基于Hypermesh+Abaqus联合建模分析接触问题

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接触是工程力学领域广泛存在的一类现象，如齿轮啮合、轴承支撑、冲压成型和结构连接等。Hypermesh的优点是强大的前处理能力，尤其对于复杂几何模型，而Abaqus以优异的非线性求解能力而独步天下。接触问题本质上是一种非线性问题，求解此类问题时，自然而然地就会想着使用这两种软件来联合建模分析，将Hypermesh顶尖的前处理能力与Abaqus卓越的非线性求解能力结合起来，本文就是基于该目的来详细介绍其建模求解整个过程。

问题描述：两个正方体，上部有一根实心圆柱，下部有一根薄壁圆管。初始时刻，正方体与圆柱、圆管均不接触，均存在间隙。仿真过程由两步：

Step1：上圆柱、下圆管均固定，2个正方体往下移动1mm，与圆管接触并挤压圆管；

Step2：下圆管保持固定，上圆柱往下移动2mm，和正方体接触，再一起挤压圆管。

图1 仿真模型

1.前处理阶段（在Hypermesh中进行，选择Abaqus求解器。）

材料、单元属性的设置此处省略不讲。

(1) 打开Contact界面

依次选择Tools>Contact Browser，弹出Contact界面。

图2 打开Contact界面

(2)创建接触面

依次选择Create>Contact Surfaces>SURFACE_ELEMENT，选择接触面上的表面网格，上面的圆柱体是体，选择“add solid faces”，在“faces”选择器上选择圆柱面，再“add”，这样就创建了上圆柱的接触面，以突出的四面体显示。由于下圆管为壳单元，选择“add shell faces”，在“faces”选择器上选择下圆管面，再“add”，这样就创建了下圆管的接触面，同样以突出的四面体显示。

图3 创建圆柱、圆管的接触面

按照相同的步骤依次创建两个正方体的上、下接触面。

图4 创建正方体的接触面

(3)创建接触属性

依次选择Create>Contact Properties>SURFACE_INTERACTION，设置接触属性(主要包含材料、接触行为、摩擦系数等)，Card Imag选择“SURFACE INTERACTION”。

图5 创建接触属性

(4)创建接触对

依次选择Create>Contact_PAIR，选择主、从面，设置接触属性

图6 创建接触对

按照同样的方法设置其他3个接触对，见图7。

图7 所有的接触对

(5)施加约束

施加上圆柱、下圆管的固定约束，见图8。

图8 上圆柱、下圆管的固定约束

施加位移载荷模拟正方体往下移动1mm、上圆柱往下移动2mm。

图9 位移载荷

上圆柱往下移动时，正方体只有向下的自由度，为了计算稳定，需要约束其他方向的自由度，见图10。

图10 约束正方体自由度

(6)设置各约束的属性

初始状态上圆柱、下圆管都是固定的，所以Card Image为“INITIAL_CONDITION”。

图11 初始约束的属性设置

正方体、上圆柱的往下移动，Card Image为“None”。

图12 移动载荷的属性设置

(7)设置分析步

Step1：上圆柱、下圆管固定，2个正方体往下移动1mm，与圆管接触并挤压圆管。打开非线性项。

图13 第一个分析步

Step2：下圆管保持固定，上圆柱往下移动2mm，和正方体接触，再一起挤压圆管。打开非线性项。

图14 第二个分析步

(8)导出inp文件

图15 导出inp文件

2.导入Abaqus中计算(在Abaqus进行)

(1) 导入inp文件

依次选择文件>导入>模型，选择导出的inp文件，见图16。

图16 在Abaqus中导入inp文件

(2)检查模型

提交计算之前，需要依次检查设置导入Abaqus中是否正确。

图17 检查分析步设置

图18 检查接触对及属性

图19 检查并修改约束

在Step2中，两个正方体的Z向放开，不需要把Step1的位移1mm传递到Step2中，需要将其抑制(Deactivated)，否则的话正方体在Step2一直保持1mm的位移，无法沿Z向移动，计算会报错！

(3)提交计算

提交计算，计算完成，结果如图20。

图20 计算结果

3.总结

本文详细介绍了在Hypermesh中如何设置接触对(3D-3D，3D-2D)及其属性，导入Abaqus中的inp文件一般不能直接提交计算，需要逐步检查模型设置，否则容易报错。结合Hypermesh、Abaqus软件的优势，使用两者联合建模来解决接触问题，是一种值得推荐的方法。

来源：CAE与Dynamics学习之友

基于Abaqus的大变形自适应网格划分技术实例

Abaqus的ALE（ArbitraryLagrangian-Eulerian，任意拉格朗日-欧拉）自适应网格划分是一种用于处理大变形问题的技术，允许网格独立于材料移动，即使在发生大变形或材料丢失时，也可以在整个分析过程中保持高质量的网格。ALE是在Abaqus默认的Lagrangian算法（网格随材料同步变形，适用于小变形）基础上，增加网格自适应划分技术，因此可以把ALE看做是默认Lagrangian的增强版，在保留Lagrangian优势的同时，又引进了自适应网格划分技术，减少了大变形时的网格畸变。由于ALE自适应网格划分不改变网格的拓扑结构(不创建或删除单元)，这意味着该方法在极端变形情况下保持高质量网格的能力有一定的局限性，比如流体流动极端的变形分析，此时使用ALE可能仍然得不到可靠解，那就要用到纯Eulerian法了。ALE又可分为Abaqus/ExplicitALE和Abaqus/StandardALE，Abaqus/ExplicitALE主要用于模拟大变形问题，Abaqus/StandardALE主要用于声学领域，并用于模拟材料烧蚀或磨损。本文只针对Abaqus/ExplicitALE展开论述。Abaqus/ExplicitALE自适应网格可作为连续自适应网格划分工具，用于大变形的瞬态分析问题(如动态冲击、穿透和锻造问题)，在预计会有大变形的问题中，自适应网格划分所带来的网格质量的提高可以防止由于严重的网格畸变而导致分析终止。在这些情况下，可以使用自适应网格来获得比纯Lagrangian分析更快、更准确、更健壮的解决方案。本文中，主要讨论以下问题：正弦形状的模具向下运动，使矩形截面的橡胶坯件变形，分析橡胶坯件的受力情况，见图1。图1模具挤压橡胶坯件具体步骤如下：1.模型的建立橡胶坯件、模具分别使用二维可变形、解析刚体来表征，见图2。图2橡胶坯件、模具的创建2.材料属性的设置设置橡胶材料属性，赋给坯件，模具使用解析刚体来表示，因此不需要赋予材料。图3橡胶属性设置3.装配体的生成把以上两个部件按图1位置装配。4.分析步的设置分析类型选择“动力，显式”，时长为0.1s，打开几何非线性，增量步采用默认设置。图4设置分析步设置好了分析步，就开始设置ALE自适应网格划分，在分析步模块中，选择“其他>ALE自适应网格区域>管理器”，见图5。图5创建ALE弹出设置ALE设置界面，区域选择整个橡胶坯件。“频率”是指多少个增量步重新划分网格，这个值应该取小一些，“对每个增量步重划扫掠网格”是指每增量重新划分网格的次数，这个值可以取大一些。自适应网格控制可以采用默认设置，见图6。图6编辑ALE5.相互作用的设置在此处只需要设置模具挤压橡胶坯件时的接触，采用“面-面”接触，第一、二表面分别选择模具下表面、橡胶坯件上表面，见图7。图7“面-面”接触设置接触属性采用最简单的接触，即：法向用硬接触来模拟，切向用摩擦行为来模拟，见图8。图8接触属性6.约束与载荷的施加为了方便施加约束与载荷，建立两个集，见图9。图9创建集合橡胶底面设置Y方向约束，底面的中点设置X方向约束，这样设置是为了橡胶件在X方向能自由压缩。刚体的中点（即RP处）施加Y方向-20mm的位移，详细设置见图10。图10约束、载荷的施加7.网格划分对橡胶坯件进行网格划分，在设置单元类型时，需要特别注意：使用ALE自适应网格划分，几何阶次只能选择低阶线性，需要选择基于刚度的沙漏控制。见图11。图11单元类型的设置8.提交计算提交计算后，计算完成后结果显示如图12。图12有ALE时的结果显示为了对比有无ALE自适应网格划分技术的计算效果，取消ALE设置，再计算一遍，结果如图13。图13无ALE时的结果显示从图13中可知，若取消了ALE自适应网格划分，在模具积压橡胶坯件的过程中，有些单元发生畸变，无法正常显示网格变形，计算结果是不可靠。来源：CAE与Dynamics学习之友