LS-DYNA中的接觸問題（五）（接觸參數(shù)）

CUI10200

2019年4月16日 17:45

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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

5.罰函數(shù)縮放系數(shù)

參數(shù)選項(xiàng)為：SFS 和 SFM (card 3, *CONTACT_option)

所謂罰函數(shù)縮放系數(shù)可以用來增加或降低接觸剛度。關(guān)鍵字*CONTROL_CONTACT中的SLSFAC可以縮放模型中所有基于罰函數(shù)并且SOFT設(shè)置為0或2的接觸的剛度。SLSFAC 需要和SFS共同使用，也就是說實(shí)際的縮放系數(shù)為SLSFAC 和SFS的乘積。從面罰函數(shù)系數(shù)SFS和主面罰函數(shù)系數(shù)SFM都在關(guān)鍵字*CONTACT的卡3中設(shè)置。若在關(guān)鍵字*PART_CONTACT中設(shè)置了參數(shù)SSF，則實(shí)際縮放系數(shù)為SSF和前述縮放系數(shù)的乘積。對(duì)于設(shè)置為SOFT = 1的接觸而言，前述這些縮放系數(shù)不會(huì)起到作用，設(shè)置卡A中的 SOFSCL參數(shù)用來縮放其接觸剛度。（SOFT是關(guān)鍵字*CONTACT的設(shè)置卡A中的第一個(gè)參數(shù)）

6.罰函數(shù)縮放系數(shù)的相關(guān)建議

在網(wǎng)格相似、材料相似的接觸中，默認(rèn)設(shè)置（SFS = SFM = 1.0; SLSFAC = 0.1）即可；在網(wǎng)格和材料不同的接觸中，如果SOFT = 0，那么需要修正相關(guān)設(shè)置。但是通常我們建議設(shè)置SOFT = 1同時(shí)保持縮放系數(shù)為默認(rèn)設(shè)置。

7.接觸厚度

參數(shù)選項(xiàng)為：SST 和 MST (card 3, *CONTACT_option)

用戶可以通過SST和MST來設(shè)置接觸厚度，如果保持默認(rèn)值SST = MST = 0，那么接觸厚度等于*SECTION_SHELL中設(shè)置的單元厚度。

8.接觸厚度的相關(guān)建議

有時(shí)可以通過修改SST和MST來減小接觸厚度，以消除初始穿透，但與進(jìn)一步精細(xì)化網(wǎng)格相比，這只是一個(gè)不太好的替代方案。如果需要調(diào)整這兩個(gè)參數(shù)，我們建議根據(jù)實(shí)際情況來修改，若設(shè)置的數(shù)值太小，例如0.1mm，那么可能會(huì)出現(xiàn)問題，這是因?yàn)榻佑|厚度用來確定在釋放穿透節(jié)點(diǎn)之前所允許的最大穿透深度。通常情況下，增加接觸厚度可以避免接觸部件太薄所導(dǎo)致的計(jì)算失敗的情況。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，SST和MST不能小于0.6-0.7mm。

由于修改SST和MST的值會(huì)應(yīng)用到整個(gè)模型中的所有接觸中，所以需要更謹(jǐn)慎的情況下，我們最好在關(guān)鍵字*PART_CONTACT中通過OPTT 或 SFT參數(shù)單獨(dú)對(duì)某一部件的接觸進(jìn)行定義，尤其是在many parts of widely ranging thickness are included in a single contact這種情況下。

9.接觸厚度縮放系數(shù)

參數(shù)選項(xiàng)為：SFST 和 SFMT, card 3, *CONTACT_option)

除了直接修改接觸厚度以外，我們還可以利用SFST 和（或） SFMT作為縮放系數(shù)來修改接觸厚度。在關(guān)鍵字*SECTION_SHELL中，縮放系數(shù)和殼單元厚度相乘可得接觸厚度，默認(rèn)值均為1.0。

10.接觸厚度縮放系數(shù)的相關(guān)建議

相關(guān)建議內(nèi)容已經(jīng)上述第8節(jié)，但還是要特別強(qiáng)調(diào)設(shè)置縮放系數(shù)時(shí)不要使接觸厚度小于0.6-0.7mm。

11. 粘性阻尼

參數(shù)選項(xiàng)為：V DC (Card 2,*CONTACT_option)

該參數(shù)默認(rèn)為0。最初，接觸粘性阻尼用來抑制金屬成型模擬中接觸面法向震蕩，目前我們發(fā)現(xiàn)粘性阻尼對(duì)于碰撞和沖擊問題中的高頻震蕩也有很好的抑制作用。

12.粘性阻尼的相關(guān)建議

在有泡沫和蜂窩等軟材料參與的接觸中，經(jīng)常會(huì)由于震蕩而出現(xiàn)計(jì)算不穩(wěn)定的情況。使用40-60的V DC （對(duì)應(yīng)于40%-60%的臨界阻尼）可以提高模型計(jì)算的穩(wěn)定性，但這種情況下還應(yīng)降低時(shí)間步縮放系數(shù)。通常若參與接觸的為材料相近的金屬材料，那么可以選取較低的值，例如20。

13.接觸面擴(kuò)展

參數(shù)選項(xiàng)為：MAXPAR (Optional Card A , *CONTACT option)

這一參數(shù)用來增大接觸面以彌補(bǔ)基于面段投影的接觸的固有缺陷。自950d版本開始，除了*AUTOMATIC_GENERAL，這一參數(shù)不再用于自動(dòng)接觸選項(xiàng)中。

下圖所示為從中面投影形成面段的情形。可以看到在外凸的面的角落出現(xiàn)了一個(gè)開放的空間或者成為間隙，從節(jié)點(diǎn)可以從這里進(jìn)入接觸面而不會(huì)被檢測(cè)到穿透。這種從節(jié)點(diǎn)突然穿過間隙導(dǎo)致的穿透會(huì)導(dǎo)致接觸不穩(wěn)定，接觸能為負(fù)等問題。為了解決這一問題，程序?qū)⒔佑|面自動(dòng)沿接觸面平面的方向進(jìn)行了少量的擴(kuò)展（同樣還是沿接觸面的法向投影而來），從而可以填充間隙。

利用 MAXPAR選項(xiàng)的接觸面擴(kuò)展，這一方法在自動(dòng)接觸中已經(jīng)被淘汰。

14. 接觸面擴(kuò)展的相關(guān)建議

MAXPAR的默認(rèn)值1.025適用于大部分接觸問題，這是因?yàn)榇蟛糠直∑瑺畹慕饘俨考暮穸榷疾怀^3-4mm。但是當(dāng)接觸中出現(xiàn)非常厚的部件（5-10mm）或者有棱角的面時(shí)，計(jì)算可能會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。這種不穩(wěn)定可以通過降低接觸厚度來解決，也可以通過增加接觸面擴(kuò)展系數(shù)MAXPAR（最高不可高于1.2），將有棱角的面進(jìn)一步細(xì)化網(wǎng)格也可以起到作用。與默認(rèn)值相比，修改后的MAXPAR會(huì)消耗相對(duì)較多的計(jì)算成本。

15.桶排序頻率（Bucket-Sort Frequency）

參數(shù)選項(xiàng)為：BSORT (Optional Card A , *CONTACT ), NSBCS, (Card 2, *CONTROL_CONTACT)

桶排序是一種非常有效的識(shí)別給定從節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的潛在主面的接觸搜尋方法。但是這種方法在接觸算法中是計(jì)算成本相對(duì)較高的一部分，所以為了降低計(jì)算時(shí)間，應(yīng)盡量次數(shù)最少地運(yùn)行桶排序的次數(shù)。如果考慮了厚度偏置，那么所用接觸中都會(huì)使用桶排序來追蹤可能的接觸面。BSORT選項(xiàng)可以指定兩個(gè)桶排序計(jì)算之間的時(shí)間步數(shù)量。根據(jù)接觸類型的不同，默認(rèn)的桶排序間隔為10-100次循環(huán)。除了高速?zèng)_擊模擬外，默認(rèn)值已經(jīng)是足夠使用的了。當(dāng)節(jié)點(diǎn)在短時(shí)間內(nèi)移動(dòng)于不連續(xù)的面或接觸面自我折疊時(shí)，應(yīng)提高桶排序計(jì)算頻率，也就是降低BSORT的值。如果兩個(gè)簡(jiǎn)單連接的光滑表面相互移動(dòng)并且沒有折疊（此句存疑），那么以較大間隔運(yùn)行桶排序算法。需要注意的是如果兩個(gè)面之間的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于面段寬度的數(shù)倍，程序?qū)⒉粫?huì)存儲(chǔ)有關(guān)未來將會(huì)發(fā)生的接觸的相關(guān)信息，之后會(huì)運(yùn)行桶排序來提取接觸信息。一旦某一從節(jié)點(diǎn)開始接觸，局部搜尋為追蹤到這一動(dòng)作，此時(shí)對(duì)已經(jīng)開始接觸的這一節(jié)點(diǎn)進(jìn)行桶排序運(yùn)算就是不必要的了。

16. 桶排序頻率的相關(guān)建議

在某些部件以很快速度相互接近的接觸問題，例如氣囊問題中，比默認(rèn)值更頻繁的桶排序算法對(duì)接觸計(jì)算很有幫助。桶排序頻率較低的一個(gè)標(biāo)志是接觸計(jì)算莫名其妙地繞過了某些穿透節(jié)點(diǎn)。在這種情況下，用戶可以在*CONTACT中修改 BSORT或者在*CONTROL_CONTACT中修改NSBCS以降低桶排序計(jì)算間隔。很少會(huì)用到小于10的參數(shù)值。

17.最大穿透深度

參數(shù)選項(xiàng)為：PENMAX (Optional card B , *CONTROL_CONTACT), XPENE (Card 2, *CONTROL_CONTACT)

為了避免計(jì)算的不穩(wěn)定，程序會(huì)釋放出現(xiàn)較大穿透的從節(jié)點(diǎn)，但是這些從節(jié)點(diǎn)仍然會(huì)參與其他計(jì)算過程。（設(shè)置最大穿透深度的目的）是為了使與最大穿透深度成比例的較大的接觸力不會(huì)作用于那些可能會(huì)導(dǎo)致計(jì)算不穩(wěn)定出現(xiàn)的節(jié)點(diǎn)上（即穿透較深的節(jié)點(diǎn)-注）。對(duì)于那些為了避免由于節(jié)點(diǎn)穿過殼中面而導(dǎo)致接觸力方向突然翻轉(zhuǎn)這一情況發(fā)生而考慮厚度偏置的接觸類型來說，這一選項(xiàng)也是很有必要的。

對(duì)于SHLTHK = 0的非自動(dòng)接觸類型，最大穿透深度為1e + 20，也就是不會(huì)有任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)被釋放。當(dāng)SHLTHK = 1 或 2時(shí)，XPENE參數(shù)給出了釋放節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)則如下：

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 shell element), SHLTHK = 1

Max Distance (Shells) = 0.05 * (minimum diagonal length), SHLTHK = 2

在自動(dòng)接觸和單面接觸中，除了AUTOMATIC GENERAL，最大穿透深度是PENMA的函數(shù)，默認(rèn)值為0.4：

Max Distance = PENMAX * (thickness of the solid)

Max Distance = PENMAX * (slave thickness + master thickness)

對(duì)于AUTOMATIC GENERAL，PENMAX默認(rèn)值為200，沒有節(jié)點(diǎn)會(huì)被釋放。