LS-DYNA使用指南第六章

2021年2月12日发(作者：鉴别)

LS-DYNA

使用指南第六章

发表时间：

2007-7-30

作者

:

安世亚太

来源

: e-works

关键字

:

显式有限元

LS-DYNA ANSYS

第六章接触表面

ANSYS/LS- DYNA

中的接触表面可以使用户在模型中诸

Componen t

之间定义多种接触类型，本章将概要地讲述

一下显式动态分析 中定义物理上的真实接触。

必须注意的是显式动态分析中的接 触与其它类型的

ANSYS

分析中的接触类型不同，在其它分析 中，接触是由实

际接触单元表示。而在显式动态分析中没有接触单元。只需定义接触表面 ，它们之间的接触类型以及相应的参数。

6.1

接触的定义

因为在显式动态分析中会 发生复杂的大变形，

所以确定模型内

component

之间的接触是非常困难的。

基于此原因，

AN SYS/LS-DYNA

程序中包含许多功能以使接触表面间的接触定义更容易些。

在

ANSYS/LS- DYNA

中采用

EDCGEN

命

令来定义所有接触表面。

使用

EDCGEN

命令时遵循下列步骤：

第一步；

确定哪种接触类型最适合你的物理模型。

第二步：

定义接触实体。

第三步：

定义摩擦系数参数。

第四步：

为给定的接触类型给定一些附加输入。

第五步：

定义接触的杀死和激活时间。

第一步：定义接触类型

为了充分地描 述在大变形接触和动态撞击中的复杂几何体之间的相互作用，

在

ANSYS/LS-DYNA

中引入了许多种

接触类型。这些接 触类型，包括节点

-

表面，表面

-

表面，单面，单边，侵蚀，固连，固连断开，压延筋和刚性体接触，

将在本章标题为

“

接触选项

”

中详细讨论，对于一般的分析而言，建议使用自动单面（

ASSC

），自动原则（

AG

），节点

-

表面（

NTS

），表面

-

表面（

STS

） 接触选项。

第二步：定义接触实体

除单面接触（

ASSC

，

SS

和

ESS

）、自动通用 （

AG

）和单边接触（

SE

< p>
）外，所有的接触类型都必须在发生接触

的地方定义

contact

表面和

target

表面，这可用节点

components, PART ID

或部件集合

ID

定义。当使用

cont act

component

和

target component

时，使用选择项并用

CM

命令把节点组合在一起（仅节点

component

有效），然后用

下面的输入列表，说明如何 使用

EDCGEN

命令在

component

之间定义接触，如第四章例题的球和球棒表面间的< /p>

component.

NSEL

，

S

，

NODE

，． ．．．！在球面上选择节点

CM

，< /p>

BALLSURF

，

NODE

< p>
！把被选的节点放在

component BALLSURF

中

NSEL

，

S

，

NODE

，．．．．！选择球面上的节点

CM

，

BATSURF

，

NODE

！把被选节点放在

component BATSURF

中

EDCGEN

，

NTS

，

BAL LSURF

，

BATSURF

，

．

25

，

．

23

！

在组元

comp onent BALLSURF

和

component BAT SURF

间定义为节点

-

表面接触。< /p>

此外，还可以用有限元模型内当前定义的部件号或部件集合号来 定义接触表面。部件集合号可以用

EDASMP

命

令定义。

下面的命令行说明了怎样使用

EDCGEN

命令在模型中定义不同部件或部件集合间的接触；

< p>
EDCGEN

，

STS

，

1

，

2

，．< /p>

25

，．

23

！ 在部件

1

和部件

2

间生成面面接触

另外，结合

PA RT/

部件集合和组元定义，也可以定义接触和目标表面间的接触，表述如下：

EDCGEN

，

NT S

，

N1

，

2

，．

3

，．

2 8

！在组元

N1

和

PART2

间生成点面接触

ED CGEN

，

ESTS

，

1

，

N2

，．

15

，．

15

！在

< p>
PART1

和组元

N2

间 生成侵蚀面面接触

EDCGEN

，< /p>

STS

，

1

，< /p>

1

，．

1

，．< /p>

1

！在

PART1

间生成面面接触

如下例所述，也可以用

EDCGEN

命令定义部件集合间的接触：

EDC GEN

，

STS

，

5

，

6

，．

3

，．

28

！在部件集合

< p>
5

和

6

间生成面面接触< /p>

在一些特定的单面接触类型（

ASCC

，

AG

，

ES S

，和

SS

）中无需定义

contact

和

target

表面，在本章后面将提及

到，单面接触时最常用的接触类型，模型的全部外表面在整 个分析中任一点都可能发生接触。程序在单面接触中将忽略

任何

contact

和

target

表面的 定义，并在执行

EDCGEN

命令时发出一个警告信息，一个典型单面接触命令如下：

EDCGEN

，

ASSC

< br>，，，．

34

，．

34

！在整个模型中生成自动单面接触

注

--

在显式分析中定义接触实体时 ，不允许有初始穿透。因此，定义接触组元时要注意。

第三步：定义摩擦系数参数

接触摩擦 系数是由静态摩擦系数（

FS

），动摩擦系数（

FD

），和指数衰减系数（

DC

）来确定的。（

FS

，

FD

和

DC

可以用

EDCGEN

命令输入）假设摩擦系数与接触表面的相对速度

有关：

粘性摩擦系数，

VC

（用

EDCGEN

命令输入），可以限制最大摩擦力。公式表述如下：

这里

< /p>

是接触时节点接触部分的接触面面积，

VC

值建议使用剪切屈服应力：

这里

是接触材料的屈服应力。

为了避免在 接触中产生不真实的震荡，对于薄板成形模拟，可使用垂直于接触表面的接触阻尼，接触阻尼系数计

算如下：

阻尼系数

VDC

—

粘 性阻尼系数（

EDCGEN

命令输入）。

这里

< /p>

；

K

是界面刚度

第四步：给定附加输入

对于侵蚀，刚 性体，固连断开和压延筋接触，还需输入一些其它数据（

EDCGEN

的

V1-V4

选项），这些数据因

接触类型不同而各异，将分别简述如下：

< p>

采用侵蚀表面接触

（

E NTS

，

ESS

和

ESTS

）

时，

当表面实体单元发 生失效时，

需要在内部剩余单元重新定义接触。

对于侵蚀接触，

V1-V3

定义如下：边界条件对称选项（

V1

）决定当单元表面失效时沿一个表面是否仍然保持对称性；内

< br>部侵蚀选项（

V2

）决定当外表面发生失效时沿内表面是 否接着发生侵蚀；相邻材料选项（

V3

）决定当沿着自由表面发

生失效时是否包括实体单元面。

刚性 体接触（

RNTR

和

ROTR

）通常用于多刚体动力学，在刚性体接触中，采用一条用户定义防止贯穿的力

-

挠度

曲线，

而不用线性刚度。< /p>

因此，

对于刚性体接触，

数据曲线号

（

V1

）

，

用于给定刚性体接触的力计算方法类型选项

（

V2

）

和卸载刚度值（

V3

< p>
）必须输入。

固连断开接触（

< br>TSTS

和

TNTS

）用于表面 胶合在一起时定义接触表面失效。对于所有固连断开接触类型，需输入

拉伸失效应力（< /p>

V1

）和剪切失效应力（

V2

< p>
）定义失效准则。对于节点

-

表面固连断开接触。 法向力指数项（

V3

）和剪切

力指数项 （

V4

）也需输入以定义失效准则。

压延筋接触

（

DRAWBEAD

）

用于模拟压延筋的特殊情况，

压延筋在深拉 作业时有助于约束坯料。

在压延筋接触中，

必须输入一条载荷曲 线号（

V1

），它给出作为压延筋位移函数的约束力弯曲分量， 可以任选一条曲线号（

V2

），它给

出 作为压延筋位移函数的法向约束力以及沿压延筋的等距积分点数（

V4

< br>）。

第五步：定义激活或杀死时间

对于每个接触定义，都可以用

EDCGEN

命令的

BTIME

域和

DTIME

域来定义杀死和激活时间。 这允许在瞬态分

析的任意时刻都激活接触，然后在稍后时间内杀死。

6.1.1

列表，显示和删除接触实体

用

EDCGEN

< br>命令定义接触后，就可以列表、显示或删除接触实体。

用

EDCLIST

命令列出所有当前定义的接触实

体。定义的每个接触都给定一个参考号用于显示接触实体，

当前显式动态接触实体

1

< p>
一般的面面接触：节点接触实体

N1

，结点目标实 体

N2

FS=0

．

< br>10000FD=0

．

08000DC=0

．

00000VC=0

．

0 0000VDC=0

．

0000

2

自动单面接触定义：模型的所有外表面

FS=0

．

20000FD=0

．< /p>

15000DC=0

．

00000VC= 0

．

00000VDC=0

．

0000

用户可以采用

EDPC

命令选择和显示接触实体。显示将包括节点和单元， 它与定义接触表面的方法有关（也就是

说，部件或组元）。采用

EDPC

命令的

MIN

，

MAX

，和

INC

域来给定最小接触实体号，最大接触实体号和接触实体号

增量。因此， 对于上述说明执行

EDPC

，

1

，

2

，

1

，就可以选择显示

STS

和

ASSC

接触定义的实体。值得注意的是，

对于单面接触定义，模型中所有外部表面都将被选择和显示出来。

注

--

EDPC

选择了给定接触实体的节点和单元。因此，在显示接 触实体后，必须重新选择下步操作所需的所有节

点和单元（

SOLVE

）。采用

NSEL

，

ALL

和

ESEL

，

ALL

< br>命令（或其他命令的合适形式）。

如果接触定义不正确，可以用

EDDC

命令删除它。为了删除指定的接触实体，可执行

EDDC

，

DELE

，

Ctype,Cont,Targ,

这里

< p>
Ctype

是接触类型，

Cont

和

Targ

表示已定义接触的接触和目标部件或组元。

删除当前接触实体，

执行

EDDC

，

DELE

，< /p>

ALL

。

在小型重启动分析中不能删除接触实体（

EDSTART

，

2

）。但是，可以用

EDDC

命令激活（

EDDC

，

DACT

，

Ctype, Cont,Targ

）或杀死接触。当知道在什么阶段发生什么类型接触时，这个特点是 非常有用的。使用此特征，必须在

新分析中定义所有的接触实体（

EDCGEN

），并且必须至少执行一次小型启动，一旦 定义了接触类型，就可以在不必

要时杀死它，

而在需要时重新激 活。

需要时才考虑接触，

这样显著节省了

CPU

时间。

（注意，

如果在新分析 中用

EDDC

，

< br>DELE

删除接触，它的定义将从数据库中去除，那么就不能在后来的分析中激活 它。）

显式动态全启动分析不支持

EDDC

命令（

EDSTART

，

3

）。也就是说，在前面分析已定义的全启动中不能删除，

杀死和激活接触定义。

分页

6.2

接触选项

为了充分定义在显式动态分 析中表面间的复杂相互作用，在

ANSYS/LS-DYNA

中 有

24

种接触类型（见下表）。

在大量 的接触类型中，需要用户对每一种接触类型都很了解，以便能正确地选用接触类型。因此，下面我们将讨论一下< /p>

ANSYS/LS- DYNA

中所有的接触类型。

6

．

1

接触类型

Single surface

Nodes to surface

S

urface to surface

Normal

SS

NTS

STS, OSTS

Single surface

Nodes to surface

S

urface to surface

Automatic

Rigid

Tied

Eroding

Edge

Drawbead

Forming

ASSC, AG, ASS2D

ANTS

RNTR

TDNS

TNTS

ASTS

ROTR

TDSS, TSES

TSTS

ESTS

SE

Tied with failure

ESS

ENTS

DRAWBEAD

FNTS

FSTS, FOSS

6.2.1

定义接触类型

从表

< br>6.1

中看出，在

ANSYS/LS-DYNA

程序中主要有三种基本接触类型：单面接触，节点

-

表面接触，表面

-

表面

接触。

1

．单面接触（

SS

，

ASSC

，

AG

，

ASS2D

，

ESS

）

单面接触用在一 个物体表面的自身接触或它与另一个物体表面接触，在单面接触中，

ANSYS/LS- DYNA

程序将自

动判定模型中哪处表面发生接触。因此，单面 接触的定义是最简单的，无需定义

contact

和

< p>
target

表面，当定义好单面

接触时，它允许 一个模型的所有外表面都可能接触，这对于预先不知道接触表面的自身接触或大变形问题很有用处。与

< p>
隐式模型过多定义接触面将大大增加

CPU

时间不 同，

在显式模型中定义单面接触只会较少的增加

CPU

时间，

许多碰撞

和撞动态碰撞问题都需定义单面 接触。由于自动通用接触（

AG

）很有效，它包括壳边接触（< /p>

SE

）和改进的梁接触，因

此，推荐你在 难以预测接触条件时，对于自身接触和大变形问题优先选择此种接触类型。

< p>
2

．点

-

面接触（

NTS

，

ANTS

，

RNTR

，

TDNS

< br>，

TNTS

，

ENTS

，

DRAWBEAD

，

FNTS

）

点面接触类型是接触节点 将穿透

target

表面。这种接触类型通常用于一般两个表面 间的接触。采用

ANSYS

隐式

程序中 同样的规则，需要定义

target

表面及

contact

表面。

·

平面或凹面为

target

表面，凸面为

contact

表面

·

粗网格所在面作为

target

面，细网格所在面为

contact

面

在定义压延筋接触时，筋总为

contact

< br>表面，而板料为

target

表面。

3

．面

-

面接触（

STS

，

OSTS

，

ASTS

，

ROTR

，

TDSS

，

TSTS

，

ESTS

，

SE

，

FSTS

，

< p>
FOSS

，

TSES

）< /p>

当一个物体的表面穿透另一个物体的表面时需使用面

< p>
-

面接触，

面

-

面接触类型是最常用的，

并且常用于任意形状且

存在较大接触面积的物体接触。这种接触类型对于物体间有大量相对滑移时很有效，例如块在平板上滑动，球在槽 内滑

动等。

6.2.2

定义接触选项

对于以上三种接触类型 的每一种又含有多个接触类型选项，在

ANSYS/LS- DYNA

中，可用以下几个选项：

1 .

通用接触（

SS

，

< br>NTS

，

STS

，

OSTS

）

虽然通用接触 的算法最简单，但它的使用范围仍很广。实际上，

ANSYS/LS-DYNA

三种接触选项中有两种是

NTS

和

STS

选项。使用通用接触最大的优点在于它们的速度很快并且很可靠。使用 该种类型时，只需关心接触表面的取向，

接触表面方向是指定义一个面的哪一边是实体和 哪一边是

“

空气

”

。当使用实体单元时，程序自动为通用接触类型正确定

向，而对于壳单元的接触，用 户必须自己定义表面方向，在

EDCONTACT

命令中把

ORIE

域设为

2

，它将激活接触表

面自动重新定向。特别要注意，只有壳表 面没有初始贯穿时才会重新定向。

2.

自动接触（

ASSC

，

AG

，

ASS2D

，

ANT S

，

ASTS

）

与通用接触类型一样，自动接触也是使用最广泛的接触。自动接触和通用接触间的主 要差别就是它能通过自动接

触算法自动确定壳单元的接触表面方向。在该选项中，将会检 查壳单元每个面的接触，因此，通常会限制搜索深度。如

果考虑到接触表面的穿透，可以 使用无限或者大搜索深度的普通接触。参见本章后面的

6.5

节 ，

Controlling Contact

Depth

。

3.

侵蚀 接触（

ESS,ENTS,ESTS

）