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LS-DYNA中Mortar接触介绍

发布日期:
2024-10-28

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01.摘要 


本文介绍了隐式计算中常用的Mortar接触,主要内容有Mortar接触的适用范围、如何定义Mortar接触、主从(段)设置、接触属性调整(主要探究穿透量和接触刚度的关系)、输出信息控制(主要是穿透信息)、初始穿透的处理和阻尼因素等几部分。

02.基础 


通常可以在Automatic single surface, Automatic surface to surface 或Forming surface to surface关键字后面赋上后缀_Mortar就可以激活Mortar接触。Mortar接触也可以在tied接触和tiebreak接触里使用。所有Mortar接触均是段对段接触且基于罚函数法,同时tied接触和tiebreak接触总是偏移的,即壳体上的tie接触不是在中面而是在外表面上。对于自动接触,线接触总是激活flat edge选项。因此,适用于其他接触的一些更先进的特征功能可能不适用于Mortar接触,例如摩擦表格和正交各向异性摩擦,但另一方面,它具有隐式计算中特别关注的特征,而这些特征其他接触则不适用。Smp和mpp都支持Mortar接触 ,但选项MPP不适用,每个循环都进行bucket排序,且smp忽略flag选项。Mortar接触不适用SOFT flag选项,总结说来,Mortar接触是一种专门用于隐式分析的接触算法。

03.一般建议 


对于forming接触,刚体工具必须划分网格,以确保其网格法向朝着坯料,并且来自上下方的接触必须分为两个或多个面,因为对于给定的接触面,接触只能从坯料的一侧发生。对于forming接触,主侧上的刚性壳体没有接触厚度。Automatic自动接触则不同,它对网格没有限制,甚至刚性壳体也有接触厚度。对于所有的Mortar接触,建议主从侧的定义使用基于零件或零件集,但不是强制性的。如果接触的主从侧具有不同的刚度,则将刚度小的一侧作为从,以获得尽可能好的隐式收敛行为。上述主从设置在single接触中自动进行。Mortar single接触最近即便对于隐式分析来说也相当缓慢,但软件已经对效率进行了改进,使其在最新版本的LS-DYNA中更加实用。

04.接触属性  


Mortar接触中的接触压力是穿透量的函数,计算公式如下:

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其中,α=刚度放缩因子(SFS*SLSFAC)

Ks=从段的刚度模量

d=穿透量或穿透距离

ε=0.03,

dc=从段特征长度

同时,

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壳体的特征长度为壳体厚度,实体的特征长度是接触界面从侧的最小边,而dmax是最大穿透量,由主从侧平均特征长度的95%计算得出。对于实体,如果某些单元较小,则特征长度的定义可能会带来虚假的大刚度值,此时建议为实体接触从动侧手动设置SST为某个适当的特征长度。不幸的是,如果壳体和实体存在于同一接触中,将影响壳体接触厚度,因此目前建议将壳体和实体分离为不同的接触界面,并仅为实体接触设置SST。

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从上面的公式可以推导出,穿透量达到最大值的一半之前,接触刚度是穿透量的抛物线形式。IGAP=1时,对于更大的穿透量,仍将保持抛物线形式,但用户可以增加IGAP,这意味着穿透量较大时接触将变硬,实际上,在以下数学表达式的约束条件下下,它将变为立方形式(见上图,其绘制了接触应力与穿透量的函数关系,相对于最大穿透量的两倍)。


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增加IGAP的目的是防止穿透量超过最大允许值,因为如果穿透量大于最大允许值时达到收敛,则该接触将在后续步骤中失效,计算过程失败。这种较大的穿透可能会导致线性搜索的不连续性和其他令人失望的现象,参见*CONTROL_IMPLICIT_SOLUTION上NLPRINT=3的使用。用户当然可以通过增加SFS来缩放刚度,但这也会缩放小穿透量的刚度,并可能对收敛产生负面影响。

05.输出  


正如一般的隐式分析一样,当收敛开始变困难时,可以查看信息,考虑到前一节中所说的接触释放,了解穿透是否太大,从而成为潜在的计算风险将是有意义的事情。首先,初始穿透量总是在消息文件中报告,包括最大穿透量以及如何处理的初始穿透量。后者取决于IGNORE的值,下面将对此进行说明。此外,在关键字*CONTROL_OUTPUT上设置MINFO=1,LS-DYNA将输出最大穿透量绝对值以及每次平衡后的最大穿透量(百分比)。如果相对最大穿透量达到99%以上,则会输出一条警告消息,因为该接触即将释放。理想情况下,该百分比值应保持在约90%以下,以具有一定的容差。有三种方法可以减少最大相对穿透量:(1)增加IGAP;(2)增加实体的SST;(3)增加SFS。注意,通过增加实体的SST,接触刚度将自动降低,同时应将SFS增加SST增量的平方。也就是说,如果SST增加1倍,则SFS应增加4倍,如果SST增大3倍,则SFS应增加9倍,依此类推。在这种情况下,即使IGAP最初大于1,也可能需要增大一些数值。

06.初始穿透 


如上所述,初始穿透量总是在消息文件中报告,包括最大穿透量和如何处理初始穿透量。IGNORE控制后者,选项为:
  • IGNORE<0,穿透量与对应的绝对值相同,但完全忽略属于同一零件的段接触

  • IGNORE=0,初始穿透量将产生初始接触应力,即从动接触面未被修改

  • IGNORE=1,跟踪初始穿透量,即从接触面被转换到初始穿透量的水平,随后在分离时跟随主接触面,直到达到未修改的水平

  • IGNORE=2,忽略初始穿透量,即从接触表面被转换到初始穿透量的水平,可选的,初始接触应力由MPAR1控制

  • IGNORE=3,随着时间的推移,初始穿透量将被移除,即从接触表面被转换到初始穿透量的水平,并在MPAR1确定的时间内被推回到其未修改的水平

  • IGNORE=4 与IGNORE=3相同,但可以通过设置MPAR2参数允许大的穿透量,至少可以达到最大初始穿透量

IGNORE的使用取决于计算的问题,如果不存在初始穿透量,则根本不需要使用此参数。如果穿透量相对于最大允许值较小,则IGNORE=1或IGNORE=2似乎是合适的选择。对于IGNORE=2,用户可以设定一个初始接触应力,该应力要足够小,而不会对物理产生明显影响(即偏离实际太多,编者注),但又要足够大,以消除刚体模式,从而消除刚度矩阵中的奇异点。这样做的目的是通过使用SFST推动接触面并应用IGNORE=2选项来约束最初闭合但未接触的松散零件。至少有利于调试具有许多奇异刚体模式的问题。IGNORE=3是Mortar干涉的对应项,例如,如果希望在结构中安装橡胶构件,则使用该项。使用此选项,从模拟开始到MPAR1指定的时间,接触表面随着时间线性恢复。IGNORE=3的缺点是初始穿透必须小于接触特征长度的一半,否则它们初始状态将无法被检测到。因此,在初始穿透可以是任意大小的情况下引入了IGNORE=4,但它要求用户提供关于接触界面穿透水平的粗略信息。这是在MPAR2中设置的,MPAR2必须大于最大穿透力,否则将发生错误终止。IGNORE=4目前仅适用于实体单元。当通过对具有多个零件的模型进行模拟来消除穿透时,某些零件可能包含导致虚假自接触的薄构件。仅通过调整接触参数可能很难解决这些问题,但幸运的是,大多数情况下可以完全忽略零件内的自接触,因为在这种情况下,这些接触通常不感兴趣。IGNORE<0选项是为此目的使用的,也是解决此问题的一种方法。

06.阻尼 


阻尼可以使用VDC激活。隐式计算中接触阻尼的问题是,时间步长通常太大,而无法处理接触时间以获得所需阻尼效果。通常情况下使用阻尼可能使问题会变得更糟,因此不建议使用接触阻尼。

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