理解Abaqus 的通用接触-General Contact

本文摘要：（由ai生成）

Abaqus推出了通用接触算法，这是一种先进的有限元分析解决方案，能模拟复杂的接触和交互问题。与传统的接触对方法相比，该算法通过自动的全包接触面指定和强大的跟踪算法提高了模拟的鲁棒性，可自动生成接触力抵抗不同类型的接触渗透，并能动态检测和管理各种接触类型。此外，通用接触算法提供了易用性和特殊功能，如模拟流体压力渗透等，有助于处理复杂接触问题，为产品开发和材料科学研究提供新的探索机会。

        对于许多分析师来说，“接触”一词在有限元分析 (FEA) 中往往让人回想起复杂的设置、收敛问题以及常常会影响精度的记忆。传统上，接触对方法在模型准备方面的严格要求让人印象深刻。用户不仅需要手动选择要接触的表面，还需要构建整个接触公式；因此，要指定表面分配、接触跟踪方法以及表面离散化方法。

        为了克服传统接触对方法固有的局限性，Abaqus 推出了一种突破性的解决方案：通用接触。这种高度复杂的接触和交互问题建模方法与接触对方法不同。通过使用强大的跟踪算法，通用接触可以有效地执行和模拟接触条件，确保准确的模拟结果。对于 SOLIDWORKS Simulation 用户来说，在 Abaqus（或在使用 Abaqus 求解器的 3DEXPERIENCE STRUCTURAL 中）使用接触的主要优点是提高了鲁棒性。还有一些特殊的功能和便利性可以帮助定义接触，这可以使在大型装配体上运行接触变得更容易。在本文中，我们将更深入地探讨 Abaqus 的通用接触方式。

通用接触的稳健性

Abaqus/Explicit

Abaqus 中的通用接触首先通过自动的全包接触面指定接触域。这种包罗万象的表面包括所有基于单元的表面面、所有分析刚性表面，以及（在 Abaqus/Explicit 的情况下）所有欧拉材料上的表面（通常用于流体-结构相互作用）。通用接触使用复杂的方法来确保有效地执行适当的接触条件。在 Abaqus/Explicit 中，它生成接触力，以抵抗节点到面、节点到分析刚性表面以及跨全包面的边到边接触渗透，从而为在广泛的模拟场景，无需复杂的接触定义程序。

当特殊情况需要时，通用接触算法可以与接触对算法结合使用。它可用于二维、轴对称和三维表面，但只能用于机械有限滑动接触分析。它不支持运动学强制约束，而是使用惩罚方法来强制接触约束。

Abaqus/Standard

        Abaqus/Standard 中的通用接触算法在整个分析过程中动态检测和管理各种接触类型（面对面、边对面、边对边和顶点对面），增强了处理复杂接触的能力。互动。利用有限滑动跟踪方法，它对于三维模型特别有效，并且是二维和轴对称模型的唯一方法。该算法在适应变化方面令人印象深刻，随着分析的发展，在接触公式之间无缝转换。

图 1：两个区块的接触场景类型

        例如，在卡扣模拟中，它可能最初会优先考虑边缘到表面的接触，然后随着接合区域的扩大而平滑地转变为表面到表面的接触。这种自适应方法可确保接触约束的准确应用并避免数值问题，从而使 Abaqus/Standard 对于各种仿真场景都具有鲁棒性。

为了说明通用接触算法的鲁棒性，考虑一个涉及橡胶长方体围绕较大橡胶长方体的周边表面滑动的模拟。在分析开始时，随着较小的长方体接近较大的长方体，建立了表面与表面的接触。然后，当长方体到达较大长方体的特征边缘时，该算法 会检测接触变化，并实现边缘到表面的接触公式。这种即时方法显着增强了算法处理任何接触变化的稳健性和可靠性。

图 2：橡胶长方体围绕另一个橡胶长方体滑动

通用接触的易用性

        常规接触，无论是在 Abaqus/Standard 中还是在 Abaqus/Explicit 中，都允许用户灵活且精确地定义接触域。这包括指定通用接触包含以识别潜在的相互作用区域和接触排除以忽略某些相互作用，从而确保准确有效的分析。

        对于 Abaqus/Standard 和 Abaqus/Explicit，可以使用“自动”选项定义通用接触域，合并所有外部单元面、边和分析刚性表面。这种默认的全包表面通过自动考虑所有可能的节点到面、边到边和自接触交互来简化设置，而无需手动指定各个接触对。用户可以通过指定要包含或排除的特定表面或材料来细化接触域，并添加单独的属性分配。用户可以通过在整个分析过程中进行调整来进一步细化通用接触定义，根据需要激活和停用某些表面作为接触域的一部分。该过程无缝且方便，但它使分析师能够根据需要调整和微调接触域。

        设置过程旨在首先应用接触包含，然后应用排除，后者优先。这种分层方法可以精确控制仿真中考虑的接触条件，从而轻松地对复杂组件和交互进行建模。Abaqus/Standard 和 Abaqus/Explicit 在某些情况下都会自动生成接触排除，例如当使用接触对或基于表面的连接约束定义交互时，以防止交互约束的冗余执行。

        下面的 Jenga Tower 分析示例说明了通用接触算法在处理大量零件时带来的便利，考虑这座 Jenga 塔，共有 18 层，每层有 3 块 Jenga。总共有 54 块。从下面的动画中可以看出这种分析的混乱和不可预测的本质。正是出于这个原因，使用了通用接触算法，允许考虑最初接触的所有面部以及稍后在分析中可能接触的面部。

        如果要在不使用通用接触算法的情况下完成此分析，则必须手动选择接触面才能获得可比较的结果。为了便于解释，我们将计算分析师必须手动定义的接触面数量。每块 Jenga 有 6 个面，为了安全起见，我们假设每个面都有可能与所有其他 53 个块的面接触。这意味着每件 Jenga 总共携带

        我们仍然需要考虑重复项，这意味着 A 面接触 B 面与 B 面接触 A 面是相同的，因此面数需要除以 2。并且，要考虑到每张叠叠乐的所有其他 53 块在他们的面孔中，分析师必须考虑的接触对总数是

        对于这样的分析来说，51516 是一个高得离谱的数字。因此，人们可以开始欣赏通用接触算法的稳健性和便利性。

图 3：Jenga Tower 分析动画

通用接触方式的特殊功能

流体压力渗透

压力渗透载荷允许模拟接触表面之间渗透的流体压力。压力负载可能会使部件变形，可能会打开一个小间隙，从而使额外的表面积暴露在压力下。这是密封分析的一个非常有用的功能，并且它在 Abaqus 中运行非常高效，因为它不需要对流体本身进行建模。所涉及的主体可能都是可变形的，或者其中一个可能是刚性的，如当使用软垫片作为较硬结构之间的密封件时发生的情况。

手册中提供的一个示例涉及管道连接中 O 形圈密封件的流体压力渗透载荷。该仿真将流体压力载荷建模为分布式表面载荷或成对压力载荷，突出显示了基于接触条件的润湿表面演变。它展示了流体压力在经历显着变形的表面上的应用，例如橡胶的自接触，采用显式和隐式动态程序来近似准静态条件。

图 4：流体压力的演变

螺纹接触的近似

螺纹接头中的局部载荷分布可以在不啮合螺纹的情况下进行近似。采用这种方法，网格部件通常在界面处具有圆柱形表面。此功能将接触法线方向调整为垂直于参考螺纹的面。与简单地粘合螺纹表面相比，这种增加的细节水平在螺栓接头分析中非常重要。

下面的屏幕截图显示了两个螺纹部件（螺栓（绿色）和螺母（米色））的接触法线。

图 5：“螺纹”零件的接触法线

间隙和干涉的精确值

可以独立于几何形状或网格精度来指定和修改间隙或包覆的精确值。例如，没有必要对组件之间 20 μm 的间隙进行建模；间隙可以在线建模，并指定求解器应将其视为 20 μm，这也使得间隙或干扰敏感性研究的设置和运行非常高效，无需重新网格化任何组件。

表面侵蚀

在处理材料失效时，必须考虑表面侵蚀。当利用基于单元的表面对表面侵蚀进行建模时，通用接触算法可以促进这一点，从而使我们能够模拟表面如何响应材料失效而演变。定义腐蚀曲面时，最好对腐蚀体使用基于元素的曲面。这有助于在材料降解和失效时准确捕获不断变化的接触域。与使用内表面相比，这种方法不仅简化了建模过程，而且还通过减少内存使用来提高效率。

侵蚀建模特别有用，因为它动态更新接触域以反映失效单元的移除，从而调整活动接触面和边。这种动态更新可确保模拟在整个分析过程中保持准确，反映真实世界的材料在压力或冲击下的行为。

此外，在周围元件失效后，可以控制在接触域中包含节点的选择，从而可以灵活地模拟材料失效的后果及其对结构完整性的影响。

为了说明表面腐蚀的应用，请考虑模拟腐蚀圆柱弹丸高速撞击装甲板。此示例使用通用接触来模拟弹丸和板之间的相互作用，两者都会发生材料失效。

该场景模拟了 2000 m/s 的倾斜冲击，两个物体的材料都定义为包括说明渐进损坏的失效模型。当元素因冲击而失效时，它们会从模拟中删除，并且接触表面会适应反映剩余元素新暴露的表面。

这种方法不仅可以捕获冲击的直接影响，还可以捕获材料腐蚀时接触域的后续变化。这种详细的模拟有助于理解材料在极端条件下的复杂行为，并展示了通用接触算法在处理复杂的接触和故障场景中的强大功能。

图6：侵蚀圆柱弹丸撞击装甲板

总结

        总之，Abaqus 提供了全面且复杂的通用接触算法，可简化接触和交互问题的建模，确保准确的仿真结果。其有效模拟从表面到表面到边缘到边缘接触相互作用的能力增强了模拟的稳健性。再加上设置常规接触的便利性和轻松性，使得该接触算法对于 SOLIDWORKS Simulation 用户来说非常有吸引力和理想。

        Abaqus 接触的好处非常重大。通用接触通过实现以前无法实现的详细接触分析，打开了创新之门。例如，探索 Abaqus 通用接触算法的全部潜力，可以在生物力学（用于模拟关节或牙科植入物动力学）、航空航天（用于增强起落架和涡轮相互作用）以及消费品（用于高能冲击提高耐用性）等领域带来机遇。这种先进的 FEA 功能鼓励工程师冒险进入新的模拟领域，推动产品开发和材料科学走向未来。