abaqusO形环接触表面初始过盈的几种处理方法

O形环接触表面初始过盈的几种处理方法

本文以O形环为例，介绍Abaqus接触表面初始过盈的几种处理方法

初始过盈原因

接触定义中，接触面可能在分析开始时就有部分干涉，即初始过盈。其由不同原因引起，CAD模型较差导致零件之间的重叠，或离散误差导致，如图中2两个圆，同样半径的接触几何图形被不同单元尺寸离散，它们以不同的方式偏离原来的圆形边。

初始过盈还有一个原因是干涉。在实际中，干涉部分在初始位置时就会变形，产生应力和应变。

初始过盈解决方法

Abaqus中，主要有2种方法解决初始过盈问题：无应变调整、设置过盈配合。

无应变调整

无应变调整即移动从面上的节点，以消除初始过盈，不会产生任何应力或应变。这种方法适用于非预期的过盈，模型在第一个分析步0位置时移动节点，改变了网格，如果干涉部分过大，会产生网格扭曲。

设置过盈配合

设置过盈配合后，在从面节点移动到非干涉位置的过程中，有对应的应力和应变产生。这个方法适用于预期过盈。在第1个分析步0位置时，接触从面的节点不进行调整，在第1个增量步中开始进行过盈求解。

ABAQUS设置

上述两种方法在不同接触属性中的处理方式不同。

通用接触

一般情况下，通用接触中使用无应变调整处理小的初始过盈。Abaqus自动判断主面和从面，确定一个限定值来调整小过盈量，超过此限定值的过盈部分不会被调整。例如，图3中使用通用接触的默认设置，只调整了一个节点。

图3 使用默认设置的通用接触

可通过定义和指定接触初始化任务，更改限定值。在“Edit Interaction”对话框中，指定初始化任务，如图4所示。

图4  通用接触初始化任务

点击“Edit Interaction”对话框的初始化任务后面的铅笔图标，将新创建的接触初始化任务分配给一对表面。选择所需的表面和接触初始化任务，并按图5所示创建任务，可根据需要对多个面集批量处理。

图5 将通用接触初始化分配给一对表面

本例中，定义两个面集用于O形环的边接触。如果在从面中超过一个单元与主面发生干涉，那么过盈单元就会变成内部单元，无法参与分析。

图6 增加限定值后设定的通用接触

无应变调整是通过定义通用接触的初始化任务完成，类似于忽略过盈的方式。

当设置过盈配合时，在第一个增量步中逐步消除过盈，变形部分会逐步产生应力和应变 (如图7)。

图7 指定过盈配合的通用接触

接触对

定义接触对接触时，通常采用设置过盈配合量来消除过盈量，但当O形环发生偏移（图8）， Abaqus就不能再定义过盈配合。

图8 偏移O形环

这种情况下，可以在第一个分析步中逐步解决过盈的问题。在第一个分析步中，打开“Edit Interaction”对话框，点击选项“Interferencefit”(图9)。

图9  过盈量设置

在Interference Fit Options对话框中，不能用默认设置。选择“Gradually remove slave node overclosure during the step”，然后，Abaqus自动调整干涉部分，不用指定过盈量。

图10  分析步中逐步调整重叠部分

以上设置可以使Abaqus解决初始过盈问题。

图11 逐渐解决初始过盈的问题

还可以使用无应变调整来解决过盈问题，使用“Edit”对话框。“SlaveAdjustment”选项卡中， 默认设置为“No adjustment”(图12)。

图12 接触对的无应变调整

选择“Adjust only to remove overclosures”，删除过盈点，但保留小间隙。还可选择"Specify tolerance for adjustment zone”设置一个调整公差，在公差范围内的所有从属节点将被移到主面上。最后一个选项是“Adjust slave nodes in set”，在从面上的指定集合中的有节点都被移动到主面上，没有在该集合中的节点不会移动，因此初始过盈仍然可能存在。

检查模型的受压情况

不仅要知道O形环在调整初始过盈时是如何变形的，还要知道其受压情况。要做到这一点，需要使用Abaqus中的压力渗透选项。对于一个面对面接触，压力渗透只在接触压力为0的接触面上定义。如果压力使接触点分离，接触压力在另一个节点上变成零，压力就会渗透，也会被应用到那个节点上。

在本例中，为了承受压力引起的大变形，O形环需要更精细的网格。O形环的每一面都有一个面对面接触。在分析的第一步中，设置如上文所述的过盈配合并且增加了一个分析步设置压力渗透。对于每个接触对，都需要设置压力渗透选项。

图13 压力渗透的选项

在已经明确主面和从面的情况下，在最初施加压力的地方选择一个区域。在本例中，选择图14中箭头所示的区域，压力会自动渗透到O形环接触的点，此时必须指定流体压力，即在非接触区域施加压力，本例中选择5 MPa的流体压力

图14 压力渗透接触定义

在此例中，需要定义场输出PRESS，它是由压力渗透而施加在表面上的压力。可以显示压力的位置以及流场大小。

结果

如图15所示，设置过盈配合后的模型变形形状如图15所示。

图15 设置过盈配合后的模型应变情况

当施加压力时，O形环被推到角落里。PPRESS很好地显示了施加压力的区域，但是在一开始时很难确定接触情况。

图16 压力应用于未变形区域(左)和变形(右)的PPRESS结果图

总结

1. Abaqus可以用无应变调整或设置过盈配合的方法来解决初始过盈；

2. 通用接触和接触对接触采取不同的处理方法；

3. 在两种情况中，当压力只作用在部分接触表面，但是不作用于整个接触中时，有必要设置压力渗透选项。