ABAQUS中定义接触操作

在ABAQUS中定义两个结构之间的接触的第一步是创建面。接着成对地创建可能相互接触的面之间的相互作用。每一个相互作用调用一个接触属性。接触间的压力-间隙关系及摩擦的性质都是接触属性的一部分。

■定义接触面

接触面通过可能成为接触面的单元面来生成。假设在ABAQUS/CAE中已经定义了单元面。

●在实体单元上的接触面

对于二维和三维实体单元，可以指定部件的区域形成接触面或由ABAQUS自动确定部件的自由面。对于前者可选择部件副本的面形成接触面，对于后者在定义接触面时只需简单地选择整个部件副本，ABAQUS将略去实体内单元，只保留与表面有关的单元。

●在壳、膜和刚性单元上的接触面

对于壳、膜和刚性单元，必须指明单元的哪个面来形成接触面。单元正法向方向的面称为SPOS面，而单元负法向方向的面则称为SNEG面，具体如图13-3所示。单元的连接次序就定义了单元正法向。单元正法向可以在ABAQUS/CAE中观察到。

在ABAQUS用户手册的相关章节中讨论了在ABAQUS中生成面的限制。在开始接触分析之前请阅读这部分内容。

图13-3 在二维壳或刚性单元上创建接触面

■刚性接触面

刚性接触面是刚性体的表面。刚性接触面可以定义为一个解析面或者基于刚性体的单元表面定义。

解析刚性接触面有两种基本形式。在二维模型中给出的解析刚性接触面是一个二维的分段刚性面。接触面的横截面轮廓线可在二维平面上用直线、圆弧和曲线定义。三维的刚性接触面的横截面可用相同的方式在用户指定的平面上定义。这样这个横截面可以绕一个轴扫掠成回旋面或沿一个矢量拖拉成三维的面，如图13-4所示。

解析型的刚性接触面的优点在于只用少量的几个点便可定义，并且计算效率高。然而在三维情况下，创建的形状受到限制。

离散形式的刚性面是基于构成刚性体的单元的，这样它可以创建比解析刚性面更为复杂的刚性接触面。离散的刚性面创建的方法与可变形体的面的创建方法相同。

在涉及刚性接触面的接触问题建模时，有一些问题需要考虑，请参阅ABAQUS用户手册的相关章节。下面将一些较为重要的问题在此叙述。

图13-4 解析型的刚性接触面

在接触相互作用中，刚性接触面永远是主面。

刚性接触面要足够大以保证从属结点不滑出该面和落到其背面。如果这种情况发生，解通常不能收敛。应延展刚性面或沿其周边弯折边角（见图13-5）避免从属结点落到主面的 背面。

图13-5 延展刚性面预防收敛问题

变形体的网格要剖分得足够精细，以便于与刚性面上的特征相互作用。如果与刚性面相接触的单元的尺寸为20mm，而刚性面上有10mm宽的特征，则没有点来描述这个特征，刚性接触面的形状将侵入可变形的接触面，如图13-6所示。

图13-6 刚性接触面侵入可变形的接触面

当可变形的接触面网格剖分得足够细时，ABAQUS将阻止刚性面对从面的侵入。

ABAQUS/Standard的算法要求接触相互作用的主面光滑。刚性接触面永远是主面，所以要求其光滑。ABAQUS并不要求离散的刚性接触面光滑，但提高离散的刚性接触面细化水平可以控制光滑度。解析的刚性接触面上有突变的角要用倒圆角，使其光滑。如图13-7所示。

刚性接触面的法向永远指向与之接触的从面。如果这一要求没有满足，ABAQUS将认为可变形的从面上的所有点都为过约束；分析因收敛困难而中断。

解析刚性接触面的法向定义为：按构成刚性面的每条线段和弧线的起点至终点的矢量方向逆时针旋转90°来确定，参见图13-8所示。

由于离散的刚性接触面由刚性单元所生成，所以其法线在生成刚性单元时就已经定义了。

图13-7 光滑解析刚性接触面(www.xing528.com)

图13-8 解析刚性接触面的法向

■接触相互作用

在ABAQUS模拟分析中，通过给接触相互作用赋于面的名字来定义两个面之间可能的接触。在定义接触相互作用时，必须指定相对滑动量是小量还是有限量。

默认设置是较为普遍的有限滑动公式。如果两个表面相对滑动的量比单元面特征尺度小得多时，使用小滑动公式使计算的效率更高。

每个接触相互作用必须调用接触属性，这与每个单元必须调用单元属性的方式类似。接触属性包括摩擦这类的本构关系。

■从面和主面

ABAQUS使用单纯的主-从接触算法：从面上的结点不能侵入主面的任何部分；而该算法对主面没有作限制；主面可以在从面的结点之间侵入从面，如图13-9所示。

图13-9 主面可以侵入从面

因为存在严格的主-从关系，所以必须小心地选择主、从接触面以获得最佳的接触分析结果。一些简单的规则如下：

◆从面应该是网格划分得更精细的面；

◆如果主、从面的网格密度相近，从面应定义在较软的材料部件上。

■小滑动与有限滑动

当使用小滑动公式时，ABAQUS在分析开始时就建立从属点和主面之间的关系。一旦ABAQUS确定主面的哪个部分将与从面的结点发生作用，在整个分析过程中这些关系维持不变，决不改变主面的那个部分与从属接触表面的结点的作用关系。

如果模型中有几何非线性，小滑动算法要考虑主面的转动和变形及由此改变的载荷路径，随着载荷路径改变而改变接触力。如果在模型中没有几何非线性，则忽略主面的转动和变形，载荷的路径维持不变。

有限滑动接触公式要求ABAQUS频繁判断主面上的区域与从面的每个结点的接触状态。这个计算很复杂，尤其是两个接触体都在变形时。在这种模拟过程中的结构可以是二维的也可以是三维的。

当结构折叠靠向自身时就发生了自接触，在变形体自接触问题中，ABAQUS也可使用有限滑移公式。但这个功能仅对二维问题（平面应力、平面应变及轴对称）有效。

有限滑动公式对刚—柔接触的计算没有柔—柔接触的计算那么复杂。在主面是刚性的情况下，有限滑动分析可应用在二维和三维的模型中。

■单元选择

为接触分析选择单元时，一般来说，在将会形成从面的模型部分最好用一阶单元。

二阶单元在接触分析中有时可能会出现问题，原因在于二阶单元对均布的压力计算结点等效载荷的方式上。例如A面上一个二维的二阶单元对均布压力p的结点等效载荷，如 图13-10所示。

图13-10 作用在二维的二阶单元上的均布压力的等效结点载荷

接触算法的关键是确定作用在从面结点上的力；而这种算法很难从图13-10所示的分布中区分究竟是均布接触压力还是单元的实际分布力。

对于三维二阶块体单元的等效结点力更会引起混淆，因为在均布压力作用下，这些结点力甚至连符号都不相同，这使得接触算法遇到很大的困难，尤其对于非均匀的接触更是如此。

因此，为了避免这类问题，ABAQUS自动地在二阶三维实体或楔型体单元中的面上加一个中面结点，来标识从面。

对于均布压力，虽然带有中面结点的二阶单元的各等效结点力量值有相当大差异，但每个结点力与均布压力有相同的正负号。

对于作用的压力，一阶单元的各等效结点力总是与其正负号和量值一致。因此，由结点力所表示的给定力的分布与接触状态之间没有歧义性。

如果几何形状复杂并需要用自动剖分形成网格时，在ABAQUS中应该用修正的二阶四面体单元（C3D10M），C3D10M单元专门用于复杂接触的分析。

标准的二阶四面体（C3D10）的角结点接触力为零，这样将导致接触压力的预测值很差。因此C3D10单元不应该在接触问题中使用。而修正的四面体单元（C3D10M）可以计算出精确的接触压力。