Abaqus基础知识系列讲堂（7）：Abaqus/CAE中的约束

本文摘要（由AI生成）：

本文主要介绍了Abaqus软件中Interaction功能模块中的约束类型，包括绑定约束、刚体约束、显示体约束、耦合约束、壳体-实心体约束和嵌入区域约束。其中，耦合约束又分为运动耦合和分布耦合两种类型。运动耦合将整个被约束区域和控制点焊接在一起，被约束区域变为刚性的，而分布耦合允许被约束区域上的各部分之间发生相对变形，比运动耦合中的面更柔软。在定义绑定接触和绑定约束时，应该尽量选择一个面，而不是一条线或一个点，否则有可能无法建立正确的绑定关系。在定义耦合约束时，可以选择全部或部分自由度。

（一）功能介绍

在Interaction功能模块中，主菜单Constraint（约束）的作用是定义模型各部分的自由度之间的约束关系，具体包括以下类型：

●Tie（绑定约束）：模型中的两个面被牢固地粘结在一起，在分析过程中不再分开。被绑定的两个面可以有不同的几何形状和网格；

●Rigid Body（刚体约束）：在模型的某个区域和一个参考点之间建立刚性连接，此区域变为一个刚体，各节点之间的相对位置在分析过程中保持不变；

●Display Body（显示体约束）：与Rigid Body类似，受到此约束的实体只用于图形显示，而不参与分析过程；

●Coupling（耦合约束）：在模型的某个区域和参考点之间建立约束，它又分为：

        - Kinematic Coupling（运动耦合）：即在此区域的各节点与参考点之间建立一种 运动上的约束关系。

       - Distributing Coupling（分布耦合）：也是在此区域的各节点与参考点之间建立一种约束关系，但是对此区域上各节点的运动进行了加权平均处理，使此区域上受到的合力和合力矩与施加在参考点上的力和力矩相等效。换言之，分布耦合允许面上的各部分之间发生相对变形，比运动耦合中的面更柔软。

●Shell-to-Solid Coupling（壳体-实心体约束）：在板壳的边和相邻实心体的面之间建立约束。

●Embedded Region（嵌入区域约束）：模型的一个区域镶嵌在另一个区域中。

●Equation（方程约束）：用一个方程来定义几个区域的自由度之间的相互关系。

关于Interaction功能模块的详细介绍，请参见ABAQUS帮助文件《ABAQUS/CAE User’s Manual》第15章“The Interaction Module”。

（二）答疑解惑

1、在 Abaqus/Standard 分析中可以定义绑定接触（tie contact），也可以定义绑定约束（tie constraint），它们有何区别？

在 Abaqus/CAE 中定义绑定接触（tie contact）的方法为：在 Interaction 功能模块中选择菜单 Interaction → Create，接触类型设为 Surface to surface contact，在如图1所示的对话框中，根据模型的实际情况设置 Slave Node/Surface Adjustment（不要选择No adjustent），然后选中 Tie adjusted surfaces。相应的关键词为 *CONTACT PAIR, TIED。

图1  定义绑定接触对话框

在 Abaqus/CAE 中定义绑定约束（tie constraint）的方法为：在 Interaction 功能模块中选择菜单 Constraint → Create，将类型设为 Tie。相应的关键词为 *TIE。

绑定接触和绑定约束都是让两个面连接在一起不再分开。重要的区别在于：绑定约束只能在模型的初始状态中定义，在整个分析过程中都不会再改变；绑定接触可以在某个分析步中定义，在这个分析步开始之前，两个面之间没有连接关系，从这个分析步开始才绑定在一起。

绑定约束的优点在于：分析过程中不再考虑从面节点的自由度，也不需要判断从面节点的接触状态，计算时间会大大缩短。

对于绑定接触，Abaqus 根据模型的未变形状态确定哪些从面节点位于调整区域，并将其与主面上的对应节点创建相应的约束。

另外，无论是绑定约束还是绑定接触，在定义主面时都应该尽量选择一个面，而不是一条线或一个点，否则有可能无法建立正确的绑定关系。

2、耦合约束（couping constraint）有两种类型：运动耦合（kinematic coupling）和分布耦合（distribute coupling），二者有何区别？

耦合约束的含义是：将被约束区域（constraint region）与一个控制点（control point）之间建立运动上的约束关系。在 Abaqus/CAE 中定义耦合接触的方法为：在 Interaction 功能模块中点击菜单 Interaction → Create，将类型设为Coupling，依次选择控制点和被约束区域，在如图2所示的对话框中可以设置耦合约束的类型，以及在被约束区域的哪些自由度上建立约束。

 图2  建立耦合约束

默认的耦合约束类型是运动耦合（kinematic coupling），被约束区域的全部6个自由度都被选中，这时就像把整个被约束区域和控制点焊接在一起，被约束区域变为刚性的，此区域的各节点之间不会发生相对位移，只会随着控制点做刚体运动。注意不要错误地理解为被约束区域上每个节点的位移都等于控制点的位移，例如当控制点旋转时，被约束区域会随之旋转，这时被约束区域上每个点的位移都是不同的。

定义耦合约束时也可以只选择一部分自由度。例如在图2中只选中 U1，则被约束区域上各节点在1方向上的位移将会取决于控制点的运动，而其他5个自由度上的位移与控制点的运动无关。这种情况不太容易找到工程实际中的例子，因此理解起来会有些困难。

实体单元（例如 C3D8I）的节点没有旋转自由度，只有平动自由度U1、U2、U3。如果被约束区域是实体单元的节点，定义耦合约束时是否选中UR1、UR2、UR3 都无所谓，对分析结果没有影响。

分布耦合（distribute coupling）和上面介绍的情况是类似的，也是被约束区域随着控制点运动，只是被约束区域不再是刚性的，而是柔性的，可以发生变形，Abaqus 将控制点上受到的力以某种方式分布（distribute）到被约束区域上，对被约束区域上各节点的运动进行加权平均处理，使此区域上受到的合力和合力矩与施加在参考点上的力和力矩等效。换言之，分布耦合允许被约束区域上的各部分之间发生相对变形，比运动耦合中的面更柔软。