Lsdyna接触专题

本文摘要：（由ai生成）
本文概述了显式动力分析的特点及其在单元划分、简化积分、沙漏控制、材料选择和接触类型等方面的注意事项。显式动力分析适用于非线性问题，通过直接求解包含所有非线性特性，但需小时间步保持稳定。单元划分应避免小单元和锐角，采用全积分单元控制沙漏。LS-DYNA提供多种材料和接触类型，适用于不同物理系统。接触类型包括单面、点面、面面接触等，侵蚀接触用于单元失效，固连接触模拟销栓连接，拉延筋接触用于板料成型。隐式接触推荐使用Mortar接触，自接触需排除交叉零件和单元。

1  显式动力分析的特点            

{Ftext}为施加外力和体力矢量。{Ftint}为下式决定的内力矢量。

Fhg为沙漏阻力；Fcont为常量力。

速度与位移用下式得到：  

式中

新的几何构形由初始构形加上 {xo}获得:

非线性问题：

l块质量矩阵需要简单转置。

l方程非耦合，可以直接求解(显式)。

l无须转置刚度矩阵，所有非线性（包括接触）都包含在内力矢量中。

l内力计算是主要的计算部分。

l无须收敛检查。

保持稳定状态需要小的时间步。    

2  单元划分时注意事项  

l避免使用小的单元，以免缩小时间步长。如果要用，则同时使用质量缩放。

l减少使用三角形/四面体/棱柱单元。

l避免锐角单元与翘曲的壳单元，否则会降低计算精度。

l在需要沙漏控制的地方使用全积分单元。全积分六面体单元可能产生体积锁定(由于泊松比达到0.5)和剪切锁定 (例如，简支梁的弯曲)。

3  简化积分  

LS-DYNA中所有的显式动力单元缺省为简化积分，一个简化积分单元是一个使用最少积分点的单元，一个简化积分块单元具有在其中心的一个积分点；一个简化壳单元在面中心具有一个积分点。而全积分块与壳单元分别具有8个和4个积分点。

在显式动力分析中最耗CPU的一项就是单元的处理，由于积分点的个数与CPU时间成正比，所有的显式动力单元缺省为简化积分，除了节省CPU，单点积分单元在大变形分析中同样有效，LS-DYNA单元能承受比隐式单元更大的变形。

简化积分单元有两个缺点：

l出现零能模式 (沙漏)。

l应力结果的精确度与积分点直接相关。    

4  沙漏  

沙漏是一种以比结构全局响应高的多的频率震荡的零能变形模式，沙漏模式导致一种在数学上是稳定的，但在物理上是不可能的状态。它们通常没有刚度，变形呈现锯齿形网格。

单点积分单元容易产生零能模式，沙漏的出现会导致结果无效，应尽量避免和减小。

如果总的沙漏能大于模型内能的10%，这个分析就有可能是失败的，有时侯即使5%也是不允许的。

图3.9  沙漏

LS-DYNA有以下方法控制沙漏:

1  避免单点载荷。单点载荷容易激发沙漏。

2  用全积分单元。全积分单元不会出现沙漏，用全积分单元定义模型的一部分或全部可以减少沙漏。    

3  全局调整模型体积粘性。沙漏变形可以通过结构体积粘性来阻止，可以通过控制线性和二次系数，从而增大模型的体积粘性。

5  材料  

LS-DYNA程序目前有100多种金属和非金属材料可供选择，如弹性、弹塑性、超弹性、塑性、泡沫、玻璃、地质、土壤、混凝土、流体、复合材料、炸药及起爆燃烧、刚性材料外，LS-DYNA还提供了接口，用户可以自定义材料，并可考虑材料失效、损伤、粘性、蠕变、与温度相关、与应变率相关等性质。

6  接触  

LS-DYNA有22 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比较困难，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。

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：

l单面接触

l点面接触

l面面接触

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9种集 合：

l普通

l自动    

l刚体

l固连

l固连失效

l侵蚀

l边

l拉延筋

l成型

6.1 单面接触  

单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，检查是否相互发生穿透。由于所有的外表面都在搜索范围内，因此不需要定义接触面与目标面，在预先不知接触情况时，单面接触非常有用，见图3.10。

图3.10  单面接触

6.2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。点面接触只考虑冲击目标面的节点。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，见图3.11。

在使用点面接触时，应注意以下几点：

l平面与凹面为目标面，凸面为接触面。

l粗网格为目标面，细网格为接触面。

l对于Drawbead 接触，压延筋总是节点接触面，工件为目标面。

图3.11  点面接触

6.3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，见图3.12。

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。

图3.12  面面接触

6.4自动与普通接触  

自动接触与普通接触的区别在于对壳单元接触力的处理方式不同，普通接触在计算接触力时不考虑壳的厚度，自动接触允许接触出现在壳元的两侧。

两种接触类型中的壳元接触力按照如下方法计算（见图3.13）:

图3.13  自动接触与普通接触壳元接触力的计算方法

6.5侵蚀接触  

当单元可能失效时用这种接触，侵蚀接触的目的是保证在模型外部的单元失效被删除后，剩下的单元依然能够考虑接触，见图3.14。    

图3.14  侵蚀接触

6.6  刚体接触  

通常用于多刚体动力学，变形体与刚体之间的接触必须用automatic 或 eroding contacts，见图3.15。

图3.15  刚体接触

6.7  边边接触  

边边接触用于壳单元的法线与碰撞方向正交时，见图3.16。

图3.16  边边接触

6.8固连接触  

接触被粘在一起，此接触经常用于销栓连接。当使用固连失效时，达到以下条件时固连就失效（见图3.17）：

图3.17  固连接触

6.9拉延筋接触  

通常用于板料成型，用于约束板料的运动。在类似冲压的板料成型过程中，通常会出现工件与模具之间失去接触（如起皱）。这种接触允许使用弯曲和摩擦阻力，用于确保工件在整个冲压过程中与压延筋始终保持接触。

6.10钣金成形类接触  

成型接触是钣金成形分析中首选的类型，对于这些接触选项，冲头与模具通常定义为目标面，而工件则定义为接触面。

对于这些接触类型中模具无需网格贯通，因此减小接触定义的复杂性，模具网格的方向必须一致，成型接触选项基于自动接触类型，功能十分强大。    

6.11 隐式接触

      推荐采用Mortar接触，基于罚函数的面段之间的接触，在法向运动和切向滑动中实现光滑力的传递。

同时，特别注意IGNORE中的选项应用，该选项可处理初始穿透。

1）

<0 

作为+ve值，但属于同一部分的接触段被忽略。

2）0不激活

。初始渗透会产生接触应力。

3）1初始穿透忽略和跟踪。初始穿透不会产生接触应力。

4）12初始穿透忽略。从面被移动到初始穿透水平，初始接触应力可以通过指定MPAR1上的一个值来设置。

5）3,4

穿透随着时间的推移而被移除，可用于过盈配合；

6）当使用_MORTAR接触时，推荐使用MPAR1和IGNORE：

如果接触中中没有穿透，那么这些值可以保留为空；

如果有穿透，则建议值为GNORE=2，MPAR1=小的值，该值与材料的屈服相比，如

钢材可尝试1.0或2.0 MPa。

6.12 自接触

在自接触中，建议排除在外（不包括）的零件有：相互交叉的零件和单元，气囊，安全带，胶和所有的beam单元等，特别是两者材料刚度相差较大时，建议采用面对面或节点对面。