ls-dyna的Smoooth contact

2016-11-15 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

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(tǒng)的接觸基于節(jié)點(diǎn)和單元,光順接觸從剛體網(wǎng)格擬合出一個(gè)新的光順面,新的傳統(tǒng)計(jì)算就基于這個(gè)擬合出來的面。此新接觸算法有更高精度的接觸力計(jì)算并可以提高回彈計(jì)算精度。此外,還可以降低結(jié)果對用戶的依賴(因用戶不同,結(jié)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(xiàng)重要功能。接觸面可以由三角形和四邊形網(wǎng)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(gè)面上的節(jié)點(diǎn)分別為從節(jié)點(diǎn)和主節(jié)點(diǎn)。

傳統(tǒng)的成形接觸

在金屬板料成形沖壓仿真中,一個(gè)特別的接觸算法即*CONTACT_FORMING...被采用,此接觸算法基于罰函數(shù)法,換言之,此種算法,在所有穿透節(jié)點(diǎn)和接觸面之間有一個(gè)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(shù)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(yīng)地,計(jì)算時(shí)間步不受接觸面的影響。然而,如果接觸壓力太大,會(huì)發(fā)生不可接受的穿透,此時(shí)可調(diào)高接觸剛度或者縮小時(shí)間步,解決穿透太大的問題,使我們可以繼續(xù)使用罰函數(shù)法。

罰函數(shù)法基于三角形和四邊形單元,而不是一個(gè)光滑面。當(dāng)曲率太大時(shí)這可能會(huì)導(dǎo)致明顯的數(shù)值噪音。圖1是一個(gè)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(cè)是一個(gè)光滑曲線,在單元?jiǎng)澐种斜粍澐譃槿?節(jié)點(diǎn)A和B為從節(jié)點(diǎn),理論上講,節(jié)點(diǎn)A應(yīng)該接觸光滑曲面(光滑曲線表示),實(shí)際上傳統(tǒng)的接觸算法不會(huì)發(fā)現(xiàn)這一接觸,知道節(jié)點(diǎn)移動(dòng)靠近線段,如節(jié)點(diǎn)B的位置,此時(shí)從節(jié)點(diǎn)被認(rèn)為已與主面接觸。當(dāng)節(jié)點(diǎn)A移動(dòng)到A‘位置是,穿透被檢測到,但是穿透可能會(huì)非常大。作為結(jié)果,一個(gè)巨大的接觸力將會(huì)作用到節(jié)點(diǎn)A‘,這會(huì)導(dǎo)致接觸力的巨大跳動(dòng)。當(dāng)接觸力過大時(shí),計(jì)算本身也是不平穩(wěn)的。

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圖1 傳統(tǒng)接觸算法穿透示例

另一個(gè)與傳統(tǒng)接觸算法想關(guān)聯(lián)的問題是接觸法向的計(jì)算。在傳統(tǒng)接觸算法中,每一個(gè)主segment(element)是獨(dú)立的,因此,不可能有相鄰單元的信息。接觸力總是發(fā)生在主面的法向方向。如果曲率不大,這一問題還不嚴(yán)重,如果曲率較大,當(dāng)從節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到單元的頂點(diǎn)區(qū)域時(shí),一個(gè)小的位置的改變,從節(jié)點(diǎn)可能會(huì)與不同的主面發(fā)生接觸,接觸力的法向會(huì)基于不同的主面單元,作為結(jié)果,殘余接觸力計(jì)算會(huì)有一個(gè)明顯的攝動(dòng)(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(tǒng)的接觸算法有明顯的缺陷。它可以導(dǎo)致明顯的錯(cuò)誤在計(jì)算穿透和接觸法向。作為結(jié)果,應(yīng)力分布以及回彈會(huì)受到負(fù)面影響。因此,研究一個(gè)改進(jìn)的接觸算法成為一個(gè)熱門的研究課題。

光滑接觸

在20世紀(jì)90年代,人們開始注意傳統(tǒng)接觸算法的不光滑性。首先,一個(gè)基于CAD曲面(IGES和VGA格式)應(yīng)用于LSDYNA,使用這種方法,用戶只是應(yīng)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(yīng)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(jì)算速度相比傳統(tǒng)接觸方法也是慢的多,通常要多花6倍的CPU時(shí)間,最后,在典型的CAD曲面中包含不同的實(shí)體,要支持這些實(shí)體,還是相當(dāng)?shù)睦щy。作為結(jié)果,基于曲面的接觸只有之實(shí)驗(yàn)室里面還有一些用途。

最近,LSTC發(fā)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(lián)系性,傳統(tǒng)計(jì)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(chuàng)建曲面擬合單元拓?fù)?必須是可靠的因?yàn)槿魏蔚那嫒毕荻紩?huì)影響接觸力的計(jì)算.LSTC獨(dú)立發(fā)展了一個(gè)邊界檢測算法,這對曲面擬合相當(dāng)關(guān)鍵。B樣條曲面用來描述曲面片。我們已經(jīng)運(yùn)行了很多數(shù)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(jié)果,從中可以清楚的表面新曲面可以準(zhǔn)確的表示真實(shí)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(fā)展了一種新的接觸搜索算法,基于曲面片。有了這個(gè)新算法,光滑接觸便的健壯和有效(僅僅10%-20%多余計(jì)算時(shí)間)

光滑接觸已經(jīng)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(tǒng)的接觸定義中,而其他關(guān)鍵字不變。

為了使用光滑接觸,對于主面有一些單元質(zhì)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(dāng)前的任何前處理程序,要實(shí)現(xiàn)上面這些要求還是比較容易的。(注:Dynaform現(xiàn)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(shè)計(jì)用于測試這一代碼,這里有一個(gè)小而有代表性的例子,這這一測試中,在90度的倒角區(qū)域只有一個(gè)單元,測試考題是 NUMISHEET‘93 U-channel。在第一次計(jì)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(gè)尖角,在圖3中可見,在第二個(gè)計(jì)算中,使用了smooth選項(xiàng),在圖4中可見,成形時(shí)板料沒有隨工具網(wǎng)格的形狀,而是隨一個(gè)光滑面。

圖3

圖4

一些依賴用戶的結(jié)果

從前面的學(xué)習(xí)中,獲得了一些優(yōu)化的參數(shù),有了這些優(yōu)化參數(shù),回彈預(yù)測變的更加的穩(wěn)定和精確。然而,一些優(yōu)化參數(shù)對新材料需要修改,因此,個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)對最終的預(yù)測有著明顯的影響。

一個(gè)很重要的參數(shù)是SLSFAC,它定義了接觸剛度。如果使用一個(gè)較大的值,接觸可能過于剛硬而導(dǎo)致回彈計(jì)算值偏小,而如果使用一個(gè)較小的值,可能會(huì)導(dǎo)致較大的穿透而同樣影響回彈預(yù)測。圖5顯示了NUMISHEET93 U-channel回彈角預(yù)測和SLSFAC參數(shù)值之間的關(guān)系。實(shí)際上,大部分依賴用戶的回彈預(yù)測值的變化都與SLSFAC值有關(guān)。

圖6

另外一個(gè)對回彈有重要影響的參數(shù)就是剛體網(wǎng)格質(zhì)量。在圓角部分的單元數(shù)量對回彈有明顯的影響。我們發(fā)現(xiàn),在90角上最少6個(gè)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(jì)算。作為結(jié)果,圓角區(qū)域的剛體網(wǎng)格的數(shù)量可預(yù)見地對回彈預(yù)測結(jié)果的影響會(huì)縮小,接觸力計(jì)算中的噪音也會(huì)顯著變小。為了證明這一點(diǎn),一個(gè)間的測試。還是使用NUMISHEET 93 U-channel,在這次模型中,剛體單元的網(wǎng)格尺寸每次都改變,90度圓角上的單位數(shù)量從1個(gè)變到10個(gè),表1顯示了90度圓角上只有一個(gè)單元回彈較的預(yù)測值是19.9度,而其他預(yù)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(wǎng)格數(shù)量對結(jié)果的影響。

表1

使用光滑接觸,與傳統(tǒng)接觸相關(guān)聯(lián)的缺點(diǎn)都能夠顯著的克服?？梢灶A(yù)見檢查力和方向的計(jì)算的變化都會(huì)明顯變小。此外,穿透節(jié)點(diǎn)也可以更早地被發(fā)現(xiàn)。因此,也可以避免大穿透。相應(yīng)地,接觸剛度或者SLSFAC,對接觸力計(jì)算的影響也會(huì)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(yōu)點(diǎn)。在這次學(xué)習(xí)中,使用了三個(gè)例子,case A 使用傳統(tǒng)接觸算法,網(wǎng)格初始尺寸較大,并開啟了單元細(xì)分選項(xiàng);case B 使用光滑接觸,使用較粗的初始板料單元,開啟網(wǎng)格細(xì)分選項(xiàng);case C 使用光滑接觸,板料初始單元較細(xì)且關(guān)閉網(wǎng)格細(xì)分。SLSFAC值分別為0.1,0.05,0.01.結(jié)果表2所示。使用光滑接觸,回彈結(jié)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(wěn)定。從這一學(xué)習(xí)中,可見回彈結(jié)果對SLSFAC的依賴也變小了。而接觸力的計(jì)算(凸模力)也變的非常平滑。在case B 中,因?yàn)槭褂昧藛卧?xì)分,一些小的振動(dòng)依然存在。

表2

圖7 光滑接觸對接觸力的影響

為了進(jìn)一步的嚴(yán)重光滑接觸,一個(gè)工業(yè)產(chǎn)品被用于研究。NUMISHEET 05 ,汽車下車體縱梁,圖圖8,進(jìn)行了兩個(gè)計(jì)算。光滑接觸和非光滑接觸。在圖9中可見,光滑接觸相對于傳統(tǒng)接觸,接觸力更加平滑。

圖8

圖9

從上面這些計(jì)算中,可見光滑接觸顯示出更高的精度并降低了結(jié)果對人的依賴性。

使用光滑接觸,會(huì)多消耗10%-20%的CPU時(shí)間。

結(jié)論

提出的曲面擬合算法是健壯的,可以輕松的擬各種剛體單元。使用光滑接觸,穿透噪音可以顯著降低。接觸力的計(jì)算也會(huì)更加準(zhǔn)確。作為結(jié)果,接觸剛度的影響會(huì)降低,回彈預(yù)測的精度會(huì)得到提高。使用這一技術(shù),結(jié)果對人的依賴減少到最小化,依賴于人的錯(cuò)誤也降低到最小化。

張劍翻譯,不準(zhǔn)確之處請見諒,歡迎指出不足之處,以便改進(jìn)。

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