OptiStruct要领——接触界面的非线性

2018-07-23 10:27:43·  来源:Simwe  作者:接触在力学过程中常常同时涉及三种非线性,大变形引起的材料非线性和几何非线性以及接触界面的非线性。  
 
接触在力学过程中常常同时涉及三种非线性,大变形引起的材料非线性和几何非线性以及接触界面的非线性。
接触在力学过程中常常同时涉及三种非线性,大变形引起的材料非线性和几何非线性以及接触界面的非线性。
接触界面的非线性主要来源于两个方面。

1
接触界面的区域大小和相互位置以及接触状态不仅事先都是未知的,而且是随时间变化的,需要在求解过程中确定。

2
接触条件的非线性(单边不等式约束,强非线性)。
1) 接触物体不可互相侵入
2) 接触力的法向分量只能是压力
3) 切向接触的摩擦条件

接触界面条件
1. 法向接触条件
a)不可互相侵入(运动学条件)



对于在接触表面的任意点,不可侵入条件表面,当两个物体发生接触时,它们或者保持接触,或者脱离。

b)接触面的动力学条件是在不考虑接触面积间的粘附或冷焊的情况下,法向接触力为压。OptiStruct中可设置法向分离/法向不分离接触。即法向接触力为压力/接触面间可穿传递拉力。由PCONT中SEPARATE参数控制。



接触点对的搜索——接触离散
OptisStruct中提供两种方式定义接触点对。
1)N2S



对于每个从节点,寻找一个主面,该从节点可通过主面的法向投影至主面上。找到主面后在从节点、主面间建立接触单元。类似于GAP单元。每一个接触单元有唯一的一个从节点,两个接触单元的从节点肯定不一样,但是主面可能相同。
➡对于小滑移,N2S在内部直接转换为CGAPG单元。ConTPRM ConTGAP YES,产生*.contgap.fem文件,导入HM查看GAP单元。
➡对于大滑移,N2S在内部转换为不同于CGAPG的单元。ConTPRM ConTOUT YES,产生*.contout.fem文件,在当前模型中导入该文件,可查看RBE3+PLOTEL显示的接触单元。(S2S同上)



2)S2S



对每一个从节点查找相邻的面。在每一个从节点相邻的面上选择样本点(高斯点),采用N2S的方法查找相应的主面。在从面和主面之间建立接触单元。
➡不同的S2S接触单元有不同的从节点
➡不同的接触单元间可共享一个或多个从面

注意点
下面是一些需要注意的内容,不要忽略哦~
1)N2S中为防止发生主面过多的侵入从面,从面上的网格应当细化以适应主面的形状。S2S点对主从面的选择相对不敏感。



2)S2S比N2S计算量大,但接触力更光滑,易收敛。
3)当从面是节点集合(SET)时,必须采用N2S
4)当从面为实体单元集(SET)时,建议采用N2S。如果从面是实体单元面(SURF),可采用S2S
5)当主从面存在尖角,建议采用N2S。或将存在尖角的面拆分为多个面,建立多个S2S接触。

2. 切向接触条件——摩擦力条件
a) 无摩擦
如果两个物体的接触面是绝对光滑的,或者互相间的摩擦可以忽略,这时分析可采用无摩擦模型,即认为两接触面间的切向摩擦力为零,即

b)有摩擦——库伦(coulomb)摩擦模型
如果接触面间的摩擦必须考虑,则应采用有摩擦的模型。OptiStruct中使用的是工程分析中被广泛采用的库伦摩擦模型。库伦摩擦认为摩擦力不超过其极限值



摩擦模型的规则化
现实中如果切向力小于临界值,主从面不会产生相对滑移。如果切向力等于临界值,主从面发生相对滑移。但是当相对滑动速度反向,切向力也立即反转,这容易造成数值计算中迭代的收敛困难。数值计算作了一定的近似。用规则化的摩擦模型(下右图)来代替库伦摩擦模型(下左图)。在切向力小于临界值时,接触界面间允许出现小的相对滑移,在切向力达到临界值时,相对滑移量为一用户指定值FRICESL。默认情况下,FRICESL为接触主面典型单元长度的0.5%。



在OptiStruct中,接触界面如果涉及摩擦,会生成非对称刚度阵,将采用非对称求解算法(MUMPS)求解。摩擦力会显著影响模型的收敛性,涉及摩擦的模型求解计算量也比较大。在接触界面的摩擦力影响不大时,可以关闭非对称求解器(PARAM, UNSYMSLV, NO)。

在发生下列等式时,接触面没有切向相对滑移⬇



对应OptiStruct中的粘结(stick)模型⬇



在发生下列等式时,接触面将发生切向相对滑移⬇



对应OptiStruct中的滑移(slide)模型⬇



OptiStruct中,相对滑移分为小滑移和大滑移。
➡小滑移
主从面之间的相对滑移量小于一个单元。
接触搜索只是在计算最开始执行一次,以后的计算都是基于最开始建立的接触对。
➡大滑移
主从接触面之间滑移量大于一个单元,接触对在每一个增量步中重新计算。
大滑移可通过设置TRACT=FINITE/CONSLI实现



大滑移需激活几何非线性,HASH刚度阵组装方法(PARAM,HASHASSM,YES—),非对称刚度阵求解算法
支持大位移的S2S和N2S
不支持小位移的N2S

摩擦系数



在OptiStruct中,通过PCONT卡片中的MU1和MU2设置静/动摩擦系数。



接触问题的求解
但是上述方法是针对不具有接触约束的问题,那么对于具有接触约束的问题,该怎么办呢?

我们同样可以采用拉格朗日乘子法或者罚函数法。

拉格朗日乘子法
用拉格朗日乘子法引入接触约束条件可以精确满足约束条件,但是有两个不足之处:
1)方程自由度数增加
2)求解方程的系数矩阵中包含零对角元素

罚函数法
用一个弹簧施加接触协调条件称为罚函数法。弹簧刚度或接触刚度称为罚参数。罚函数法允许一定侵入。当发生侵入时,弹簧开始起作用,将主从面推开,直至不再有侵入(主接触面可以侵入从接触面,反之不可)。只有产生侵入时,才有接触力。接触力和侵入量成比例。罚函数法的优缺点正好和拉格朗日乘子法相反,优点是不增加问题的自由度,系数矩阵保持正定,缺点是:
1)约束条件近似满足
2)罚参数(接触刚度)增大,可提高精度(现实接触体间不可能发生侵入,接触刚度无穷大),但可能会使相互接触的两个物体的相对运动发生虚假的反向,造成收敛困难

OptiStruct中采用罚函数法引入接触约束



STIFF设置接触刚度
STIFF=AUTO,接触刚度根据主从面的刚度自动计算。
STIFF设置为正实数,用户自定义接触刚度
STIFF=SOFT/HARD,自动设置为一个较小/大的接触刚度
STIFF=负实数,在STIFF=AUTO计算的接触刚度上放缩|STIFF|

其他参数
下面介绍正在设置接触约束时需要用到的一些参数。



ADJUST穿透调整
CAD模型离散为FEM模型时,接触面上会存在一定的精度损失,导致了主从面之间会存在小的穿透/间隙,ADJUST正在模型开始计算去除这些穿透/间隙,不会产生任何应力应变。
➡CONTACT及TIE卡片上都可设置ADJUST
➡CONTPRM, ADJGRID, YES 可查看被调整的节点及调整后的位置坐标避免刚体位移
➡ADJUST > 0.0
—将穿透的从节点调整到接触面上
—对于间隙小于等于ADJUST的从节点,调整到接触面上
➡ADJUST = AUTO
—调整深度被自动设置为主接触面单元平均尺寸的5%
➡ADJUST = 0.0
—只是将穿透的从节点调整到接触面上



CLEARANCE接触间隙
设置主从面之间的间距/过盈量
➡CLEARANCE >= 0,设置主从面之间的间距
➡CLEARANCE < 0,设置主从面之间的过盈量
➡CLEARANCE = 0.0,无论几何位置如何,认为主从面之间间隙为0,施加压力后立即产生接触力



GPAD接触厚度
有限元分析中壳体往往是抽取的三维实体单元的中面,在接触分析中需要考虑壳体的厚度,默认GPAD=THICK。如果不想采用壳体厚度,也可设置一个合适的值,GPAD=REAL。



SRCHDIS搜索距离
当从节点与主面的间距小于SRCHDIS时候,从节点和主面间建立接触单元,否者不建立接触单元。
➡对于SMALL SLIDING,只是在计算的第一个增量步检查主从面之间的间距是否小于SRCHDIS,间距大于SRCHDIS的从节点在真个计算过程中都不会接触
➡对于FINITE SLIDING,在每个增量步检查主从面之间的间距是否小于SRCHDIS,间距大于SRCHDIS的从节点在当前增量步中不会产生接触
➡对于ConSLI SLIDING,在每个迭代步中都会检查主从面之间的间距。

SMOOTHING接触力光顺
曲面法向在CAD中连续,但是FEM模型离散后不再连续。在离散过程中几何精度的损失会影响接触力的精度。SMOOTHING可以改善这种情况下的精度损失。
➡SMOOTHING仅适用于S2S接触,可对整个主从接触面的接触力进行修正,也可对局部区域的接触力进行修正
➡SMOOTHING不适用于FREEZE类型接触,不能和ADJUST及CLEARANCE同时使用



CNTSTB接触稳定
CNTSTB可改善接触分析中的不稳定,如初始时刻接触面之间小的间隙导致计算在初始时刻难以收敛。
➡可对单个SUBCASE施加,也可对所有SUBCASE施加
➡两种施加方法
1)PARAM, EXPERTNL, CNTSTB
2)直接定义CNTSTB卡片
➡CNTSTB通过在接触切向和法向施加较小阻尼弹簧来改善接触的收敛性
➡PARAM EXPERTNL CNTSTB等效于默认参数的CNTSTB卡片



➡LMTGAP引入切向/法向接触稳定刚度



➡接触面间距小于LMTGAP时,施加接触稳定刚度
➡接触面间距大于LMTGAP时,释放接触稳定刚度
➡LMTGAP默认值为主接触面特征长度
➡过大的LMTGAP会引入大的实际不存在接触力,影响计算结果
➡改进收敛将s1设置为0.1

MODCHG模型改变
基于单元/接触的模型改变,使用该参数需要同时激活PARAM,HASHASSM,YES。该参数只能用于非线性工况。



1)基于单元的模型改变
➡单元去除
—将去除单元对周边单元的节点力逐步释放为0
➡单元激活
—WOSTRN激活单元后,被激活单元为了和周边单元构型协调,也会产生变形,该变形会引入额外的应力
—WISTRN 协调变形不会引入额外的应力
➡不适用于小位移及瞬态分析
➡适用单元类类型:Solid/Shell/Bushing/CONM2
➡非线性瞬态分析不支持



2)基于接触的模型改
➡去除接触对
—将接触对上的接触力逐步释放
➡激活接触对
—在小位移分析中,激活之前建立的接触单元
—在大位移分析中,重新建立接触单元

接触相关结果
➡接触压力
➡法向接触状态
➡切向接触状态
➡法向接触力
➡切向接触力
➡侵入量
➡滑移距离
➡输出设置
ConTF (format, type) = option (CONTF(OPTI)= ALL)
输出文件cntf
输出内容: 接触力;接触面积;
Cntf文件格式



➡OptiStruct可在主从面上同时显示接触相关结果

理论的部分已经讲解完毕,接下来我们还是一样来看看一个具体实例吧

这是一个练习,我们需要完成以下内容:
1. 去除过盈接触
2. 恢复过盈接触
3. 查看结果,结果是这样的⬇



那么,跟着我们来操作吧~

1接触对的建立(elemset)



2定义接触约束
➡S2S
➡大滑移



3定义移除/激活的接触面积



4工况中引入MODCHG



5其他参数



输出:



位移,spcforce等:



接触面的接触力:




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