Abaqus接触问题技巧分析

    在Abaqus中进行接触分析时，往往需要定义接触对，接触对的定义直接影响计算的收敛能力与计算精度，因此，接下来简单说明一下接触对定义的技巧。

Abaqus/Standard的接触对由主面（master surfer）和从面（slave surfer）构成。在模拟过程中，接触方向总是主面的法线方向，从面上的节点不会穿越主面，但主面上的节点可以穿越从面。在定义主面和从面时要注意以下问题：

一、主从面的定义

1. 选择刚度较大的面作为主面，此处的刚度不仅要考虑材料特性，也要考虑结构刚度。刚体必须作为主面，从面则必须是柔体上的面（可以是施加了刚体约束的柔体）。

2. 如果两个接触面的刚度相似，则应选择网格较粗的面为主面。

3. 主从面的节点位置不要求一一对应，但如果有条件一一对应，则可得到更加精确的结果。

4. 主面不能由节点构成，并且必须连续。如果相对滑动形式为有限滑移，则主面在发生接触的部位必须是光滑的（即不能有尖角）。

5. 如果接触面在发生接触的部位有很大的凹角与尖角，应该将其分别定义为两个面。

6. 如果为有限滑移，则整个分析过程中，尽量不要让从面节点落到主面之外，更不要落到主面的背面，否则会收敛问题。

7. 一对接触面的法线方向应该相反，换言之，如果主面和从面在几何位置上没有发生重叠，则一个面的法线应指向另一个面的那一侧（对于三位实体，法向应该指向实体的外侧）。如果法线方向错误，abaqus会将其认为是过盈量很大的接触，因而，无法达到收敛。一般来说，对于柔性的三维实体，abaqus会自动选择正确的法向方向，而在使用梁单元、壳单元、膜单元，桁架单元或刚体单元来定义接触时，应仔细指定自己需要的法向方向。

二、滑移形式：

有限滑移要求主面是光滑的，否则会出现收敛问题。如果主面在发生接触的部位存在尖角或凹角，应该在此尖角处把主面分为两部分来分别定义。对于有单元构成的主面，Abaqus会自动进行平滑处理。

对于小滑移的接触对，Abaqus/Standard在分析的开始就确定了从面节点与主面的关系，在整个分析过程中这种接触关系不会再发生变化。

三、接触面间的几何尺寸位置和ADJUST参数

如果不做特别设置，Abaqus会直接根据模型尺寸位置来判断从面和主面的距离，从而确定二者的接触状态，这要求建模时模型尺寸非常精确。一般情况下，模型尺寸往往会存在误差，所以应该利用ADJUST参数来调整从面节点的初始坐标。若果从面节点与主面的距离小于这个参数，Abaqus将调整这些节点的初始坐标，使其与主面的距离为零（刚好接触）。

四、收敛问题

在进行接触分析时，难免的会遇到收敛问题，因此，下面主要阐述一下解决接触分析中的收敛问题的方法。分析无法达到收敛，往往是因为模型中有问题，例如存在刚体位移、过约束、接触定义不当等，这时应该查看MSG文件，然后采取相应措施。可以考虑以下方法解决收敛问题：

1. 检查接触关系、边界条件和约束

检查接触面、接触参数和边界条件的定义是否正确，其中包括表面的定义，SET的定义接触类型的定义，滑移形式的定义等

2. 消除刚体位移

在静力分析中，必须对模型中所有实体都定义足够的约束条件，以保证它们在各个平移和转动自由度上都不会出现不确定的刚体位移。

3. 使用绑定约束

如果某一对接触面的接触状态对整个模型的影响不大，或者这一对接触面在整个分析过程中都是始终紧密接触的，可以考虑将它们之间的接触关系改为绑定约束，这样会消除刚体位移，并且大大减小计算接触状态所需要的迭代。

4. 正确定义绑定约束和过盈接触

如果定义了绑定约束，或使用了*CONTACT INTERFERENCE来定义过盈接触，必须让位置误差限度（ADJUST）略大于主面和从面在模型中的距离，否则这两个面之间不会建立过盈接触或绑定约束。

5. 平稳的建立接触关系

一般应首先定义一个只有很小载荷的分析步，让接触关系平稳的建立起来，然后在下一个分析步中再施加真实的载荷。这样这可大大的减小收敛的困难程度。

6. 细化网格

细化从面与主面的网格，过于粗糙的网格会使Abaqus难以确定接触关系。

7. 使用一阶单元

如果接触属性为“硬”接触，则不能使用六面体二次单元（C3D20和C3D20R），以及四面体二次单元（C3D10）,而应尽可能使用六面体一阶单元。如果无法划分六面体，可使用修正的四面体二次单元（C3D10M）。

8. 正确定义主从面

如上接触对的定义所述

9. 避免过约束

如果节点在某个自由度上同时定义了两个以上的约束，就会出现过约束。在检查模型时，应该检查边界条件、连接单元、子模型边界和各种约束。

10. 摩擦系数

对摩擦的计算会增大收敛的难度，摩擦系数越大，就越不容易收敛。因此如果摩擦对分析结果影响不大，可直接指定摩擦系数为0。

11. 解决振颤问题

主要考虑主面足够大，保证从面节点不会滑出主面或落到主面的背面；使用自动过盈接触限度（automatic overclosure tolerance）会有助于解决振颤问题；主面应足够平滑。

12. 减小初始时间增量步

如果模型中有塑性材料，或分析过程会发生很大的位移或局部变形，或施加载荷后会使接触状态发生很大的变化，则应指定较小的初始增量步。