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LS-DYNA的接触算法简介

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在LS-DYNA 中有三种不同的算法处理碰撞、滑动接触界面,即
-动态约束法(kinematicconstraint method)
-罚函数法(penaltymethod)
-分布参数法(distributedparamete method)
(1)Kinematic Constraint Method
采用碰撞和释放条件的节点约束法由Hughes 等于1976 年提出,同年被Hallquit首先应用在 DYNA2D 中,后来扩展应用到DYNA3D 中其基本原理是:在每一时间步Δt 修正构形之前,搜索所有未与主面(mastersurface)接触的从节点(slave node),看是否在此Δt 内穿透了主面如是,则缩小Δt,使那些穿透主面的从节点都不贯穿主面,而使其正好到达主面在计算下一Δt 之前,对所有已经与主面接触的从节点都施加约束条件,以保持从节点与主面接触而不贯穿。
这种算法存在的主要问题是:如果主面网格划分比从面细,某些主节点(master node)可以豪无约束地穿过从面(slave surface)(这是由于约束只施加于从节点上),形成所谓的“纽结”(Kink)现象。由于节点约束算法较为复杂,目前在LS-DYNA 程序中仅用于固连与固连一断开类型的接触界面(统称固连界面),主要用来将结构网格的不协调两部分联结起来。

(2)DistributedParameter Method     

分配参数法也是发展较早的一种接触界面算法,与节点约束法相比,这种算法具有较好的网格稳定性,因此被DYNA 采用。目前,在LS-DYNA程序中用来处理接触一滑动界面的问题。

该方法的基本原理是:将每一个正在接触的从单元(slave element)的一半质量分配到被接触的主面面积上,同时根据每个正在接触的从单元的内应力确定作用在接受质量分配的主面面积上的分布压力。在完成质量和压力的分配后,修正主面的加速度。然后对从节点的加速度和速度施加约束,以保证从节点在主面上滑动,不允许从节点穿透主表面,从而避免了反弹现象。

这种算法主要用来处理接触界面具有相对滑移而不可分开的问题。因此,在结构计算中,该算法并没有太多的用处。它最典型的应用是处理爆炸等问题,炸药爆炸产生的气体与被接触的结构之间只有相对滑动而没有分离。

(3)Penalty Method     

现在,罚函数法已发展为一种非常用的接触界面算法,在数值计算中被广泛应用。罚函数法的基本原理是:在每一个时间步首先检查各从节点是否穿透主面,如没有穿透不作任何处理。如果穿透,则在该从节点与被穿透主面间引入一个较大的界面接触力,其大小与穿透深度、主面的刚度成正比。这在物理上相当于在两者之间放置一法向弹簧,以限制从节点对主面的穿透。接触力称为罚函数值。“对称罚函数法”则是同时对每个主节点也作类似上述处理。

      对称罚函数法由于具有对称性、动量守恒准确,不需要碰撞和释放条件,因此很少引起Hourglass 效应,噪声小。

     对称罚函数法在每一个时间步对从节点和主节点循环处理一遍,算法相同。下面以从节点ns 为例详细描述该算法的基本步骤:

-搜索所有从动点,确定从动点是否穿透主面;
-如否,不作处理,搜索结束;如是,则在从节点与主面上的接触点间附加一法向接触力Fn;
-处理摩擦力;
-将接触力Fn和摩擦力投影到总体坐标,组集到总体载荷向量中。
来源:ANSYS空间
LS-DYNAWorkbench显式动力学断裂碰撞电子爆炸材料控制
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首次发布时间:2022-07-01
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张老师
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