ls-dyna的Smoooth contact

2016-11-15 by:CAE仿真在線來源:互聯網

摘要:

本文的目的是介紹dyna中一種新型的接觸:smooth contact(光滑接觸),傳統的接觸基于節點和單元,光順接觸從剛體網格擬合出一個新的光順面,新的傳統計算就基于這個擬合出來的面。此新接觸算法有更高精度的接觸力計算并可以提高回彈計算精度。此外,還可以降低結果對用戶的依賴(因用戶不同,結果亦不同)。

引言:

對接觸界面上的滑移和沖擊處理一直是lsdyna的一項重要功能。接觸面可以由三角形和四邊形網格以任意順序定義為三維的接觸面的兩邊,一邊接觸面定義為從面,另一面定義為主面,這兩個面上的節點分別為從節點和主節點。

傳統的成形接觸

在金屬板料成形沖壓仿真中,一個特別的接觸算法即*CONTACT_FORMING...被采用,此接觸算法基于罰函數法,換言之,此種算法,在所有穿透節點和接觸面之間有一個法向界面彈簧,界面接觸剛度與法向指向接觸面的單元的接觸剛度數量級一致(The interface stiffness is chosen to be approximately the same order of magnitude as the stiffness of the interface elemnet normal to the interface)。相應地,計算時間步不受接觸面的影響。然而,如果接觸壓力太大,會發生不可接受的穿透,此時可調高接觸剛度或者縮小時間步,解決穿透太大的問題,使我們可以繼續使用罰函數法。

罰函數法基于三角形和四邊形單元,而不是一個光滑面。當曲率太大時這可能會導致明顯的數值噪音。圖1是一個夸張的例子用于示例穿透接觸算法的穿透問題。在圖1中,我們假定主面一側是一個光滑曲線,在單元劃分中被劃分為三段,節點A和B為從節點,理論上講,節點A應該接觸光滑曲面(光滑曲線表示),實際上傳統的接觸算法不會發現這一接觸,知道節點移動靠近線段,如節點B的位置,此時從節點被認為已與主面接觸。當節點A移動到A‘位置是,穿透被檢測到,但是穿透可能會非常大。作為結果,一個巨大的接觸力將會作用到節點A‘,這會導致接觸力的巨大跳動。當接觸力過大時,計算本身也是不平穩的。

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圖1 傳統接觸算法穿透示例

另一個與傳統接觸算法想關聯的問題是接觸法向的計算。在傳統接觸算法中,每一個主segment(element)是獨立的,因此,不可能有相鄰單元的信息。接觸力總是發生在主面的法向方向。如果曲率不大,這一問題還不嚴重,如果曲率較大,當從節點運動到單元的頂點區域時,一個小的位置的改變,從節點可能會與不同的主面發生接觸,接觸力的法向會基于不同的主面單元,作為結果,殘余接觸力計算會有一個明顯的攝動(變化)。這在圖2中可以明顯的看出來。

圖2 接觸力法向變化示例

從上面的分析可知,傳統的接觸算法有明顯的缺陷。它可以導致明顯的錯誤在計算穿透和接觸法向。作為結果,應力分布以及回彈會受到負面影響。因此,研究一個改進的接觸算法成為一個熱門的研究課題。

光滑接觸

在20世紀90年代,人們開始注意傳統接觸算法的不光滑性。首先,一個基于CAD曲面(IGES和VGA格式)應用于LSDYNA,使用這種方法,用戶只是應用CAD曲面定義接觸面。

這種方法由于其自身的限制,只有有限的應用。首先,CAD曲面通常是not clean(你們懂的!),有間隙,小碎面,重疊等。這些‘dirty’CAD曲面使得接觸搜索變得異常困難,其次,計算速度相比傳統接觸方法也是慢的多,通常要多花6倍的CPU時間,最后,在典型的CAD曲面中包含不同的實體,要支持這些實體,還是相當的困難。作為結果,基于曲面的接觸只有之實驗室里面還有一些用途。

最近,LSTC發展了一種新的接觸算法以滿足要求,這這種方法中,曲面片擬合考慮了附近單元的信息,曲面片邊界處有了G1聯系性,傳統計算將基于擬合的曲面片。

曲面擬合

為了滿足健壯性,曲面擬合(創建曲面擬合單元拓撲)必須是可靠的因為任何的曲面缺陷都會影響接觸力的計算.LSTC獨立發展了一個邊界檢測算法,這對曲面擬合相當關鍵。B樣條曲面用來描述曲面片。我們已經運行了很多數值測試來證明曲面擬合算法的健壯性。圖3顯示了一些曲面擬合的結果,從中可以清楚的表面新曲面可以準確的表示真實的光滑曲面。

圖3 不同單元的曲面擬合

光滑接觸算法的有效性

在曲面擬合算法充分測試后,LSTC發展了一種新的接觸搜索算法,基于曲面片。有了這個新算法,光滑接觸便的健壯和有效(僅僅10%-20%多余計算時間)

光滑接觸已經用于LSDYNA的MPP以及SMP版本。要激活光滑接觸,只需要包含"_smooth"在傳統的接觸定義中,而其他關鍵字不變。

為了使用光滑接觸,對于主面有一些單元質量要求。首先,不允許有重疊單元。第二,單元法向要一致,最后,單元是要相連接的。使用當前的任何前處理程序,要實現上面這些要求還是比較容易的。(注:Dynaform現在定義主面是用Part set的形式來定義的,若用光滑接觸,就得改用part了。)

很多測試被設計用于測試這一代碼,這里有一個小而有代表性的例子,這這一測試中,在90度的倒角區域只有一個單元,測試考題是 NUMISHEET‘93 U-channel。在第一次計算中,未使用光滑接觸,因此成形中可以觀察到板料形成了一個尖角,在圖3中可見,在第二個計算中,使用了smooth選項,在圖4中可見,成形時板料沒有隨工具網格的形狀,而是隨一個光滑面。

圖3

圖4

一些依賴用戶的結果

從前面的學習中,獲得了一些優化的參數,有了這些優化參數,回彈預測變的更加的穩定和精確。然而,一些優化參數對新材料需要修改,因此,個人的經驗對最終的預測有著明顯的影響。

一個很重要的參數是SLSFAC,它定義了接觸剛度。如果使用一個較大的值,接觸可能過于剛硬而導致回彈計算值偏小,而如果使用一個較小的值,可能會導致較大的穿透而同樣影響回彈預測。圖5顯示了NUMISHEET93 U-channel回彈角預測和SLSFAC參數值之間的關系。實際上,大部分依賴用戶的回彈預測值的變化都與SLSFAC值有關。

圖6

另外一個對回彈有重要影響的參數就是剛體網格質量。在圓角部分的單元數量對回彈有明顯的影響。我們發現,在90角上最少6個單元是必要的。

使用了光滑接觸后,光滑曲面片別用于接觸力的計算。作為結果,圓角區域的剛體網格的數量可預見地對回彈預測結果的影響會縮小,接觸力計算中的噪音也會顯著變小。為了證明這一點,一個間的測試。還是使用NUMISHEET 93 U-channel,在這次模型中,剛體單元的網格尺寸每次都改變,90度圓角上的單位數量從1個變到10個,表1顯示了90度圓角上只有一個單元回彈較的預測值是19.9度,而其他預測都是在21度左右,因此可以看到,光滑接觸可以明顯的較少網格數量對結果的影響。

表1

使用光滑接觸,與傳統接觸相關聯的缺點都能夠顯著的克服。可以預見檢查力和方向的計算的變化都會明顯變小。此外,穿透節點也可以更早地被發現。因此,也可以避免大穿透。相應地,接觸剛度或者SLSFAC,對接觸力計算的影響也會變小。我們再次使用NUMISHEET 93 U-channel例子來證明光滑接觸的這一優點。在這次學習中,使用了三個例子,case A 使用傳統接觸算法,網格初始尺寸較大,并開啟了單元細分選項;case B 使用光滑接觸,使用較粗的初始板料單元,開啟網格細分選項;case C 使用光滑接觸,板料初始單元較細且關閉網格細分。SLSFAC值分別為0.1,0.05,0.01.結果表2所示。使用光滑接觸,回彈結果的變化較大,從4.4度到11度。而使用光滑接觸的case B 和case C,則更加穩定。從這一學習中,可見回彈結果對SLSFAC的依賴也變小了。而接觸力的計算(凸模力)也變的非常平滑。在case B 中,因為使用了單元細分,一些小的振動依然存在。