【RADIOSS每周干货】定义好接触，让零件不再魔性穿透
案例分析
本文摘要（由AI生成）：
本文详细探讨了有限元分析中部件接触问题的处理策略，着重介绍了罚函数法的原理及其在防止穿透现象中的优势。文章分析了RADIOSS求解器中的两类接触算法，并指出非线性罚函数算法在防止网格交叉方面的有效性。同时，文章阐述了三种主要接触类型的特点及适用场景，包括TYPE 19、TYPE 7和TYPE 11，并针对TYPE 7和TYPE 11接触提出了处理初始穿透和网格交叉问题的具体方法。文章还介绍了TYPE 24接触在电子行业的应用背景及参数设置。总之，通过合理选择接触类型和参数，本文提供了实用的操作指南，有助于提高有限元分析的准确性和效率。
在所有涉及不同部件接触的案例中，如果没有正确地定义接触，可能会出现部件穿透等不符合物理现象的过程。但如何合理地设置接触参数，是一件非常值得研究和探讨的事情。
想要正确合理地定义接触，必须理解背后的原理，理解每一种接触类型以及参数的含义。
下面让我们来对背后的原理一探究竟~
原理：罚函数法
为什么采用罚函数法？
在有限元分析理论中，存在多种处理接触问题的数值方法。而罚函数数值方法，是在求解稳定性、效率、精度等方面综合考虑的时候最理想的方法。因此，很多隐式/显式求解器都把它作为了首选方案。不仅仅是拉格朗日问题，甚至流固耦合问题也在使用罚函数接触算法。
简单来讲，罚函数法就像在从点和主面间加了一个隐形的弹簧，从点一旦进入离主面很近的某个范围（图中天蓝色部分），就会受到这个“隐形弹簧”的作用力从而远离主面。我们把描述这个“隐形弹簧”力与位移的函数称为罚函数。
<主面和从点受罚函数约束>
在RADIOSS求解器中，对于拉格朗日问题，提供两类接触：非线性罚函数接触算法和线性罚函数算法。非线性罚函数算法是RADIOSS求解器独有的。两者之间区别在于，只要设置合理，当使用非线性罚函数法的时候，绝不会产生网格交叉（intersection）。而使用线性罚函数算法时，如果变形剧烈，就有可能会产生网格交叉。从另一方面来视频，非线性罚函数法是真正符合物理意义的。
<非线性和线性罚函数>
类型
从数值的实现方法上看，接触的种类包括：
接触类型有
TYPE 19非线性罚函数接触算法（2017版本新增），在求解初始化过程中，会被自动解析成两个对称的TYPE 7点面接触和一个TYPE 11线线接触。
TYPE7
对于不存在网格交叉（intersection），没有严重网格穿透（penetration）的有限元模型，可以选择TYPE 7接触。在RADIOSS求解器中的接触算法，可以真实考虑每个部件的厚度，所以需要仔细了解gap的计算方法。
》Igap：定义计算所使用的gap值
这里，理解gap的物理意义很关键。
对于壳单元(2D)，网格代表的是中面而不是表面。想象我们定义两块钢板的接触，很明显，二者都是有厚度的。两个中面不可能紧紧地贴在一起，它们至少相隔厚度和的一半。我们定义的gap值，就是两个中面间的最小距离。这是真正符合物理意义的。当小于这个距离的时候，也就可以理解为发生了穿透（penetration）。
<gap的物理意义>
可以通过设置不同Igap参数，采用不同公式来计算gap值。
→Igap=0：当不输入任何参数的时候Igap=0，即默认值。在求解器初始化模型的过程中，会自动将Igap设置为默认值1000，即Gap恒定，此时计算所使用的Gap=Gapmin。但，当Gapmin没有输入的时候，RADIOSS在计算初始化的时候，会根据单元网格厚度和大小自动重新计算Gapmin。
其中，tm是主面壳单元的平均厚度。
lmin是所有主面单元（壳或体）的最小边长。
→Igap=1：可变Gap
Gap=max[Gapmin, gs+gm]
其中，Gapmin与之前定义相同。
gm=tm/2，tm为主面壳单元厚度，对于实体单元为0。
gs=ts/2，其中ts是与从节点相连的壳单元的最大厚度。如果从节点不与任何单元连接或仅仅与实体或弹簧连接则为0。
→Igap=2：带Gap缩放因子的变Gap
Gap=max{Gapmin, min[Fscale*(gs+gm),Gapmax]}
其中，Gapmin与之前定义相同。
gm = tm/2，其中 tm 主壳单元的厚度，对于主实体单元为0。
gs = ts/2， 其中ts是与从节点相连的壳单元最大厚度，如果从节点不与任何单元连接或仅仅与实体或弹簧连接则为0。
Gapmax 是一个Gap上限(如不指明，没有上限)。
→Igap=3：带有Gap缩减因子和网格尺寸更正的变Gap
如果有自接触定义，当Gap值大于网格尺寸时会发生初始穿透。
<初始网格穿透>
这种问题就可通过设置 Igap= 3来解决。
Gap = max {Gapmin，min [Fscale*(gs + gm)，%mesh_size*(gs_l+gm_l), Gapmax]}
其中，gm_l = 主面单元最小边缘长度。
gs_l=与从节点相连的单元的最小边缘长度。
％mesh_size＝网格尺寸百分比（默认为0.4）。
对于Igap=1, 2, 3，最好都设置Gapmin为一个很小的数，比如0.5mm（此标准适用于汽车碰撞模型，其他模型按照网格尺寸和厚度适当修改）。
要记住，所有非线性罚函数接触算法不允许初始交叉（intersection）。
当存在初始穿透的情况，处理方法如下：
<罚函数>
此曲线可以理解为，但没有进入gap范围的时候，没有接触刚度。当逐渐进入，并接近penetration极限的时候，接触刚度不断增加，在极限位置达到非常大。
这里可以根据自己不同的问题，选择不同的接触刚度计算方法。对于汽车碰撞，跌落等问题，可以使用Istf=2或者4。
推荐选Istf=2
推荐选Istf=2，避免单元被删除后，自由的从节点造成的接触计算时间步长降低的问题。
我们在汽车碰撞模拟中，推荐如下参数：
对于面面接触，A组件作为主面、B作为从点的接触，再定义一个B为主面、A为从点的对称接触。可以通过HyperMesh手动定义，也可以在HyperCrash中勾选create symmetric interface自动生成对称的面面接触。
对于自接触创建，我们可以在HyperCrash中，定义一个TYPE 7接触，勾选Self impact，一次选中需要创建自接触的组件。这样HyperCrash会自动创建自接触组件作为主面和从点。
<对称接触和自接触定义>
TYPE11
在某些极限情境下，由于网格之间的相对平行运动。我们会发现定义了TYPE 7，由于主面无法 正常搜索到从点，仍会发生网格交叉。如下图，就是一种不违反TYPE 7规则，但违反物理现象的网格交叉：
<加入TYPE 11前>
这时我们需要加入一个线对线的接触类型TYPE 11
<加入TYPE 11后>
TYPE24
TYPE 24接触，在开发初期是专门针对电子行业而开发的。由于电子行业的有限元模型中，网格交叉和穿透通常是很普遍的现象。并且，由于产品研发周期短，没有足够的时间提高网格质量。所以，当网格有初始交叉和严重的穿透时，我们可以使用TYPE 24代替TYPE 7。 它使用定刚度的罚函数法。对于单面、面面、点面和线线（2017版本）接触都适用。
对于TYPE 24定刚度罚函数接触，无需输入gap值，RADIOSS会自动计算接触gap，计算方法与TYPE 7 Igap=1的计算公式相似。接触刚度选取跟非线性罚函数法相同。
对于低速碰撞、电子产品跌落模拟，推荐INACTI=5。
TYPE 24的使用，不必局限于电子家电行业的跌落问题。对于网格质量不高，碰撞速度也不是特别高的时候，完全可以使用TYPE 24接触来降低网格修改的工作量。
