结构力学仿真软件：ABAQUS：ABAQUS接触问题分析方法

结构力学仿真软件：ABAQUS：ABAQUS接触问题分析方法1绪论1.1ABAQUS软件简介ABAQUS是一款广泛应用于工程领域的高级有限元分析软件，由美国HKS公司开发，后被DassaultSystèmes收购。它能够解决复杂的线性和非线性问题，包括结构力学、热力学、流体动力学和电磁学等。ABAQUS在接触问题分析方面尤为出色，能够处理各种接触类型，如滑动接触、粘着接触、自接触等，适用于多种工程场景，如机械设计、汽车碰撞、土木工程等。1.2接触问题在结构力学中的重要性在结构力学中，接触问题是指两个或多个物体在接触面上的相互作用。这种作用可能包括压力、摩擦力、粘着力等，对结构的性能和安全有着直接的影响。例如，在机械设计中，齿轮、轴承等部件的接触分析是确保设备正常运行的关键；在汽车碰撞模拟中，车身各部件之间的接触分析能够预测碰撞时的能量分布和损伤情况；在土木工程中，地基与结构之间的接触分析有助于评估结构的稳定性和承载能力。接触问题的准确模拟对于预测结构的响应、优化设计、减少试验成本和提高产品性能至关重要。ABAQUS提供了强大的接触算法和工具，能够处理复杂的接触情况，包括大变形、非线性材料行为和多体接触等，是解决结构力学接触问题的首选软件之一。接下来的章节将深入探讨ABAQUS中接触问题的分析方法，包括接触定义、接触算法、接触控制参数的设置，以及如何通过ABAQUS脚本语言（Python）来自动化接触问题的分析流程。1.2.1示例：ABAQUS接触定义在ABAQUS中，接触定义通常包括接触对的指定、接触属性的设置和接触控制参数的调整。以下是一个简单的ABAQUS脚本示例，用于定义一个滑动接触对：#ABAQUS接触定义示例

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromodbAccessimport*

#创建模型

model=mdb.models['Model-1']

#定义接触对

model.ContactProperty('IntProp-1')

eractionProperties['IntProp-1'].TangentialBehavior(

formulation=FINITE,directionality=ISOTROPIC,slipRateDependency=OFF,

pressureDependency=OFF,temperatureDependency=OFF,dependencies=0,

table=((0.3,),))

#设置接触对

model.SurfaceToSurfaceContactStd(name='Contact-1',createStepName='Step-1',

master='Master_Surface',slave='Slave_Surface',sliding=FINITE,

interactionProperty='IntProp-1',thickness=ON)

#设置接触控制参数

model.steps['Step-1'].contactControls['ContactControl-1'].interactionPropertyState=(

eractionProperties['IntProp-1'],)

model.steps['Step-1'].contactControls['ContactControl-1'].initialClearance=CLEARANCE

model.steps['Step-1'].contactControls['ContactControl-1'].adjustMethod=NONE

model.steps['Step-1'].contactControls['ContactControl-1'].stabilizationMethod=DISSIPATED_ENERGY_FRACTION

model.steps['Step-1'].contactControls['ContactControl-1'].stabilizationMagnitude=0.05在这个示例中，我们首先创建了一个接触属性IntProp-1，并设置了其切向行为为有限滑动（sliding=FINITE）。然后，我们定义了一个标准的表面到表面接触对Contact-1，其中Master_Surface和Slave_Surface分别代表主表面和从表面。最后，我们设置了接触控制参数，包括接触属性的使用、初始间隙的处理方式、调整方法和稳定化方法等。通过这样的脚本，用户可以灵活地定义和控制接触问题的分析，以适应不同的工程需求。在实际应用中，接触问题的定义和分析可能更为复杂，需要根据具体情况进行调整和优化。2ABAQUS接触问题基础2.1接触理论概述在结构力学仿真中，接触问题的分析是至关重要的，尤其是在设计和优化机械部件、预测结构行为以及评估材料性能时。ABAQUS作为一款先进的有限元分析软件，提供了强大的接触分析功能，能够模拟各种复杂的接触情况，如滑动、摩擦、间隙、粘合等。接触理论主要涉及接触面的识别、接触力的计算以及接触行为的模拟。在ABAQUS中，接触分析基于Lagrange乘子法或罚函数法，通过迭代求解接触力和位移，确保接触条件的满足。2.1.1接触理论的关键概念接触对：定义了两个可能接触的表面，包括主表面和从表面。接触类型：包括面-面接触、点-面接触、自接触等。接触属性：如摩擦系数、间隙行为、粘合条件等，用于描述接触面的物理特性。2.2接触类型与接触对定义在ABAQUS中，接触类型的选择和接触对的定义是接触分析的基础。正确设置这些参数可以确保模拟的准确性和计算的效率。2.2.1面-面接触面-面接触是最常见的接触类型，适用于两个表面之间的接触。在定义接触对时，需要指定主表面和从表面。主表面通常是固定或较少移动的表面，而从表面则是可能与主表面接触的移动表面。示例：定义面-面接触对#定义接触对

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromodbAccessimport*

#创建接触对

session.viewports['Viewport:1'].setValues(displayedObject=myModel)

myModel.ContactProperty('IntProp-1')

myMeractionProperties['IntProp-1'].TangentialBehavior(formulation=FINITE,

directionality=ISOTROPIC,

slipRateDependency=OFF,

pressureDependency=OFF,

temperatureDependency=OFF,

dependencies=0,

table=((0.3,),))

myMeractionProperties['IntProp-1'].NormalBehavior(pressureOverclosure=HARD,

allowSeparation=ON,

generateContactOutput=ON)

#定义接触对

myModel.SurfaceToSurfaceContactStd(name='Contact-1',

createStepName='Initial',

master='Master_Surface',

slave='Slave_Surface',

sliding=FINITE,

interactionProperty='IntProp-1',

thickness=ON)2.2.2点-面接触点-面接触适用于模拟点与面之间的接触，如螺钉与孔的接触。在ABAQUS中，可以通过定义点表面和面表面来实现。示例：定义点-面接触对#定义点-面接触对

myModel.PointOnSurface(name='Point_Surface',

point=myModel.nodes[100],

surface='Master_Surface')

myModel.SurfaceToSurfaceContactStd(name='Contact-2',

createStepName='Initial',

master='Master_Surface',

slave='Point_Surface',

sliding=FINITE,

interactionProperty='IntProp-1',

thickness=ON)2.3接触属性设置接触属性的设置对于准确模拟接触行为至关重要。这包括摩擦系数、间隙行为、粘合条件等。2.3.1摩擦系数设置摩擦系数是描述接触面间摩擦特性的关键参数。在ABAQUS中，可以通过接触属性来设置摩擦系数。示例：设置摩擦系数#设置摩擦系数

myMeractionProperties['IntProp-1'].TangentialBehavior(formulation=FINITE,

directionality=ISOTROPIC,

slipRateDependency=OFF,

pressureDependency=OFF,

temperatureDependency=OFF,

dependencies=0,

table=((0.3,),))2.3.2间隙行为设置间隙行为描述了接触面在分离状态下的行为。在ABAQUS中，可以通过设置接触属性中的“NormalBehavior”来控制间隙行为。示例：设置间隙行为#设置间隙行为

myMeractionProperties['IntProp-1'].NormalBehavior(pressureOverclosure=HARD,

allowSeparation=ON,

generateContactOutput=ON)2.3.3粘合条件设置粘合条件用于模拟接触面之间的粘合行为。在ABAQUS中，可以通过设置接触属性中的“NormalBehavior”来实现。示例：设置粘合条件#设置粘合条件

myMeractionProperties['IntProp-1'].NormalBehavior(pressureOverclosure=HARD,

allowSeparation=OFF,

generateContactOutput=ON)通过以上内容，我们了解了ABAQUS中接触问题分析的基础，包括接触理论概述、接触类型与接触对定义以及接触属性设置。正确理解和应用这些原理和方法，将有助于在ABAQUS中高效准确地模拟和分析各种接触问题。3ABAQUS接触界面操作3.1创建接触对在ABAQUS中，接触对的创建是模拟接触行为的关键步骤。接触对定义了哪些表面将相互作用。通常，接触对由主表面和从表面组成，其中从表面的节点可以接触主表面，但主表面的节点不会接触从表面。3.1.1步骤选择主表面和从表面：在模型中选择将作为接触对的两个表面。定义接触类型：选择接触类型，如面-面接触、点-面接触等。设置接触属性：为接触对指定接触属性，如摩擦系数、接触刚度等。3.1.2示例假设我们有一个模型，其中包含两个零件：Part-1和Part-2。我们想要创建一个接触对，其中Part-1的表面Surface-1作为主表面，Part-2的表面Surface-2作为从表面。#创建接触对

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromodbAccessimport*

frompartimport*

frommaterialimport*

fromsectionimport*

fromassemblyimport*

fromstepimport*

frominteractionimport*

fromloadimport*

frommeshimport*

fromjobimport*

fromsketchimport*

fromvisualizationimport*

fromconnectorBehaviorimport*

#打开模型

model=mdb.models['Model-1']

#创建接触属性

model.ContactProperty('Int-Prop-1')

eractionProperties['Int-Prop-1'].TangentialBehavior(

formulation=FINITE,directionality=ISOTROPIC,slipRateDependency=OFF,

pressureDependency=OFF,temperatureDependency=OFF,dependencies=0,

table=((0.3,),))

#创建接触对

model.SurfaceToSurfaceContactStd(name='Contact-1',createStepName='Initial',

master='Part-1-Surface-1',slave='Part-2-Surface-2',sliding=FINITE,

thickness=ON,interactionProperty='Int-Prop-1')3.2定义接触属性接触属性定义了接触对的行为，包括摩擦、粘附、分离等特性。这些属性对于准确模拟接触界面的力学行为至关重要。3.2.1属性摩擦系数：定义接触表面之间的摩擦程度。粘附：定义接触表面是否可以粘附在一起。分离：定义接触表面是否可以分离。3.2.2示例在上述示例中，我们定义了接触属性Int-Prop-1，并设置了摩擦系数为0.3。这意味着接触对中的表面将具有0.3的摩擦系数，这是一个典型的干摩擦值。#定义接触属性

model.ContactProperty('Int-Prop-1')

eractionProperties['Int-Prop-1'].TangentialBehavior(

formulation=FINITE,directionality=ISOTROPIC,slipRateDependency=OFF,

pressureDependency=OFF,temperatureDependency=OFF,dependencies=0,

table=((0.3,),))3.3设置接触控制参数接触控制参数用于控制ABAQUS在求解接触问题时的行为，包括接触算法的精度、稳定性等。3.3.1参数初始间隙：定义接触对初始状态下的间隙大小。接触算法：选择接触算法，如增广拉格朗日法、罚函数法等。接触迭代：定义接触迭代的控制参数，如最大迭代次数、收敛准则等。3.3.2示例在ABAQUS中，接触控制参数通常在分析步中设置。以下示例展示了如何在分析步Step-1中设置接触控制参数。#创建分析步

model.StaticStep(name='Step-1',previous='Initial',initialInc=0.1,

maxNumInc=100,stabilizationMethod=DAMPING_FACTOR,

stabilizationMagnitude=0.05,continueDampingFactors=OFF,

adaptiveDampingRatio=0.05,maxStepSize=0.1)

#设置接触控制参数

model.steps['Step-1'].interactionControls['Contact-1'].contactControls(

name='Control-1',controlType=DISPLACEMENT_BASED,initialClearance=OMIT,

clearanceRegion=None,generateContactAtInitialInc=ON,

initialIncPenetrationTolFactor=0.01,maxNumIncPenetrationTolFactor=0.01,

initialIncPenetrationTol=0.0,maxNumIncPenetrationTol=0.0,

initialIncPenetrationTolMethod=DEFAULT,maxNumIncPenetrationTolMethod=DEFAULT,

initialIncPenetrationTolRegion=None,maxNumIncPenetrationTolRegion=None,

initialIncPenetrationTolTable=((0.0,),),maxNumIncPenetrationTolTable=((0.0,),))通过以上步骤，我们创建了接触对，定义了接触属性，并设置了接触控制参数，为ABAQUS中的接触问题分析提供了基础。在实际应用中，根据具体问题，可能需要调整接触属性和控制参数以获得更准确的模拟结果。4接触问题的前处理4.1模型建立与网格划分在ABAQUS中分析接触问题，首先需要建立准确的模型并进行网格划分。模型的建立包括定义几何形状、创建部件、装配部件以及定义载荷和约束。网格划分则是将模型离散化，以便进行数值计算。4.1.1定义几何形状几何形状的定义是基于CAD模型或直接在ABAQUS中创建。例如，创建一个简单的圆柱体：#ABAQUSPythonScriptforcreatingacylinder

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromcaeModulesimport*

frompartimport*

fromsectionimport*

fromassemblyimport*

fromstepimport*

frominteractionimport*

fromloadimport*

frommeshimport*

fromjobimport*

fromsketchimport*

fromvisualizationimport*

fromconnectorBehaviorimport*

#Createanewpart

myModel=mdb.models['Model-1']

myPart=myModel.Part(name='Cylinder',dimensionality=THREE_D,type=DEFORMABLE_BODY)

#Createasketchforthecylinder

mySketch=myPart.ConstrainedSketch(name='__profile__',sheetSize=100.0)

mySketch.CircleByCenterPerimeter(center=(0.0,0.0),point1=(50.0,0.0))

#Extrudethesketchtocreatethecylinder

myPart.PartitionCellByExtrudeEdge(line=mySketch.sketchCurves[0].getEdges()[0],

cells=myPart.cells[:],

direction=AXIS_3,

distance=100.0,

flipSense=OFF)4.1.2创建部件部件是模型的基本组成部分，可以是实体、壳体或梁。上述脚本中，我们创建了一个名为Cylinder的部件。4.1.3装配部件如果模型包含多个部件，需要将它们装配在一起。装配过程确保部件之间的相对位置正确。#Assemblytheparts

myAssembly=myModel.rootAssembly

myAssembly.Instance(name='Cylinder-1',part=myPart,dependent=ON)4.1.4网格划分网格划分是将模型分割成小的单元，以便进行有限元分析。网格的质量直接影响分析结果的准确性。#Meshingthepart

myMesh=myPart.sets['Set-1']

myPart.seedPart(size=10.0,deviationFactor=0.1,minSizeFactor=0.1)

myPart.generateMesh()4.2材料属性与边界条件设置4.2.1材料属性ABAQUS中的材料属性定义了材料的力学行为，如弹性模量、泊松比等。例如，定义一个钢材料：#Definematerialproperties

myModel.Material(name='Steel')

myModel.materials['Steel'].Elastic(table=((200e3,0.3),))4.2.2边界条件设置边界条件包括固定约束、载荷和接触条件。接触条件是接触问题分析的关键，需要定义接触对和接触属性。#Defineboundaryconditions

myAssembly.Set(name='Fixed',nodes=myAssembly.instances['Cylinder-1'].nodes[0:10])

myAssembly.DisplacementBC(name='FixedBC',createStepName='Initial',region=myAssembly.sets['Fixed'],u1=0.0,u2=0.0,u3=0.0,ur1=0.0,ur2=0.0,ur3=0.0,amplitude=UNSET,fixed=OFF,distributionType=UNIFORM,fieldName='',localCsys=None)

#Definecontactproperties

myModel.ContactProperty('IntProp-1')

myMeractionProperties['IntProp-1'].TangentialBehavior(formulation=FINITE,directionality=ISOTROPIC,slipRateDependency=OFF,pressureDependency=OFF,temperatureDependency=OFF,dependencies=0,table=((0.3,),))

#Definecontactpairs

myModel.Surface(name='Surface-1',side1Edges=myAssembly.instances['Cylinder-1'].edges[:])

myModel.Surface(name='Surface-2',side1Edges=myAssembly.instances['Cylinder-2'].edges[:])

myModel.ContactStd(name='Contact-1',createStepName='Initial',

master=myModel.surfaces['Surface-1'],

slave=myModel.surfaces['Surface-2'],

interactionProperty='IntProp-1')以上脚本展示了如何在ABAQUS中通过Python脚本定义材料属性、边界条件和接触条件。这些步骤是接触问题分析的基础，确保了模型的准确性和分析的可靠性。5ABAQUS接触分析设置5.1分析步定义在ABAQUS中，接触分析通常需要定义特定的分析步来控制接触行为的计算。接触分析的复杂性要求在分析步中详细设置接触条件、时间步长和求解控制参数。5.1.1原理接触分析涉及两个或多个物体之间的相互作用，这些物体可能在某些点或区域接触。ABAQUS通过迭代求解器来处理接触问题，确保在每个时间步长内接触条件得到满足。分析步的定义允许用户控制接触算法的细节，如接触检测、摩擦模型和接触分离。5.1.2内容接触对的定义：在分析步中，需要指定哪些表面之间可能发生接触。这通常通过定义主表面和从表面来完成。时间步长控制：接触分析可能需要更小的时间步长来准确捕捉接触事件。用户可以设置自适应时间步长或指定固定时间步长。求解控制：包括收敛准则、最大迭代次数和求解器类型（如标准或显式）的选择。5.1.3示例#定义分析步

mdb.models['Model-1'].StaticStep(name='Contact-Step',previous='Initial',

initialInc=0.1,maxNumInc=100)

#定义接触对

session.viewports['Viewport:1'].assemblyDisplay.displayGroup=\

'Assembly'

session.viewports['Viewport:1'].assemblyDisplay.setValues(step='Contact-Step')

mdb.models['Model-1'].ContactProperty('IntProp-1')

mdb.models['Model-1'].interactionPropertyAssignments.appendInStep(

stepName='Contact-Step',assignments=(('Assembly',SELF,SELF,'IntProp-1',),))

#设置时间步长控制

mdb.models['Model-1'].steps['Contact-Step'].setValues(maxInc=0.01,

timeIncrementationMethod=AUTOMATIC)5.2载荷与约束应用接触分析中，正确施加载荷和约束是确保模型准确反映物理现象的关键。5.2.1原理载荷可以是力、压力或位移，约束则限制了模型中某些部分的自由度。在接触分析中，载荷和约束的施加方式会影响接触行为的预测。5.2.2内容载荷的施加：包括集中力、分布力、压力和位移边界条件。约束的定义：如固定约束、铰链约束和滑动约束。5.2.3示例#施加集中力

mdb.models['Model-1'].ConcentratedForce(name='Load-1',createStepName='Contact-Step',

region=regionSet['Region-1'],cf1=100.0)

#定义固定约束

mdb.models['Model-1'].EncastreBC(name='Constraint-1',createStepName='Contact-Step',

region=regionSet['Region-2'])5.3接触分析的特殊考虑接触分析中，需要特别注意一些问题，以避免不准确的模拟结果。5.3.1原理接触分析的特殊考虑包括接触表面的准备、接触算法的选择和接触行为的监控。5.3.2内容接触表面的准备：确保接触表面的网格质量，避免过小或过大的单元。接触算法的选择：根据问题的性质选择合适的接触算法，如罚函数法或拉格朗日乘子法。接触行为的监控：通过输出接触力、接触压力和接触区域等结果，监控接触行为是否符合预期。5.3.3示例#选择接触算法

mdb.models['Model-1'].SurfaceToSurfaceContactStd(name='Contact-1',

createStepName='Contact-Step',

master=regionSet['Master-Surface'],

slave=regionSet['Slave-Surface'],

sliding=FINITE,

thickness=ON)

#监控接触行为

mdb.models['Model-1'].ContactStressOutputRequest(name='Contact-Stress-Output',

createStepName='Contact-Step',

frequency=EVERY_TIME_INCREMENT,

region=regionSet['Contact-Region'])以上示例展示了如何在ABAQUS中设置接触分析的分析步、施加载荷与约束，以及如何考虑接触分析的特殊需求。通过这些步骤，可以有效地模拟和分析复杂的接触问题。6接触问题的求解与后处理6.1求解控制与监控在ABAQUS中，接触问题的求解通常需要细致的控制和监控，以确保模拟的准确性和稳定性。接触分析涉及到复杂的非线性行为，因此，正确设置求解参数和监控求解过程是至关重要的。6.1.1求解控制时间步长控制ABAQUS允许用户自定义时间步长，这对于接触问题尤为重要，因为接触事件可能在短时间内发生。使用*STEP命令可以定义时间步长，例如：*STEP,INC=0.01

*STATIC这里，INC=0.01定义了每个时间步的增量。收敛控制接触分析中，收敛问题常见。ABAQUS提供了多种收敛控制策略，如*CONTACTOUTPUT和*CONTACTSTRESS，用于输出接触信息，帮助诊断收敛问题。*CONTACTOUTPUT,OUTPUT=ALL这将输出所有接触信息，包括接触压力、滑移等。接触算法选择ABAQUS提供了多种接触算法，如表面-表面接触、节点-表面接触等。选择合适的算法对于求解接触问题至关重要。*SURFACETOSURFACECONTACT,INTERACTION=Contact-1,SMALLSLIDING,PENALTY,PENALTY=1e6这里，SMALLSLIDING和PENALTY选项用于定义接触行为。6.1.2监控求解过程输出监控使用*NODEFILE和*ELFILE命令可以监控节点和单元的输出，这对于理解接触行为非常有帮助。*NODEFILE

U,RF

*ELFILE

S,E这将输出节点位移(U)、节点反力(RF)、单元应力(S)和应变能(E)。接触监控*CONTACTOUTPUT命令可以用于监控接触区域的详细信息。*CONTACTOUTPUT

*CONTACTPAIR,INTERACTION=Contact-1

SURFACE-1,SURFACE-2这将输出接触对SURFACE-1和SURFACE-2之间的接触信息。6.2结果可视化与数据分析ABAQUS提供了强大的后处理工具，用于结果的可视化和分析。对于接触问题，这些工具尤其重要，因为它们可以帮助理解接触区域的应力、应变和滑移行为。6.2.1结果可视化使用VistaABAQUS/CAE中的Vista模块可以用于结果的三维可视化。例如，可以使用以下命令来显示接触压力：#在ABAQUS/CAE中使用Python脚本显示接触压力

session.viewports['Viewport:1'].setValues(displayedObject=session.odbs['Job-1'].odb)

session.viewports['Viewport:1'].odbDisplay.display.setValues(plotState=(CONTOURS_ON_DEF,))

session.viewports['Viewport:1'].odbDisplay.contourOptions.setValues(contourType=USER_DEFINED,userContour=10)

session.viewports['Viewport:1'].odbDisplay.setFrame(step=0,frame=1)

session.viewports['Viewport:1'].odbDisplay.setPrimaryVariable(variableLabel='C',outputPosition=SURFACE,refinement=(SMOOTH,))这段Python脚本在ABAQUS/CAE中设置Vista显示接触压力。6.2.2数据分析接触力和位移分析接触力和位移是理解接触行为的关键。在ABAQUS中，可以使用historyoutputs来提取这些数据。*HISTORYOUTPUT,FREQUENCY=10

*NODEPRINT,NSET=ContactNodes

RF

*ELPRINT,ELSET=ContactElements

S这将输出接触节点的反力和接触单元的应力，频率为每10个时间步一次。使用Python进行数据分析ABAQUS提供了PythonAPI，可以用于更深入的数据分析。例如，提取接触力并进行处理：#提取接触力

odb=session.odbs['Job-1.odb']

step=odb.steps['Step-1']

frame=step.frames[-1]

nodeSet=odb.rootAssembly.nodeSets['ContactNodes']

nodeInstance=nodeSet.nodes[0].instance

nodeLabel=nodeSet.nodes[0].label

nodeForce=frame.fieldOutputs['RF'].getSubset(region=Region(nodeInstance,nodes=(nodeLabel,))).values[0].data

#数据分析

importnumpyasnp

forces=np.array([nodeForce])

avgForce=np.mean(forces)

print("平均接触力:",avgForce)这段Python脚本首先从ODB文件中提取接触节点的反力，然后使用numpy库进行数据分析，计算平均接触力。通过上述方法，可以有效地控制和监控ABAQUS中的接触问题求解过程，并利用后处理工具进行结果的可视化和深入分析，从而确保模拟的准确性和可靠性。7ABAQUS接触问题高级应用7.1多体接触分析7.1.1原理在ABAQUS中，多体接触分析涉及到多个物体之间的相互作用，包括接触、摩擦和可能的滑动。这种分析在模拟机械系统、结构组件的装配、以及材料加工等领域至关重要。ABAQUS通过定义接触对（一对接触面）来处理多体接触，其中一个是主面（mastersurface），另一个是从面（slavesurface）。主面和从面的选择基于几何形状和运动学考虑。7.1.2内容接触对定义：在ABAQUS中，接触对的定义是通过指定主面和从面来完成的。主面通常是更光滑或更硬的表面，而从面则可能与主面接触并承受力。接触属性：包括接触刚度、摩擦系数等，这些属性决定了接触行为的细节。接触算法：ABAQUS使用先进的接触算法来解决多体接触问题，确保在复杂几何和大变形情况下仍能准确模拟接触行为。7.1.3示例#ABAQUSPythonScriptforMulti-bodyContactAnalysis

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromcaeModulesimport*

fromdriverUtilsimportexecuteOnCaeStartup

#创建模型

executeOnCaeStartup()

session.viewports['Viewport:1'].setValues(displayedObject=None)

a=mdb.models['Model-1'].ConstrainedSketch(name='__profile__',sheetSize=200.0)

g,v,d,c=a.geometry,a.vertices,a.dimensions,a.constraints

a.rectangle(point1=(0.0,0.0),point2=(100.0,50.0))

p=mdb.models['Model-1'].Part(name='Part-1',dimensionality=THREE_D,type=DEFORMABLE_BODY)

p=mdb.models['Model-1'].parts['Part-1']

p.BaseShell(sketch=a)

a.unsetPrimaryObject()

p=mdb.models['Model-1'].parts['Part-1']

#定义接触对

session.viewports['Viewport:1'].setValues(displayedObject=p)

mdb.models['Model-1'].ContactProperty('Int-Prop-1')

mdb.models['Model-1'].interactionProperties['Int-Prop-1'].TangentialBehavior(formulation=FINITE,

directionality=ISOTROPIC,slipRateDependency=OFF,pressureDependency=OFF,

temperatureDependency=OFF,dependencies=0,table=((0.3,),),

shearStressLimit=None,maximumElasticSlip=FRACTION,fraction=0.005,

elasticSlipStiffness=None)

mdb.models['Model-1'].Surface(name='Surface-1',side1Edges=p.edges.findAt(((50.0,25.0,0.0),),))

mdb.models['Model-1'].Surface(name='Surface-2',side1Edges=p.edges.findAt(((50.0,25.0,50.0),),))

mdb.models['Model-1'].ContactStd(name='Contact-1',createStepName='Initial',

master='Surface-1',slave='Surface-2',sliding=FINITE,

interactionProperty='Int-Prop-1',adjustMethod=NONE,initialClearance=OMIT,

datumAxis=None,clearanceRegion=None)

#设置摩擦系数

mdb.models['Model-1'].interactionProperties['Int-Prop-1'].TangentialBehavior(formulation=FINITE,

directionality=ISOTROPIC,slipRateDependency=OFF,pressureDependency=OFF,

temperatureDependency=OFF,dependencies=0,table=((0.2,),),

shearStressLimit=None,maximumElasticSlip=FRACTION,fraction=0.005,

elasticSlipStiffness=None)此示例展示了如何在ABAQUS中定义一个包含两个表面的接触对，并设置摩擦系数为0.2。7.2摩擦与磨损模拟7.2.1原理摩擦和磨损是接触分析中的关键因素，特别是在设计和分析机械系统时。ABAQUS提供了多种摩擦模型，包括干摩擦、粘性摩擦和温度依赖摩擦等，以模拟不同条件下的摩擦行为。磨损模拟则通过定义磨损率和磨损模型来实现，这有助于评估材料在接触过程中的损耗。7.2.2内容摩擦模型：选择合适的摩擦模型对于准确预测接触面的摩擦行为至关重要。磨损模型：定义磨损率和磨损机制，以评估接触面的材料损耗。温度效应：在某些应用中，摩擦产生的热量可能会影响接触行为，需要考虑温度效应。7.2.3示例#ABAQUSPythonScriptforFrictionandWearSimulation

mdb.models['Model-1'].ContactProperty('Int-Prop-2')

mdb.models['Model-1'].interactionProperties['Int-Prop-2'].TangentialBehavior(formulation=FINITE,

directionality=ISOTROPIC,slipRateDependency=ON,pressureDependency=ON,

temperatureDependency=ON,dependencies=3,table=((0.2,1.0,200.0,0.1),(0.3,2.0,300.0,0.2)),

shearStressLimit=None,maximumElasticSlip=FRACTION,fraction=0.005,

elasticSlipStiffness=None)

mdb.models['Model-1'].ContactStd(name='Contact-2',createStepName='Initial',

master='Surface-1',slave='Surface-2',sliding=FINITE,

interactionProperty='Int-Prop-2',adjustMethod=NONE,initialClearance=OMIT,

datumAxis=None,clearanceRegion=None)

#设置温度依赖的摩擦系数

mdb.models['Model-1'].interactionProperties['Int-Prop-2'].TangentialBehavior(formulation=FINITE,

directionality=ISOTROPIC,slipRateDependency=ON,pressureDependency=ON,

temperatureDependency=ON,dependencies=3,table=((0.2,1.0,200.0,0.1),(0.3,2.0,300.0,0.2)),

shearStressLimit=None,maximumElasticSlip=FRACTION,fraction=0.005,

elasticSlipStiffness=None)此示例展示了如何在ABAQUS中定义一个温度依赖的摩擦模型，并将其应用于接触对。7.3大变形接触问题处理7.3.1原理大变形接触问题通常发生在结构或组件经历显著几何变化的情况下，如碰撞、成型或生物医学应用。ABAQUS通过使用非线性接触算法和大变形理论来处理这类问题，确保即使在极端变形条件下也能准确模拟接触行为。7.3.2内容非线性接触算法：ABAQUS使用先进的非线性算法来解决大变形接触问题，包括罚函数法和拉格朗日乘子法。大变形理论：在分析中考虑几何非线性，以准确模拟大变形条件下的接触行为。网格适应性：在大变形分析中，网格的适应性对于保持分析精度至关重要。7.3.3示例#ABAQUSPythonScriptforLargeDeformationContactAnalysis

mdb.models['Model-1'].ContactProperty('Int-Prop-3')

mdb.models['Model-1'].interactionProperties['Int-Prop-3'].TangentialBehavior(formulation=FINITE,

directionality=ISOTROPIC,slipRateDependency=OFF,pressureDependency=OFF,

temperatureDependency=OFF,dependencies=0,table=((0.3,),),

shearStressLimit=None,maximumElasticSlip=FRACTION,fraction=0.005,

elasticSlipStiffness=None)

mdb.models['Model-1'].ContactStd(name='Contact-3',createStepName='Initial',

master='Surface-1',slave='Surface-2',sliding=FINITE,

interactionProperty='Int-Prop-3',adjustMethod=NONE,initialClearance=OMIT,

datumAxis=None,clearanceRegion=None)

#设置大变形接触分析

mdb.models['Model-1'].steps['Step-1'].setValues(analysisType=NONLINEAR,

nlgeom=ON)此示例展示了如何在ABAQUS中设置大变形接触分析，通过将nlgeom参数设置为ON来考虑几何非线性。通过上述示例，我们可以看到ABAQUS在处理多体接触、摩擦与磨损模拟以及大变形接触问题时的灵活性和强大功能。这些技术对于在工程设计和材料科学中进行精确的接触行为分析至关重要。8案例研究与实践8.1简单接触问题分析在ABAQUS中，接触分析是模拟两个或多个物体在接触界面处相互作用的一种方法。接触可以是滑动的、粘着的，或者介于两者之间。ABAQUS提供了多种接触类型，包括面-面接触、点-面接触等，以适应不同的工程需求。8.1.1原理接触分析的核心在于定义接触对，即哪些表面可以接触，以及它们之间的相互作用。ABAQUS通过接触对的定义，自动计算接触力和接触位移，从而确保模型的准确性和稳定性。8.1.2内容定义接触对在ABAQUS中，接触对的定义通常包括主表面和从表面。主表面通常是较硬的表面，而从表面则可能变形或移动。例如，在模拟螺栓与孔的接触时，螺栓的表面可以定义为主表面，孔的表面定义为从表面。设置接触属性接触属性包括摩擦系数、接触刚度等。这些属性对于模拟接触界面的行为至关重要。例如，摩擦系数的设置可以影响接触面之间的滑动行为。施加载荷和边界条件接触分析中，正确施加载荷和边界条件是确保分析准确性的关键。这包括确定载荷的大小、方向，以及模型的约束条件。8.1.3示例假设我们有一个简单的接触问题，即一个球体压在一个平面上。我们将使用ABAQUS进行接触分析。#ABAQUS简单接触问题分析示例

#导入ABAQUS模块

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromcaeModulesimport*

fromdriverUtilsimportexecuteOnCaeStartup

#创建模型

executeOnCaeStartup()

session.viewports['Viewport:1'].setValues(displayedObject=None)

mdb.models.changeKey(fromName='Model-1',toName='ContactExample')

mdb.models['ContactExample'].ConstrainedSketch(name='__profile__',sheetSize=200.0)

mdb.models['ContactExample'].sketches['__profile__'].CircleByCenterPerimeter(

center=(0.0,0.0),point1=(0.0,50.0))

mdb.models['ContactExample'].Part(dimensionality=THREE_D,name='Ball',type=

DEFORMABLE_BODY)

mdb.models['ContactExample'].parts['Ball'].BaseSolidExtrude(depth=100.0,

sketch=mdb.models['ContactExample'].sketches['__profile__'])

delmdb.models['ContactExample'].sketches['__profile__']

#创建平面

mdb.models['ContactExample'].ConstrainedSketch(name='__profile__',sheetSize=200.0)

mdb.models['ContactExample'].sketches['__profile__'].rectangle(point1=(-100.0,

-100.0),point2=(100.0,100.0))

mdb.models['ContactExample'].Part(dimensionality=THREE_D,name='Plate',type=

DEFORMABLE_BODY)

mdb.models['ContactExample'].parts['Plate'].BaseSolidExtrude(depth=1.0,

sketch=mdb.models['ContactExample'].sketches['__profile__'])

delmdb.models['ContactExample'].sketches['__profile__']

#定义接触对

mdb.models['ContactExample'].ContactProperty('IntProp-1')

mdb.models['ContactExample'].interactionProperties['IntProp-1'].TangentialBehavior(

dependencies=0,directionality=ISOTROPIC,elasticSlipStiffness=None,

formulation=PENALTY,fraction=0.005,maximumElasticSlip=FRACTION,

pressureDependency=OFF,shearStressLimit=None,slipRateDependency=OFF,

table=((0.3,),),temperatureDependency=OFF)

mdb.models['ContactExample'].SurfaceToSurfaceContactStd(name='Int-1',

createStepName='Initial',interactionProperty='IntProp-1',

master='Plate-1',slave='Ball-1',sliding=FINITE,thickness=ON)

#设置边界条件和载荷

mdb.models['ContactExample'].DisplacementBC(name='BC-1',createStepName='Step-1',

region=mdb.models['ContactExample'].parts['Ball'].sets['Set-1'],u1=0.0,u2=0.0,

u3=-10.0,ur1=UNSET,ur2=UNSET,ur3=UNSET,amplitude=UNSET,

distributionType=UNIFORM,fieldName='',localCsys=None)

#运行分析

mdb.models['ContactExample'].steps['Step-1'].setValues(maxNumInc=1000)

['Job-1'].setValues(model='ContactExample',numCpus=4,numDomains=4)

['Job-1'].submit(consistencyChecking=OFF)

['Job-1'].waitForCompletion()在这个示例中，我们首先创建了一个球体和一个平面，然后定义了它们之间的接触对。我们使用了标准的面-面接触，并设置了接触属性。最后，我们施加了边界条件和载荷，运行了分析。8.2复杂结构接触仿真示例在处理更复杂的结构时，接触分析的设置和调试变得更加关键。例如，模拟齿轮啮合、复合材料层间接触等，需要更精细的接触属性设置和更复杂的模型构建。8.2.1内容构建复杂模型构建复杂模型可能涉及多个部件、不同的材料属性和复杂的几何形状。定义多对接触在复杂结构中，可能需要定义多个接触对，以模拟不同部件之间的相互作用。调整接触属性对于复杂结构，接触属性的调整可能需要多次迭代，以找到最符合实际情况的设置。8.2.2示例假设我们正在模拟一个齿轮箱内的齿轮啮合问题，齿轮箱包含两个齿轮和一个箱体。#ABAQUS复杂结构接触仿真示例

#导入ABAQUS模块

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromcaeModulesimport*

fromdriverUtilsimportexecuteOnCaeStartup

#创建模型

executeOnCaeStartup()

session.viewports['Viewport:1'].setValues(displayedObject=None)

mdb.models.changeKey(fromName='Model-1',toName='GearBox')

mdb.models['GearBox'].ConstrainedSketch(name='__profile__',sheetSize=200.0)

#创建齿轮和箱体的几何形状，此处省略具体代码，假设已创建完成

#定义接触对

mdb.models['GearBox'].ContactProperty('GearContact')

mdb.models['GearBox'].interactionProperties['GearContact'].TangentialBehavior(

dependencies=0,directionality=ISOTROPIC,elasticSlipStiffness=None,

formulation=PENALTY,fraction=0.005,maximumElasticSlip=FRACTION,

pressureDependency=OFF,shearStressLimit=None,slipRateDependency=OFF,

table=((0.3,),),temperatur