接觸面本章目標使用的算法。本章是關于接觸面的內容.

介紹了不同的算法及:接觸面概述單面接觸算法點對面接觸算法面對面接觸算法普通接觸類自動接觸類剛性接觸類固連接觸類固連失效接觸類March

7,

2002Inventory

#0016306-2接觸面…

本章目標?(續):侵蝕接觸邊接觸拉延筋接觸成形接觸2-D接觸定義基本接觸接觸的列表和顯示接觸的刪除/撤消/激活高級接觸控制普通接觸指導接觸面的練習March

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2002Inventory

#0016306-3接觸表面A.

接觸表面概述在ANSYS/LS-DYNA中，定義接觸有很多方法.

不同之處包括接觸面如何描述，接觸罰函數如何表達,以及不同算法間存在的優缺點。對一些接觸模型，

接觸片被用來定義接觸體的表面.

這與隱式ANSYS

中的新的面對面算法是類似的,

只是用戶不必定義這些接觸片本身，ANSYS/LS-DYNA

會通過指定的節點組元自動生成接觸片。另外一些接觸模型允許模型的任何表面與其他表面接觸，包括它本身。這種完全任意接觸實際上是最容易定義的,而且對預先不知接觸表面（如整車碰撞模擬）時是非常有用的。March

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#0016306-4接觸表面...

接觸表面概述一般來說，當一個接觸（從）節點或接觸段

目標（主）段時,

恢復力（罰力）會將迫使之返回邊界。接觸罰剛度由LS-DYNA程序基于接觸體的楊氏模量自動計算而得。這就是在定義剛體（材料）時，必須定義真實的楊氏模量的重要原因。ANSYS/LS-DYNA

可以模擬很大范圍的接觸狀態:表面拋光通過定義帶有剪切失效應力的速度相關的摩擦來實現。侵蝕接觸

當表面單元失效時，允許接觸表面延伸到 單元。邊緣接觸允許一個殼單元的邊探測另一個殼的邊－不同于面面接觸的一種特性。March

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#0016306-5接觸表面...

接觸表面概述在ANSYS/LS-DYNA中定義接觸時,

只要要簡單地接觸表面（不總是必需的）、接觸類型以及與給定接觸類型相關的任何特定參數。由于許多不同的接觸類型可以使用，因此確定哪一種接觸類型能最準確的描述所建模型常常是非常的。理解ANSYS/LS-DYNA所提供的不同接觸算法和接觸類型對正確選擇給定模型的接觸面是非常重要的。接觸算法是程序處理接觸面的方法。有三種不同的算法：單面接觸點對面的接觸面對面的接觸March

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#0016306-6接觸表面…

接觸表面概述接觸類型是指具有某些特定的相似屬性的一系列接觸類型。這里有十種不同的接觸類:一般接觸–自動接觸剛性接觸固連接觸固連失效接觸侵蝕接觸邊接觸拉延筋接觸成形接觸二維接觸ANSYS/LS-DYNA

支持24

種此類接觸算法和接觸類型的組合。March

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#0016306-7接觸表面…

接觸表面概述Single

SurfaceNodes

to

SurfaceSurface

to

SurfaceSSASSC,

AGESSSEGeneralAutomaticRigidTiedTied

with

FailureErodingEdgeDrawbeadFormingTwo-DimenionalASS2DNTSANTSRNTRTDNSSENTSDRAWBEADFNTSSTS,

OSTSASTSROTRTDSS,

TSESTSTSESTSFSTS,

FOSS每種接觸算法和接觸類型都將詳細介紹，因此應選擇能夠選擇能精確體現所模擬的物理現象的最合理的接觸模型。March

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#0016306-8接觸表面B.

單面接觸算法當一 的外表面接觸其自身或其他體的外表面時，可用單面接觸算法建立接觸。單面接觸是最常見的接觸類型這是由于ANSYS/LS-DYNA

程序自動搜索模型的外部表面以確定是否發生

。由于包括了所有的外部表面,因此不需要定義接觸和目標表面。單面接觸對于處理接觸區域不能提前預知的自接觸或大變形問題是非常有效的。March

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#0016306-9接觸表面...

單面接觸算法ANSYS/LS-DYNA中的單面接觸算法處理有限的接觸表面時只會引起CPU時間很少量的增加。大多數沖擊和碰撞的問題需要定義單面接觸，因為有的接觸表面是不能預知的。當接觸單元的接觸

超過單元厚度的40%，單面接觸算法將被自動解除。這對以下狀態存在潛在的問題:過薄的部件具有低剛度值的柔性材料非常高速運動的物體之間的接觸March

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#0016306-10接觸表面...

單面接觸算法這些狀況會導致接觸節點超出40%的深度條件。接觸算法將假設表面不再接觸，而且將會發生材料滲透，最終接觸節點殘留在目標表面后面。單面接觸算法不在ASCIIrcforc的文檔中記錄所有的結果接觸力。如果想得到接觸力，則應該采用點對面或面對面算法。單面接觸算法包括以下接觸模型:單面(SS)，自動單面(ASSC)，自動一般(AG)，侵蝕單面(ESS)，單邊(SE)，和二維自動單面(ASS2D)。March

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#0016306-11接觸表面C.

點對面接觸算法當接觸節點

目標表面時，采用點對面接觸算法建立接觸。因其不對稱性，此法是最快捷的算法，此算法只處理沖擊目標表面的接觸節點。對于點對面接觸算法,必須定義接觸和目標表面的節點的集合或part

（part組）號，這類似于ANSYS

隱式方法。點對面接觸算法對于接觸區域相對較小而且接觸區域已提前預知的情況非常有效。并對節點與剛體的接觸也非常有效。March

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#0016306-12接觸表面...點對面接觸算法CONTACT

NODES以下是用于點對面接觸的指南:平面或凸面應作為目標面而凹面應作為接觸面較粗網格應為目標面

而較細網格應為接觸面SURFACE3.

對拉延筋接觸，拉延筋總是節點接觸表面而板料則是目標面。點對面接觸算法在ASCII

rcforc的文檔中記錄所有結果接觸力。點對面接觸算法包括以下接觸模型:NTS,ANTS,RNTR,TDNS,S,ENTS,

DRAWBEAD,

FNTSMarch

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#0016306-13接觸表面D.

對面接觸算當一的表面

另一的表面時，采用面對面接觸算法建立接觸。面對面接觸是完全對稱的，因此接觸面與目標面的選擇是任意的。對面對面接觸，需要定義接觸面&目標面節點集合或part

（或part組）號。節點可以屬于多個接觸表面。面對面接觸是一種普遍的算法，常應用到具有大的接觸區域且接觸表面已知的情況。March

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#0016306-14V接觸表面...

面對面接觸算法–面對面接觸對產生大量相對滑移的接觸（如一個木塊在平面上的滑移）非常有效。CONTACT

ANDDEFINITIONSARBITRARY面對面接觸算法在ASCII

rcforc的文檔中記錄所有結果接觸力。面對面接觸算法包括以下接觸模型:STS,OSTS,ASTS,ROTR,TDSS,TSES,

TSTS,

ESTS,

FSTS,

FOSSMarch

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#0016306-15接觸表面E.

一般接觸類通用接觸只考慮殼體單元一側接觸。對實體單元（brick），ANSYS/LS-DYNA

總是用外法線創建目標片，因此所期望的接觸總能被認可。目標表面而持續增恢復力（即抵抗節點 的懲罰力）

將隨著接觸節點加。節點經過一定殼單元厚度后，此力將不會被消除。penetrating

nodeS TOP

surface通用接觸模型包括:S BOTTOM

surfaceContactRestoring

ForceGeneral

ContactMarch

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#0016306-16SSNTSSTSOSTS接觸表面F.

自動接觸類自動接觸考慮殼體單元兩側的接觸。殼體接觸表面的方向是自動確定的。恢復力將隨著接觸節點

目標表面而持續增加，但只能增加到一點，

這是由于殼單元的兩個面都需要檢測。自動接觸模型包括:–

ASSCAG

(includes

SE)ASS2DANTSASTSpenetrating

nodeS

surfaceContactRestoring

ForceS BOTTOM

surfaceAutomatic

ContactMarch

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#0016306-17接觸表面G.

剛性接觸類剛性接觸RNTR

和ROTR

類似于NTS

和OSTS

接觸，除了不是用線性剛度來

，而是定義一種力-變形曲線來實現。這種接觸通常用于多剛體動力學，它們還允許不必模擬變形單元的情況下，吸收能量。剛體對可變形體的接觸必須用一般、自動或侵蝕接觸來定義。膝蓋與擋板的接觸March

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#0016306-18接觸表面H.

固連接觸類固連接觸用于連接兩個不相似的網格，在很大程度上。這與ANSYS隱式中所用的粘著接觸幾乎是一樣的。接觸節點粘接在目標表面上。兩個面必須是初始共面的。目標面可以變形，迫使接觸節點隨之變形。固連接觸只影響平移

DOF’

UX,

UY,UZ)固連接觸模型包括：TDNS,TDSS,andTSES

接觸。March

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#0016306-19接觸表面I.

固連斷開接觸固連斷開接觸實質是失效的

固連接觸。常被用來模擬點焊或螺栓連接。一旦符合失效方程,接觸節點就能夠從目標面上滑移或分離出來。S

失效方程基于法向力或剪切力,而TSTS失效方程基于法向或切向應力。fnff

n

÷

f

n,

fail

fs,

fail

m1

m2

s

÷

1失效(聯接解除)tiedMarch

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#0016306-20接觸表面J.

侵蝕接觸類型這些接觸模型

(ESS,

ENTS,

ESTS)應用于外表面上的實體單元發生失效的情況

(e.g.,

由于超過允許應變值)，因此需要

實體單元承擔抵抗的作用。March

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#0016306-21接觸表面K.

邊接觸類型邊界接觸用于殼單元的面法線與碰撞方向正交的情況。用殼的邊緣（SE）自動選定所有的邊線。SE

接觸也包含在自動通用(AG)接觸中。March

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#0016306-22接觸平面L.

拉延筋接觸類型拉延筋接觸一般用于對坯料有特殊要求的金屬成形過程。例如，沖壓過程中經常由于坯料不能貼緊模具而引起了坯料的褶皺。拉延筋接觸通過包含確保坯料在整個拉伸過程中與模具始終接觸的彎曲和摩擦限制力來模擬實際的拉伸過程。 Depth

of

drawbeadF

=

Ffriction+

FbendingMarch

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#0016306-23接觸表面M.

成形接觸類型成形接觸選項用于金屬成形過程中點對面(FNTS)成形,面對面

(FSTS)成形以及單向面對面(FOSS)成形。對于這些接觸類型，沖頭和模具一般定義為目標面而工件則定義為接觸面。這些接觸類型網格無需連通,因此減小了接觸定義的復雜性。沖件網格的方向必須一致。成形接觸選項基于自動接觸類型，因此功能十分強大。March

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#0016306-24接觸表面. -D

接觸類由PLANE162

單元組成的模型,只能定義為二維接觸。由ANSYS/LS-DYNA支持的2D

接觸選項是ASS2D.默認的接觸表面是整個模型(即不采用目標面)。接觸表面只能是part組(EDASMP).2D

接觸只支持靜摩擦系數(FS)。March

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#0016306-25接觸表面O.

定義基本接觸ANSYS/LS-DYNA

中定義接觸的三個基本步驟是:選擇接觸模型能最好的模擬你的物理系統識別接觸實體(單面接觸不需要)定義接觸及任何必要的其它輸入參數選擇接觸模型

:選則最適合給定條件的接觸模型，參考ANSYS/LS-DYNA

User’s

Guide并回顧本章節中的內容。對大多數分析，

使用自動普通

(AG),

點對面

(NTS),

和面對面

(STS)接觸，這些都非常強大，并適合大多數應用。March

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#0016306-26接觸平面...

定義基本接觸識別接觸實體

:除了單面接觸模型外

（SS,ASSC,

AG,ESS,

SE,

and

ASS2D），所有ANSYS/LS-DYNA

接觸模型都需要定義接觸面和目標面。–

雖然單面接觸模型不必定義,但通過定義接觸面它能夠限定部分模型的接觸。對于缺省值，此算法考慮了整個模型的可能接觸。接觸面和目標面能通過節點組元（CM

command）或part號/part

集合（EDPART

and

EDASMP

commands）來定義。如第三章 到的，如果在改變模型后重建part

，則part列表會改變，因此有必要在模型修改后經常更新part列表。否則，用以前的part號來定義接觸將得到錯誤分析結果。最好的做法是在執行任何ANSYS/LS-DYNA的特定命令前完成所有的ANSYS幾何模型的建立。March

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#0016306-27接觸表面...

定義基本接觸如果利用part號(或part集合)區別接觸面與目標面，可以用boxID’s對接觸面

一

。

Box

ID’s

由

EDBOXcommand定義:Preprocessor

>

LS-DYNA

Options

>

Contact

>

Define

Box這些框形體積不能用于

節點集合。限制接觸處理的量在大型模型中是十分重要的，但是在包括整個模型可能導致接觸“不匹配”的小模型中也是很有用的。March

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#0016306-28接觸表面...

定義基本接觸定義接觸

:EDCGEN

命令可在接觸面和目標面之間自動生成接觸:–

Preprocessor

>

LS-DYNA

Options

>

Contact

>

Define

Contact

…先選擇需要的接觸算法和相應的模型:接觸算法接觸模型March

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#0016306-29接觸表面...

定義基本接觸接下來規定靜態和動態摩擦系數以及指數衰減系數，粘性摩擦和粘性阻尼。ANSYS/LS-DYNA中，摩擦系數可以與速度相關并且可以使用一個限制值來定義總的摩擦力。缺省值定義模型為無摩擦接觸。March

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#0016306-30接觸表面...

定義基本接觸摩擦系數，c,的定義是:c

=

d

+

(s

-

d

)e

-(DC)

(v)wheres

=靜摩擦系數d

=動摩擦系數DC

=指數衰減系數v

=接觸面間的相對速度DC

或v

=0類似于c

=s最大摩擦力

Flim可以由粘性摩擦系數VC和接觸段的面積Asegment來定義:Flim

=

VC

Asegment其值為VC=0.577

o,極限摩擦系數常用于接觸引起塑性流動的情況。這里o

表示接觸材料的屈服應力.March

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#0016306-31接觸表面...

定義基本接觸為避免接觸中產生不期望的振動，可利用粘性阻尼系數VDC施加垂直于接觸面的接觸阻尼。輸入值

VDC，需要一個阻尼值作為臨界百分比:

=

(VDC/100.0)

crit

=

(VDC/100.0)

(2m

)這里m

=質量

=接觸段的自然頻率在金屬成形分析中，粘性阻尼常用于抑向振動。March

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#0016306-32接觸表面...

定義基本接觸定義摩擦數據后要定義接觸起始和終止時間:利于多級成形過程后一階段設定工具到相應位置而不會與坯料互相影響。默認值在整個運算時間激活接觸。運用已定義

的Part數或Part

集合，給定

BoxID’s用來進一步限制接觸面或目標面的定義。由于當前UIDL的局限性，只有在整個EDCGEN命令給出后，GUI才能識別BoxID’s是否是有效。因此只有當Box

ID’s(用EDBOX命令)、Part

ID’s

或集合已經被定義才可以設定Box

ID’s。March

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#0016306-33接觸表面...

定義基本接觸框點擊

OK后,又彈出一個框以區分接觸面在第一個

EDCGEN和目標面。對于單面接觸模型,第二個框一般不出現，這是因為模型不需要區分接觸面和目標面。–

對單面接觸模型，EDCGEN

命令需直接鍵入(即批處理)來獲得進一步限制接觸面的特性。有些接觸模型需要輸入附加輸入參數。對這些模型，相應的將出現特定的模型框…March

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#0016306-34接觸表面...

定義基本接需要輸入附加數據的接觸系列是

(EDCGEN

fields

V1-V4):FamilyV1V2V3V4ErodingSymmetry

option

keyInternal

erosion

keyAdjacent

material

keyN/ARigidLCIDForce

calc.

MethodUnloading

stiffnessN/ATiebreakTensile

failure

forceShear

failure

forceNormal

force

exp.Shear

force

exponentDrawbeadLCID1LCID2Drawbead

depth#

of

Integration

Points一步定義了接觸的特定模型輸入接觸。在左邊介紹的

Tiebreak點對面接觸中(S)，當兩個面“unglue”時用戶會很快得到定義失效的提示信息。March

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#0016306-35接觸表面P.

接觸的列表和顯由于接觸單元不能創建，因此在求解前列出定義了的接觸表面對確保接觸的正確定義是非常重要的。這用EDCLIST

command來完成:Preprocessor

>

LS-DYNA

Options >

Contact

>

List

Entities所有定義過的實體與指定的摩擦參數一起自動列出。注意每種接觸定義有專門的參考號March

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#0016306-36接觸表面...

接觸的列表和顯示利用由EDCLIST輸出已定義接觸(reference)號，可以由EDPC

命令顯示接觸對:Preprocessor

>

LS-DYNA

Options

>

Contact

>

Select

and

Plot...Contact

#1Contact

#2Contact

#3EDPC既選擇又顯示出接觸對。在求解前

記重選想要的節點和單元

…March

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#0016306-37接觸表面Q.

刪除/撤消/恢復接觸用EDDC

命令刪除定義錯誤的接觸實體:Preprocessor

>

LS-DYNA

Options >

Contact>

Delete

Entity

…EDDC,

DELE

需要:接觸模型接觸part或組元目標Part

組接觸實體只能在新分析中刪除。對于EDDC命令，

GUI自動提供

“DELE”選項,

但仍需要指定接觸和目標組元和/或Part

ID’s/集合，單面接觸照例一般都 需要這些表面。刪除模塊中所有接觸,

鍵入命令

EDDC,

DELE,

ALLMarch

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#0016306-38接觸表面...刪除/撤消/恢復接觸小型重啟動分析中，可以撤消(EDDC,

DACT)或激活(EDDC,RACT)一個定義了的接觸實體。Preprocessor

>

LS-DYNA

Options

>

Contact

>

Deactivate

Entity

…Preprocessor

>

LS-DYNA

Options

>

Contact

>

Activate

Entity

…接觸的撤消和激活在多階段成形模擬很有用。EDDC

命令不支持完全重啟動。March

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#0016306-39接觸表面R.

高級接觸控制ANSYS/LS-DYNA

有許多高級接觸控制選項大多數控制可以由

EDCONTACT命令定義，而且這些控制是全局的(即適合所有定義了的接觸實體):Preprocessor

>

LS-DYNA

Options

>

Contact

>

Advanced

Control可以用EDSP

或者EDCMORE

命令來定義某些局部(如對特定的實體)的高級控制:Preprocessor

>

LS-DYNA

Options

>

Contact

>

Advanced

Control

…Preprocessor

>

LS-DYNA

Options

>

Contact

>

Additional

Parms

…以下全局選項一般用于控制接觸:控制接觸搜索方法控制接觸深度控制接觸剛度March

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#0016306-40接觸表面...

高級接觸控制控制接觸的搜索方法

:ANSYS/LS-DYNA中,兩個不同接觸搜索方法:網格連貫性搜索塊排序方法網格連貫性搜索中,接觸搜索算法利用與鄰近單元共享節點來搜索接觸。當目標段與接觸節點失去接觸時，檢查鄰近段。網格連貫性方法是極快的，但是由于它要求接觸表面具有連續的網格，因此又有局限性。S,and

TDNS

的–

過去，網格連貫性方法用于接觸模型STS,NTS,OSTS,TSTS,缺省，但是新的塊排序算法逐漸成為某些模塊的缺省算法。March

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#0016306-41接觸表面...

高級接觸控制在塊排序方法中,由接觸面所占據的三

被分為許多立方體（buckets）。節點可以與同一塊或相連的塊中的任一段相接觸。bucket

sort

算 能十分強大,

但是在某種程度上比網格連貫性搜索要慢,

尤其針對大模型。網格連通方法是ASTS,

ANTS,ESTS,ENTS,及所有的單面接觸模型接觸模型的缺省方法。–

由于許多模型含有不連續網格,最好通過EDCONTACT

命令的多面殼體厚度(SHTK)將搜索算法轉變為塊排序方法將EDCONTACT

SHTK

域設置為ThkIncl-Exc

Rgd

(利用除剛體外的殼厚度)或Thk

Incl

(包括剛體在內的殼厚度)將導致如

NTS的接觸模型使用bucket

sort算法。March

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#0016306-42接觸表面...

高級接觸控制控制接觸深度

:對于一般接觸選項STS,NTS,S,TSTS,

andOSTS，ANSYS/LS-DYNA假定搜索的接觸深度

為1e10(假設不考慮厚度)。當接觸節點穿過目標面時，就會產生一個與接觸深度

例的接觸（恢復）力。在動力學模型中，其組件處于連續的相對運動并產生了假接觸，從而引起不穩定。如果接觸深度很大,偽接觸力會變得接近無窮大。如果節點滑到目標面的后面，它會被拋到物體外的空間中。“

”為控制考慮到的接觸深度，將EDCONTACT

命令中的PENCHK域設置為ON

。詳細描述，請參考

Commands

Reference。March

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#0016306-43接觸表面...

高級接觸控制將PENCHK設為“ON”，程序將只搜索與目標段厚度例的接觸深度。考慮到最小對角線可用另一個“ON”選項。由于

EDCONTACT

命令是用于設置總體接觸控制，少量

檢測可用于模型中所有可用的接觸實體

。

如果想將這一特性應用到局部基礎上

(如特殊接觸實體上)，則用

EDSP

命令來代替。

EDSP

命令

將在以后

…March

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#0016306-44接觸表面...

高級接觸控制控制接觸剛度

:ANSYS/LS-DYNA

程序中，罰函數法用于接觸力的計算。在罰函數法中，一個彈簧被放在兩個物體之間，其間的接觸力由下式給出這里FF

=

k

k=接觸界面剛度

=

體間的

量kMarch

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#0016306-45接觸表面...

高級接觸控制理想情況下，接觸過程中接觸面間不應該有。這意味著接觸界面剛度等于無窮

(

)，

而這會導致數據的不穩定。ANSYS/LS-DYNA程序根據接觸段的材料特性和尺寸自動計算接觸剛度。此一般會是較好的結果經常檢驗

d3hsp文件以確保求解時間步長小于接觸穩定所需時間步長，基于材料屬性和單元尺寸的最小時間步長0.56918e-6秒小于穩定接觸所需的

(0.185e-5),因此模型應為

OK,如…March

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#0016306-46接觸表面...

高級接觸控制可以用一個總體接觸剛度的比例因子SFSI

來改變接觸剛度，它將通過以下關系調整ANSYS/LS-DYNA

的計算剛度(kcalc)：k

=

SFSI

kcalcANSYS/LS-DYNA

中SFSI的缺省值是0.10，提高EDCONTACT

命令中的SFSI,可以增加接觸剛度。在侵蝕接觸分析中經常增加SFSI。然而，接觸剛度的增加也增加了收斂不穩定性的風險。盡量使得

SFSI

不超過March

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#0016306-47接觸表面...

高級接觸控制ANSYS/LS-DYNA

將采用接觸面和目標面的材料特性和單元尺寸來確定一個缺省的接觸剛度。），或單元尺如果模型的接觸面之間的材料屬性相差太大（如鋼撞擊寸相差太大,會產生不穩定性或非真實的響應.當由于接觸剛度不匹配而產生問題時，接觸與目標面的接觸剛度可以由ANSYS/LS-DYNA調整到比較相近。d3hsp

文件顯示的信息概括陳述了:“如果實際采用的求解時間步的值大于接觸穩定性的時間值則調節粗糙表面的罰函數剛度系數”。March

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#0016306-48接觸表面...

高級接觸控制EDCONTACT

命令

的

PENO

用來衡量接觸剛度:有五個主要的選項

可用來控制不協調引起的接觸剛度: