本文介紹了隱式計算中常用的Mortar接觸,主要內容有Mortar接觸的適用范圍、如何定義Mortar接觸、主從(段)設置、接觸屬性調整(主要探究穿透量和接觸剛度的關系)、輸出信息控制(主要是穿透信息)、初始穿透的處理和阻尼因素等幾部分。
通??梢栽贏utomatic single surface, Automatic surface to surface 或Forming surface to surface關鍵字后面賦上后綴_Mortar就可以激活Mortar接觸。Mortar接觸也可以在tied接觸和tiebreak接觸里使用。所有Mortar接觸均是段對段接觸且基于罰函數(shù)法,同時tied接觸和tiebreak接觸總是偏移的,即殼體上的tie接觸不是在中面而是在外表面上。對于自動接觸,線接觸總是激活flat edge選項。因此,適用于其他接觸的一些更先進的特征功能可能不適用于Mortar接觸,例如摩擦表格和正交各向異性摩擦,但另一方面,它具有隱式計算中特別關注的特征,而這些特征其他接觸則不適用。Smp和mpp都支持Mortar接觸 ,但選項MPP不適用,每個循環(huán)都進行bucket排序,且smp忽略flag選項。Mortar接觸不適用SOFT flag選項,總結說來,Mortar接觸是一種專門用于隱式分析的接觸算法。
對于forming接觸,剛體工具必須劃分網(wǎng)格,以確保其網(wǎng)格法向朝著坯料,并且來自上下方的接觸必須分為兩個或多個面,因為對于給定的接觸面,接觸只能從坯料的一側發(fā)生。對于forming接觸,主側上的剛性殼體沒有接觸厚度。Automatic自動接觸則不同,它對網(wǎng)格沒有限制,甚至剛性殼體也有接觸厚度。對于所有的Mortar接觸,建議主從側的定義使用基于零件或零件集,但不是強制性的。如果接觸的主從側具有不同的剛度,則將剛度小的一側作為從,以獲得盡可能好的隱式收斂行為。上述主從設置在single接觸中自動進行。Mortar single接觸最近即便對于隱式分析來說也相當緩慢,但軟件已經對效率進行了改進,使其在最新版本的LS-DYNA中更加實用。
Mortar接觸中的接觸壓力是穿透量的函數(shù),計算公式如下:
其中,α=剛度放縮因子(SFS*SLSFAC)
Ks=從段的剛度模量
d=穿透量或穿透距離
ε=0.03,
dc=從段特征長度
同時,
殼體的特征長度為殼體厚度,實體的特征長度是接觸界面從側的最小邊,而dmax是最大穿透量,由主從側平均特征長度的95%計算得出。對于實體,如果某些單元較小,則特征長度的定義可能會帶來虛假的大剛度值,此時建議為實體接觸從動側手動設置SST為某個適當?shù)奶卣鏖L度。不幸的是,如果殼體和實體存在于同一接觸中,將影響殼體接觸厚度,因此目前建議將殼體和實體分離為不同的接觸界面,并僅為實體接觸設置SST。
從上面的公式可以推導出,穿透量達到最大值的一半之前,接觸剛度是穿透量的拋物線形式。IGAP=1時,對于更大的穿透量,仍將保持拋物線形式,但用戶可以增加IGAP,這意味著穿透量較大時接觸將變硬,實際上,在以下數(shù)學表達式的約束條件下下,它將變?yōu)榱⒎叫问剑ㄒ娚蠄D,其繪制了接觸應力與穿透量的函數(shù)關系,相對于最大穿透量的兩倍)。
增加IGAP的目的是防止穿透量超過最大允許值,因為如果穿透量大于最大允許值時達到收斂,則該接觸將在后續(xù)步驟中失效,計算過程失敗。這種較大的穿透可能會導致線性搜索的不連續(xù)性和其他令人失望的現(xiàn)象,參見*CONTROL_IMPLICIT_SOLUTION上NLPRINT=3的使用。用戶當然可以通過增加SFS來縮放剛度,但這也會縮放小穿透量的剛度,并可能對收斂產生負面影響。
正如一般的隱式分析一樣,當收斂開始變困難時,可以查看信息,考慮到前一節(jié)中所說的接觸釋放,了解穿透是否太大,從而成為潛在的計算風險將是有意義的事情。首先,初始穿透量總是在消息文件中報告,包括最大穿透量以及如何處理的初始穿透量。后者取決于IGNORE的值,下面將對此進行說明。此外,在關鍵字*CONTROL_OUTPUT上設置MINFO=1,LS-DYNA將輸出最大穿透量絕對值以及每次平衡后的最大穿透量(百分比)。如果相對最大穿透量達到99%以上,則會輸出一條警告消息,因為該接觸即將釋放。理想情況下,該百分比值應保持在約90%以下,以具有一定的容差。有三種方法可以減少最大相對穿透量:(1)增加IGAP;(2)增加實體的SST;(3)增加SFS。注意,通過增加實體的SST,接觸剛度將自動降低,同時應將SFS增加SST增量的平方。也就是說,如果SST增加1倍,則SFS應增加4倍,如果SST增大3倍,則SFS應增加9倍,依此類推。在這種情況下,即使IGAP最初大于1,也可能需要增大一些數(shù)值。
如上所述,初始穿透量總是在消息文件中報告,包括最大穿透量和如何處理初始穿透量。IGNORE控制后者,選項為:IGNORE<0,穿透量與對應的絕對值相同,但完全忽略屬于同一零件的段接觸
IGNORE=0,初始穿透量將產生初始接觸應力,即從動接觸面未被修改
IGNORE=1,跟蹤初始穿透量,即從接觸面被轉換到初始穿透量的水平,隨后在分離時跟隨主接觸面,直到達到未修改的水平
IGNORE=2,忽略初始穿透量,即從接觸表面被轉換到初始穿透量的水平,可選的,初始接觸應力由MPAR1控制
IGNORE=3,隨著時間的推移,初始穿透量將被移除,即從接觸表面被轉換到初始穿透量的水平,并在MPAR1確定的時間內被推回到其未修改的水平
- IGNORE=4 與IGNORE=3相同,但可以通過設置MPAR2參數(shù)允許大的穿透量,至少可以達到最大初始穿透量
IGNORE的使用取決于計算的問題,如果不存在初始穿透量,則根本不需要使用此參數(shù)。如果穿透量相對于最大允許值較小,則IGNORE=1或IGNORE=2似乎是合適的選擇。對于IGNORE=2,用戶可以設定一個初始接觸應力,該應力要足夠小,而不會對物理產生明顯影響(即偏離實際太多,編者注),但又要足夠大,以消除剛體模式,從而消除剛度矩陣中的奇異點。這樣做的目的是通過使用SFST推動接觸面并應用IGNORE=2選項來約束最初閉合但未接觸的松散零件。至少有利于調試具有許多奇異剛體模式的問題。IGNORE=3是Mortar干涉的對應項,例如,如果希望在結構中安裝橡膠構件,則使用該項。使用此選項,從模擬開始到MPAR1指定的時間,接觸表面隨著時間線性恢復。IGNORE=3的缺點是初始穿透必須小于接觸特征長度的一半,否則它們初始狀態(tài)將無法被檢測到。因此,在初始穿透可以是任意大小的情況下引入了IGNORE=4,但它要求用戶提供關于接觸界面穿透水平的粗略信息。這是在MPAR2中設置的,MPAR2必須大于最大穿透力,否則將發(fā)生錯誤終止。IGNORE=4目前僅適用于實體單元。當通過對具有多個零件的模型進行模擬來消除穿透時,某些零件可能包含導致虛假自接觸的薄構件。僅通過調整接觸參數(shù)可能很難解決這些問題,但幸運的是,大多數(shù)情況下可以完全忽略零件內的自接觸,因為在這種情況下,這些接觸通常不感興趣。IGNORE<0選項是為此目的使用的,也是解決此問題的一種方法。
阻尼可以使用VDC激活。隱式計算中接觸阻尼的問題是,時間步長通常太大,而無法處理接觸時間以獲得所需阻尼效果。通常情況下使用阻尼可能使問題會變得更糟,因此不建議使用接觸阻尼。
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