_NODES_TO_SURFACE (a5)

       *CONTACT_AUTOMATIC_ONE_WAY_SURFACE_TO_SURFACE (a10)

       對于金屬成型問題，建議使用如下定制的單向成型接觸，其中接觸發生位置定義在了從面一側：

       *CONTACT_FORMING_NODES_TO_SURFACE (m5)

       *CONTACT_FORMING_ONE_WAY_SURFACE_TO_SURFACE (m10)

       成型接觸中的取向確定是自動完成的。剛性刀具的表面可以由不連續的單元塊組成，這些單元塊附近的節點有時會被合并起來，但是這種情況并不常見。這些單元塊的方向并不一致，但是在計算初始化時它們會被重新確定方向（此句存疑）。成型接觸可以追蹤那些在刀具表面上的單元塊之間移動的屬于坯料的節點，利用罰接觸力限制穿透的出現。通常我們推薦使用ONE_WAY_SURFACE_TO_SURFACE這一選項，因為在自適應網格中該選項考慮到了主節點到從面的穿透，若不使用這一選項，則無法對坯料進行足夠精細的重新分網，從而捕捉主面的尖銳部分，最終導致主面向從面突出。

       當通過分析可以得知面的方向時，下面這幾個非自動接觸類型可能會很有效：

       *CONTACT_NODES_TO_SURFACE (5)

       *CONTACT_ONE_WAY_SURFACE_TO_SURFACE (10)

       *CONTACT_CONSTRAINT_NODES_TO_SURFACE (18)

       *CONTACT_ERODING_NODES_TO_SURFACE (16)

（未完待續）