abaqus接觸分析的常見問題

1、CAE(計算機(jī)輔助工程)是一門復(fù)雜的工程科學(xué)，涉及仿真技術(shù)、軟件、產(chǎn)品設(shè)計和力學(xué)等眾多領(lǐng)域。世界上幾大CAE公司各自以其獨(dú)到的技術(shù)占領(lǐng)著相應(yīng)的市場。ABAQUS有限元分析軟件擁有世界上最大的非線性力學(xué)用戶群，是國際上公認(rèn)的最先進(jìn)的大型通用非線性有限元分析軟件之一。它廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、石油化工、航空航天、汽車交通、土木工程、國防軍工、水利水電、生物醫(yī)學(xué)、電子工程、能源、地礦、造船以及日用家電等工業(yè)和科學(xué)研究領(lǐng)域。ABAQUS在技術(shù)、品質(zhì)和可靠性等方面具有卓越的聲譽(yù)，可以對工程中各種復(fù)雜的線性和非線性問題進(jìn)行分析計算。ABAQUS有限元分析常見問題解答以問答的形式，詳細(xì)介紹了使用ABAQUS建模

2、分析過程中的各種常見問題，并以實例的形式教給讀者如何分析問題、查找錯誤原因和嘗試解決辦法，幫助讀者提高解決問題的能力。ABAQUS有限元分析常見問題解答一書由機(jī)械工業(yè)出版社出版。16.1.1點(diǎn)對面離散與面對面離散【常見問題16-1】在ABAQUS/Standard分析中定義接觸時，可以選擇點(diǎn)對面離散方法(node-to-surface-dis-cre-tization)和面對面離散方法(surface-to-surfacediscretization)，二者有何差別?解答在點(diǎn)對面離散方法中，從面(slavesurface)上的每個節(jié)點(diǎn)與該節(jié)點(diǎn)在主面(mastersurface)上的投影點(diǎn)建立接

3、觸關(guān)系，每個接觸條件都包含一個從面節(jié)點(diǎn)和它的投影點(diǎn)附近的一組主面節(jié)點(diǎn)。使用點(diǎn)對面離散方法時，從面節(jié)點(diǎn)不會穿透(penetrate)主面，但是主面節(jié)點(diǎn)可以穿透從面。面對面離散方法會為整個從面(而不是單個節(jié)點(diǎn))建立接觸條件，在接觸分析過程中同時考慮主面和從面的形狀變化?？赡茉谀承┕?jié)點(diǎn)上出現(xiàn)穿透現(xiàn)象，但是穿透的程度不會很嚴(yán)重。在如圖16-l和圖16-2所示的實例中，比較了兩種情況。1）從面網(wǎng)格比主面網(wǎng)格細(xì)：點(diǎn)對面離散(圖16-1a)和面對面離散(圖16-2a)的分析結(jié)果都很好，沒有發(fā)生穿透，從面和主面都發(fā)生了正常的變形。2）從面網(wǎng)格比主面網(wǎng)格粗：點(diǎn)對面離散(圖16-1b)的分析結(jié)果很差，主面節(jié)點(diǎn)進(jìn)入

4、了從面，穿透現(xiàn)象很嚴(yán)重，從面和主面的變形都不正常；面對面離散(圖16-2b)的分析結(jié)果相對較好，盡管有輕微的穿透現(xiàn)象，從面和主面的變形仍比較正常。從上面的例子可以看出，在為接觸面劃分網(wǎng)格時需要慎重，無論使用點(diǎn)對面離散還是面對面離散，都應(yīng)盡量保證從面網(wǎng)格不能比主面網(wǎng)格粗。關(guān)于從面和主面的選擇方法，請參見實例詳解第5.2.2節(jié)“定義接觸對”。選用離散方法時，還應(yīng)考慮以下因素。1）一般情況下，面對面離散得到的應(yīng)力和壓強(qiáng)的結(jié)果精度要高于點(diǎn)對面離散。2）面對面離散需要分析整個接觸面上的接觸行為，其計算代價要高于點(diǎn)對面離散。一般情況下，二者的計算代價相差不是很懸殊，但在以下情況中，面對面離散的計算代價將會

5、大很多：模型中的大部分區(qū)域都涉及到接觸問題。主面的網(wǎng)格比從面的網(wǎng)格細(xì)化很多。接觸對中包含了多層殼，一個接觸對中的主面是另一接觸對中的從面。3）如果從面是基于節(jié)點(diǎn)的(即從面類型為NodeRegion，而不是Surface)，則不能使用面對面離散化方法。相關(guān)內(nèi)容的詳細(xì)介紹，請參見ABAQUS6.7幫助文檔ABAQUSAnalysisUsersManual第29.2.1節(jié)“DefiningcontactpairsinABAQUS/Standard”?！境Ｒ妴栴}16-2】提交ABAQUS/Standard分析作業(yè)后，為何在MSG文件中看到以下提示信息：CONTACTPAIR(ASSEMBLY-BLAN

6、KBOT，ASSEMBLY_TIE-1_DIEDURF)NODEBLANK-1.5ISOVERCLOSEDBY0.WHICHISTOOSEVERE(出現(xiàn)了嚴(yán)重的過盈接觸)解答可以從以下幾個方面查找原因：1）如果上述提示信息中所提到的接觸面是剛體、殼單元、膜單元、梁單元或桁架單元上的面，則有可能是在定義此接觸面時沒有選擇正確的發(fā)生接觸的那一側(cè)，即接觸面的法線方向錯誤。提示：對于可變形的實體單元，ABAQUS/CAE會自動選擇正確的法線方向（指向?qū)嶓w的外部）。當(dāng)接觸面的法線方向錯誤時，如果使用了點(diǎn)對面離散，會在MSG文件中看到上述提示信息，分析無法收斂。如果使用了面對面離散，不會出現(xiàn)上述提示信息，

7、分析仍然可以完成，但分析結(jié)果是異常的（例如出現(xiàn)嚴(yán)重的穿透現(xiàn)象）。在Visualization功能模塊中可以顯示接觸面的法線方向，方法是單擊(CommonOptions)按鈕，在Normals標(biāo)簽頁下選中Shownormals（如圖16-3所示），并且要注意選擇Onsurfaces（面的法向），而不是Onelements（單元的方向）。另外，在云紋圖的模式下不能顯示解析剛體表面的法向，只有在未變形圖或變形圖的模式下才可以顯示。一對接觸面的法向應(yīng)該是互相指向?qū)Ψ降模?6.3.2節(jié)“接觸分析綜合實例2”提供了一個接觸面法線方向定義錯誤的實例。2）如果接觸面的法線方向是正確的，但分析仍無法收斂，應(yīng)檢

8、查模型中的過盈量是否太大。如果存在此問題應(yīng)修改模型，令過盈量從O開始逐漸增大，例如，可以使用，CONTACTINTERFERENCE和線性遞增的幅值曲線定義過盈接觸，詳見實例詳解第5.2.4節(jié)“設(shè)定接觸面之間的距離或過盈量”。3）如果接觸面的法線方向是正確的，這種“過盈量太大”的信息只是在MSG文件中偶爾出現(xiàn)，而且出現(xiàn)此信息的分析步最終能夠收斂，分析結(jié)果也一切正常，就沒有問題。在接觸分析的求解過程中，ABAQUS/Standard會迭代嘗試各種可能的位移狀態(tài)，如果某個位移狀態(tài)造成過盈量太大，ABAQUS/Standard就會顯示上述提示信息，然后嘗試另外一個位移狀態(tài)。換言之，這個太大的過盈量有

9、可能僅僅是ABAQUS/Standard在嘗試求解過程中的一個中間狀態(tài)，并不一定是模型本身存在錯誤。在實例詳解第6.4節(jié)“實例3：彎曲成形過程模擬”的實例中，就可以在隨書光盤的以下MSG文件中看到類似的“過盈量太大”的提示信息：Dem06-FormingAnalysisResultsForming.msg。16.1.2有限滑動和小滑動【常見問題16-3】什么是有限滑動（finitesliding）和小滑動（smallsliding）?解答在ABAQUS/Standard分析中定義接觸時，有兩種判斷接觸狀態(tài)的跟蹤方法可供選擇：1）有限滑動。如果兩個接觸面之間的相對滑動或轉(zhuǎn)動量較大（例如，大于接觸

10、面上的單元尺寸），就應(yīng)該選擇有限滑動，它允許接觸面之間出現(xiàn)任意大小的相對滑動和轉(zhuǎn)動。在分析過程中，ABAQUS將會不斷地判斷各個從面節(jié)點(diǎn)與主面的哪一部分發(fā)生了接觸，因此計算成本較高。在使用有限滑動、點(diǎn)對面離散時，應(yīng)盡量保證主面是光滑的，否則主面的法線方向會出現(xiàn)不連續(xù)的變化，容易出現(xiàn)收斂問題。在主面的拐角處應(yīng)使用過渡圓弧，并在圓弧上劃分足夠數(shù)量的單元。在使用點(diǎn)對面離散時，如果主面是變形體或離散剛體的表面，ABAQUS/Standard會自動對不光滑的主面做平滑（Smoothing）處理，默認(rèn)的平滑系數(shù)為0.2。面對面離散則沒有這種平滑功能，因此如果工程實際要求主面必須有尖角，使用點(diǎn)對面離散可能會

11、比面對面離散更容易收斂。2）小滑動。如果兩個接觸面之間的相對滑動或轉(zhuǎn)動量很?。ɡ?，小于接觸面上單元尺寸的20），就可以選擇小滑動。在分析開始時刻，ABAQUS就確定了各個從面節(jié)點(diǎn)與主面是否接觸、與主面的哪個區(qū)域接觸，并在整個分析過程中保持這些關(guān)系不變，因此計算成本較低。關(guān)于有限滑動和小滑動的詳細(xì)介紹，請參見實例詳解第5.2.3節(jié)“有限滑移和小滑移”和ABAQUS6.7幫助文檔ABAQUSAnalysisUsersManual第29.2.2節(jié)“Contactformul-ationforABAQUS/Standardcontactpairs”?！境Ｒ妴栴}16-4】分析接觸問題時，是否必須在St

12、ep功能模塊中打開幾何非線性開關(guān)（將Nlgeom設(shè)為ON）？解答只有分析幾何非線性問題（大位移、大轉(zhuǎn)動、初始應(yīng)力、幾何剛化或突然翻轉(zhuǎn)等）時才需要將Nlgeom設(shè)為ON。接觸分析是非線性問題，但不一定是幾何非線性問題，常見的情況有以下幾種：1）如果接觸面之間會發(fā)生較大的相對位移或轉(zhuǎn)動，則定義接觸時應(yīng)選擇有限滑動，并將Nlgeom設(shè)為ON。2）如果接觸面之間的相對位移和轉(zhuǎn)動都很小，模型各處都不會發(fā)生大的位移或轉(zhuǎn)動，則定義接觸時應(yīng)選擇小滑動，并將Nlgeom設(shè)為OFF。3）如果接觸面之間的相對位移和轉(zhuǎn)動都很小，但模型出現(xiàn)了大的位移或轉(zhuǎn)動（例如剛體轉(zhuǎn)動），則定義接觸時應(yīng)選擇小滑動，并將Nlgeom設(shè)為

13、ON。將Nlgeom設(shè)為ON可能會增加模型收斂的難度，增加計算成本。但如果模型發(fā)生了大的位移或轉(zhuǎn)動，而仍將Nlgeom設(shè)為OFF，也可能導(dǎo)致計算不收斂。關(guān)于非線性問題的詳細(xì)介紹，請參見本書第15.1節(jié)“線性分析與非線性分析”。【常見問題16-5】殼或膜單元都是有厚度的，但在ABAQUS/CAE中它們被顯示為無厚度的面。在ABAQUS/Standard中為它們定義接觸時，是否需要讓接觸面之間保留一定距離，以體現(xiàn)其厚度?解答有以下幾種可能的情況：1）如果選擇了點(diǎn)對面離散的小滑動、面對面離散的小滑動或面對面離散的有限滑動，默認(rèn)情況下ABAQUS/Standard會考慮殼或膜的厚度，在建模時應(yīng)根據(jù)厚度讓接觸面之間保留相應(yīng)的距離。如果希望忽略殼和膜的厚度，可以在定義接觸時選中Excludeshell/membraneelementthickness。提示：默認(rèn)情況下，殼或膜在ABAQUS/CAE中的面是它們的中性面。如果需要，可以偏