还记得上一讲的内容吗在上一讲中我们讲解了材料非线性的两种模型。这一讲我们将视角转向接触。接触是生产和生活中普遍存在的力学问题例如汽车车轮和路面的接触发动机活塞和气缸的接触轴和轴承的接触以及齿轮传动过程中齿面的相互接触在钣金成型中模具和工件之间的接触等。接下来将讲解接触的三种非线性那么我们开始吧~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。1N2S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RBE3PLOTEL显示的接触单元。S2S同上2S2S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~1N2S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。2S2S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N2S4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S2S5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TRACTFINITE/CONSLI实现大滑移需激活几何非线性HASH刚度阵组装方法PARAMHASHASSMYES—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STIFFAUTO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STIFFSOFT/HARD自动设置为一个较小/大的接触刚度STIFF负实数在STIFFAUTO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GPADTHICK。如果不想采用壳体厚度也可设置一个合适的值GPADREAL。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1PARAM, EXPERTNL, CNTSTB2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0.1MODCHG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PARAMHASHASSMYES。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 (CONTFOPTI 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elemset2 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MODCHG5 其他参数输出位移spcforce等接触面的接触力【相关内容】OptiStruct在安装点刚度优化中的应用基于OptiStruct的基座一阶频率优化研究OptiStruct在汽车全塑尾门开发中的应用