ABAQUS中的接觸和約束
來源：正脈科工 CAE
約束
?什么是約束？
?約束允許模型在節點之間傳遞運動關系
?這些關聯在模型中的自由度定義
?相反的，裝配約束僅僅是定義各部件之間的初始位置
?例如:
?綁定約束Tie
?多點約束MPC
?殼-實體的耦合Shell-to-solid coupling
?剛體約束等
?綁定約束
?允許將兩個區域綁定，即使兩個區域的網格不協調
?殼-實體的耦合約束
?將殼的邊與實體的面的運動耦合
?剛體約束
?允許將裝配體中的部分區域的運動約束到一個參考點上
?多點約束 (MPCs)
?節點之間可以說是線性或非線性的約束
?線性方程是MPC的一種形式
綁定約束
?在Abaqus中，通過捆綁約束定義完全的約束行為。
?捆綁約束可以以簡單的方式，將表面永久的捆綁在一起。
?容易進行網格過渡。
?使用主-從公式定義基于表面的約束。
?該約束防止從屬表面和主控表面分離或產生相對滑動
?句法：
*TIE,NAME=name, ADJUST=[YES | NO],
[POSITIONTOLERANCE | TIE NSET]
SLAVE,MASTER
?POSITION TOLERANCE參數定義被綁定從屬表面節點與主控表面間距的容差。在此容差范圍之內的從屬表面上的節點將被綁定。
?如果從屬表面上的節點與主控表面的間距大于該距離，從屬表面上的節點將不被捆綁。
?另外，可以使用TIE NSET參數，將包含從屬表面節點的節點集綁定到主控表面。
?如果節點在從屬表面上，但不在該節點集中，這些節點將不被綁定.
?ADJUST參數是可選的。
?設置該參數為YES，在初始構型中，將移動主控表面中所有的從屬節點（由可選的POSITION TOLERANCE參數選項定義的距離），并不產生任何附加應變。
?從屬節點的狀態（張開或接觸）將打印在輸出 (.dat)文件中。
?在打印輸出文件中，對于捆綁約束中沒有與主控表面接觸的從屬節點將給出警告信息。
?默認情況下，平動和轉動自由度將都被約束。
?如果不需要約束旋轉自由度，可以使用NO ROTATION參數.
?對捆綁約束中的從屬節點不要使用邊界條件、約束方程或多點約束。這將引起從屬節點的過渡約束，并導致分析過程中的錯誤。
?癥狀：
?Abaqus/Standard信息(.msg)文件中零主元警告
?Abaqus/Explicit中變形波速錯誤
剛體
?Abaqus具有一般剛體的功能
?剛體是節點和單元的集合，剛體的運動由一個節點，即它的參考節點控制
?任何實體或部分實體都可以被定義為剛體
?剛體可以承受任意大的剛體運動
?剛體的計算效率較高
?不超過六個自由度，就可以完全描述剛體的運動。
?對于組成剛體的單元，不進行單元計算
?對于兩個相互接觸的物體，如果其中一個物體比另外的物體剛硬許多，可以將較為剛硬的物體指定為剛體；例如，金屬成型過程中的砧
?三種方式定義剛體:
?定義離散剛體和使用*RIGID BODY選項將單元分派為剛體.
?任何形式的幾何外形
?定義解析剛體表面
?有限種類的幾何外形
?用戶子程序RSURFU(Abaqus/Standard only)
?剛體定義最多可以包括：
?1個單元集
?1個捆綁節點集
?1個銷節點集
?1解析表面
?1參考節點
?每個剛體定義必須唯一。
?剛體定義中不可以共享節點、單元或參考節點.
?離散剛體
?大多數單元類型可以作為剛體的一部分.
?比如，如果使用*RIGID BODY選項將單元分派為剛體，實體單元和剛體單元可以模擬同樣的效果。
?包含實體單元定義剛體的例子：
*ELEMENT,TYPE=C3D8R, ELSET=SOLID1
...
*SOLIDSECTION, ELSET=SOLID1, MATERIAL=STEEL
*MATERIAL,NAME=STEEL
*ELASTIC
200.0E9,0.3
*DENSITY
7800.0,
*RIGIDBODY, REF NODE=10000, ELSET=SOLID1
?銷節點 vs. 捆綁節點
?每個剛體從屬節點可以被指定為以下兩種類型之一：銷節點或捆綁節點
?當剛體中包含單元時，可以定義附加的節點集，為可變形單元提供更多的連接點.
*RIGID BODY, REF NODE=10000, PIN NSET= , TIE NSET=
?銷節點只有平動自由度同剛體相關聯.
?通過銷節點連接的剛體和變形體單元之間只傳遞位移和力.
?捆綁節點的平動和轉動自由度均同剛體相關聯.
?通過捆綁節點連接的剛體和變形體單元之間，除了傳遞位移和力之外，還傳遞轉動和彎矩.
?如果節點與多個類型的單元相連，默認情況下為“捆綁”約束。比如，如果節點與CPE3和B21 單元連接，默認情況下，該節點為捆綁節點。
?可以通過在銷節點集或捆綁節點集包含同樣的節點，覆蓋默認的節點類型。
*RIGID BODY, REF NODE=node, ELSET=element set, PIN NSET=node set, TIE NSET=node set
thickness
?解析剛體表面
?使用*SURFACE選項，有三種可用的解析表面：
?使用TYPE=SEGMENTS定義二維剛體表面。
?使用TYPE=CYLINDER定義三維剛體表面，在垂直于平面方向無限延伸。
?使用TYPE=REVOLUTION定義旋轉的三維表面.
?解析剛體表面不能自動平滑。然而，平滑表面的接觸計算將更加容易。
?使用FILLET RADIUS參數提供導角半徑，用于平滑解析剛體表面的各個部分。
?使用*RIGID BODY選項將剛體指定為表面，并分派參考節點.
?解析剛體表面的輸入句法:
?剛體的運動
?剛體的運動由剛體參考節點的運動控制—可以是邊界條件，也可以是施加在剛體上的力。
?形成剛體的其它節點被稱為“剛體從屬節點”。
?剛體參考點的位置
?用戶可以將剛體的參考節點放在模型中的任何位置。
?如果在分析過程中，剛體在所施加載荷下自由移動，參考節點的位置是非常重要的；這樣的情況下，參考節點應該放在剛體的質心。
?Abaqus可以自動計算質心，并重新確定參考節點的位置.
?Abaqus通過組成剛體單元的質量分布確定質心
?如果參考節點被重新放置于剛體的質心，在打印輸出文件的結尾處，參考節點的新坐標將被輸出。
?句法:
*RIGID BODY, REFNODE=node, ELSET=element set,
POSITION=CENTER OF MASS
?剛體的慣性屬性
?基于單元的貢獻，可以計算劃分網格剛體的質量和轉動慣量；或者可以使用剛體從屬節點或剛體參考節點定義的MASS和ROTATYI單元指定質量和轉動慣量。
?每個剛體的質量、質心和關于質心的慣性矩將出現在打印輸出 (.dat)文件中.
?出于確認的目的，可以指定部分的模型為剛體，借以幫助分析。
?比如，在復雜模型中，不能預測所有潛在的接觸條件。可以把距離所關心區域較遠的區域的單元作為剛體，這樣在建立模型時，可以加速運行時間。
?當用戶滿意模型和接觸對的定義之后，可以將剛體定義刪除，使用精確的可變形單元對模型進行描述.
?以剛體作為驗證目的的例子
殼到實體耦合
?允許從殼單元過渡到實體單元
?適用于部分模型需要定義3D單元其他部分模型需要定義為殼單元的情況
?是將殼模型某條邊上的節點運動和實體面上的節點集的運動耦合到一起
?可用節點集來定義分布耦合約束
接觸
?什么是接觸?
?當兩個實體接觸時，力通過它們的公共表面傳遞。
?在某些情況下，只傳遞垂直接觸表面的力。
?如果存在摩擦，沿接觸表面的切向傳遞有限的切向力。
?沿接觸表面，摩擦力導致剪切應力。
?一般目標：確定接觸面積和傳遞的應力。
?接觸是嚴重不連續形式的非線性行為。
?或者施加約束（表面不可以互相穿透），或者忽略約束.
?為什么要定義接觸？
?除非用戶指定可能會接觸的表面和/或節點，Abaqus現在還不能檢測接觸。
?接觸例子
?間隙接觸
?用節點與節點接觸的方式為點接觸建模。
赫茲接觸
?接觸面之間的相對位移很小。
?分布表面的接觸。
?典型例子：軸承設計、硬墊圈、過盈配合.
變形體之間的大滑動接觸
?這是最一般類型的接觸。
?例子：螺紋連接。
?這些問題一般包含初始的過盈配合（因為錐形的螺紋），并且具有相似強度的材料之間為有限滑動.
?自接觸
?單個表面與它自身接觸稱為自接觸。在Abaqus的二維和三維模型中可用.
?在分析過中，當表面嚴重變形時，使用自接觸將非常方便。對于某些問題，在分析之前不可能確定單個的接觸區域，或者確定接觸區域是非常困難的。
?把單個接觸表面作為接觸對定義自接觸，而不是通過兩個不同的表面定義.
?變形體與剛體的接觸
?表面之間的有限滑動（大位移）.
?變形組件之間的有限應變.
?典型例子:
?橡膠密封件
?馬路上的輪胎
?海床底部的管道
?成型模擬（剛體砧/
模具、可變形組件
?Abaqus 提供兩種定義基于面的接觸的方法:
?通用接觸可以定義模型全部或者一部分區域內的接觸情況.
?模型的不相連區域和接觸區域的面均可計算接觸.
?接觸對描述兩個面間的接觸
?需要對接觸多做定義.
?每個可能的接觸對都需要定義.
?對于面的類型有些限制.
?通用接觸算法
?接觸區域可包含多個體 (剛體和變形體)
?缺省區域可通過all-inclusive element-based surface自動定義
?此方法用于為多組件和復雜拓撲關系的模型建模
?定義接觸模型時更加容易
?接觸對算法
?需要用戶自定義各個面的接觸
?因接觸面有些限制所以有時需要更多的分析
?通用接觸和接觸對的選擇主要在于接觸定義的簡易程度和分析效率
?兩種方法的效率和準確度類似
?某些情況下, 接觸對會比通用接觸適合.
?包括:
?解析剛體面 (Abaqus/Standard)
?二維模型(Abaqus/Explicit)
?基于節點的表面
?小滑動
?Rough 或者Lagrange 摩擦 (Abaqus/Standard)
?其他請參看Abaqus Analysis User’s Manual
?Abaqus/Standard 中處理接觸問題需要定義接觸對
?雙面接觸對
?“點對面” 是默認的約束處理方法:
?表面上的節點（從屬表面）接觸其它表面（主控表面）離散化的部分。
?嚴格的主從格式
?另外一種是面對面約束方法
?Abaqus/Standard中使用的嚴格的主/從計算公式具有許多假設
?從屬表面的節點不能穿透到主控表面。
?主控表面的節點可以穿透到從屬表面
?接觸方向通常是主面的法向
?沿著主面法向檢查接觸狀態
?法向接觸力通過法向傳遞。
?摩擦力通過接觸面的切向傳遞.
?接觸中殼厚度的考慮
?默認的，除了finite-sliding, node-to-surface 接觸，Abaqus在接觸計算中考慮殼的厚度.
?為了忽略殼厚度的影響，可在*CONTACT PAIR選項中使用NO THICKNESS參數
定義通用接觸
?常用的、最簡單的接觸定義:
*CONTACT
*CONTACTINCLUSIONS, ALL EXTERIOR
?整個模型的“自動接觸”
?分析中的接觸定義逐漸變得更加詳細
?全局/局部摩擦系數和其它接觸屬性
?用戶控制的接觸厚度（尤其是殼）
?以接觸對的方式制定接觸域（而不是ALL EXTERIOR）
?主選項
*CONTACT
?子選項
?常用的選項:
*CONTACTINCLUSIONS
*CONTACTPROPERTY ASSIGNMENT
?不常用的選項:
*SURFACEPROPERTY ASSIGNMENT
*CONTACTEXCLUSIONS
?可以為指定的接觸區域獨立的分配接觸屬性
*CONTACT
*CONTACTINCLUSIONS, ALL EXTERIOR
*CONTACTPROPERTY ASSIGNMENT
, , prop_1 (reassignsproperties globally)
alum_surf, steel_surf, prop_2 (localmodification)
alum_surf, alum_surf, prop_3 (localmodification)
定義雙面接觸
?定義接觸的三個步驟:
基于表面下面的單元、解析幾何體、節點定義表面.
定義接觸對.
定義接觸屬性：摩擦、軟化層等.
?輸入文件中，完整定義接觸句法的例子：
*SURFACE,NAME=ASURF
SLIDER,S1
*SURFACE,NAME=BSURF
BLOCK,S3
*CONTACTPAIR, INTERACTION=FRIC1
ASURF,BSURF
*SURFACEINTERACTION, NAME=FRIC1
1.0,
*FRICTION
0.4,
下面將詳細的解釋這些選項.
?定義表面
?利用*SURFACE選項定義表面。
?利用每個單元集的表面標識符指定面。
?可以用單元集的名字或單元號指定表面。
?定義可以接觸的表面對
?定義表面之后，就可以定義“接觸對”。
?在分析過程中，接觸對指定了兩個相互接觸的表面。
?在Abaqus/Standard中，第一個表面為從屬表面，第二個表面為主控表面
?在Abaqus/Explicit中，表面的順序一般不影響接觸計算.
?定義表面接觸屬性
? *SURFACE INTERACTION選項定義表面接觸屬性。
?定義表面行為屬性，比如摩擦。
?對于二維問題，定義接觸面在垂直平面方向的厚度。
?即使沒有聲明附加屬性，在Abaqus/Standard中，該選項也是必須的。
?在Abaqus/Explicit中，該選項是可選的.
定義面的規則
?在變形體或劃分網格的剛體上，使用*SURFACE, TYPE=ELEMENT選項定義表面。
?通過指定單元表面標識符定義表面。
?或者
?讓Abaqus自動確定連續體單元的“自由表面”。
?使用*SURFACE, TYPE=[SEGMENTS | CYLINDER| REVOLUTION] 選項和*RIGID BODY選項定義解析剛體表面。
?使用*SURFACE, TYPE=NODE選項，定義可能接觸的節點表面.
?在實體單元上定義表面
?使用表面標識符
?例子：4-節點四面體單元 (CPE4, CAX4, 等等)
*SURFACE,NAME=EXAMPLE1
1,S4
1,S1
2,S1
2,S2
...
?使用自動的表面定義
*SURFACE,NAME=EXAMPLE2
?在結構單元上定義表面 (殼、薄膜、剛體、梁)
?結構單元的法向表示預期的接觸方向。
?法向基于單元局部的節點編號。
?正的法線方向在 = SPOS 表面。
?負的法線方向在 = SNEG 表面。
?在所定義的表面集之內，表面法向的定義必需一致.
*ELEMENT,TYPE=B21, ELSET=BOTTOM
10,1, 2
11,2, 3
12,3, 6
*ELEMENT,TYPE=B21, ELSET=TOP
20,4, 5
21,5, 6
*ELSET,ELSET=BEAMS
BOTTOM,TOP
?基于節點的表面
?為接觸定義點的另一種方法。
?與指定單元表面定義接觸表面的方法不同，基于節點的表面只包含節點
?基于節點的表面一般被用作從屬表面.
?表面定義的限制
?接觸表面下所有的單元必須協調。它們必須：
?維數相同（二或三維）。
?對于二維表面：所有單元為平面的或軸對稱的（不可以兩種都有）。
?插值階數相同（一或二階）。
?所有單元為可變形的或所有單元為剛體（不可以兩種都有）.
?附加的限制
?表面法向
?主表面法向必須一致
?主表面法向必須指向從面.
?否則將會出現收斂問題
?剛性表面
?剛體表面必須是主面.
?對于Abaqus/Standard中的主控表面和Abaqus/Explicit中的所有表面，還有附加的限制：
?在不離開表面、穿過表面或通過單個點穿越表面的前提下，必須可以連接表面中的兩個任意的點.
局部表面行為
?一般的接觸建模包括不同方向的接觸相互作用：
?主控表面的法向
?表面的切向
?其他的接觸屬性包括接觸阻尼和幾何屬性等.
?除硬接觸外，其它的方法
?作為*SURFACE INTERACTION
選項的子選項*SURFACE
BEHAVIOR選項用于指定：
?軟接觸（指數或表格方式表達的壓力-間距關系）
?沒有分離的接觸
?其它選項：
?間距相關的粘性阻尼 (*CONTACT DAMPING)。
?帶有過盈或拉伸接觸力的接觸 (*CONTACTCONTROLS; 只有Abaqus/Standard可用)。
?接觸的切向行為
?兩個實體之間的接觸面可能存在摩擦剪切應力t。
?如果剪切應力達到某個臨界值，實體之間可能會發生相對滑動；否則它們粘在一起。
?摩擦可以引起高度的非線性效應。
?很難獲得解。
?除非物理上必要，盡量不要使用。
?摩擦是非保守的。
?在Abaqus/Standard中，摩擦將導致系統方程的不對稱。對于較大的摩擦系數m (m >0.2) ，*STEP, UNSYMM=YES選項將自動啟用。
?使用UNSYMM=NO將減緩收斂速度，但是解將是正確的（如果得到）。它可能會使用更少的磁盤空間。
?在Abaqus/Explicit中，過大的摩擦系數將不會引起類似的問題，因為不需要求解系統方程組.
?可以定義混合的靜動摩擦模型。
?作為滑動速度 函數的摩擦系數，從 （靜摩擦系數）到 （動摩擦系數）以指數方式衰退。
?還有其它可用的摩擦行為，包括用戶自定義的摩擦模型。：
? (在Abaqus/Standard中為FRIC在Abaqus/Explicit中為VFRIC)。
接觸問題中點的相對滑動
?下面的例子將說明有限滑動和小滑動的區別。
?考慮右圖的模型。
?剛體沖頭產生水平位移，并保持圖形中的間距。然后，向下推向變形體。
?如果使用有限滑動，在保持間距時，沒有接觸發生（與期望的一樣）
?考慮小滑動的情況。
?如果是小滑動，接觸行為由局部接觸平面（三維）或線（二維/軸對稱）控制。
?如右圖所示，局部接觸線被高亮顯式。
?在沖頭水平移動的過程中，盡管沖頭和變形物體之間還存在物理間距，右圖中高亮顯式的從屬節點根據局部接觸線仍然建立接觸關系！
接觸問題中調整初始節點位置
?在分析之前，可以調整接觸面中節點的初始位置，并且不產生任何的應力和應變.
?Abaqus/Standard: default treatment of initiallyoverclosed nodes depends on contact modeling approach
?通用接觸: 默認情況下, 小的初始過盈會被調整，并且不產生任何應變 (比如，分析前調整節點)，或可認為是干涉.
?接觸對:默認情況下,初始過盈的調整被認為是干涉；或者也可調整位置而忽略應變
?Abaqus/Explicit:不允許接觸表面的初始過盈.
?在分析之前，接觸面上的節點將被自動調整，以刪除任何的初始過盈。在隨后的分析步中，這樣的調整將引起應變.
?大量的調整將引起初始單元形狀的嚴重扭曲.
?如果發現這樣的錯誤信息，最好需要運行datacheck分析，并利用Abaqus/Viewer查找問題.
?通用接觸中調整從屬節點(Abaqus/Standard)
?調整大的初始過盈和間隙
?指定距離查詢
?Search above 以閉合間隙
?Search below 以增加過盈容差
?調整兩個面
*Contact Initialization Assignment
allHeads , topFlange_outer ,adjust-1
*ContactInitialization Data, name=adjust-1,
SEARCH ABOVE=1e-05,
SEARCH BELOW=0.02
?接觸對中調整從屬節點(Abaqus/Standard)
?指定需要調整的絕對距離：
*CONTACT PAIR, INTERACTION=FRIC1, ADJUST=a
?在調整范圍內，初始張開的從屬節點將被移到主控表面上。
?調整距離沿主控表面的法向度量。
?所有初始過盈的從屬節點被重新放在主控表面上
?指定需要調整的從屬節點集：
?在分析過程中，不在節點集中并帶有初始過盈的從屬節點將保持過盈，并產生應變。這些應變將被施加在接觸面上。
?指定ADJUST node set的例子：
*NSET,NSET=CONNODE, GENERATE
1,8, 1
*CONTACTPAIR,
INTERACTION=RIG,ADJUST=CONNODE
?查看應變的調整
?在Abaqus/Standard里, 輸出變量STRAINFREE 用來查看調整情況
?若有處初始調整，程序會默認寫出變量STRAINFREE
?變量在t=0時查看
接觸輸出
?在使用*CONTACT OUTPUT、*CONTACT FILE或*CONTACT PRINT選項之后，所有接觸表面的接觸信息都是可用的。
?對于Abaqus/Standard和Abaqus/Explicit：
?接觸應力：CSTRESS (接觸壓力CPRESS和摩擦剪切應力CSHEAR1和 CSHEAR2)
?對于Abaqus/Standard，還可以得到：
?接觸位移：CDISP (接觸張開距離COPEN和相對切向運動CSLIP1和CSLIP2)
?對于Abaqus/Explicit，還可以得到：
?滑動速度：FSLIPR
?累計的滑動距離：FSLIP
?例如：兩個表面在兩個位置接觸
?與Abaqus/Standard中接觸分析相關的，用于生成與打印輸出相關的兩個其它選項為：
*PREPRINT, CONTACT=YES:
?在預處理過程中，控制打印到輸出文件的輸出
?給出內部生成的接觸單元的細節
?推薦用于小滑動接觸問題，用于驗證主-從節點的相互作用
?用于檢測表面定義和相互接觸的正確性
*PRINT, CONTACT=YES:
?在分析過程中，用于控制信息文件的輸出
?給出迭代過程的細節
?用于分析在接觸計算過程中出現的數值問題
工程師必備
- 項目客服
- 培訓客服
- 平臺客服
TOP
