接着Abaqus2023新功能(6):荷载、边界条件和预定义场 继续讲解Abaqus2023在相互作用和约束方面的更新或新功能。

1. Abaqus/CAE 中的交互和约束改进

产品：Abaqus/CAE

现在，可以在Abaqus/CAE中启用与梁横截面的精确接触，并且可以对Abaqus/Explicit通用接触使用动态特征边条件。此功能在 Abaqus 2023 GA 版本中首次提供。创建 Abaqus/Explicit通用接触相互作用时，可以根据梁单元的圆周近似或实际横截面激活接触计算。

在Abaqus/CAE中，现在可以在连接器部分中定义连接器阻尼行为时，除了粘性类型之外，现在还可以为连接器阻尼行为定义结构阻尼类型。现在，还可以在定义运动耦合约束时指定热膨胀系数。此功能在Abaqus 2022 FD02 （FP.2214）版本中首次提供。

Abaqus/CAE用法

相互作用模块：

Create Interaction: General contact (Explicit): Contact Controls Assignment: 勾选 Beam Cross Section assignment，选择Circumscribed Circle or Exact

连接器截面编辑器: Add Damping: Damping type: Structural Constraint Create Coupling: Coupling type: Kinematic; Thermal expansion coefficient

2. 改进了对具有约束的模型的残差检查，以有益于Abaqus/Standard 的收敛

产品：Abaqus/Standard

修改了Abaqus/Standard收敛检查，以反映刚体和运动耦合的参考节点经常累积来自许多其他节点的力、力矩和其他磁通量。此增强功能提高了稳健性和性能，而不会显著影响结果。此功能在 Abaqus 2022 FD04 （FP.2232） 版本中首次提供。

基于消除的运动约束，通常用于依据独立节点有效地模拟依赖节点的运动。刚体或运动耦合的参考节点通常接收来自数十或数百个从属节点的力贡献。以前，Abaqus/Standard 将这些节点视为剩余力和力矩收敛检查的典型节点，导致收敛阈值过紧，可能会不必要地减慢或阻止收敛。残差的Abaqus/Standard收敛检查得到增强，以考虑与每个节点关联的依赖节点的数量。

图 1显示了一个具有“链式”约束的示例，使得节点 101、201 和 301 分别充当至少一个约束中的独立节点和另一个约束中的依赖节点。

• 节点101和201是运动耦合的参考节点，每个节点具有24个从属节点（图1中未示出的实体和壳单元）。

• 节点16是与参考节点101相关联的运动学耦合的从属节点的示例。

• 节点101充当Beam MPC到节点301的从属节点。

• 节点201充当节点301的另一个Beam MPC的依赖节点。

• 节点301是Beam MPC到节点401的依赖节点。

• 节点301总共有50个依赖节点（节点101和201直接依赖于节点301，其他48个节点通过链接依赖于节点301）。

• 节点 401 总共有 51 个依赖节点（节点 301 直接，以及通过链接的其他 50 个节点）。

对于此示例，此增强功能会影响节点 101、201、301 和 401 上的残差检查。

图 2 显示了对消息（.msg）文件中报告的更改，以获取力场和力矩场中的节点残差。例如，现在报告控制节点处的缩放残余力矩和同一节点处的相应节点残余力矩。

图 3 显示了努力收敛的典型模型的状态（.sta）文件。在这种情况下，该模型用于削减弯矩残差，因为在以前的版本中不满足弯矩残差。新的残差检查可实现收敛，如图 4 所示。

3. 改进了Abaqus/Explicit中摩擦和接触内聚行为的速率依赖性

产品：Abaqus/Explicit

增强了Abaqus/ Explicit通用接触中的速率依赖性，以应用用户对滑移率和分离率过滤的控制。此过滤可能会影响摩擦行为和接触内聚行为。此外，摩擦系数的表格依赖性或内聚损伤模型参数对这些速率量的依赖性现在可用且默认使用，线性插值仍然是一个选项。功能在Abaqus 2022 FD04（FP.2232）版本中首次提供。

率相关的摩擦和率相关的接触内聚损伤，现在允许用户分别控制滑移率和分离速率的过滤。物理振动或数值噪声可能会导致滑移率和分离率中的高频噪声。为了减轻这种噪声，Abaqus/Explicit 使用过滤速率度量来确定摩擦和内聚损伤参数，使用以下公式计算过滤速率数量：

图 1 显示了验证测试案例fric_coulomb_slipdep_gcont.inp过滤因子为 0.9（默认值）和 0.1 有效。这两个值ω表示当前滑移率的90%影响或先前过滤的滑移率的90%影响。根据次表面上的总接触剪切力和总接触法向力计算“有效”摩擦系数，结果如图1所示。滤波因子值越大，在0.0001至0.0008期间有效摩擦系数的噪声越大；但是，从分析开始到 0.0001时存在的噪声较少。

图1. “有效”摩擦系数

图 2 比较了验证测试gcont_damdisp_mixener_xpl_rateDep_lininterp2.inp和gcont_damdisp_mixener_xpl_rateDep_loginterp2.inp的结果，与前面提到的验证测试相同，只是在分离率为1000时省略了数据点。这些测试都运行到完成。对分离速率依赖性的线性插值与对数插值的最大基于应力的损伤起始准则（CSMAXSCRT）给出了显着不同的预测，表明插值方法的选择可能会影响内聚键的损伤。

4.  Abaqus/Explicit的接触质量缩放

产品：Abaqus/Explicit

Abaqus/Explicit得到增强，以通过质量缩放计算接触刚度。此功能在Abaqus 2022 FD04（FP.2232）版本中首次提供。

Abaqus/Explicit使用惩罚方法强制执行接触，这种方法倾向于增加模型的固有频率，并且在没有接触质量缩放的情况下，导致稳定时间增量的减少。对于使用默认接触惩罚的分析，此时间减少通常约为5%或更少，但如果增加接触惩罚刚度，则时间减少可能会变得更加显着。根据需要，接触质量缩放会人为地向接触的表面节点添加质量，以避免接触刚度影响时间增量大小。当表面节点不再接触时，额外的质量被移除。

典型的赫兹接触示例如图1所示。在图1中工况1的默认惩罚刚度下观察到明显的穿透。工况2 的有效惩罚刚度比例因子为 10，提供了准确的解决方案，但需要比工况1多38%的增量。工况3具有有效的接触质量缩放以及10 的惩罚刚度比例因子。工况3冯·米塞斯应力与工况2、工况3非常一致。，工况3使用的增量比工况1 多约 5%，这与工况 3 中单元的压缩比工况1 更大（更准确）有关。

图 2 显示了输出变量 DMASS 的历史图，显示了模型总质量随时间变化的百分比。图2中绘图的“阶梯”性质反映了随着其他表面节点的接触，质量的增量变化。在工况 3 仿真结束时，由于接触质量缩放，模型的质量增加了 0.5%。

新的场和历史记录输出变量可用于支持接触质量缩放：

• CNMSF（场输出）：节点接触质量缩放因子

• NDTTOTAL（场输出）：接触面上稳定的时间增量，具有单元和接触质量缩放的影响

• CDMASS（历史输出）：由于接触质量缩放而导致模型质量变化的百分比

此外，输出变量 DMASS 和 ALLMW 得到增强，以包括接触质量缩放的影响。

图1.赫兹模型

图2.分析过程中质量的百分比变化

5. 接触界面处的附加电流和发热机制

产品：Abaqus/Standard

现在，Abaqus/Standard考虑了与可充电电池仿真的热电化学过程相关的附加电场相关的界面通量。此功能在 Abaqus 2022 FD02 （FP.2214）版本中首次提供。

电池仿真工作流程导致在 Abaqus/Standard 中引入了自由度 32（电解液中的电势）和 33（电解液中的离子浓度）。电池电化学仿真中介绍了这些工作流程，支持这些工作流的接触增强功能包括以下功能：

• 模拟与接触界面上的电解质流体（DOF 32）相关的电接触电导

• 模拟电解质流体（DOF 33）中锂离子扩散到接触界面和接触界面的扩散

• 控制接触界面处的发热机制：摩擦、与固体相关的电接触电导率 （DOF 9） 和与电解质流体相关的电导率 （DOF 32）

指定表面之间的电导率时，除了控制固体的电接触电导外，现在还可以控制电解质流体的电接触电导。可以控制电解质流体中锂离子扩散到接触界面和通过接触界面。这种行为与孔隙流体流入和流经接触界面非常相似。

对于接口的能量耗散，现在可以提供单独的η以及与摩擦、固体中的电传导和液体中的电传导相关的加热的f 值。

6. 接触处于活动状态时，默认接触电导率的变化

面接触时的默认热接触和电接触电导率从零更改为高值，以更好地近似常见的物理行为。通常，接触的表面对热和电流的阻力较低。此功能在 Abaqus 2022 FD02 （FP.2214） 版本中首次提供。

常见的物理行为是，当表面接触时，界面上的热导率和电导率比不接触时高得多。在以前的版本中，无论“开路”或“闭合”触点状态如何，默认的热接触和电接触电导为零（对应于完美绝缘）。现在，在具有“闭合”接触状态的区域中，接触热导率和电导率默认设置为高值。默认情况下，对于具有“开放”接触状态的区域，这些接触电导保持为零。默认接触电导率不随各自“打开”和“关闭”状态区域中的接触间隙距离d或接触压力p而变化，如图1和图2所示。

图3显示了在模型两端以规定温度接触的两个块接触的简单情况下默认热接触电导率变化的影响。使用新的默认热接触电导（右）的结果在每个模块上具有直观的温度变化，并且整个接触界面的温差相对较小。先前的结果（左）对应于接触界面上没有热流（由于零热接触导率），使得每个模块具有均匀的温度。

Abaqus将默认接触电导值计算为相对较大的值，而不会显著影响Abaqus/Explicit的时间增量或导致Abaqus/Standard的数值困难。默认接触电导率取决于底层材料的热导率和电导率以及底层单元尺寸。它们在Abaqus/Standard中高于Abaqus/Explicit。

与以前的版本一样，可以覆盖默认的热接触和电接触电导。指定极高的接触电导率仍可显著减小Abaqus/显式中的时间增量大小；但是，这样做可能会导致 Abaqus/Standard 中的数值收敛困难。

7. Abaqus/Explicit改进了具有非圆形横截面的梁的接触

产品：Abaqus/Explicit

现在，接触计算可以考虑实际的梁横截面。此功能在 Abaqus 2022 FD01 （FP.2205） 版本中首次提供。

在 Abaqus/显式中，默认情况下，表示梁单元的接触边具有圆形横截面，而不考虑单元的实际横截面；接触边的半径等于截面周围外接圆的半径。另一种接触面表示可用于具有非圆形横截面的梁单元。此方法使用自动生成的接触面、节点和边的内部网格，比默认接触面更好地表示实际Beam形状。该方法适用于所有非圆梁截面形状。内部节点位于每个原始梁节点的轴向位置的横截面顶点处。这些内部节点中的每一个的运动由相应的梁节点（通过刚性连接）驱动。Abaqus/Explicit 生成的内部接触面、节点和边不可用于后处理，但它们形成的形状与激活了梁轮廓渲染的梁网格非常相似。

下面显示了演示此功能优势的两个示例。

图1显示了一个零件，其六边形横截面插入到类似镊子的零件末端，然后旋转。这两个部分都使用梁单元建模。在此示例中，镊子的梁单元具有矩形横截面。镊子对另一部分的插入和旋转的反应是直观的。Beam接触面的真实表示对于此仿真的准确性至关重要。

图2显示了部署在主动脉瓣区域的支架，然后是系统对与心跳相关的搏动负荷的反应。支架使用具有矩形横截面的梁单元建模，如图3所示。使用具有真实接触面几何表示的梁单元对支架进行建模，是使用实体单元对支架进行建模的有效替代方法。

8. Abaqus/Explicit模型中隐式约束系统的诊断

产品：Abaqus/Explicit

现在，可以使用诊断告知模型中可能导致性能下降的大型隐式约束系统。这些诊断消息是指自动生成的与此类系统关联的节点集。此功能在 Abaqus 2022 FD01（FP.2205）版本中首次提供。

新添加的诊断会告知模型中的大型隐式约束系统。大型隐式约束系统通常与约束之间的重叠或约束与连接器单元之间的重叠相关联。在Abaqus/Explicit的每个增量中求解这些大型方程组会显著降低性能。此类系统的大小以及解决每个系统所需的操作数的估计值在状态文件中列出。Abaqus/Explicit在预期性能严重下降时会发出错误消息。（可选）可以将错误消息更改为警告。

图1显示了一个模型示例，其中包含与突出显示的节点关联的隐式约束方程组，该区域具有冗余的基于曲面的具有相反的主面和次面的绑定约束。

运行此作业后，状态文件以下输出：

此输出告知您一个中等大小的隐式系统，该系统具有201个自由度，在每次迭代解决方案期间需要 140，499 个运算才能求解。此隐式方程组的诊断消息是信息性的（而不是警告或错误消息），因为求解方程组的计算操作次数适中。图 1 中突出显示的节点与诊断消息引用的自动生成的节点集相关联。这触发器节点集是一组节点，这些节点很可能具有需要隐式解决方案的约束。通常，研究与此类节点集关联的约束和连接可能有助于了解与隐式方程组相关的重叠来源，避免冗余的Tie约束使该模拟的运行速度提高了约 30%，对于较大的约束方程组，可能会出现更大的加速。