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Abaqus2020版本之Contact功能详解
Abaqus2020版本之Contact功能详解
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ABAQUS软件是一套功能强大的工程模拟有限元软件,其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。 ABAQUS 包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。并拥有各种类型的材料模型库,可以模拟典型工程材料的性能,其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料,作为通用的模拟工具, ABAQUS 除了能解决大量结构(应力 / 位移)问题,还可以模拟其他工程领域的许多问题,例如热传导、质量扩散、热电耦合分析、声学分析、岩土力学分析(流体渗透 / 应力耦合分析)及压电介质分析。

下面众联亿诚带同学们一起了解一下,ABAQUS2020版本中Contact功能的详细内容:


Abaqus2020/Contact新功能(1):干涉配合和初始化

干涉配合

像Abaqus/Standard的功能一样,abaqus/Explicit新增了在分析步中逐步消除初始穿透的功能。下面通过一个螺纹接触实例来进行进一步的说明, 螺纹连接存在初始穿透。

Abaqus2020Contact新功能(1)1.jpg

分别在abaqus/Explicit和Abaqus/Standard中消除穿透部分。

Abaqus2020Contact新功能(1)2.jpg

                Abaqus/Explicit            Abaqus/Standard

除了应力集中区域以及奇异点的值,Abaqus/Explicit和Abaqus/Standard中Msies应力值的结果相似。

Abaqus2020Contact新功能(1)3.jpg

Abaqus/Explicit     Abaqus/Standard

Abaqus2020Contact新功能(1)4.jpg

  Abaqus/Explicit        Abaqus/Standard

但是对于塑性变形的结果大小,Abaqus/ExplicitAbaqus/Standard表现出了明显的差异。(在这种情况下是需要分析人员注意的)

Abaqus2020Contact新功能(1)5.jpg

Abaqus/Explicit           Abaqus/Standard

默认情况下,在Abaqus/Explicit中,使用平滑幅值曲线解决了过盈配合。平滑曲线在分析步开始和结束时导数为零,可以使惯性效应更小。

Abaqus2020Contact新功能(1)6.jpg

Abaqus/Explicit模拟过程中的能量变化


通用接触中的初始化控制

(1)以前仅适用于Abaqus/Standard的关键字现在也可以应用于Abaqus/Explicit中。

●新增的*Contact Initialization Data & *Contact Initialization Assignment相对于*Contact Clearance & *Contact Clearance Assignment,可以有更多的初始化的通用设置。

●把界面初始的过盈状态定义为过盈配合的基本关键字的格式如下:

*Contact Initialization Data, Name=IntFit, Interference Fit
*Contact
*Contact Inclusions, All Exterior
*Contact Initialization Assignment
Surf_A, Surf_B, IntFit

●*Contact Initialization Data参数的文档摘录

Abaqus2020Contact新功能(1)7.jpg

(2)指定与初始配置不同的过盈配合距离。

Abaqus2020Contact新功能(1)8.jpg

●开始零部件之间的过盈量是1.25。

●*Contact Initialization Data, Name=interf-1, Interference=0.4, Search Below= 1.3

Abaqus2020Contact新功能(1)9.jpg

●Abaqus在时间为0时进行无应变的节点位置调整,以减少过盈量

●剩下的过盈量将在第一个分析步中消除

Abaqus2020Contact新功能(1)10.jpg

               分析步中间时            分析步结束时



Abaqus2020/Contact新功能(2):接触状态和Cohesive


接触状态图例的改变

变化在于引入了一个单独的Bonded区域,并且之前状态表述也作了变化:
●“Open” → “Not in contact”
●“Closed (slipping)” → “Slipping”
●“Closed (sticking)” → “Sticking”

Abaqus2020Contact新功能(2)1.jpg

旧图例         新图例

以下为Cohesive接触实例。

Abaqus2020Contact新功能(2)2.jpgAbaqus2020Contact新功能(2)3.jpg


旧                           新

之前,在界面有拉伸应力的区域中,Tied接触对和Cohesive接触之间的接触状态的显示不一样:Tied接触显示为“Closed (Sticking)”,Cohesive接触显示为 “Open”。更新后,无论界面的应力状态如何,这些区域的接触状态都显示为“Bonded”,并且可单独绘制CPRESS或者CNORMF以确定界面应力状态是拉伸还是压缩。

Abaqus2020Contact新功能(2)4.jpg

Abaqus2020Contact新功能(2)5.jpg

之前              现在

在新版本中粘连区域和滑动区域之间主要用黄色和绿色区分,但是绿色和黄色可能分辨不清,因此后续版本正在考虑为CSTATUS的4个值分配其他颜色。

Abaqus2020Contact新功能(2)6.jpg

      之前    现在
新版本中不分离不认为是“Bonded”。

Abaqus2020Contact新功能(2)7.jpg

之前    现在


增强通用接触中Cohesive Behavior
通过修复错误和发布新的功能,从而得到了多方面的改进:
●提高鲁棒性和准确性
●提高Cohesive单元的一致性
●使Cohesive接触应用方面更为广泛
Abaqus/Standard方面
●降低对主从角色的敏感性
●提高对刚性的、永久性的Cohesive Bonds的处理
Abaqus/Explicit方面
●避免Cohesive接触的不稳定行为,提高Cohesive接触的精度和收敛性
以下为壳单元的Cohesive连接实例。

Abaqus2020Contact新功能(2)8.jpg

Cohesive接触的率相关性损伤

以前损伤起始和损伤演变的率相关的参数只可以用于Cohesive单元,到了2019 FD04可以在Cohesive接触中使用。



Abaqus2020/Contact新功能(3):刚体热膨胀和接触属性

  • 刚性特征的热膨胀

在新版本中,用户可以在Abaqus / Standard中为刚性特征建立热膨胀模型。涉及的对象主要包括Rigid bodies, kinematic couplings, BEAM MPCs, 和 LINK MPCs。这些特征的膨胀系数是在约束定义中指定的,而不是依据刚性单元的材料参数设置。此外,刚性单元仍然无法输出应变等变量。下面以一个实例来具体介绍这个新的改动。
分别使用Kinematic coupling、Beam MPC's、NSET of rigid body建立三个膨胀系数相同的等效模型。模型中轴套内圈节点受约束后跟随中心参节点运动。


Abaqus2020Contact新功能(3)1.jpg

温度均匀升高后,3个模型的位移都是一样的。


Abaqus2020Contact新功能(3)2.jpg

包括刚性约束的内圈节点处的径向位移也是一样的。

Abaqus2020Contact新功能(3)3.jpg

相同的例子,但是内圈刚性部分用“刚性单元”建模(黄色),在这种情况下,更容易可视化刚性区域。模型外圈的单元是弹性的,在界面处共享节点并且温度变化均匀。

Abaqus2020Contact新功能(3)4.jpg

旧的版本中,膨胀系数仅仅能施加在弹性区域。从结果中可以看出,刚性单元与弹性单元的交界面处出现了较大的应力。

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新版本中,刚性区域与弹性区域施加相同的膨胀系数。从结果中可以看出,总应变是一致的,应力集中不是特别明显。(尽管刚性区域的数值没有显示出来)

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温度均匀上升80度,膨胀系数为,半径是4,比较单个可变形零件和刚性零件模型的结果是一致的。

Abaqus2020Contact新功能(3)7.jpg

Abaqus2020Contact新功能(3)8.jpg


限制:这个新功能不能应用于复杂的温度变化场中。位移场仅基于缩放从参考节点到约束的从节点(纯径向)的偏移矢量。对于温度在空间上有较大变化的零件,此功能可能会给出不准确的结果。

现在考虑温度随水平位置线性变化,可以看出两者的结果不是一致的

Abaqus2020Contact新功能(3)9.jpg

Abaqus2020Contact新功能(3)10.jpg


  • 通用接触中基于材料的属性赋予

旧版本中,Abaqus要求使用表面名称进行通用接触属性的赋予。

通常做法是:

1、为每种材料类型创建一个单元集

2、使用这些单元集创建命名好的表面

3、使用这些表面进行接触属性赋予和表面属性赋予

新版本2020中,可以在这些属性赋予中直接用材料名称。
下面这个模型主要包括三种材料:Aluminum block & head、Steel bolts、Gasket material

Abaqus2020Contact新功能(3)11.jpg

旧版本中需要基于表面名称进行接触属性赋予。

Abaqus2020Contact新功能(3)12.jpg

新版本中可以基于材料名称进行接触属性赋予。

Abaqus2020Contact新功能(3)13.jpg

Abaqus2020Contact新功能(3)14.jpg


新版本还可以自动得出组合材料的摩擦系数,但是目前此功能限于Abaqus / Explicit中。通过这个公式,用户可以通过接触属性赋予特定接触对摩擦系数

Abaqus2020Contact新功能(3)15.png

组合材料的摩擦系数。

Abaqus2020Contact新功能(3)16.jpg



Abaqus2020/Contact新功能(4):小滑移接触

通用接触中的小滑移计算公式
用户可以选择指定应使用小滑移接触对的计算公式,来处理通用接触中的所有或某些相互作用。

小滑移的计算公式中,基于初始配置的每个从节点都会对应一个表示主面的平面。

Abaqus2020Contact新功能(4)1.jpg

相对于有限滑移通用接触,小滑移通用接触的特点:
1、小滑移得到错误结果的几率更大,一般更好的做法仍然是使用默认(有限滑移)通用接触;
2、使用小滑移可以减少接触区域的搜寻范围,并且在其计算公式中运用多个平面来近似曲率复杂的主面,这些都将加快计算速度,提高收敛性;
通用接触中可用的接触公式类型:
有限滑移的接触公式类型主要有面与面,边与面,节点与面,边与边,而且上述接触公式在计算过程中可以自动转化;
小滑移接触公式类型主要是面与面之间的接触,因此在某些复杂接触情况下是无法运用的。
相对于小滑移通用接触对,小滑移通用接触的特点:
1、简化的模型设置,允许包含所有接触;
2、算法分配主从面(由接触对的表面指定顺序决定);
3、默认情况下使用更强大的数值方法(penalty enforcement等);
4、由于额外的接触搜索,需要一些额外的批量预处理时间;
以动力总成模型为例:

Abaqus2020Contact新功能(4)2.jpg

无论变形量和相对运动如何,有限滑移通用接触结果依然是准确的,模型建立也比较轻松(包含主从面的自动分配等),一点额外的处理时间不应该成为主要考虑因素,因此有限滑移通用接触仍然是我们的首先考虑的选择。

Abaqus2020Contact新功能(4)3.jpg

下来通过相当简单的几个示例,进一步说明小滑移接触使用时需要关注的几点。

1、如果相对运动明显,使用小滑移接触的结果就有明显的问题。

Abaqus2020Contact新功能(4)4.jpg

2、与尖角表面的接触。尖角对于小滑移会也造成较大的问题,如果没有对比的实例,即使是有经验的用户也很难判断是否是小滑移假设导致的精度下降。

Abaqus2020Contact新功能(4)5.jpgAbaqus2020Contact新功能(4)6.jpg


3、与曲面的接触。与曲面的小滑移接触时,判断可以接受的滑动量是需要一定的经验的。

Abaqus2020Contact新功能(4)7.jpgAbaqus2020Contact新功能(4)8.jpg


此外,新版本中新增了两个输出变量CSL_NRMALIZED和CSLIPEQ,并且两者存在关系:

Abaqus2020Contact新功能(4)9.jpg

这个输出变量有助于判断小滑移假设是否有效,若CSL_NRMALIZED>0.5就表示存在问题。

Abaqus2020Contact新功能(4)10.jpg

Abaqus2020Contact新功能(4)13.jpg是指参与小滑移接触表面之间的小尺寸;
s是指与表面光滑度有关的比例因子;
s为1时表示平坦而且远离边界的地方;
s小于1时表示靠近边、扭曲、弯曲附近的区域;
图片

Abaqus2020Contact新功能(4)12.jpg





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