LS-DYNA中的接触问题(五)(接触参数)


本文翻译自官方文档,原文链接:

https://www.dynasupport.com/tutorial/ls-dyna-users-guide/contact-modeling-in-ls-dyna


5.罚函数缩放系数

       参数选项为:SFS 和 SFM (card 3, *CONTACT_option)

       所谓罚函数缩放系数可以用来增加或降低接触刚度。关键字*CONTROL_CONTACT中的SLSFAC可以缩放模型中所有基于罚函数并且SOFT设置为0或2的接触的刚度。SLSFAC 需要和SFS共同使用,也就是说实际的缩放系数为SLSFAC 和SFS的乘积。从面罚函数系数SFS和主面罚函数系数SFM都在关键字*CONTACT的卡3中设置。若在关键字*PART_CONTACT中设置了参数SSF,则实际缩放系数为SSF和前述缩放系数的乘积。对于设置为SOFT = 1的接触而言,前述这些缩放系数不会起到作用,设置卡A中的 SOFSCL参数用来缩放其接触刚度。(SOFT是关键字*CONTACT的设置卡A中的第一个参数)

6.罚函数缩放系数的相关建议

       在网格相似、材料相似的接触中,默认设置(SFS = SFM = 1.0SLSFAC = 0.1)即可;在网格和材料不同的接触中,如果SOFT = 0,那么需要修正相关设置。但是通常我们建议设置SOFT = 1同时保持缩放系数为默认设置。

7.接触厚度

       参数选项为:SST 和 MST (card 3, *CONTACT_option)

       用户可以通过SST和MST来设置接触厚度,如果保持默认值SST = MST = 0,那么接触厚度等于*SECTION_SHELL中设置的单元厚度。

8.接触厚度的相关建议

       有时可以通过修改SST和MST来减小接触厚度,以消除初始穿透,但与进一步精细化网格相比,这只是一个不太好的替代方案。如果需要调整这两个参数,我们建议根据实际情况来修改,若设置的数值太小,例如0.1mm,那么可能会出现问题,这是因为接触厚度用来确定在释放穿透节点之前所允许的最大穿透深度。通常情况下,增加接触厚度可以避免接触部件太薄所导致的计算失败的情况。根据经验,SST和MST不能小于0.6-0.7mm。

       由于修改SST和MST的值会应用到整个模型中的所有接触中,所以需要更谨慎的情况下,我们最好在关键字*PART_CONTACT中通过OPTT 或 SFT参数单独对某一部件的接触进行定义,尤其是在many parts of widely ranging thickness are included in a single contact这种情况下。

9.接触厚度缩放系数

       参数选项为:SFST 和 SFMT, card 3, *CONTACT_option) 

       除了直接修改接触厚度以外,我们还可以利用SFST 和(或) SFMT作为缩放系数来修改接触厚度。在关键字*SECTION_SHELL中,缩放系数和壳单元厚度相乘可得接触厚度,默认值均为1.0。

10.接触厚度缩放系数的相关建议

       相关建议内容已经上述第8节,但还是要特别强调设置缩放系数时不要使接触厚度小于0.6-0.7mm。

11. 粘性阻尼

       参数选项为:V DC (Card 2,*CONTACT_option)

       该参数默认为0。最初,接触粘性阻尼用来抑制金属成型模拟中接触面法向震荡,目前我们发现粘性阻尼对于碰撞和冲击问题中的高频震荡也有很好的抑制作用。

12.粘性阻尼的相关建议

       在有泡沫和蜂窝等软材料参与的接触中,经常会由于震荡而出现计算不稳定的情况。使用40-60的V DC (对应于40%-60%的临界阻尼)可以提高模型计算的稳定性,但这种情况下还应降低时间步缩放系数。通常若参与接触的为材料相近的金属材料,那么可以选取较低的值,例如20。

13.接触面扩展

       参数选项为:MAXPAR (Optional Card A , *CONTACT option)

       这一参数用来增大接触面以弥补基于面段投影的接触的固有缺陷。自950d版本开始,除了*AUTOMATIC_GENERAL,这一参数不再用于自动接触选项中。

       下图所示为从中面投影形成面段的情形。可以看到在外凸的面的角落出现了一个开放的空间或者成为间隙,从节点可以从这里进入接触面而不会被检测到穿透。这种从节点突然穿过间隙导致的穿透会导致接触不稳定,接触能为负等问题。为了解决这一问题,程序将接触面自动沿接触面平面的方向进行了少量的扩展(同样还是沿接触面的法向投影而来),从而可以填充间隙。


利用 MAXPAR选项的接触面扩展,这一方法在自动接触中已经被淘汰。

14. 接触面扩展的相关建议

       MAXPAR的默认值1.025适用于大部分接触问题,这是因为大部分薄片状的金属部件的厚度都不超过3-4mm。但是当接触中出现非常厚的部件(5-10mm)或者有棱角的面时,计算可能会出现不稳定的情况。这种不稳定可以通过降低接触厚度来解决,也可以通过增加接触面扩展系数MAXPAR(最高不可高于1.2),将有棱角的面进一步细化网格也可以起到作用。与默认值相比,修改后的MAXPAR会消耗相对较多的计算成本。

15.桶排序频率(Bucket-Sort Frequency)

       参数选项为:BSORT (Optional Card A , *CONTACT ), NSBCS, (Card 2, *CONTROL_CONTACT)

       桶排序是一种非常有效的识别给定从节点对应的潜在主面的接触搜寻方法。但是这种方法在接触算法中是计算成本相对较高的一部分,所以为了降低计算时间,应尽量次数最少地运行桶排序的次数。如果考虑了厚度偏置,那么所用接触中都会使用桶排序来追踪可能的接触面。BSORT选项可以指定两个桶排序计算之间的时间步数量。根据接触类型的不同,默认的桶排序间隔为10-100次循环。除了高速冲击模拟外,默认值已经是足够使用的了。当节点在短时间内移动于不连续的面或接触面自我折叠时,应提高桶排序计算频率,也就是降低BSORT的值。如果两个简单连接的光滑表面相互移动并且没有折叠(此句存疑),那么以较大间隔运行桶排序算法。需要注意的是如果两个面之间的距离远远大于面段宽度的数倍,程序将不会存储有关未来将会发生的接触的相关信息,之后会运行桶排序来提取接触信息。一旦某一从节点开始接触,局部搜寻为追踪到这一动作,此时对已经开始接触的这一节点进行桶排序运算就是不必要的了。

16. 桶排序频率的相关建议

       在某些部件以很快速度相互接近的接触问题,例如气囊问题中,比默认值更频繁的桶排序算法对接触计算很有帮助。桶排序频率较低的一个标志是接触计算莫名其妙地绕过了某些穿透节点。在这种情况下,用户可以在*CONTACT中修改 BSORT或者在*CONTROL_CONTACT中修改NSBCS以降低桶排序计算间隔。很少会用到小于10的参数值。

17.最大穿透深度

       参数选项为:PENMAX (Optional card B , *CONTROL_CONTACT), XPENE (Card 2, *CONTROL_CONTACT)

       为了避免计算的不稳定,程序会释放出现较大穿透的从节点,但是这些从节点仍然会参与其他计算过程。(设置最大穿透深度的目的)是为了使与最大穿透深度成比例的较大的接触力不会作用于那些可能会导致计算不稳定出现的节点上(即穿透较深的节点-注)。对于那些为了避免由于节点穿过壳中面而导致接触力方向突然翻转这一情况发生而考虑厚度偏置的接触类型来说,这一选项也是很有必要的。

       对于SHLTHK = 0的非自动接触类型,最大穿透深度为1e + 20,也就是不会有任何一个节点被释放。当SHLTHK = 1 或 2时,XPENE参数给出了释放节点的准则如下:

       Max Distance (Solids) = XPENE (default=4.0)*(thickness of the solid element), SHLTHK = 1

       Max Distance (Solids) = 0.05 * (thickness of the solid element), SHLTHK = 2

       Max Distance (Shells) = XPENE (default=4.0) * (thickness of shell element), SHLTHK = 1

       Max Distance (Shells) = 0.05 * (minimum diagonal length), SHLTHK = 2

       在自动接触和单面接触中,除了AUTOMATIC GENERAL,最大穿透深度是PENMA的函数,默认值为0.4:

       Max Distance = PENMAX * (thickness of the solid)

       Max Distance = PENMAX * (slave thickness + master thickness)

       对于AUTOMATIC GENERAL,PENMAX默认值为200,没有节点会被释放。

18.最大穿透深度的相关建议

       我们建议使用默认值,如果出现了穿透较深并被释放的节点,首选方案应是增加接触刚度,改变罚函数算法(SOFT)或增加接触厚度。

(未完待续)

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