ls-dyna的Smoooth contact

2016-11-15 by:CAE仿真在线来源:互联网

摘要:

本文的目的是介绍dyna中一种新型的接触:smooth contact(光滑接触),传统的接触基于节点和单元,光顺接触从刚体网格拟合出一个新的光顺面,新的传统计算就基于这个拟合出来的面。此新接触算法有更高精度的接触力计算并可以提高回弹计算精度。此外,还可以降低结果对用户的依赖(因用户不同,结果亦不同)。

引言:

对接触界面上的滑移和冲击处理一直是lsdyna的一项重要功能。接触面可以由三角形和四边形网格以任意顺序定义为三维的接触面的两边,一边接触面定义为从面,另一面定义为主面,这两个面上的节点分别为从节点和主节点。

传统的成形接触

在金属板料成形冲压仿真中,一个特别的接触算法即*CONTACT_FORMING...被采用,此接触算法基于罚函数法,换言之,此种算法,在所有穿透节点和接触面之间有一个法向界面弹簧,界面接触刚度与法向指向接触面的单元的接触刚度数量级一致(The interface stiffness is chosen to be approximately the same order of magnitude as the stiffness of the interface elemnet normal to the interface)。相应地,计算时间步不受接触面的影响。然而,如果接触压力太大,会发生不可接受的穿透,此时可调高接触刚度或者缩小时间步,解决穿透太大的问题,使我们可以继续使用罚函数法。

罚函数法基于三角形和四边形单元,而不是一个光滑面。当曲率太大时这可能会导致明显的数值噪音。图1是一个夸张的例子用于示例穿透接触算法的穿透问题。在图1中,我们假定主面一侧是一个光滑曲线,在单元划分中被划分为三段,节点A和B为从节点,理论上讲,节点A应该接触光滑曲面(光滑曲线表示),实际上传统的接触算法不会发现这一接触,知道节点移动靠近线段,如节点B的位置,此时从节点被认为已与主面接触。当节点A移动到A‘位置是,穿透被检测到,但是穿透可能会非常大。作为结果,一个巨大的接触力将会作用到节点A‘,这会导致接触力的巨大跳动。当接触力过大时,计算本身也是不平稳的。

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图1 传统接触算法穿透示例

另一个与传统接触算法想关联的问题是接触法向的计算。在传统接触算法中,每一个主segment(element)是独立的,因此,不可能有相邻单元的信息。接触力总是发生在主面的法向方向。如果曲率不大,这一问题还不严重,如果曲率较大,当从节点运动到单元的顶点区域时,一个小的位置的改变,从节点可能会与不同的主面发生接触,接触力的法向会基于不同的主面单元,作为结果,残余接触力计算会有一个明显的摄动(变化)。这在图2中可以明显的看出来。

图2 接触力法向变化示例

从上面的分析可知,传统的接触算法有明显的缺陷。它可以导致明显的错误在计算穿透和接触法向。作为结果,应力分布以及回弹会受到负面影响。因此,研究一个改进的接触算法成为一个热门的研究课题。

光滑接触

在20世纪90年代,人们开始注意传统接触算法的不光滑性。首先,一个基于CAD曲面(IGES和VGA格式)应用于LSDYNA,使用这种方法,用户只是应用CAD曲面定义接触面。

这种方法由于其自身的限制,只有有限的应用。首先,CAD曲面通常是not clean(你们懂的!),有间隙,小碎面,重叠等。这些‘dirty’CAD曲面使得接触搜索变得异常困难,其次,计算速度相比传统接触方法也是慢的多,通常要多花6倍的CPU时间,最后,在典型的CAD曲面中包含不同的实体,要支持这些实体,还是相当的困难。作为结果,基于曲面的接触只有之实验室里面还有一些用途。

最近,LSTC发展了一种新的接触算法以满足要求,这这种方法中,曲面片拟合考虑了附近单元的信息,曲面片边界处有了G1联系性,传统计算将基于拟合的曲面片。

曲面拟合

为了满足健壮性,曲面拟合(创建曲面拟合单元拓扑)必须是可靠的因为任何的曲面缺陷都会影响接触力的计算.LSTC独立发展了一个边界检测算法,这对曲面拟合相当关键。B样条曲面用来描述曲面片。我们已经运行了很多数值测试来证明曲面拟合算法的健壮性。图3显示了一些曲面拟合的结果,从中可以清楚的表面新曲面可以准确的表示真实的光滑曲面。

图3 不同单元的曲面拟合

光滑接触算法的有效性

在曲面拟合算法充分测试后,LSTC发展了一种新的接触搜索算法,基于曲面片。有了这个新算法,光滑接触便的健壮和有效(仅仅10%-20%多余计算时间)

光滑接触已经用于LSDYNA的MPP以及SMP版本。要激活光滑接触,只需要包含"_smooth"在传统的接触定义中,而其他关键字不变。

为了使用光滑接触,对于主面有一些单元质量要求。首先,不允许有重叠单元。第二,单元法向要一致,最后,单元是要相连接的。使用当前的任何前处理程序,要实现上面这些要求还是比较容易的。(注:Dynaform现在定义主面是用Part set的形式来定义的,若用光滑接触,就得改用part了。)

很多测试被设计用于测试这一代码,这里有一个小而有代表性的例子,这这一测试中,在90度的倒角区域只有一个单元,测试考题是 NUMISHEET‘93 U-channel。在第一次计算中,未使用光滑接触,因此成形中可以观察到板料形成了一个尖角,在图3中可见,在第二个计算中,使用了smooth选项,在图4中可见,成形时板料没有随工具网格的形状,而是随一个光滑面。

图3

图4

一些依赖用户的结果

从前面的学习中,获得了一些优化的参数,有了这些优化参数,回弹预测变的更加的稳定和精确。然而,一些优化参数对新材料需要修改,因此,个人的经验对最终的预测有着明显的影响。

一个很重要的参数是SLSFAC,它定义了接触刚度。如果使用一个较大的值,接触可能过于刚硬而导致回弹计算值偏小,而如果使用一个较小的值,可能会导致较大的穿透而同样影响回弹预测。图5显示了NUMISHEET93 U-channel回弹角预测和SLSFAC参数值之间的关系。实际上,大部分依赖用户的回弹预测值的变化都与SLSFAC值有关。

图6

另外一个对回弹有重要影响的参数就是刚体网格质量。在圆角部分的单元数量对回弹有明显的影响。我们发现,在90角上最少6个单元是必要的。

使用了光滑接触后,光滑曲面片别用于接触力的计算。作为结果,圆角区域的刚体网格的数量可预见地对回弹预测结果的影响会缩小,接触力计算中的噪音也会显著变小。为了证明这一点,一个间的测试。还是使用NUMISHEET 93 U-channel,在这次模型中,刚体单元的网格尺寸每次都改变,90度圆角上的单位数量从1个变到10个,表1显示了90度圆角上只有一个单元回弹较的预测值是19.9度,而其他预测都是在21度左右,因此可以看到,光滑接触可以明显的较少网格数量对结果的影响。

表1

使用光滑接触,与传统接触相关联的缺点都能够显著的克服。可以预见检查力和方向的计算的变化都会明显变小。此外,穿透节点也可以更早地被发现。因此,也可以避免大穿透。相应地,接触刚度或者SLSFAC,对接触力计算的影响也会变小。我们再次使用NUMISHEET 93 U-channel例子来证明光滑接触的这一优点。在这次学习中,使用了三个例子,case A 使用传统接触算法,网格初始尺寸较大,并开启了单元细分选项;case B 使用光滑接触,使用较粗的初始板料单元,开启网格细分选项;case C 使用光滑接触,板料初始单元较细且关闭网格细分。SLSFAC值分别为0.1,0.05,0.01.结果表2所示。使用光滑接触,回弹结果的变化较大,从4.4度到11度。而使用光滑接触的case B 和case C,则更加稳定。从这一学习中,可见回弹结果对SLSFAC的依赖也变小了。而接触力的计算(凸模力)也变的非常平滑。在case B 中,因为使用了单元细分,一些小的振动依然存在。