Hypermesh联合Abaqus仿真：接触专题（二）

在接触专题（一）中，我们已经对abaqus接触理论知识做了介绍。本讲重点介绍在hypermesh中如何创建接触。

1. Hypermesh 接触管理器

hypermesh版本的界面有过几次大的变动，其中比较经典的版本如hypermesh2014版、hypermesh2020版。Hypermesh2014版本有专门的接触管理器（tool→ contact manager），从2017版后面取消了这个功能，将接触（contact）单独做成了browser，如下图：

Contact browser的界面如下图：

共分为3个模块：

A：创建接触面；接触属性；set集；component显示等

B：创建接触对 、通用接触 、自动探测创建接触对、接触绑定 等

C： 是模块B的属性栏

2. 接触绑定/接触对三要素

接触绑定、接触对这两种方式的操作流程如下图：

3. 接触绑定（tie）

绑定（Tie）约束用于将模型中的两个区域（面或节点区域）绑定在一起，使它们之间没有相对运动。绑定接触大幅度减少计算时间，因为不需要判断接触区域的接触状态，减少因接触造车的不收敛问题。

尤其是当模型调试不收敛时，可以采用接触绑定方式来排除接触造车不收敛因素的干扰。

Step1：建立主从面set集。

SURFACE_NODE：只能用于点-面接触的从面

SURFACE_ELEMENT：用于点-面接触的主面或者面-面接触

Step2：建立绑定接触

Contact type为TIE

接触绑定中的basic options有几个选项需要注意一下：

1. Options：position tolerance 用于设置被绑定的从面节点的区域，位于该公差以外的从面节点将不被绑定
2. Adjust：该选项用于调整从面节点的初始位置，使被绑定的从面节点移动到与主面接触的位置。该功能仅仅是对模型几何的调整，不产生应力/应变
3. No thickness：选择是否考虑壳的厚度

由于此处篇幅有限，如果想了解abaqus求解器在hypermesh中各个选项的含义和用法，可以关注我的微信公众号，小编后续会发布hypermesh联合abaqus仿真分析专题视频教程。

4. 接触对（contact pair）

4.1 创建方法

Step1：创建主从面

Step2：创建接触属性

Step3：创建接触对，并设置相关选项

4.2 Contact property卡片解释

1. Surface behavior

该选项比较重要。主要对接触面的法向方向的属性进行定义。如压力-过盈的关系、接触算法（罚函数、拉格朗日算法等）、接触面是否分离。

在abaqus/standard接触分析中，该项一般常规设置如下：

接触面法向约束分为两类：

一是接触面始终不分离（NoSeparation）；

二是接触面可以分离，即法向压力-接触过盈关系方法（pressure-overclosure）

在 Abaqus / Standard 中对于压力-接触过盈关系又有三类施加方法:

1. 直接法（direct）
   

直接法对每个约束都严格地施加给定的压力与过盈行为, 不近似施加或者使用扩展迭代。

1. 罚函数法（penalty）
   罚方法是硬接触的刚性近似。
   

1. 增广拉格朗日方法（augmentedLagrange）

扩展的拉格朗日方法使用与罚方法类型相同的刚性近似, 但是也使用扩展迭代来改善近似施加约束时的精度。

默认的约束施加方法取决于相互作用特征, 规则如下：

1. 如果 “硬” 的压力与过盈关系是有效的, 则有限滑动的面-面的接触 ( 包括通用接触) 默认使用罚方法。 如果 “硬” 的压力与过盈关系是有效的, 则默认情况下, 为使用节点-面离散化的三 维自接触使用扩展的拉格朗日方法。
2. 在所有其他情况中, 默认使用直接法。 当选择接触施加方法时, 用户应考虑下面的因素:
3. “软” 的压力与过盈关系的接触对必须使用直接法
4. 直接法严格地施加与约束方程一致的指定压力与过盈行为。
5. 罚约束或者扩展的拉格朗日约束施加方法, 有时以损失求解精度为代价 (通常较小) 来得到更有效率的解 (通常由于降低了每次迭代的求解成本和减少了每次分析的整体迭代数量）。
6. 接触阻尼 （contact damping）
   

Clearance1（c1）：接触间隙； c0：初始接触间隙
Eta（η）：对于线性阻尼阻尼系数η = 0；对于双线性阻尼系数η = c/ c0 )
DampingCoeff（μ0）；接触阻尼系数，指定阻尼系数以使阻尼力直接与面之间的相对运动速率成比例。

1. friction定义切向行为（摩擦）
   这个选项用来将摩擦属性引入到接触面上。Abaqus总共有6种方式定义摩擦系数。
   No parameter：软件默认的方式 ，这个选项也是工程中使用最多的方式。
   ROUGH：粗糙，用于指定完全无滑动的摩擦
   USER：用户，用于用户子程序定义的摩擦
   ELASTIC SLIP：弹性滑动，用于粘性摩擦
   LAGRANGE：拉格朗日，用于摩擦的拉格朗日乘子公式（the Lagrange multiplier formulation）。
   SLIP TOLERANCE：滑动容许值。
   

Friction_coef：定义摩擦系数，通常取值0.1-0.2左右。该摩擦系数默认是静摩擦系数。
如果要定义动摩擦系数（动力学分析），需要勾选exponentialDecay选项。

4.3 接触面（surface_element）

相互接触的主面、从面创建方法为：contact 界面 → create→ contact surface → SURFACE_ELEMENT：

4.4 contact pair卡片详解

由于basic options 和advanced options选项特别多，在此无法一一列举解释。仅仅挑选使用最频繁的几个选项。

1. adjust
   

主从面之间根据接触间距的不同存在三种情况：有间距（gap）、刚好接触、渗透（penetration）
Adjust ＜0 ：不允许，求解会报错
Adjust = 0 ：将从面节点发送渗透（penetration）到主面上的节点移动到主面表面。
Adjust ＞ 0：将不管是处于间距和渗透的从节点移动到主面上。
知识点：工程中通常使用a=0，并且网格不能有很大的穿透，或者不适用该选项。

1. 点-面接触、面-面接触
   根据模型中接触区域适用情况选择主从面的接触类型，如下图：
   

1. Clearance
   为小滑动接触定义精确的初始间隙或者过闭合 ，只用用于小滑移（small sliding）
   

5. 自动探测创建接触对（Auto-Contact ）

该功能是自动检测接触对并创建多个面面接触，适合接触比较多的零件。

6. 通用接触（general contact）

6.1 创建方法

Contact type为 General_CONTACT，如下图：

1. Step1：定义通用接触区域

用户通过定义通用接触包含物（contact inclusion）和排除物（contact exclusion）来指定可以彼此接触的区域。 在模型定义中仅允许存在一个接触包含物定义和一个接触排除物定义。

1. 定义接触包含物（contact inclusions）
2. 为整个模型指定 “自动的” 接触：

输入文件用法: 同时使用以下两个选项为整个模型指定 “自动的” 接触:

∗CONTACT

∗CONTACT INCLUSIONS, ALL EXTERIOR

使用 ALL EXTERIOR 参数时, ∗CONTACT INCLUSIONS 选项不应当具有数据行

1. 定义接触排除物（contact exclusions）

用户可以通过定义应从接触中排除的模型区域来细化接触区域。

定义接触排除物的可能 积极作用包括:

● 避免物理上不合理的接触相互作用。

● 通过排除不大可能发生相互接触的模型零件来提高计算性能。

Abaqus 将忽略所有指定面对的所有接触, 即使这些相互作用是在接触包含物定义中直 接或者非直接指定的。

Step2：创建接触属性并赋予给通用接触

接触属性创建方法和接触对方式定义接触基本一致，略。

6.2 通用接触的面属性（surface property assignment）

1. 面属性赋予
   ● 可以用来为一个面域指定几何修正。
   ● 可以用来改变基于结构单元的面区域使用的接触厚度, 或者为基于实体单元的面区域 添加接触厚度。
   ● 可以用来为基于壳、 膜、 刚性和面单元的面区域指定面偏置。
   ● 可以在一个通用接触区域中, 有选择性地应用于某具体区域;
   ● 不能施加于分析型刚性面。
2. 赋予面属性
   输入文件用法: ∗SURFACE PROPERTY ASSIGNMENT, PROPERTY
   此选项必须与∗CONTACT 选项一起使用, 并且对于以下讨论的每个 PROPERTY 参数的值应至多出现一次; 用户可以根据需要重复 使用数据行, 来为不同区域赋予面属性。
3. 面的几何修正
   默认的面厚度等于原始父单元的厚度。 另外, 用户可以为面厚度指定一个值, 或者指定 一个厚度比例因子。 可以为实体单元面赋予一个非零的厚度, 例如, 在模拟有限厚度表面涂 装的影响时。
4. 面偏置

面偏置是薄物体的中面与其参考平面 (通过节点坐标和单元连接性来定义) 之间的距 离。 它是通过用偏置分数 (定义为面厚度的百分比) 乘以面厚度和单元面片法向来计算得 到的。