ADAMS接触属性与穿透现象深度剖析

1 接触力的计算方法

ADAMS 提供了三种接触力的计算方法：Restitution 、Impact 和User Defined 。Restitution是基于回归的补偿接触算法，由惩罚参数(施加了单面约束)和回归系数(决定了接触时的能量损失)计算接触力。Impact是基于碰撞函数的接触算法，ADAMS/Solver调用函数库中的IMPACT函数来计算接触力，参数有刚度、力指数、阻尼和穿透深度。User Defined支持用户自定义接触算法。下面介绍分析中使用较广的是Impact法。

ADAMS的接触力模型，分解为正压力和摩擦力两部分。正压力使用Impact法计算，摩擦力使用Coulomb法 计算。接触正压力的计算模型基于赫兹接触理论 ，采用Impact函数提供的非线性等效弹簧阻尼模型，接触力的广义表达式是弹性力和阻尼力两项叠加。弹性力是两个部件之间挤压变形、相互穿透产生，阻尼力是两个部件相对运动产生。

其中，

• K对应Stiffness，单位：N/mm。刚度越大，两物体的穿透量越小，积分求解越困难；刚度太小，不足以刻画真实接触情况。
• e表示Force Exponent，刚度项的贡献因子，越大，穿透量越大，金属参考值1.3~1.5，橡胶可取2~3，一般设为1.5。
• δ是Penetration Depth，单位：mm。阻尼达到最大值时的穿透深度，而不是最大穿透深度。实际穿透量大于设置值时，阻尼值开始完全起作用。根据碰撞动力学可知，两部件接触后，阻尼很快达到最大值，并且在接触过程中保持，故穿透深度的取值越小越好。考虑到分析收敛性，一般推荐取0.01mm。
• C为Dampling，通常取刚度值的0.1~1%，对应10~100N*s/mm。接触点的法向穿透深度小于临界值时，阻尼系数是穿透深度的三次函数；大于等于临界值时，阻尼值达到最大值。阻尼越大，穿透量曲线越平滑，碰撞力曲线越光滑。
• V为接触点的法向相对速度，单位：mm/s，是δ的一阶导数。

ADAMS摩擦力基于非线性摩擦模型，动摩擦和静摩擦根据接触体之间的相对滑移速度转换。Vs为静摩擦转变速度，Vd为动摩擦转变速度，μs为最大静摩擦系数，μd为动摩擦系数，满足Vs<Vd，μs>μd。当相对滑移速度位于[-Vs,Vs]，对应静摩擦系数[μs,-μs]。相对滑移速度的绝对值由Vs变为Vd，静摩擦向动摩擦转变。相对滑移速度的绝对值大于Vd，部件受动摩擦，摩擦系数保持为μd。

2 不同材料接触力参数设置

下表是不同材料接触参数设置。其中，K对应Stiffness，单位：N/mm。C为Dampling，单位：N*s/mm。e表示Force Exponent。δ是Penetration Depth，单位：mm。V为法向相对速度，单位：mm/s。R为恢复系数。

3 仿真穿透现象

发生穿透可能的原因有：

• 模型结构：发生接触的部件结构过于复杂，软件内嵌的判断准则难以正确识别接触是否发生；
• 仿真步长：动力学方程组求解时，将接触力引入广义矩阵中，每步迭代前，会判断是否接触，一旦发生接触，系统会自动调小迭代步长。步长设置不合理，将导致接触判断问题；
• 积分算法：不同的积分算法的适用范围有差异，如求解效率、稳定性等。选择不当，可能产生接触穿透。
  

根据穿透原因的分析，可以制定相应的解决方法，如：简化模型、调整仿真步长、修改求解器等。STEMer在实际仿真中确实遇到过这些问题，相同的模型前处理设置，不同的求解器，确实会对结果产生影响，甚至不收敛。在某多体弹簧碰撞模型中，接触参数设置不合理，导致部件运动不稳定，期望碰撞后部件位移一定距离，结果出现了往复运动现象；采用默认积分器，求解不收敛问题，更换积分器后，得到了预期结果。下图是设置修正前后的结果曲线(具体仿真模型不便于公开)，修正前的受力和位移结果是不正确的；而在修正后，得到了与实际情况近似的受力和位移曲线。

下面介绍下积分器、积分格式和积分误差。

积分器：常用的刚性积分器有GSTIFF 、WSTIFF 和BDF 三种，其计算效率和稳定性有差异。数值计算效率关系为GSTIFF>WSTIFF>BDF；稳定性关系为BDF>WSTIFF>GSTIFF。GSTIFF是常用/默认积分器，在求解失败时，可以尝试用BDF。

积分格式：有I3、SI2和SI1三种。I3格式求解快，但精度差；SI2考虑了约束方程，可避免雅克比矩阵的病态，求解慢，但精度高；SI1精度优于SI2，但计算代价大。

积分误差：设置迭代步的预测值与校正值之间的误差。积分误差大，容易迭代，但结果误差大；积分误差小，收敛过程慢。一般积分误差设为0.001。