第二章 LS-DYNA接触算法

1、DYNA高级应用培训高级应用培训 2、 接触算法接触算法 登录协同仿真时代登录协同仿真时代 本章内容及目标本章内容及目标 1. 初步了解LS-DYNA中的接触问题 2. LS-DYNA中3种不同的接触算法 3. 10种不同的接触类型集合 4. LS-DYNA中的高级接触控制 5. 2D接触及其它接触类型 6. 使用接触的注意事项 通过以上学习, 学员应该能够定义和使用接触。 登录协同仿真时代登录协同仿真时代 概述概述 LS-DYNA 不使用单元定义接触。在接触的定义过程中，分为主面 （ MASTER ）和从面（SLAVE ），LS-DYNA的接触搜寻往往由从 面的节点判断可能与之接触的主面单元

2、； 通过多达 24 种不同的接触, LS-DYNA 可以处理绝大多数常遇到的 接触问题； 要定义LS-DYNA 的接触,用户只需要指定接触面，接触类型和一些 相关参数即可； 面对24 种不同的接触类型，要选择合适的类型来描述实际物理系统 往往很重要，为了选择合适的接触类型，往往需要对LS-DYNA 中的 接触集合和算法有深入的理解。 登录协同仿真时代登录协同仿真时代 接触算法与接触集合接触算法与接触集合 接触算法是程序用来处理接触面的方法。在 LS-DYNA 中有3种算法: Single Surface Contact;Nodes to Surface Contact;Surface to S

3、urface Contact 一个接触集合为具有特别相似特性的接触类型的集合. 在 LS-DYNA 中有 10种集合: 1. General 普通接触普通接触 2. Automatic 自动接触自动接触 3. Rigid 刚性接触刚性接触 4. Tied 固连接触固连接触 5. Tied with Failure 固连失效接触固连失效接触 6. Eroding 侵蚀接触侵蚀接触 7. Edge 边接触边接触 8. Drawbead 拉延筋接触拉延筋接触 9. Forming 成形接触成形接触 10. 2D contact 二维接触二维接触 登录协同仿真时代登录协同仿真时代 单面接触单面接触 单

4、面接触用于当一个物体的外表面与自身接触或和另一个物体的外表面 接触时使用； 单面接触是LS-DYNA中最通用的接触类型，因为程序将搜索模型中的所 有外表面，检查其间是否相互发生穿透； 由于所有的外表面都在搜索范围内, 不需要定义接触面与目标面。 单面接触对于处理接触区域单面接触对于处理接触区域 不能提前预知的自接触或大不能提前预知的自接触或大 变形问题是非常有效的。变形问题是非常有效的。 登录协同仿真时代登录协同仿真时代 相对于ANSYS隐式分析 , LS-DYNA 的单面接触不会非常耗时。 大多数冲击与碰撞问题可以定义单面接触 当接触面之间的穿透超过接触单元厚度的40%时，单面接触自动释 放

5、接触，从而对下列问题造成潜在的问题 : 1. 超薄部分 2. 具有低刚度的软体 3. 高速运动物体之间的接触 单面接触在 ASCII rcforc 文件中不记录所有的接触反作用力. 如果 需要接触反力, 可以使用点到面或面到面接触。 有效的接触类型有：单面 (SS)，自动单面 (ASSC)，自动一般 (AG)， 侵蚀单面 (ESS)，单边 (SE)，和二维自动单面 (ASS2D) 。 登录协同仿真时代登录协同仿真时代 点面接触点面接触 当一个接触节点碰到目标面时，点面接触发生。由于它是非 对称的，所以是最快的算法。 对于点面接触, 必须指定接触面与目标面的节点组元或PART 号。 对于预先已知

6、非常小的接触面 ，点面接触十分有效. 对于节 点接触刚体同样可以使用它. 在使用点面接触时，应注意以下几点 : 点面接触记录所有的接触反作用力，存在 ASCII 文件rcforc中. 有效的接触类型为 NTS, ANTS, RNTR, TDNS, TNTS, ENTS, DRAW, FNTS TARGET SURFACE CONTACT NODES 平面或凹面应作为目标面而凸面应作为接触面平面或凹面应作为目标面而凸面应作为接触面 较粗网格应为目标面较粗网格应为目标面,而较细网格应为接触面而较细网格应为接触面 对拉延筋接触，拉延筋总是节点接触表面而板对拉延筋接触，拉延筋总是节点接触表面而板 料则

7、是目标面。料则是目标面。 登录协同仿真时代登录协同仿真时代 面面接触面面接触 当一个物体的面穿透另一个物体的面时，使用面面接触算法。 面面接触是完全对称的，因此接触面与目标面的选择是任意的。 对于面面接触, 需要用节点组元和PART号来定义接触面和目标 面。节点可以从属于多个接触面。 面面接触是一种通用算法 ，通常用于在已知的接触对象是较大 的面时。 面面接触算法自动记录所有的接触反作用力到 ASCII rcforc 文 件中。 有效的接触类型有 STS, OSTS, ASTS, ROTR, TDSS, TDES, TSTS, ESTS, FSTS, FOSS CONTACT AND TARG

8、ET DEFINITIONS ARBITRARY V 面对面接触对产生大量相对滑移的接面对面接触对产生大量相对滑移的接 触（如一个木块在平面上的滑移）非触（如一个木块在平面上的滑移）非 常有效。常有效。 登录协同仿真时代登录协同仿真时代 Shell TOP surface Shell BOTTOM surface penetrating node General Contact Contact Restoring Force 普通接触普通接触 普通接触 只考虑壳体单元一侧接触。 恢复力（即抵抗节点穿透的惩罚力） 将随着接触节点穿 透目标表面而持续增加。节点经过一定壳单元厚度后， 此力不会被消除

9、。 登录协同仿真时代登录协同仿真时代 自动接触自动接触 自动接触考虑壳体单元两侧的接触。壳体接触表面的方向是 自动确定的。 恢复力将随着接触节点穿透目标表面而持续增加，但只能增 加到一点， 这是由于壳单元的两个面都需要检测。 penetrating node Shell TOP surface Shell BOTTOM surface Automatic Contact Contact Restoring Force 登录协同仿真时代登录协同仿真时代 膝盖与挡板的接触膝盖与挡板的接触 刚性接触刚性接触 刚性接触 RNTR 和ROTR 类似于 NTS 和 OSTS 接触，但 它不是用线性刚度来阻

10、止穿透，而是定义力-变形曲线来 实现。这种接触通常用于多刚体动力学， 它们允许在不必 模拟变形单元的情况下，吸收能量。 刚体对可变形体的接触必须用一般、自动或侵蚀接触来定 义。 登录协同仿真时代登录协同仿真时代 固连接触固连接触 固连接触用于连接两个不相似的网格，在很大程度上。 这与ANSYS隐式中所用的绑定接触几乎是一样的。 接触节点粘接在目标表面上。两个面必须是初始共面的。 目标面可以变形，迫使接触节点随之变形。 固连接触只影响平移自由度 (UX, UY, UZ) 固连接触模型包括： TDNS, TDSS, and TSES 接触。 登录协同仿真时代登录协同仿真时代 固连断开接触固连断开接

11、触 固连断开接触实质是失效的固连接触。常被用来模拟点焊 或螺栓连接 。一旦符合失效方程, 接触节点就能够从目标 面上滑移或分离出来。 TNTS 失效方程基于法向力或剪切力, 而TSTS失效方程基 于法向或切向应力。 fs tied 失效失效 (联接解除联接解除) fn f f f f n n fail m s s fail m , + 12 1 登录协同仿真时代登录协同仿真时代 侵蚀接触侵蚀接触 这些接触模型 (ESS, ENTS, ESTS) 应用于外表面上的 实体单元发生失效的情况 (例如, 由于超过允许应变值)， 从而需要内部实体单元承担抵抗穿透的作用。 登录协同仿真时代登录协同仿真时代

12、 边接触边接触 边接触用于壳单元的面法线与碰撞方向正交的情况。 壳边接触（SE）自动选定所有的边线。 SE 接触也包 含在自动一般 (AG) 接触中。 登录协同仿真时代登录协同仿真时代 F = Ffriction+ Fbending Depth of drawbead 拉延筋接触拉延筋接触 拉延筋接触一般用于对坯料有特殊要求的金属成形过程 。 例如，冲压过程中经常由于坯料不能贴紧模具而引起了坯 料的褶皱。 拉延筋接触通过包含确保坯料在整个拉伸过程中与模具始 终接触的弯曲和摩擦限制力来模拟实际的拉伸过程。 登录协同仿真时代登录协同仿真时代 成形接触类型成形接触类型 成形接触选项用于金属成形过程中

13、点对面 (FNTS)成形, 面对面 (FSTS)成形以及单向面对面 (FOSS)成形。 对于这些接触类型， 冲头和模具一般定义为目标面 而 工件则定义为接触面。 这些接触类型网格无需连通, 因此减小了接触定义的复 杂性。 冲件网格的方向必须一致。 成形接触选项基于自动接触类型，因此功能十分强大。 登录协同仿真时代登录协同仿真时代 2D接触接触 由 PLANE162 单元组成的模型, 只能定义为二维接触。由 ANSYS/LS-DYNA支持的2D 接触选项是ASS2D. 默认的接触表面是整个 模型 (即不采用目标面)。 接触表面 可以限定为 一个part集 (EDASMP). 2D 接触只支持静摩

14、擦 系数 (FS)。 登录协同仿真时代登录协同仿真时代 罚函数方式 在渗透的节点和接触面间法向界面弹簧 较少的网格零能模式 回复刚度如下描述： 是罚函数缩放因子 K是材料的体积模量 A 是段面积 V是单元体积 k = KA/V 罚函数方式罚函数方式 登录协同仿真时代登录协同仿真时代 基于1976 年Hughes et al的冲击释放条件 满足动量守恒 约束位于从节点的节点位移 从表面的网格应该更细化（防止 kinks) 应用于固连面 运动约束方式运动约束方式 登录协同仿真时代登录协同仿真时代 固连面 TIED_SURFACE_TO_SURFACE 固连面的平动自由度 TIED_NODES_TO

15、_SURFACE 固连节点对面的平动自由度(DOF) 不传递扭矩 TIED_SHELL_EDGE_TO_SURFACE 固连平动和转动自由度 DOF TIEBREAK_NODES_TO_SURFACE 法向和切向失效力 TIEBREAK_SURFACE_TO_SURFACE 法向和切向失效应力 登录协同仿真时代登录协同仿真时代 接触面上的质量和压力分配 约束施加于从节点的加速度和速度上，确保沿主表面运动 仅适用于滑动 流体对结构 气体对结构 关键字 1 SLIDING_ONLY p1 SLIDING_ONLY_PENALTY 分布参数方式分布参数方式 登录协同仿真时代登录协同仿真时代 可改变接触计算的缺省值 滑动界面罚函数的全局缩放因子 (缺省=0.10) 刚体与固定的刚墙相互作用的缩放因子 缺省:不考虑刚体与固定的刚墙相互作用 初始渗透检查 考虑壳的厚度 面对面和点对面 对单面接触考虑壳厚度改变 标记: 膜应变导致壳厚度改变 罚函数刚度计算方式 重定向接触段的法向 *CONTROL_CONTACT 登录协同仿真时代登录协同仿真时代 接触使用注意事项接触使用注意事项 接触面之间的初始穿透不允许。如果 LS-DYNA